Dikey Taşımacılıkta Yeni Kavramlar Tasarlama ve Geliştirme Metodolojileri

Yürüyen merdiven tasarımı, modelleri ve metodolojileri bu makaledeki kilit noktalardan birkaçıdır.

Juan David Cano-Moreno, José María Cabanellas Becerra, Jesús Félez Mindán ve Carlos Labajo Tirado tarafından

Yürüyen merdivenler ve yürüyen yollar, bir asırdan daha eski bir temel tasarıma sahip çok gövdeli sistemlerdir. Gelişmiş metodoloji, her iki sistemin herhangi bir alt sisteminin çalışılmasına ve iyileştirilmesine izin verir. Ayrıca, gerçek inşaatın gerekliliği ve maliyeti olmadan yeni konseptler geliştirilebilir ve test edilebilir. CITEF (İspanyol Demiryolu Teknolojileri Araştırma Merkezi), dört yılı aşkın bir süredir yürüyen merdiven modellemesi yapmaktadır. Statik, kinematik ve dinamik yürüyen merdiven davranışını karakterize etmek için çeşitli karmaşık ve yenilikçi modeller geliştirilmiştir. Yürüyen merdivenlerin birçok mekanik elemanı modelleme görevini karmaşık hale getirir. Ancak, bunu otomatikleştirmek, hesaplama ve zaman maliyetlerinden tasarruf etmek için metodolojiler ve araçlar geliştirilmiştir. Geliştirilen metodolojiler, dinamik bir modelden gerçek ölçümler ve simüle edilmiş çıktılar karşılaştırılarak doğrulanmıştır.

Giriş

Modern yürüyen merdiven tasarımı, 100 yıldan daha eski icatlardan gelmektedir. İlk patent, 1859'da eşkenar üçgen şeklindeki döner merdiven için Nathan Ames'e verildi (Şekil 1).[3] Kaldırma mekanizmalarının müteakip patentleri hızla tasarıma yaklaştı. GA Wheeler, JM Dodge ve Charles Seeberger gibi mucitlerin birkaç yürüyen merdiven patenti vardır.[5] 1900 Paris Dünya Fuarı'nda J. Reno'nunki de dahil olmak üzere dört farklı yürüyen merdiven türü sergilendi (Şekil 2).

Şimdiye kadar, temel mekanik tasarım değişmedi. Bu nedenle yürüyen merdivenler bir meta haline geldi. Ancak son patentler izlenecek yeni çizgileri göstermektedir ve mobil etekle ilgili bazı patentlerde erişilebilirlik ve güvenlik mevcuttur.[7] Hareketli etek, yürüyen merdivenlerin sabit ve hareketli kısımları arasında sıkışmaları önlemek için tasarlanmıştır. Diğer patentler, devirlerde ve geçiş bölgelerinde hız poligonizasyonunu en aza indirmeye çalışır. Poligonizasyon önleyici cihazlar, zincir bileşenlerinin yaşam döngüsünü artırır ve titreşim ve gürültü seviyelerini azaltır.

Öte yandan yürüyen merdiven davranış simülasyonu henüz keşfedilmemiş bir alandır. Teknik kaynakçada sadece birkaç model bulunabilir.[1-3 & 8] CITEF, deneysel maliyetleri azaltmak ve yenilik ve iyileştirme süreçlerini hızlandırmak için çalışmalarını simülasyon modellerine odaklamaktadır.

Temel Yürüyen Merdiven Tasarımı

Yürüyen merdivenler, belirli bir yol boyunca sürekli bir hareket sağlamak için bir döngü içinde hareket eden bir dizi adım içerir. Basamaklar, bir tahrik mekanizması ile etkileşime giren çok sayıda makara dahil olmak üzere iki sürekli makaralı zincir bağlantısı döngüsüne (her bir tarafta bir tane) bağlıdır. Konvansiyonel sistemler dişli tahriklidir. Makaralı zincir baklaları hareket ettikçe basamaklar istenildiği gibi hareket eder. Her adım, adımın her bir yan kısmındaki (iç ve dış makaralar) iki makaraya bağlanır. Makaralı zincire sadece dış makaralar aittir (Şekil 4). Her ikisi de iki farklı kılavuz tarafından yönlendirilir. Zincir, kayar kılavuzlar ve yatay yönde çalışan iki önceden yüklenmiş yay kullanılarak alt bölgede gerilir.

Doğru bölgelerde çalışan lineer çekiş sistemlerinde bazı patentler olsa da, üst bölgedeki dişli tahrik sistemi geleneksel çekiş sistemidir. Dış silindirler iki dişli çarka geçer (Şekil 5).

Yürüyen Merdiven Simülasyon Modelleri

Yürüyen merdiven iyileştirmeleri geçerliliklerini yalnızca deneysel olarak göstermiştir. Bu, yüksek bir kaynak ve zaman maliyeti olduğunu ve dolayısıyla evrimi için bir darboğaza neden olduğunu varsayar. Bu süreci hızlandırmak için statik, kinematik ve dinamik modeller geliştirilmiştir. Tüm modeller, önceki makalelerde kısmen açıklanan tam bir metodolojinin parçasıdır.[3]

Statik Modeller

Bazı modeller Matrix Laboratuvarı (MATLAB) yazılımında maksimum kuvvet değerlerinin nerede olduğu ve zaman ve kılavuz boyunca dağılımının nasıl olduğu hakkında fikir edinmek için programlanmıştır. Ayrıca, bu modellerin kinematik çıktıları vardır. Örneğin, zincir-bağ hatve etkisi üç farklı uzunluk için incelenmiştir: 0.405 mm, 0.225 mm ve 0.165 mm (Şekil 6). Makara kılavuzu tepki kuvveti ve zincir-bağlantı boyuna kuvvetleri, daha düşük devir için temsil edilir. Sonuçlar, zincir baklası adımı azaldıkça zincir baklası boyuna kuvvetinin sabit olma eğiliminde olduğunu ve reaksiyon kuvveti değerinin azaldığını göstermektedir.

Bu program herhangi bir geometriyi simüle edebilir; bu nedenle, sağlam tasarımlar elde etmek için parametreli devir veya tam kılavuzlar tanıtılabilir. Teğet bir düz çizgi ile birleştirilmiş iki dairesel bölge olarak tanımlanan bir dönüş, iki yarıçapı ve düz çizgi ile yatay bölge arasındaki açıyı değiştirerek incelenmiştir (Şekil 7).

Bu tasarım hakkında bazı sonuçlara varmak için faktöriyel tasarım ve istatistiksel işlemler kullanılmıştır. Kümeleme ve çok değişkenli doğrusal regresyon teknikleri kullanılmıştır. Şekil 8, bazı devir geometrilerini ve karşılık gelen çıktıları göstermektedir.

Kinematik Modeller

Çoğu kinematik model, statik ve dinamik modellerde de simüle edilmiştir. Bu modeller yeni tasarımlar için bir canlılık filtresi olarak kullanılmıştır. Girişim analizi, yeni konsept geliştirmelerinde önemli ve temel bir aşamadır. CITEF, iki ana amacı olan modeller geliştirmiştir:

• Mevcut tasarımların analizi
• Yürüyen merdivenlerde yeni konseptlerin geliştirilmesi

Bu modeller CATIA yazılımı ile tasarlanmış ve simüle edilmiştir. Kinematik davranış sadece basitleştirilmiş modellere ihtiyaç duyar. Şekil 9, üç adım, iki kılavuz ve makaraları ve zincir bağlantılarıyla temsil edilen geleneksel bir yürüyen merdiven modelini göstermektedir. Bu tür bir model, kullanıcıların yürüyen merdivenin tüm ana kinematik çıktılarını elde etmelerini sağlar:

• Adım/silindir, doğrusal/açısal, hız/ivme
• Mekanik elemanların tüm parçaları arasında parazit analizi
• Tasarım ve güvenlik kriterleri nedeniyle iki bitişik adım arasındaki minimum mesafe dikkate alınmalıdır (Şekil 10). UNE EN-115, sıkışmaları önlemek için bazı boşluklar için sınırlar belirler. Ayrıca bu mesafeler, normal çalışma nedeniyle gelecekteki deformasyonlar da dahil olmak üzere tolerans tasarımından daha fazla olmalıdır.
• Atalet özellikleri dinamik modellerin girdisi olarak elde edilebilir: kütle, ağırlık merkezi ve atalet momentumları

Bu çıktılar, hareket yasalarını kullanarak, kılavuz şekilleri tasarlayarak veya zincir baklası hatve etkisini inceleyerek farklı çekiş sistemlerini test etmek için kullanışlıdır. Bu şekilde CITEF, MATLAB'da programlanan ve Visual Basic programlama ortamı kullanılarak CATIA'ya eklenen bazı darbesiz eğrileri gerçeklemiş ve simüle etmiştir (Şekil 11). Hem dairesel hem de darbesiz kılavuz eğrilerle hareketli bir yürüyüş gerçekleştirilmiştir. Bu modeller, doğrusal bir çekiş sistemini simüle eden ve düz bölgelerde sabit bir doğrusal hızı garanti eden bir kanuna sahip açık bir makaralı zincire sahiptir. Zincir bağlantı uzaması, 9 ve 10 makaraları arasındaki minimum mesafe ölçülerek incelenir (Şekil 12). Dairesel kılavuzlar, 50 mm'den fazla bir uzamaya ulaşırken, darbesiz eğriler, zaman içinde bir zincir bağlantı adımına karşılık gelen herhangi bir uzamaya sahip değildir.

dinamik Modeller

Dinamik modelleri yapmak için genel amaçlı çok gövdeli analiz yazılımı kullanılmıştır. Bu durumda seçilen yazılım SIMPACK olmuştur. SIMPACK'i kullanmanın bir nedeni, özel zincir modelleme modülüdür. Ek olarak, CITF, demiryollarının dinamik simülasyonu konusunda uzmanlaşmış olmasına rağmen, herhangi bir çok gövdeli sistemi simüle etmek için bu yazılımı kullanma deneyimine sahiptir. Statik ve kinematik çıktılar oluşturulduktan sonra dinamik sonuçlar, her modelde dinamik bileşenin önemi hakkında bilgi verecektir.

SIMPACK zincir modülü, kullanıcıların şu ana parçaları tanımlayarak bir zincir oluşturmasına olanak tanır:

• Zincir bağlantı adımı
• Zincir bağlantı sayısı
• Zincir ön yükü
• Zincir tipi
• Zincir baklalarının geometrisi ve atalet özellikleri (iç ve dış)
• Dişli çarklar (lider veya tahrikli)
• Tensör kılavuzları
• Takip edilecek sıra ve dönüş hissi (Bu parçaların tanımları ile zincir orta noktaları oluşturulabilir. SIMPACK tüm elemanları başlangıç ​​pozisyonunda birleştirir.)

CITEF, lineer çekiş sistemlerine dayalı bazı tamamen dinamik modeller geliştirmiştir. Bunlar temel SIMPACK yazılımından modellenmiştir. Zaman ve modelleme maliyetlerini en aza indirmek için bazı araçlar hayata geçirilmiştir.[3] Bu otomasyon araçları şunlara yöneliktir:

• Ön işlemci görevleri (Bazı MATLAB programları, bazı geometriler, tekrarlayan özellikler ve varlıklar için SIMPACK okunaklı kodları oluşturarak bazı modelleme problemlerini otomatikleştirmek için geliştirilmiştir.)
• Çıkış işlemleri (Yürüyen merdivenlerin düşük hızı [0.5-0.75 mps] nedeniyle, döngüsel çıkışlar, bir zincir bağlantı adımına karşılık gelen zamanın simülasyonundan yeniden oluşturulabilir. ana dinamik sonuçlar.)

Dinamik Karakterizasyon

CITEF, bir yürüyen merdivenin ana dinamik çıktılarını belirlemiştir (Şekil 17). Bu modeller, parametre varyasyonları gerektiren bazı analizleri otomatikleştirmek için parametrelerle tanımlanmıştır. Bu nedenle, belirli bir modelin dinamik davranışını ve nasıl geliştirilebileceğini belirlemek için duyarlılık analizi ve sağlam tasarım kullanılabilir.

Bu çizgilerin ardından standart hız sapması, değişken gergi istasyonu parametreleriyle istatistiksel olarak incelenmiştir: sertlik, boşaltma ve ön yük. MATLAB programları aracılığıyla SIMPACK'te rastgele yük tanıtılmıştır. En iyi gergi parametrelerini seçmek için sağlam kriterler kullanılmıştır (Şekil 18).

Lineer Çekiş Sistemleri

Bu makalenin açıkladığı gibi, geleneksel çekiş sistemleri esas olarak daha yüksek devirde bulunan bir dişli çarktan oluşur. Bu tip bir çekiş sistemi, geometrik nedenlerden dolayı istenmeyen poligonizasyon etkileri üretir. Sonraki denklemler, dönüş bölgesinden sonraki silindir doğrusal hızının sabit bir açısal hız için sabit olmadığını göstermektedir. Göre değişir:

• Önceki silindirle göreli konum
• Geri dönüş bölgesinin çapı
• Zincir bağlantı adımı

Bu nedenle, bir silindirin lineer hızı denklemde ve V2' varyasyonunun değerlendirilebildiği Şekil 20'de V2' olarak temsil edilmektedir.

Bu çekiş sisteminin ana avantajı, zincir baklası boyuna kuvvetinin maksimuma ulaştığı yerde bulunmasıdır. Bu nedenle, uygun bir ön yük kullanılırsa zincir hiçbir zaman bir sıkıştırma durumuna ulaşmaz. Bu husus, diğer cer sistemi konumları türleri için dikkate alınmalıdır, çünkü gerdirici ön yüküne ve yükün durumuna bağlı olarak, sıkıştırma durumu oluşturulabilir. Doğrusal bir çekiş sistemi ile çekilen bir makaralı zincirin dinamik bir modeli, üç zincir baklası hatvesine eşit bir uzunluk boyunca orantısal bir kontrol sistemi kullanılarak modellenmiştir. Bu sistemin merkezi, yüksek eğimli bölge içinde iki farklı yükseklikte simüle edilmiştir (Şekil 21).

SIMPACK'te uygulanan bu makaralı zincir modeli aşağıdaki ana özelliklere sahiptir:

• Zincir bakla sayısı: 60
• Yürüyen merdiven yüksekliği: 4.5 m
• Zincir bağlantıları: adım başına bir
• Kontrol sisteminin oransal sabiti, Kp: 106
• Nominal hız: 0.5 mps
• Yükle (Program, boş bir yürüyen merdivenin tamamen yüklenene kadar nasıl dolduğunu simüle eder. Tamamen yüklendikten sonra başka bir döngü simüle edilir)
• Döngü süresi: 49 sn.
• Yük/silindir: 980 N (100 kg'lık adım başına bir kişi)
• Gergi ön yükü: 1,500 N

Şekil 22, lineer çekiş sistemi için iki farklı konum yüksekliği için iki döngüden fazla zincir baklası boyuna kuvvet çıktısını gösterir. Düşük yük durumu için zincir baklası asla sıkıştırma kuvvetleri altında değildir; bununla birlikte, zincir tam olarak yüklendiğinde, çekiş sisteminden sonra zincir baklalarının sıkıştırıldığı bir bölge belirir.

Halihazırda, esas olarak zincir bağlantısına bağlanan makaralı pinyon sistemlerine dayalı lineer çekiş sistemleriyle çalışan bazı yürüyen merdivenler var.[9] Tensör yaylarındaki ön yükü artırarak sıkıştırma durumundan kaçınmak kolaydır.

Darbesiz Kılavuzlar

Kılavuz geometrilerinde darbesiz eğriler uygulanırsa, doğrusal çekiş ilginç bir araştırma çizgisidir. CITEF, bu geometrileri makaralı zincirlerin izlediği kılavuzlarda uygulamış ve dinamik avantajlarını bulmuştur. Şekil 24 ve 25, dairesel ve darbesiz kılavuzlar boyunca bir silindirin mutlak doğrusal hızı için dinamik çıktıyı gösterir.

Her iki makaralı zincir de doğrusal bir çekiş sistemi ile çekilir; bu nedenle, daha yüksek eğimli bölge için değerler esas olarak sabittir – yaklaşık 0.5 mps. Hız sapması, genliğinin arttığı alt eğimli bölge boyunca ortaya çıkar ve devirlerde maksimum değerlere ulaşır. Dairesel kılavuzlar, bu değişkenin önemli bir çokgenleştirme etkisine sahiptir. Bu sapma, darbesiz eğriler kullanıldığında önemli ölçüde azalır. Bu modelin hız sapmasını açıklamak için iki ana kaynak vardır: eğrilerin geometrisi (Denklem 1) ve gergi istasyonu yatay yer değiştirmesi.

Dairesel kılavuzlarda olduğu gibi, her iki etki de mevcuttur. Darbesiz kılavuzlar ilkini kaldırarak olumsuz sonuçları sınırlar:

• Makaralı zincir yaşam döngüsünün artması: zincir baklası stres genliğinin (Şekil 26 ve 27) ve makaralı kılavuz reaksiyon kuvvetinin artışı
• Gürültü ve titreşim seviyelerinin azaltılması
• Yolcu konfor seviyesini artırmak
• Azalan sıkışma olasılığı (Zincir bağlantılarının uzaması nedeniyle adımlar arasındaki boşluk artar.)
• Bakım maliyetlerinin azaltılması

Model geçerliliği

Yürüyen merdivenin tamamen dinamik bir modeli, gerçek bir prototipin deneysel ölçümleriyle test edilmiş ve doğrulanmıştır. CITEF, zaman ve frekans alanlarında deneysel ve simüle edilmiş sinyallerin pencerelenmesi ve karşılaştırılması için bazı metodolojiler ve araçlar geliştirmiştir. Modeller arasında, özellikle tutarlılık ve korelasyon katsayılarının %95'in üzerinde değerlere ulaştığı frekansta, her ikisi için de yüksek korelasyon katsayılarına ulaşan yüksek nitel ve nicel korelasyonlar bulunmuştur. Şekil 28-30, ölçülen bir yük, hız ve ön yük durumunun bazı ana çıktılarını göstermektedir.

Sonuç

Sunulan modelleme metodolojisi, yürüyen merdivenlerin davranışını incelemek ve tahmin etmek için güvenilir ve uygun bir yol göstermektedir. SIMPACK modellerinden elde edilen dinamik sonuçlar deneysel ölçümlerle doğrulanmıştır; bu nedenle, yürüyen merdiven dinamiklerini karakterize etmek için simüle edilmiş çıktılar kullanılabilir. Bu metodoloji sayesinde, bir yürüyen merdivenin ana dinamik davranışını belirlemek ve dinamik modellerde kullanılan her parametrenin duyarlılığını analiz etmek mümkündür. Bu tür modellerin parametreleştirilmesi, hızlı değişikliklere ve daha fazla analize izin vermek için gereklidir.

Bu modellerde, çekiş sistemi uzunluğu ve konumu, kılavuz şekilleri, temas ve tensör parametreleri, herhangi bir geometrinin atalet özellikleri vb. gibi önemli konfigürasyon değişikliklerine izin verilir. Bu değişiklikler aşağıdakileri elde etmek için yönlendirilebilir:

• Ana dinamik sonuçlar: hızlanma, kuvvetler, hızlar, temas kuvvetleri vb.
• Mod şekilleri analizi (sistemin tüm parçalarının aynı frekans ve sabit faz ilişkisi ile sinüsoidal olarak hareket ettiği hareket paternleri)
• Çıktıları optimize etmek için parametrik analiz
• Kılavuz veya silindir düzensizlikleri çalışması
• Bileşenlerin yaşam döngüsünü incelemek için hızlandırılmış testler
• Çekiş sistemi senkronizasyon hataları
• Hızlanma çıktılarında kılavuz şekli etkisi
• Yolcu hızlanma seviyeleri gibi konfor parametreleri
• Titreşim ve gürültü analizi

Bu olanaklar, yeni konsept geliştirme için gerekli olan herhangi bir yürüyen merdiven tasarımının inceliğini incelemeye ve iyileştirmeye izin verir. CITEF birkaç yürüyen merdiven ve yürüyen-yürüyüş dinamik modelini modellemiş ve modelleme ve entegrasyon süresi maliyetlerini önemli ölçüde azaltmak için bazı araçlar geliştirmiştir. Bu araçlar gerçek ölçümlere göre test edilmiş ve doğrulanmıştır. Bu nedenle, bu araçlar, deneysel karşılaştırmada simülasyon modelleri ile dinamik olarak çalışılabilecek yeni tasarımların sayısında bir artışa izin verir (gerçek prototiplerde çıktıların oluşturulması ve ölçülmesi). Dinamik simülasyon modelleri zamandan ve maliyetten tasarruf sağlar ve inovasyon sürecini hızlandırır.

Referanslar
[1] José María Cabanellas Becerra, Juan David Cano Moreno, Berta Suárez, José Antonio Chover ve Jesús Félez, “Yürüyen Merdivenleri Geliştirme Yöntemleri,” Asansör Teknolojisi 17: ELEVCON 2008 Bildirileri, s. 22-33, 2008.
[2] José María Cabanellas Becerra, Juan David Cano Moreno, Berta Suárez, José Antonio Chover ve Jesús Félez, “Yürüyen Merdiven Simülasyonu için Gelişmiş Dinamik Modeller,” ELEVATOR WORLD, s. 136-141, 2008.
[3] Nathan Ames, “Döner Merdivenler”, 28076, 1859.
[4] Charles D. Seeberger, "Aufzug mit Endloser, Spiralförmiger Transportbahn", AT2031B, 1900.
[5] GR Strakosch, Dikey Ulaşım: Asansörler ve Yürüyen Merdivenler.: John Wiley & Sons, 1983.
[6] YS Kwon, “Adım Adım Dinamik Analiz”, Makine Mühendisliği-CIME, 1998.
[7] Miguel Angel Gonzalez Alemany, Abdón Muñiz Camblor, José María Cabanellas Becerra ve Juan David Cano-Moreno, “Escalera mecánica. Patent No. P200802887,” P200802887, 2008.
[8] Joerg Ostermeier, Helmut Meyer ve Andreas Stuffel, ABD 2002/ 017905 A1, 2002.
[9] “Zincir Tahrikli Konveyör Aparatı ve İlişkin İyileştirmeler,” 3941/18, 1918.
[10] Juan David Cano-Moreno, José María Cabanellas Becerra, Carlos Labajo Tirado ve Jesús Félez Mindán, “Methodology for Esnek Modeling of Escalator Multibody Systems,” Industrial Simulation Conference, Loughborough (İngiltere), 2009.