Estudio sobre un sistema de reducción de vibraciones para guías de rodillos elevadores

Un diseño que prioriza la compatibilidad y mejora las guías de rodillos pasivos existentes para reducir los niveles de vibración a bajo costo

Este documento se presentó por primera vez en el XI Simposio sobre tecnologías de ascensores y escaleras mecánicas (ascensorsimposio.org).

El mantenimiento y la sustitución de las guías de los rodillos elevadores requieren tiempo y esfuerzo. Por lo tanto, si se pueden extender su vida útil, se pueden obtener ventajas como una frecuencia de mantenimiento reducida, reducción de costos y confiabilidad mejorada. En esta investigación, sus autores proponen guías de rodillos que logran una larga vida útil al cambiar el material del rodillo para proporcionar comodidad y durabilidad en la conducción. Este artículo mostrará cómo disminuir la vibración de la cabina del ascensor mediante la construcción de un modelo analítico para calcular la respuesta del historial de tiempo de la cabina del ascensor y verificar el efecto de control de la vibración mediante una simulación que incorpora elementos de resorte y amortiguación basados ​​en los resultados experimentales. A través de enfoques analíticos y experimentales, se propondrá un diseño para una guía de rodillos con una comodidad de conducción y una durabilidad óptimas dentro del rango de las normas de seguridad.

Introducción

El número de ascensores ha ido en aumento en los últimos años, debido a la inversión en instalaciones para la construcción de edificios de gran altura mediante la remodelación en áreas urbanas, iniciativas sin barreras y necesidades de modernización y reemplazo. Es probable que la demanda aumente aún más debido al impacto de los países emergentes y la remodelación. Las guías de rodillos forman parte del sistema de guía del bastidor de la cabina y las propiedades de amortiguación elástica de la zapata de guía de rodillos (neumático de rueda). Si se incluyen, los elementos amortiguadores de resorte adicionales proporcionan un control pasivo de la vibración a través de un mecanismo instalado entre el riel en el hueco del ascensor y la cabina en el que la persona viaja y desempeña el papel de moverse suavemente hacia arriba y hacia abajo, mientras se suprime la vibración. 

Hay escasez de recursos humanos responsables del mantenimiento de los ascensores. Dado que las guías de rodillos requieren mantenimiento y reemplazo, se considera significativo extender su vida útil (durabilidad) para reducir la frecuencia, el costo y la confiabilidad del mantenimiento. Si los rodillos se endurecen para aumentar la durabilidad, la comodidad y el ruido se deteriorarán. En este estudio, el problema de vibración y abrasión en las guías de los rodillos está enfocado y dirigido a examinar las condiciones de especificación de las guías de los rodillos para lograr tanto comodidad como durabilidad. Específicamente, se realizan experimentos para investigar las propiedades mecánicas y la durabilidad de las guías de rodillos.

Guías de rodillos

Gran parte de la vibración en una cabina en movimiento se atribuye a la distorsión del riel guía instalado en el hueco del ascensor. La figura 1 muestra la estructura de la cabina. La principal causa de distorsión es la baja precisión durante la instalación.^{[ XNMUX ]} o distorsión debido a la edad,^{[ XNMUX ]} y los ascensores existentes requieren una renovación drástica para su mejora. La distorsión del riel guía se propaga dentro de la cabina, a lo largo de las guías de los rodillos, el marco y los soportes de goma. La Figura 2 muestra las guías de rodillos reales utilizadas para las investigaciones experimentales y analíticas.

Las guías de rodillos que se manipulan aquí están compuestas por un resorte helicoidal, un brazo de control y un rodillo circular. El material de la parte del rodillo es caucho natural, pero se agrieta y eventualmente se desprende debido al desgaste. Es común implementar a fondo el reemplazo preventivo para aumentar la dureza y la durabilidad como contramedida.

Esta investigación se centra en los problemas de durabilidad y vibración de las guías de los rodillos. Después de reemplazar el material de la parte del rodillo para asegurar la durabilidad, se examinan las condiciones de especificación de la guía del rodillo compatible con la comodidad de conducción. Mediante procesos analíticos y experimentales, se puede crear un diseño de guía de rodillos que logra una comodidad y una durabilidad óptimas en la conducción, al tiempo que cumple con las normas de seguridad. Las guías de rodillos activas son efectivas para suprimir significativamente las vibraciones. Los fabricantes están desarrollando estas guías, pero son costosas y difíciles de ajustar.^{[ XNMUX ]}

En este estudio se desarrolla el sistema de guías de rodillos que prioriza la compatibilidad y mejora las guías de rodillos pasivos existentes para reducir los niveles de vibración a bajo costo. En la investigación, el nivel de vibración en el que los pasajeros no se sienten incómodos es la aceleración cuadrática media (RMS) de 0.1 m / s.².^{[ XNMUX ]} También establece un desplazamiento lo más pequeño posible sin hacer contacto con otras estructuras como límite permisible. Las guías de rodillos utilizadas en este estudio tienen poca planitud (Figura 2). Dado que se espera un cambio en las características mecánicas debido al desplazamiento, se realizó una prueba de carga utilizando un servoactuador hidráulico. Además, el rodillo de elastómero de uretano con una dureza del estándar JIS-A de 95 ° tiene una excelente resistencia al desgaste. (Este material también se utiliza en guías de rodillos para vías férreas de sistemas de transporte público, sistemas de tránsito de guías automáticas y montañas rusas). Este rodillo se hizo un prototipo y se realizó el mismo experimento.

Análisis de la vibración del automóvil

Modelo analítico

Se construyó un modelo analítico que imita una máquina de paseo real para seis personas para calcular la vibración lateral del elevador en funcionamiento.^{[ XNMUX ]} En este modelo, la vibración se transmite desde la rugosidad del riel a la cabina a través de la guía de rodillos, el resorte helicoidal, el marco y los soportes de goma.^{[ XNMUX ]} se calculan. Se construyó un modelo analítico de ocho grados de libertad (8-DOF) para calcular el movimiento horizontal de los cuatro rodillos y el movimiento horizontal y la rotación del bastidor y la cabina. El centro de rotación es el mismo para el bastidor y la cabina. Las ondas de la misma forma de onda se introducen en los rodillos superior e inferior con una diferencia de tiempo. No se incluyó la aceleración / desaceleración del ascensor. La Figura 3 muestra el modelo analítico 8-DOF. Se utilizó MATLAB2020a para el análisis. La figura 4 muestra una descripción general del modelo.

Las ecuaciones 1-8 muestran la ecuación de movimiento de este modelo. Las variables utilizadas son:

• Un: desplazamiento de entrada

• Krn: rigidez del rodillo

• CRN: coeficiente de amortiguación del rodillo

• mr: masa de rodillo

• xrn: desplazamiento de rodillo

• n: cada número (1-4)

• ks: rigidez del muelle helicoidal

• cs: coeficiente de amortiguación fijado al muelle helicoidal

• k1: rigidez del soporte de goma superior

• c1: coeficiente de amortiguación del soporte de goma superior

• k2: rigidez del soporte de goma inferior

• c2: coeficiente de amortiguación del soporte de goma inferior

• m: masa del marco

• xf: desplazamiento del marco

• f: rotación del marco

• Jf: Momento de inercia en cuadro

• w1 y w2: ancho del marco

• h1 y h2: altura del marco

• M: masa de la cabina

• x: desplazamiento de cabina

• θ: rotación de la cabina

• J: momento de inercia en cabina

• W1 y W2: ancho de la cabina

• H1 y H2: altura de la cabina

En el análisis de respuesta real, las siguientes variables se sustituyen por las variables anteriores: m = 1200 kg, w1 = 0.9 m, w2 = 0.9 m, h1 = 1.5 m, h2 = 1.5 m, M = 1000 kg, W1 = 0.75 m , W2 = 0.75 m, H1 = 1.25 m, H2 = 1.25 mm, k1 = 400 N / mm, k2 = 400 N / mm, k2z = 2000 N / mm, c1 = 400 N ･ s / mm y c2 = 400 N ･ s / mm.

Características mecánicas de la guía de rodillos de modelado 

El desplazamiento de respuesta del rodillo de caucho de uso común y el rodillo de uretano prototipo con mayor dureza, la rigidez y la dependencia del coeficiente de amortiguación de la frecuencia de vibración y el desplazamiento se investigan en los siguientes experimentos. Características mecánicas de las guías de rodillos en un experimento de carga.^{[7 y 8]} Se investiga el uso de un servoactuador hidráulico y se evalúa una prueba de funcionamiento con un aparato de prueba en miniatura. Las figuras 5 y 6 muestran los resultados. Los coeficientes de dureza y amortiguación del rodillo de uretano son aproximadamente tres veces los del rodillo de goma. Además, se confirmó la dependencia de la amplitud, que es una característica del elastómero de uretano con una dureza del estándar JIS-A de 95 °. 

Las funciones de dependencia para las características mecánicas de las guías de rodillos en dependencia de amplitud y dependencia de frecuencia se obtienen a partir de los resultados del experimento. Eq. 9-12 muestra las características mecánicas de las guías de rodillos. Estas fórmulas se derivan de la dependencia de la amplitud y la dependencia de la frecuencia obtenida de la prueba de carga de la guía de rodillos. Por lo tanto, en esta fórmula, si la frecuencia y la amplitud arbitrarias se sustituyen como variables, se calculan la rigidez y el coeficiente de amortiguación en una condición arbitraria. Aquí, xi = desplazamiento de la onda de entrada en mm, y fi = frecuencia de vibración en Hz.

Resultado analítico

El efecto de reducción de vibraciones de la cabina se verifica utilizando el modelo analítico presentado anteriormente. Aunque la velocidad de funcionamiento está configurada para ser arbitraria en el modelo analítico, esta vez se estableció en 105 m / min como velocidad media. La velocidad de funcionamiento afecta las curvas de los rieles y el intervalo de separación. La Figura 7 muestra la forma de onda de entrada. 

Es difícil medir la rugosidad del riel. En cambio, la onda sintética se utilizó para simular varias irregularidades de rugosidad en el riel. Dado que el componente principal de la forma de onda es 5 Hz a la izquierda y 2 Hz a la derecha, el parámetro fi que afecta la rigidez y la amortiguación del rodillo se ajusta a estas frecuencias dominantes. El parámetro xi cambia momento a momento de acuerdo con el desplazamiento de la entrada. El desplazamiento máximo de la rugosidad del carril es de 0.1 mm. Las entradas de onda a los rodillos superior, inferior, izquierdo y derecho. Además, se sintetizó una onda sinusoidal que simulaba una distorsión máxima del carril de 3 mm en un lado, y se sintetizó el espacio de 0.5 mm en ambos lados. Aceleración en el suelo de la cabina; desplazamiento, xy rotación, , de la cabina se obtienen mediante análisis de respuesta. 

La Figura 8 muestra la forma de onda de vibración cuando se instalan un rodillo de goma y un rodillo de uretano. La instalación de rodillos de uretano mejora la resistencia más que los rodillos de goma, pero la comodidad de conducción puede deteriorarse, por lo que es necesario considerar el concepto de amortiguación de todo el sistema. Las fluctuaciones periódicas de desplazamiento y rotación son los efectos de la distorsión del carril. En el siguiente paso, se instala un resorte helicoidal entre el rodillo y la cabina para reducir la vibración de respuesta. 

Las figuras 9 y 10 muestran la verificación de las características mecánicas óptimas y la forma de onda de vibración a lo largo del tiempo. La respuesta máxima de la rigidez del resorte helicoidal se estableció para que fuera menor que la de la rigidez del rodillo. Bajo la condición, la rigidez que satisface la aceleración RMS de 0.1 m / s² está en el rango de 800 N / mm. Se intentó reducir la vibración agregando sustancialmente amortiguación al resorte helicoidal. Como resultado, se confirmó la reducción de la aceleración RMS con una relación de amortiguación del 7.5%. La Tabla 1 compara el RMS y la aceleración máxima en cada condición. La aceleración RMS al usar el rodillo de goma se estableció en 100% y se expresó como el nivel de reducción de vibraciones. Como resultado, la aceleración RMS se redujo hasta en un 60% al agregar el resorte helicoidal en las condiciones de análisis de este tiempo.

Experimento de conducción utilizando un sistema de prueba en miniatura 

El experimento con el levantamiento real es costoso y requiere mucho tiempo, y no es realista repetir la prueba de durabilidad. En este estudio se fabricó el probador de reducción para guías de rodillos y se realizó una prueba de funcionamiento. El equipo de experimentación consta de un disco que imita la rugosidad del carril y una placa de hierro que imita la cabina. El tamaño de este equipo es 1129 X 930 X 710 mm. La vibración horizontal de la cabina y la durabilidad del rodillo se verifican colocando una guía de rodillo en un disco y haciéndolo funcionar. La figura 12 muestra la descripción general del equipo experimental. La transmisión de vibraciones al superar la proyección se simula colocando una cinta de ajuste de 10 mm de ancho en el disco y ejecutándolo. El grosor de una pieza de cinta de ajuste es de 0.1 mm y se puede apilar cualquier número de ellas. La cabina puede girar libremente en las direcciones horizontal y rotacional por medio de guías lineales y cojinetes. Un acelerómetro (KYOWA AS2GB) y un registrador de datos (TEAC es8) se colocaron en el centro de la cabina y el registro se realizó a una frecuencia de muestreo de 1000 Hz. El modelo analítico es una combinación del marco y la cabina del modelo introducido en el "Modelo analítico" anterior. Las ecuaciones (1) a (4) son las mismas que el modelo presentado en esa sección, pero la ecuación de la parte de masa es diferente. La Figura 11 muestra el modelo analítico 6-DOF. 

Las ecuaciones (13) y (14) muestran la ecuación de movimiento en la parte de masa. Los parámetros utilizados son: m = 15 kg, w1 = 0.125 m, w2 = 0.125 m, h1 = 0.115 my h2 = 0.115 m:

La Figura 13 muestra la forma de onda de entrada y los resultados del análisis y la prueba. La forma de onda que reproducía la protuberancia se introdujo en el programa de análisis de la máquina real y se comparó con los resultados de la prueba. Al comparar los resultados del experimento y el análisis, los períodos de forma de onda máxima se desplazan. Probablemente esto se deba a que la rotación del disco es inestable debido al par insuficiente del motor de inducción en el equipo. Aunque existen otras diferencias en los niveles de aceleración que se cree que se deben al método de montaje de laminillas, la reproducibilidad es generalmente buena y se puede utilizar para desarrollar elementos como rodillos y resortes. En el futuro, se considera la realización de un experimento de verificación para verificar el valor óptimo calculado mediante el modelo de análisis y la realización de una prueba de durabilidad de guías de rodillos de diferentes materiales.

Conclusión

Se realizó un análisis de simulación utilizando un modelo de análisis 8-DOF para mejorar la durabilidad de las guías de los rodillos y mejorar el efecto de reducción de vibraciones. Como resultado, se confirmó que la vibración se puede reducir suficientemente al 87.7% como máximo mediante el uso del resorte helicoidal y la amortiguación, incluso si se usa el rodillo endurecido para mejorar la durabilidad. La aceleración en este momento es mucho menor que 0.1 m / s.², y se piensa que se puede realizar un viaje cómodo para los pasajeros.

Esta vez, la rigidez del resorte helicoidal se calculó dentro del rango de menos de 800 N / mm. En general, el peso de la cabina es más ligero y la respuesta tiende a ser mayor cuando el número de pasajeros es menor que cuando el ascensor está lleno. La aceleración RMS es menor que el estándar 0.1 m / s², incluso cuando no hay carga. El punto clave para la reducción de la vibración cuando se usa un rodillo de uretano con mayor durabilidad es el ajuste del resorte helicoidal. Además, al agregar amortiguación, es posible suprimir aún más la aceleración RMS mientras se mantiene la misma aceleración máxima. En el levantamiento real, la carrera del resorte helicoidal es limitada, porque el marco no hace contacto con otras estructuras. Teniendo en cuenta la desviación de la posición de conducción y una perturbación como un terremoto, se establece que la rigidez sea mayor que el valor que puede suprimir la vibración en el análisis en la mayor medida posible. Además, la forma de onda utilizada en la simulación es un poco peor que la esperada en la máquina real, pero puede satisfacer suficientemente la comodidad de conducción.

Además, se fabricó un dispositivo de prueba de reducción para guías de rodillos para la prueba de durabilidad. Aquí, se reprodujo la rugosidad del riel, incluidas las protuberancias, colocando calzas en la superficie del dispositivo. Al comparar los resultados de la prueba de funcionamiento con los resultados de la simulación del modelo analítico, la reproducibilidad es generalmente buena y se puede utilizar para desarrollar elementos como rodillos y resortes.

En el futuro, se realizará un experimento de durabilidad de la guía de rodillos utilizando un probador de reducción y verificando el efecto de reducción de la vibración del resorte helicoidal con amortiguación. Al instalar el resorte, se puede esperar que reduzca en gran medida tanto la aceleración como el desplazamiento. Debería ser particularmente eficaz en situaciones en las que la rugosidad del carril es mala (rugosa), como se verifica mediante simulación. Además, se investigará la respuesta en un proceso de conducción desde el arranque hasta la parada, incluido el aumento / disminución de la carga / excentricidad.

Agradecimientos

El modelo analítico 8-DOF utilizado en el artículo se construyó en cooperación con Yuya Tase y Reoya Namiki de la Universidad Denki de Tokio. El rodillo de uretano utilizado fue producido por Ohtsu Chemical Co., Ltd. El probador de reducción para las guías de rodillo utilizadas fue producido por SEC Elevator Co., Ltd. Los autores desean expresar su agradecimiento por el apoyo.

Referencias

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[3] Naoaki Noguchi, Atsushi Arakawa, Koichi Miyata, Takuya Yoshimura y Seiichi Shin. "Estudio sobre el control activo de la vibración para ascensores de alta velocidad", Revista de diseño y dinámica de sistemas, Vol. 5, núm. 1, pág. 164-179 (2011).

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[7] Kazuhito Misaji, Hideki Kato y Koichi Shibata. "Análisis de vibraciones de aisladores de vibraciones de caucho de vehículos utilizando el modelo de fuerza de restauración del tipo de función de potencia", Transacciones de la Sociedad Japonesa de Ingenieros Mecánicos Serie C, Vol. 60, núm. 578, pág. 679-685 (1994).

[8] Satoshi Fujita, Osamu Furuya, Yoji Suizu, Yasuhiro Kasahara, Takayuki Teramoto y Haruyuki Kitamura, "Control de vibraciones de edificios de gran altura con amortiguadores de goma de alta amortiguación (segundo informe, pruebas de carga y fórmula de diseño para cilindros de alta Amortiguador de goma de amortiguación), ” Transacciones de la Sociedad Japonesa de Ingenieros Mecánicos Serie C, Vol. 61, núm. 585, pág. 1885-1890 (1995).

yosuke shima es estudiante de un curso de maestría en Ingeniería Mecánica en la Universidad Denki de Tokio. Investiga la reducción de la vibración de la cabina del ascensor.