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El elevador más rápido: una competencia en alta tecnología

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Figura 2: Visualización de flujo DPIV de un modelo de automóvil con parte superior e inferior esféricas

Cómo las carreras de velocidad y altura en las industrias de los ascensores y la construcción han contribuido a la solución de muchos problemas y predeterminado el edificio de una milla de altura.

Durante las últimas dos décadas, hemos visto una tendencia creciente en la construcción de edificios de gran altura servidos por ascensores de súper o incluso de ultra alta velocidad. Primero se presenta una descripción general de estos edificios y ascensores, seguida de una revisión de las altas tecnologías asociadas con la implementación de tales instalaciones. Aparentemente, es una competencia abierta entre los fabricantes de ascensores para intentar el clímax tecnológico.

Por qué la velocidad eleva

Durante el siglo pasado, ha sido una tendencia global que las personas tienden a trasladarse para trabajar y vivir en ciudades que continúan creciendo para convertirse en áreas metropolitanas donde hay uno o más núcleos urbanos, a menudo llamados distritos comerciales centrales (s). ) (CBD). Las firmas de estos CBD son poblaciones densas, bienes raíces costosos y buenos sistemas logísticos, pero siempre con el problema de la congestión de tráfico grave durante las horas pico. Como el CBD está abarrotado de gente, por supuesto, está abarrotado de edificios. La única forma de aumentar la población de un CBD, al menos durante el horario de oficina, es construir edificios de gran altura.

De la Tabla 1, es evidente que se necesitan ascensores más rápidos para dar servicio a estos edificios, ya que las unidades viajan distancias más largas, tanto en términos de lanzadera express (con un par de paradas) como de ascensores de servicio de zona. Como profesionales técnicos, debemos ser un poco más cuantitativos para comprender la razón. Por lo tanto, revisemos la famosa ecuación del tiempo de ida y vuelta (RTT) de un viaje típico en ascensor durante la hora punta de la mañana.[1]

El elevador más rápido: una competencia en la ecuación 1 de alta tecnología

Un sistema de control de supervisión de ascensores eficiente se esfuerza por reducir el RTT para aumentar la capacidad de manipulación (HC), porque son inversamente proporcionales. En la ecuación, P se refiere al número de pasajeros dentro del automóvil y tp se refiere al tiempo promedio que tarda cada pasajero en entrar o salir del automóvil. P depende del tamaño del automóvil, que muy a menudo está limitado por el área del piso del edificio. ts se refiere al tiempo de parada con respecto a cada piso, que consiste en el tiempo de actuación (T) menos el tiempo para transitar dos pisos adyacentes por debajo de la velocidad nominal (tv). H se refiere a la historia de inversión más alta del viaje de ida y vuelta (solo una cifra estadística), que aumenta en valor junto con la altura del edificio. S es el número esperado de paradas durante el viaje de ida y vuelta, que es incontrolable a menos que se solicite el control de asignación de llamadas de pasillo / destino para agrupar a los pasajeros en el mismo destino para reducir significativamente S. Por lo tanto, una forma efectiva de minimizar el RTT es hacer tv más pequeño, porque en la ecuación, 2H es mucho más grande que (S + 1). Por definición, tv = ref/ v, donde df es la distancia entre pisos y v es la velocidad nominal del ascensor. Una v más grande (es decir, una velocidad más alta) implica una t más bajav.

Los récords de velocidad que se encuentran en la Tabla 2 ya se han roto con la construcción de la Torre de Shanghai (ELEVATOR WORLD, julio de 2013). Tres de los 106 ascensores que sirven a la torre tienen una velocidad nominal de 1,080 mpm durante un viaje ascendente, pero solo 600 mpm durante un viaje descendente. Además, se instalaron allí algunos de los ascensores de dos pisos más rápidos del mundo, a una velocidad nominal de 600 mpm.

El 21 de abril, Hitachi anunció que los ascensores más rápidos del mundo con una velocidad de 1,200 mpm se instalarán en el Centro Financiero CTF de Guangzhou de 530 m de altura (EW, junio de 2014). Estas unidades viajarán a una altura de eje de 440 m desde el primer piso hasta el piso 95 en aproximadamente 43 s. Sin embargo, son solo dos de un total de 95 ascensores que dan servicio a todo el edificio. Un edificio de gran altura es siempre un hito de una megaciudad, así como un gran espectáculo por parte del propietario del edificio; naturalmente, la instalación de ascensores ultrarrápidos para un edificio de este tipo también es una demostración del nivel tecnológico del fabricante. Este artículo revisará las tecnologías desarrolladas para facilitar tales ascensores de súper o ultra alta velocidad.

Conduzca

Como el motor de un automóvil, el motor principal de un ascensor es la máquina de propulsión / tracción. Los elevadores de 1,010 mpm en Taipei 101 son impulsados ​​cada uno por un motor de máquina síncrona de imán permanente (PMSM) de 650 kW con dos juegos de devanados del estator y un convertidor / inversor de gran capacidad, que puede soportar una carga máxima del eje de 77 T. [5] La máquina de accionamiento / tracción que se instalará para el elevador de 1,200 mpm que sirve al Centro Financiero CTF de Guangzhou también es del tipo PMSM. Las máquinas de tracción tradicionales son del tipo de inducción, pero para los elevadores de velocidad ultrarrápida, los devanados pasivos de jaula de ardilla dentro del rotor deben reemplazarse por imanes permanentes montados en la superficie, mientras que los devanados del estator se parecen más a los de tres cilindros estándar. -Motor de inducción de fase. En este caso, el campo magnético asociado al rotor es intrínseco; no es producido por el campo magnético del estator y, por lo tanto, tiene una eficiencia mucho mayor debido a una menor pérdida de cobre en el rotor y una mayor intensidad del campo magnético del rotor. Su par es, por tanto, mucho mayor. Más importante aún, las relaciones de potencia a peso y de par a corriente aumentan significativamente, lo que hace que los variadores PMSM sean adecuados para tales aplicaciones. Además, los variadores PMSM pueden operar en un rango de velocidad más amplio con un par constante, algo que requieren los elevadores. La razón por la que se necesita un motor de súper alta potencia para un elevador de velocidad ultra alta se debe a las siguientes ecuaciones simplificadas:

El elevador más rápido: una competencia en la ecuación 2 de alta tecnología

Aquí, J es el momento de inercia de todo el sistema que está siendo impulsado; ω es la velocidad de rotación del rotor en la unidad de rad / s., que es proporcional a la velocidad del automóvil; TD es el par motor proporcionado por el estator; TL es el par de carga, que incluye la resistencia aerodinámica; y P es la potencia disipada para impulsar el rotor, que es casi equivalente a la potencia consumida por el motor en su conjunto. Durante el funcionamiento, TD es casi constante; por tanto, P es proporcional a ω. Por lo tanto, en aceleración, cuanto más rápido es el automóvil, mayor es el consumo de energía del motor. En funcionamiento a velocidad nominal, la potencia consumida es mucho menor, porque TD es solo igual a TL, aunque P sigue dependiendo de la velocidad.

Aerodinámica y forma del automóvil

Al igual que los trenes que se mueven a altas velocidades en túneles, el mismo problema con la aerodinámica debe abordarse en la ingeniería de ascensores, pero el problema es a veces más serio debido a la relación relativamente menor entre el área de la caja de ascensor y el área de la cabina. El ruido aerodinámico y la vibración excesiva (particularmente dentro del rango sensible al ser humano de 1-80 Hz) debido a la fuerza de arrastre ejercida sobre el automóvil que asciende a ultra alta velocidad, deben mitigarse. A principios de la década de 1990, dos equipos de investigación japoneses llevaron a cabo trabajos experimentales preliminares para determinar la mejor forma del automóvil. [4 y 8] Estudiaron el ruido mecánico generado en el contacto entre el automóvil y los rieles guía, así como el debido al flujo de aire alrededor del vehículo. coche dentro de un hueco estrecho. Se descubrió que el ruido aerodinámico aumentaba en proporción a la quinta a la sexta potencia de la velocidad del aire alrededor del automóvil; por lo tanto, cuanto mayor sea la velocidad del automóvil, mayor será el nivel de ruido. Estaban usando un enfoque de túnel de viento, en el que el automóvil estaba parado en el aire en movimiento.

Su autor y sus socios de investigación realizaron una serie de simulaciones reales de automóviles en movimiento utilizando cuatro modelos de automóviles cilíndricos con diferentes formas de partes superiores e inferiores (planas, esféricas, cónicas y parabólicas) que se mueven en un eje cilíndrico de unos 10 m de altura con velocidades de hasta 780 mpm. (Figura 1). Se probaron dos relaciones de bloque (relación entre el área de la sección transversal de la cabina y el área del eje) y diferentes relaciones abiertas (el área de las aberturas en los dos terminales del eje y la relación entre el área del eje).[7] El sistema de estimación de presión y velocidad de imagen de partículas digitales (DPIV), que es una técnica de medición óptica plana que mide la velocidad de las partículas sembradas en el aire (alrededor de 1 a 50 micrones de tamaño) sobre un plano utilizando una cámara de dispositivo de carga acoplada, fue adoptado (Figura 2). Se midieron la presión del aire y la distribución de la velocidad en la parte delantera del automóvil, y la conclusión excluyó los diseños de parte superior e inferior planas para una operación de tan alta velocidad. La prioridad de favor es parabólica, seguida de esférica y cónica. El techo y la parte inferior de la cápsula aerodinámica utilizada en Taipei 101 también tiene forma parcialmente parabólica,[5] pero el coche tenía que ser rectangular para encajar en el eje rectangular.

Además de la consideración externa, el control de la presión atmosférica y el ruido en el automóvil es de suma importancia para la comodidad de los pasajeros. Hay una diferencia de presión atmosférica de 48 hPa entre el nivel del suelo y el piso 89 de Taipei 101. El automóvil es hermético y todos los huecos están sellados con un barómetro en el automóvil bajo control continuo por medio de un soplador. [6] Durante un viaje ascendente, el cambio de presión en el automóvil se limita a 1.26 hPa / s. con control atmosférico, frente a 2 hPa / s sin él. Un cambio rápido de presión durante un viaje en ascensor de alta velocidad genera incomodidad para los pasajeros en términos de bloqueo de los oídos y sonido amortiguado. Se desarrolló un método para medir el desplazamiento y el movimiento de la membrana timpánica de los pasajeros utilizando el método de forma a partir de sombreado. [2] Se concluyó que el tímpano generalmente sobresale hacia adentro durante el descenso, y el límite del desplazamiento promedio del tímpano es de aproximadamente 2 mm cuando la sensación de oído bloqueado empeora. Finalmente, todavía hay un silbido debido al flujo de aire o el soplador a alta velocidad alrededor del automóvil transmitido al interior a través del canal de ventilación. La cancelación de ruido es necesaria para mantener el automóvil en silencio.

Vibración Mecánica

Hay dos tipos de vibración mecánica: vertical y horizontal. La vibración vertical del elevador se debe normalmente a la vibración lateral y al movimiento elástico durante la aceleración y desaceleración de los cables de elevación. [5] Se ha introducido un servo sistema y un cancelador de ondulación para contrarrestar la vibración debida a la elasticidad de la cuerda y los componentes de ondulación del par motor. La instalación de supresores contra la deflexión del cable y el mecanismo de reducción de la velocidad del automóvil durante el balanceo del edificio pueden mejorar la vibración debido al movimiento lateral de los cables de elevación. Además de los cables de elevación, la vibración de los cables de compensación también es una preocupación para las aplicaciones de ascensores de ultra alta velocidad, porque la oscilación de baja frecuencia de la estructura del edificio puede excitar los cables de compensación. El riesgo se vuelve alto cuando hay una resonancia entre la frecuencia natural de las cuerdas de compensación y la del edificio durante un terremoto o un clima ventoso, lo que resulta en grandes desplazamientos de las cuerdas, porque las cuerdas de compensación normalmente están sometidas a tensiones bajas y a menudo sufren grandes -amplitud, vibraciones de baja frecuencia. Las frecuencias naturales de estas cuerdas aumentan al disminuir la longitud.[3] Se sugirieron dos soluciones imperfectas: un aumento del peso del conjunto de la polea compensadora y un aumento de la velocidad de la cabina del ascensor.

La vibración horizontal del elevador se debe a pequeñas curvas, curvas y golpes en los rieles de guía. Para compensar eso, se desarrolló un amortiguador de masa activo (AMD) que involucra un sensor de aceleración para monitorear la vibración horizontal y un peso móvil impulsado por un motor lineal.[6] Los amortiguadores de masa sintonizados (absorbedores de armónicos) se instalan con frecuencia en la parte superior de los rascacielos, que están configurados para moverse para contrarrestar las oscilaciones de la estructura del edificio debido al viento y los terremotos por medio de resortes, sistemas hidráulicos o péndulos. Uno sirve a Taipei 101 en el nivel del piso 87/88, aunque es bastante poco común que se aplique un amortiguador de este tipo a la cabina de un ascensor. Al encender el AMD, la vibración lateral podría reducirse en 2-3 cm / s.2. Dicho esto, se debe cuidar la fuente de vibración lateral, y eso implica un nuevo tipo de guía de rodillos para que la fuerza general del riel de guía sea absorbida completamente por resortes blandos unidos a los rodillos, mientras que la fuerza impulsiva es absorbida por un peso equilibrado para disminuir la vibración en un 25% a 10 Hz y un 65% a 30 Hz.

Dispositivos de seguridad

El sistema de frenado de emergencia de un ascensor es su dispositivo de seguridad número uno. Cuando un automóvil a plena carga en movimiento descendente con una velocidad un 15% superior a la nominal se frena repentinamente, el paracaídas debe absorber toda la energía cinética inicial instantánea (0.5 mv2) de todo el sistema mecánico, además de una mayor liberación de energía potencial a lo largo de la distancia de frenado. Esta energía se disipa en los zapatos de seguridad del equipo de seguridad. Para el dispositivo de seguridad en Taipei 101, la velocidad de funcionamiento diseñada es de 1,275 mpm con un peso máximo aplicable de 22.7 T, mientras que la energía máxima de frenado es de 13.7 MJ. La temperatura de la superficie del zapato puede ser de hasta 1,000 ° C, lo que requiere características especiales de resistencia al calor y al desgaste.[5] Al mismo tiempo, se adoptará un nuevo tipo de regulador, en el que se montan bolas ligeras directamente dentro de la polea motriz para que giren juntas para detectar una situación de exceso de velocidad.

En cuanto a los amortiguadores de aceite, de acuerdo con la norma internacional, la carrera mínima posible será al menos igual al doble de la distancia de frenado por gravedad, correspondiente al 115% de la velocidad nominal (es decir, 0.135 v2, donde v se mide en mps). Por lo tanto, la carrera de un búfer convencional para el elevador de velocidad ultrarrápida en Taipei 101 debe ser 0.135 (1.15 * 600/60)2 = 18 m, porque la velocidad de desplazamiento descendente se reduce a 600 mpm. En lugar de perforar un pozo profundo, se usa un amortiguador de aceite telescópico de tres etapas para que la longitud total se pueda reducir en un 40% (basado en un diseño de velocidad de choque máxima de 679 mpm y una masa máxima aplicable de 11.4 T). Luego, se realiza una longitud total de 10 m con una carrera de 6 m.

Conclusión

En este momento, es difícil predecir el límite máximo de velocidad en el futuro. Sin embargo, volvamos a la propuesta de 1956 de Frank Lloyd Wright sobre la construcción de un edificio de 1 milla de altura, el Illinois, con una altura de 1,609 m. Suponga que se usa una tasa de aceleración / desaceleración de 1.2 mps2, cómoda y tolerable para los pasajeros normales, para el elevador que da servicio a este edificio y se desea el menor tiempo de viaje, del suelo al techo. La velocidad máxima alcanzada en el piso medio, 805 m sobre el suelo, sería de 44 mps y el tiempo total de viaje sería de 73 s. Según los datos del Council on Tall Buildings and Urban Habitat (CTBUH), la Kingdom Tower en Jeddah, Arabia Saudita, probablemente se completará en 2019 con una altura de 1,000 m, mientras que el récord mundial de altura de edificios en 2000 fue inferior a 500 m. En otras palabras, el récord mundial se habrá duplicado dentro de 20 años. No podemos descartar la posibilidad de que el edificio de una milla de altura se realice cerca de 2030. Para entonces, una revolución en el récord de velocidad del ascensor es inexorable.

Referencias
[1] Barney, GC y Dos Santos, SM Análisis, diseño y control del tráfico de ascensores, Peregrinus en nombre de IEE, Londres, 1985.
[2] Funai, K .; Hayashi, Y .; Koizumi, T .; y Tsujiuchi, N. “Análisis del comportamiento de la membrana timpánica y la incomodidad por la presión del oído en ascensores de alta velocidad”, EW, abril de 2006.
[3] Kaczmarczyk, S. “The Dynamic Response of Elevator Compensating Ropes in High-Rise Buildings”, EW, julio de 2009.
[4] Matsukura, Y .; Watanabe, E .; Sugiyama, Y .; y Kanamori, O. “Nuevas técnicas mecánicas para ascensores de súper alta velocidad”, Tecnología de ascensores 4, Actas de ELEVCON, IAEE, 1992.
[5] Munakata, T .; Kohara, H .; Takai, K .; Sekimoto, Y .; Ootsubo, R .; y Nakagaki, S. “The World's Fastest Elevator”, EW, septiembre de 2003.
[6] Nakagawa, T .; Nakamura, M .; Matsuo, S .; y Togashi, N. “La inspección de ascensores de 1010 m / min en el edificio Taipei 101 7 años después del inicio de la operación”, Elevator Technology 19, Actas de ELEVCON, IAEE, 2012.
[7] Shen, GX; Entonces, A .; y Bai, HL "Trabajos de investigación sobre elevadores de alta velocidad", EW, abril de 2004.
[8] Teshima, N .; Miyasako, K .; y Matsuda, H. “Estudios numéricos y experimentales sobre ascensores de velocidad ultrarrápida”, Tecnología de ascensores 4, Actas de ELEVCON, IAEE, 1992.
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El Dr. Albert So es miembro de la junta ejecutiva y asesor científico de la Asociación Internacional de Ingenieros de Ascensores (IAEE). También es el secretario académico de la rama IAEE HK-China y profesor invitado honorario de la Universidad de Northampton en el Reino Unido. Es miembro del Grupo Asesor Técnico de Elevator World, Inc., y tiene su sede en Seattle.

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