Aplicaciones de fibra de carbono en ascensores y transporte vertical

Un ascensor es una máquina que pasa toda su vida luchando contra su propio peso. Cada kilogramo de coche, marco, puerta y cuerda debe ser acelerado, reforzado y frenado miles de veces al año, y cada kilogramo de contrapeso debe ser suspendido por encima del eje. Es por eso que la industria del transporte vertical se ha convertido silenciosamente en uno de los mercados más interesantes para los compuestos de fibra de carbono: una vez que disminuye la masa móvil, disminuye el tamaño del motor, disminuye el consumo de energía, se alarga la vida útil de la cuerda y la polea, y toda la máquina se vuelve más rápida y sencilla al mismo tiempo. Este artículo examina dónde se utilizan la fibra de carbono, la fibra de aramida y la fibra preoxidada en ascensores, escaleras mecánicas y la industria del transporte vertical en general, y cómo un comprador o un ingeniero debe especificarlas.

1. La cinématica del peso en el transporte vertical

Comience con la aritmética de un ascensor contrarrestado. El motor de tracción solo tiene que mover la diferencia entre la masa del coche y el contrapeso, más los pasajeros. Reduzca la masa del coche y la eslinga, y el contrapeso se puede reducir en la misma cantidad, de modo que el motor, el freno, las poleas, los rieles de guía y las cargas estructurales se reduzcan juntos. Un ahorro de unos pocos cientos de kilogramos en el conjunto móvil se convierte en un ahorro de mucho más de una tonelada en la máquina global.

1.1 Por qué la masa en movimiento decide todo lo demás

El consumo de energía, la corriente máxima, el tamaño del freno, el diámetro de la cuerda y la cabecera del eje son todos aguas abajo de la masa móvil. En un edificio de altura la masa móvil está dominada por el sistema de suspensión en sí mismo, y en un ascensor doméstico la masa móvil importa porque todo el producto debe encajar en una estructura doméstica sin una sala de máquinas. Ambos extremos del mercado están tirando en la misma dirección: estructuras más ligeras y miembros de suspensión más ligeros.

1.2 Donde el diseño convencional de la máquina golpea una pared

La cuerda de acero es una solución madura y no desaparecerá, pero tiene una relación fija entre el diámetro, la carga de rotura y la masa por metro. Los ejes más altos significan cuerdas más largas, y una cuerda más larga no solo pesa más, sino que se estira más y necesita más tracción. A cierta altura del eje, la masa de la cuerda por sí sola se convierte en una parte significativa de la carga. Los bastidores de automóviles de acero son fuertes pero pesados, los acabados de aluminio pesan pero son suaves y sensibles a la fatiga en las juntas, y ambos materiales necesitan protección contra la corrosión en ejes húmedos y entornos marinos.

1.3 Lo que la industria necesita de un material

El material estructural ideal para un elevador es rígido, fuerte, tolerante a la fatiga, dimensionalmente estable, no corrosivo, no magnético y compatible con el fuego. También debe ser fácil de laminar en marcos y fácil de mecanizar en soportes. El polímero reforzado con fibra de carbono cubre la mayor parte de esa lista, y los dos huecos que deja, a saber, el rendimiento a temperatura en un fuego de eje y el comportamiento de impacto en algunos componentes, se llenan por fibra preoxidada y fibra aramida respectivamente.

2. Miembros de suspensión de fibra de carbono y cinturones

El éxito más visible de la fibra de carbono en la industria no es un panel de coche o una puerta. Es el cinturón plano que suspende el elevador, y la familia de miembros de tensión compuestos que ha crecido alrededor de él.

2.1 Cuerdas compuestas y cinturones planos

Una correa de acero recubierta con un núcleo de elementos de tensión de fibra de carbono reemplaza varias cuerdas convencionales con un único elemento plano. El núcleo de fibra de carbono soporta la carga con muy poco estiramiento, lo que permite una polea de tracción más pequeña y un motor más pequeño, y la camisa de uretano proporciona tracción y protege al núcleo del desgaste. Debido a que el cinturón es mucho más ligero que el acero que reemplaza, la energía necesaria para mover el sistema de suspensión en sí mismo cae, y el cinturón dura bien en una instalación adecuadamente alineada sin sala de máquinas.

2.2 Cables de viaje ligeros

El cable de viaje que sigue al coche transporta energía y comunicación a una masa en movimiento, por lo que su propio peso es una penalización que aparece como resistencia adicional, rozamiento y fatiga en el radio de curva. Los diseños de cables que utilizan miembros de resistencia de fibra de alta resistencia reducen la masa y mejoran la vida flexible, y la fibra aramida es una opción común donde la dureza importa tanto como la rigidez. Reducir la masa del cable de desplazamiento también reduce el contrapeso que debe proporcionarse para compensarlo.

2.3 Opciones del gobernador y la cuerda de seguridad

Los sistemas de seguridad y gobernadores están regidos por códigos y aprobaciones, por lo que la sustitución compuesta es más lenta allí que en las partes estructurales. Cuando se usa un miembro de tensión compuesto, el requisito crítico es el comportamiento documentado de deslizamiento y fatiga bajo carga sostenida, porque un elemento de suspensión que se relaja durante una década no es aceptable. Los proveedores que trabajan en estas piezas proporcionan datos de ruptura de deslizamiento, curvas de fatiga de tensión-tensión y resultados de flexión sobre polea en lugar de solo una carga de rotura a corto plazo.

3. Estructuras de coches, marcos de eslinga y plataformas

Por encima del cinturón y alrededor de las puertas hay una segunda oportunidad más grande. Cada panel y marco retirados del coche reduce la carga sobre la suspensión y los rieles de guía.

3.1 Marcos de coches y paneles de plataforma

Las eslingas y plataformas de automóviles son estructuras laminadas o pultrudadas, y la placa de fibra de carbono, el tubo y el perfil pultrudado permiten un marco rígido con grosores de pared mucho por debajo de un equivalente de acero. La mayor rigidez específica significa que la desviación bajo carga se controla con menos material, y la superficie no corrosiva mantiene la estructura estable en un eje húmedo. Los paneles sándwich con pieles de fibra de carbono y un núcleo resistente al fuego dan una plataforma plana y rígida y un panel de pared que también lleva el acabado interior.

3.2 Puertas, muebles y muebles de aterrizaje

Las puertas de aterrizaje y de coches se encuentran entre las partes más cicladas de cualquier instalación. Un panel de puerta de fibra de carbono es lo suficientemente ligero para reducir el trabajo del operador y el motor y lo suficientemente rígido para permanecer plano después de años de uso, y la estructura compuesta no se embolsa o oxida como la chapa de acero. Los alrededores de aterrizaje, paneles indicadores, barandillas y muebles de eje se benefician de la misma combinación de rigidez, baja masa e inmunidad a la corrosión, y la naturaleza no magnética del material evita interferencias con la detección de posición.

3.3 Paquetes de ascensor y sala de máquinas

En el segmento residencial y pequeño comercial las limitaciones son diferentes y el caso de los compuestos es aún más claro. Un ascensor doméstico debe entrar en una escalera existente, necesita una unidad compacta y un coche ligero porque la estructura de soporte nunca fue diseñada para un ascensor. Los tubos de fibra de carbono y las placas mecanizadas permiten a un fabricante construir un marco delgado y autoportante que se puede montar en el sitio, y los componentes de fibra pre-oxidados manejan las tareas de aislamiento y barrera contra incendios alrededor de la unidad y los paneles del automóvil.

4. Equipo de sala de máquinas y componentes de accionamiento

La sala de máquinas, o el espacio de maquinaria compacto de un elevador sin sala de máquinas, contiene partes giratorias y alternativas donde la inercia reducida y la resistencia a la corrosión pagan.

4.1 Carcasas, soportes y ejes de accionamiento del motor

Un eje de accionamiento de fibra de carbono reduce la inercia rotacional y aumenta la primera frecuencia natural de flexión, lo que ayuda a una máquina de tracción sin engranajes a funcionar en silencio. Los bastidores del motor, los soportes de montaje y las placas de cama de la máquina en fibra de carbono reducen la masa en la estructura de la cabeza del eje y eliminan la necesidad de pintar y galvanizar. Debido a que el material no es magnético, puede usarse cerca del circuito magnético sin distorsión del campo.

4.2 Bordas y componentes de guía

Los zapatos de guía, las carcasas de guía de rodillos y los elementos estructurales de un conjunto de polea son candidatos para la fibra de carbono donde la rigidez y la baja masa son importantes. Los rodillos y componentes de guía se benefician de la fibra aramida en capas de desgaste e impacto, ya que la aramida es excepcionalmente resistente y no abrasiva para la superficie del carril. Ambos materiales se encuentran en casa en un entorno de eje porque ninguno se corroe cuando se forma condensación en una mañana fría.

4.3 Componentes de la escalera mecánica y caminatas móviles

Las balaustradas de escaleras mecánicas, los componentes de escalones y paletas, las estructuras de guía de barandillas y los muebles de placa de peine funcionan durante décadas en edificios públicos donde tanto la apariencia como el costo de mantenimiento son importantes. Los perfiles y paneles de fibra de carbono dan una estructura rígida, ligera y estable, mientras que la fibra aramida agrega tolerancia al impacto en los puntos expuestos y la fibra preoxidada proporciona la barrera contra el fuego detrás del revestimiento y alrededor de los componentes de accionamiento.

5. Fuego, térmico y deberes materiales de seguridad

El transporte vertical es un producto de seguridad de la vida, por lo que las decisiones materiales están limitadas por códigos y por las consecuencias de un fallo. Los materiales compuestos responden a esas limitaciones cuando el grado específico y la evidencia de prueba se eligen deliberadamente.

5.1 Realidades de prueba de incendios para interiores de coches

Las paredes, techos, pisos y puertas de los automóviles están sujetos a requisitos de rendimiento contra incendios, y la solución compuesta es un sistema en lugar de un solo material. Una piel de fibra de carbono puede combinarse con un núcleo resistente al fuego y una capa intumescente o mineral, y se pueden añadir revestimientos de fibra preoxidada donde cuenta la no combustibilidad. La clave es probar el conjunto a medida que se instalará, ya que un laminado que pase solo puede no pasar con el adhesivo y el acabado utilizados en la producción.

5.2 Fibra preoxidada en frenos y tareas térmicas

La fibra preoxidada es un material resistente a la llama que no se funde ni se funde a temperaturas de servicio, y se utiliza como refuerzo de almohadillas de freno, como aislamiento térmico alrededor de los componentes de la máquina, como barrera detrás de los paneles y como se siente dentro del espacio de la maquinaria. También se mantiene bien en las condiciones de polvo y vibración de una armadura de escalera mecánica, donde la lana mineral puede asentarse y comprimirse con el tiempo.

5.3 Fibra de aramida en protección contra impactos y ráfagas

Cuando una falla liberaría energía, la fibra de aramida se gana su lugar como capa absorbente de energía. Se utiliza en revestimientos protectores alrededor de equipos de accionamiento, en protección contra impactos para muebles de eje expuestos y en envolturas de contención para componentes presurizados o de alta energía. La tela aramida también es una opción natural para equipos suaves como eslingas de elevación, cubiertas de eslingas y mantas protectoras usadas durante la instalación y renovación de ascensores, donde una parte metálica no debe rascarse un interior acabado del coche.

6. Matriz de selección de materiales para el transporte vertical

La matriz a continuación asigna el punto de trabajo en un sistema de transporte vertical a la forma de producto que le convenga y al material convencional que usualmente reemplaza.

6.1 Lectura de la matriz

Lea cada fila como un paquete en lugar de una sola compra. La forma del producto, la razón por la que se elige y la solución convencional que reemplaza pertenecen juntos, y la mayoría de las instalaciones combinan varias filas a la vez. El valor comercial de un solo proveedor es mayor cuando las correas, los perfiles estructurales, los paneles, los fieltros y los textiles de protección llegan con documentación consistente y entrega coordinada, porque el ascensor se monta en una secuencia fija y un artículo faltante detiene toda la construcción.

7. Especificación, prueba y certificación

El transporte vertical está regulado, y los materiales compuestos entran en la industria a través de la prueba marcada por la puerta. Un proveedor que entienda que hará que el proceso de aprobación del comprador sea más corto.

7.1 Estándares, códigos y el rastro del papel

Las piezas compuestas para ascensores están calificadas según la norma de seguridad de ascensores aplicable para la región y según las normas de materiales y incendios para el conjunto en su conjunto. En la práctica, un paquete de proyectos incluye certificados de materiales con trazabilidad de lotes, informes de pruebas mecánicas y físicas, informes de pruebas contra incendios para el conjunto terminado y, cuando corresponda, datos de deslizamiento y fatiga. La coherencia entre los certificados y los lotes de producción importa tanto como los números mismos, porque una sustitución en la cadena de suministro puede invalidar una aprobación.

7.2 Ensayos de fatiga, flexión y tracción

Un elemento de suspensión en un ascensor podría ver millones de ciclos de carga a lo largo de su vida útil, y una puerta podría ciclar cientos de veces al día durante dos décadas. Por lo tanto, las pruebas se centran en la fatiga de tensión-tensión para los miembros de suspensión, la fatiga de flexión sobre el diámetro de polea realmente utilizado y las pruebas de ciclo de bisagras, rodillos y pestañas en paneles móviles. Las pruebas de tracción y desgaste de una correa recubierta se realizan en la geometría real de la polea, porque la vida útil de la correa es una propiedad del sistema en lugar de una propiedad del material.

7.3 Inspección durante una larga vida útil

Los componentes compuestos se inspeccionan mediante un examen visual, pruebas de grifo y, en su caso, métodos ultrasónicos o radiográficos. El producto más útil en la entrega es una línea de referencia documentada: registros de lotes de materiales, dibujos construidos, registros de alineación y par y fotografías de juntas críticas. Con una línea de referencia en la mano, cada inspección posterior se vuelve más rápida y cada decisión sobre reparación o reemplazo se basa en evidencia en lugar de una suposición.

8. Por qué Tanchain para Programas de Transporte Vertical

Un proyecto de transporte vertical necesita un socio material capaz de cubrir las tareas estructurales, de suspensión y de seguridad sin perder la coherencia entre ellas. Tanchain fabrica filamento de fibra de carbono, fibra grapadora, tela, prepreg, tubo pultrudado, perfil y placa mecanizada para el marco compuesto, panel, núcleo de correa y alcance del componente de accionamiento, junto con filamento de aramida, fibra grapadora y tela para impactos, desgaste y tareas textiles de protección, y fibra preoxidada, filamento, hilo, fieltro y tela para aislamiento a alta temperatura, refuerzo de frenos y barreras contra incendios.

Ese rango significa que un único pedido de compra puede cubrir una eslinga de automóvil, un conjunto de paneles interiores, una placa de cama de la máquina, una especificación del núcleo de la correa, un fieltro de barrera contra incendios y un conjunto de eslingas de instalación, con documentación consistente y programación coordinada. Los certificados de materiales, la trazabilidad de lotes y los datos técnicos se proporcionan como estándar, y nuestro equipo apoya la etapa de especificación con la selección del producto y la guía de aplicación.

Navegue por la gama de productos de fibra de carbono, fibra de aramida y fibra preoxidada de Tanchain, o envíenos un diseño de coche, datos de eje y ciclo de trabajo. Nuestro equipo de ingeniería revisará la masa móvil, la disposición de la suspensión y los requisitos de seguridad contra incendios, recomendará los formularios de producto para cada sección del sistema y proporcionará un paquete de material completo para la aplicación de transporte vertical, desde el miembro de suspensión hasta el aislamiento detrás del panel del coche.