Applicazioni della fibra di carbonio in ascensori e trasporti verticali

Un ascensore è una macchina che trascorre tutta la sua vita combattendo il proprio peso. Ogni chilogrammo di auto, telaio, porta e corda deve essere accelerato, rinforzato e frenato migliaia di volte all'anno, e ogni chilogrammo di contrapeso deve essere sospeso sopra l'albero. Ecco perché l'industria dei trasporti verticali è diventata tranquillamente uno dei mercati più interessanti per i compositi in fibra di carbonio: una volta che la massa in movimento diminuisce, le dimensioni del motore diminuiscono, il consumo energetico diminuisce, la vita della corda e della polina si allunga e l'intera macchina diventa più veloce e semplice allo stesso tempo. Questo articolo esamina dove la fibra di carbonio, la fibra aramidica e la fibra pre-ossidata vengono utilizzati in ascensori, scale mobili e nel più ampio settore dei trasporti verticali e come un acquirente o un ingegnere dovrebbero specificarli.

1. La kinematica del peso nel trasporto verticale

Inizia con l'aritmetica di un ascensore controbilanciato. Il motore di trazione deve solo spostare la differenza tra la massa dell'auto e il contrapeso, più i passeggeri. Ridurre la massa dell'auto e della fiagna, e il contrapeso può essere ridotto della stessa quantità, in modo che il motore, il freno, le gabine, le rotaie guida e i carichi strutturali si riducano tutti insieme. Un risparmio di poche centinaia di chilogrammi nell'assemblaggio mobile diventa un risparmio di ben oltre una tonnellata nella macchina complessiva.

1.1 Perché Moving Mass decide tutto il resto

Il consumo di energia, la corrente di picco, la dimensione del freno, il diametro della corda e la testa dell'albero sono tutti a valle della massa in movimento. In un edificio ad alto piano la massa in movimento è dominata dal sistema di sospensione stesso, e in un ascensore domestico la massa in viaggio conta perché l'intero prodotto deve adattarsi a una struttura domestica senza una sala macchine. Entrambe le estremità del mercato stanno tirando nella stessa direzione: strutture più leggere e sospensioni più leggere.

1.2 Dove la progettazione convenzionale della macchina colpisce un muro

La corda in acciaio è una soluzione matura e non scomparirà, ma ha una relazione fissa tra diametro, carico di rottura e massa per metro. Alberi più alti significano corde più lunghe, e una corda più lunga non solo pesa di più, ma si allunga di più e ha bisogno di più trazione. A una certa altezza dell'albero la massa della corda da sola diventa una quota significativa del carico. I telaio in acciaio sono forti ma pesanti, i rivestimenti in alluminio pesano ma sono morbidi e sensibili alla fatica nelle giunzioni, e entrambi i materiali hanno bisogno di protezione dalla corrosione negli alberi umidi e negli ambienti marini.

1.3 Cosa l'industria ha bisogno di un materiale

Il materiale strutturale ideale per un ascensore è rigido, resistente, tollerante alla fatica, dimensionalmente stabile, non corrosivo, non magnetico e conforme al fuoco. Dovrebbe anche essere facile da laminare in telaio e facile da lavorare in staffe. Il polimero rinforzato con fibra di carbonio copre la maggior parte di quella lista, e i due vuoti che lascia, vale a dire le prestazioni a temperatura in un incendio dell'albero e il comportamento di impatto in alcuni componenti, sono riempiti rispettivamente da fibra pre-ossidata e fibra aramidica.

2. Membri di sospensione e cinture in fibra di carbonio

Il successo più visibile della fibra di carbonio nel settore non è un pannello di auto o una porta. È la cintura piatta che sospende l'ascensore e la famiglia di elementi di tensione compositi che è cresciuta intorno ad esso.

2.1 Corde composite e cinture piatte

Una cintura in acciaio rivestita con un nucleo di elementi di tensione in fibra di carbonio sostituisce diverse corde convenzionali con un unico elemento piatto. Il nucleo in fibra di carbonio trasporta il carico con molto poca elasticità, che consente una paletta di trazione più piccola e un motore più piccolo, e la giacca in uretano fornisce trazione e protegge il nucleo dall'usura. Poiché la cintura è molto più leggera dell'acciaio che sostituisce, l'energia necessaria per spostare il sistema di sospensione stesso diminuisce e la cintura dura bene in un'installazione correttamente allineata senza stanza macchine.

2.2 Cavi di viaggio leggeri

Il cavo di viaggio che segue l'auto trasporta energia e comunicazione ad una massa in movimento, quindi il suo peso è una penalità che si manifesta come resistenza extra, strisciamento e stanchezza al raggio di curva. I progetti di cavi che utilizzano elementi di resistenza di fibra ad alta resistenza riducono la massa e migliorano la vita flessibile, e la fibra aramidica è una scelta comune dove la resistenza conta tanto quanto la rigidità. Ridurre la massa del cavo in viaggio riduce anche il contropeso che deve essere fornito per compensarlo.

2.3 Opzioni governatore e corda di sicurezza

I sistemi di sicurezza e governatori sono regolati da codici e approvazioni, quindi la sostituzione composita è più lenta rispetto alle parti strutturali. Quando viene utilizzato un elemento di tensione composito, il requisito critico è il comportamento documentato di strisciamento e affaticamento sotto carico sostenuto, poiché un elemento di sospensione che si rilassa per un decennio non è accettabile. I fornitori che lavorano su queste parti forniscono dati sulla rottura dello strisciamento, curve di fatica tensione-tensione e risultati di piegatura su sheave piuttosto che solo un carico di rottura a breve termine.

3. Strutture automobilistiche, telaio e piattaforme

Sopra la cintura e intorno alle porte c'è una seconda, più grande opportunità. Ogni pannello e telaio rimossi dalla vettura riduce il carico sulla sospensione e sui binari guida.

3.1 Telaio auto e pannelli piattaforma

Le fiande e le piattaforme automobilistiche sono strutture laminate o pultrudate, e la piastra in fibra di carbonio, il tubo e il profilo pultrudato consentono un telaio rigido con spessori di parete molto inferiori a un equivalente in acciaio. La rigidità specifica superiore significa che la deflessione sotto carico è controllata con meno materiale e la superficie non corrosiva mantiene la struttura stabile in un albero umido. I pannelli sandwich con pelle in fibra di carbonio e un nucleo ignifugo danno una piattaforma piatta e rigida e un pannello a parete che porta anche la finitura interna.

3.2 Porta, soffitto e mobili di atterraggio

Le porte per auto e atterraggio sono tra le parti più ciclistiche di qualsiasi installazione. Un pannello di porta in fibra di carbonio è abbastanza leggero da ridurre il lavoro dell'operatore e del motore e abbastanza rigido da rimanere piatto dopo anni di utilizzo, e la struttura composita non si macchia o ruggine come la lamiera d'acciaio. Gli sbarcatori, i pannelli indicatori, i ringhieri e i mobili a albero beneficiano della stessa combinazione di rigidità, bassa massa e immunità alla corrosione, e la natura non magnetica del materiale evita interferenze con il rilevamento della posizione.

3.3 Ascensore domestico e pacchetti meno macchine

Nel segmento residenziale e piccolo commerciale i vincoli sono diversi e il caso dei compositi è ancora più chiaro. Un ascensore domestico deve entrare in una scala esistente, ha bisogno di un drive compatto e di un'auto leggera perché la struttura di supporto non è mai stata progettata per un ascensore. I tubi in fibra di carbonio e le piastre lavorate consentono a un produttore di costruire un telaio sottile e autoportante che può essere assemblato in loco, e i componenti in fibra pre-ossidati gestiscono i compiti di isolamento e barriera antincendio intorno all'azionamento e ai pannelli dell'auto.

4. Attrezzature della stanza macchina e componenti dell'azionamento

La stanza macchine, o lo spazio macchinario compatto di un ascensore senza stanza macchine, contiene parti rotanti e reciproche in cui sia inerzia ridotta che resistenza alla corrosione pagano.

4.1 Custodie del motore, supporti e alberi di trasmissione

Un albero di trasmissione in fibra di carbonio riduce l'inerzia rotazionale e aumenta la prima frequenza naturale di piegatura, che aiuta una macchina di trazione senza ingranaggi a funzionare in silenzio. I telaio del motore, le staffe di montaggio e le piastre della macchina in fibra di carbonio riducono la massa sulla struttura della testa dell'albero e eliminano la necessità di verniciatura e zincatura. Poiché il materiale non è magnetico, può essere utilizzato vicino al circuito magnetico senza distorsione del campo.

4.2 Borghe e componenti guida

Le scarpe guida, gli alloggi guida rulli e gli elementi strutturali di un assemblaggio a ghia sono candidati per la fibra di carbonio dove la rigidità e la bassa massa sono importanti. I rulli e i componenti guida beneficiano della fibra aramidica negli strati di usura e impatto, poiché l'aramide è eccezionalmente resistente e non abrasiva alla superficie della rotaia. Entrambi i materiali sono a casa in un ambiente albero perché nessuno corrode quando la condensazione si forma in una mattina fredda.

4.3 Componenti delle scale mobili e passeggiate mobili

Le balaustrade per scale mobili, i componenti per gradini e pallet, le strutture di guida delle ringhiere e i mobili a piastra di pettine funzionano per decenni in edifici pubblici dove sia l'aspetto che i costi di manutenzione contano. I profili e i pannelli in fibra di carbonio forniscono una struttura rigida, leggera e stabile, mentre la fibra aramidica aggiunge tolleranza agli impatti in punti esposti e la fibra pre-ossidata fornisce la barriera antincendio dietro il rivestimento e intorno ai componenti di azionamento.

5. Incendio, termico e doveri materiali di sicurezza

Il trasporto verticale è un prodotto di sicurezza della vita, quindi le decisioni materiali sono vincolate da codici e dalle conseguenze di un guasto. I materiali compositi rispondono a questi vincoli quando il grado specifico e la prova sono scelti deliberatamente.

5.1 Realità di prova antincendio per gli interni delle auto

Pareti, soffitti, pavimenti e porte delle auto sono soggetti a requisiti di prestazione antincendio e la soluzione composita è un sistema piuttosto che un singolo materiale. Una pelle in fibra di carbonio può essere combinata con un nucleo ignifugo e uno strato intumescente o minerale, e rivestimenti in fibra pre-ossidata possono essere aggiunti dove conta la non combustibilità. La chiave è testare l’assemblaggio come verrà installato, perché un laminato che passa da solo potrebbe non passare con l’adesivo e la finitura utilizzati nella produzione.

5.2 Fibra pre-ossidata nei freni e nei lavori termici

La fibra pre-ossidata è un materiale resistente alla fiamma e non fusibile che non brucia o si scioglie alle temperature di servizio e viene utilizzata come rinforzo della pastiglia dei freni, come isolamento termico intorno ai componenti della macchina, come barriera dietro i pannelli e come sentito all'interno dello spazio della macchina. Sopporta anche bene nelle condizioni polverose e vibranti di un telaio per scale mobili, dove la lana minerale può depositarsi e comprimersi nel tempo.

5.3 Fibra aramidica nella protezione dagli impatti e dagli esplosioni

Dove un guasto libererebbe energia, la fibra aramidica guadagna il suo posto come strato assorbente di energia. Viene utilizzato in rivestimenti protettivi intorno alle attrezzature di azionamento, in protezione dagli impatti per mobili a albero esposto e in involucri di contenimento per componenti pressurizzati o ad alta energia. Il tessuto aramidico è anche una scelta naturale per attrezzature morbide come le slinghe di sollevamento, le coperte delle slinghe e le coperte protettive utilizzate durante l'installazione e la ristrutturazione degli ascensori, dove una parte metallica non deve graffiare un interno finito dell'auto.

6. Matrice di selezione dei materiali per il trasporto verticale

La matrice sottostante mappa il punto di lavoro in un sistema di trasporto verticale alla forma di prodotto che si adatta a esso e al materiale convenzionale che di solito sostituisce.

6.1 Leggere la matrice

Leggi ogni riga come pacchetto piuttosto che come singolo acquisto. La forma del prodotto, il motivo per cui è stato scelto e la soluzione convenzionale che sostituisce appartengono insieme, e la maggior parte delle installazioni combinano più righe contemporaneamente. Il valore commerciale di un singolo fornitore è maggiore quando cinture, profili strutturali, pannelli, feltri e tessuti protettivi arrivano con documentazione coerente e consegna coordinata, perché l'ascensore è assemblato in una sequenza fissa e un elemento mancante ferma l'intera costruzione.

7. Specificazione, prova e certificazione

Il trasporto verticale è regolato e i materiali compositi entrano nel settore attraverso la prova di prova contrassegnata dalla porta. Un fornitore che capisce che renderà il processo di approvazione dell'acquirente più breve.

7.1 Norme, codici e traccia di carta

Le parti composite per gli ascensori sono qualificate secondo lo standard di sicurezza degli ascensori applicabile per la regione e secondo le norme di materiale e incendio per l'assemblaggio nel suo complesso. In pratica, un pacchetto di progetto comprende certificati di materiale con tracciabilità del lotto, rapporti di prove meccaniche e fisiche, rapporti di prove antincendio per l'assemblaggio finito e, se del caso, dati di creep e affaticamento. La coerenza tra certificati e lotti di produzione conta tanto quanto i numeri stessi, perché una sostituzione nella catena di fornitura può invalidare un'approvazione.

7.2 Prova di stanchezza, piega e trazione

Un elemento di sospensione in un ascensore potrebbe vedere milioni di cicli di carico durante la sua vita, e una porta potrebbe ciclare centinaia di volte al giorno per due decenni. Le prove si concentrano quindi sulla fatica tensione-tensione degli elementi di sospensione, sulla fatica di piegatura sul diametro effettivamente utilizzato e sulla prova del ciclo di cerniere, rulli e serrature su pannelli mobili. Le prove di trazione e usura di una cintura rivestita vengono effettuate sulla geometria reale della poletta, perché la durata della cintura è una proprietà del sistema piuttosto che una proprietà del materiale.

7.3 Ispezione durante una lunga vita di servizio

I componenti compositi vengono ispezionati mediante esami visivi, prove di rubinetto e, se del caso, metodi a ultrasuoni o radiografici. Il risultato più utile al momento della consegna è una linea di base documentata: registrazioni di lotti di materiale, disegni come costruiti, registrazioni di allineamento e coppia e fotografie di giunti critici. Con una linea di base in mano, ogni successiva ispezione diventa più veloce e ogni decisione sulla riparazione o sostituzione diventa basata su prove piuttosto che su un'indovina.

8. Perché Tanchain per i programmi di trasporto verticale

Un progetto di trasporto verticale richiede un partner materiale in grado di coprire i compiti strutturali, di sospensione e di sicurezza senza perdere la coerenza tra loro. Tanchain produce filamento di fibra di carbonio, fibra graffiata, tessuto, prepreg, tubo pultrudato, profilo e piastra lavorata per il telaio composito, pannello, core di cintura e ambito dei componenti di azionamento, insieme a filamento aramidico, fibra graffiata e tessuto per impatto, usura e funzioni tessili protettive, e fibra graffiata, filamento, filato, feltro e tessuto pre-ossidati per isolamento ad alte temperature, rinforzo dei freni e barriere antincendio.

Questa gamma significa che un singolo ordine di acquisto può coprire una slinga automobilistica, un set di pannelli interni, una piastra da letto della macchina, una specifica del nucleo della cintura, un feltro di barriera antincendio e un set di slinge di installazione, con documentazione coerente e pianificazione coordinata. I certificati dei materiali, la tracciabilità dei lotti e i dati tecnici sono forniti come standard e il nostro team supporta la fase di specificazione con la selezione del prodotto e la guida sull'applicazione.

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