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Fune/puleggia usura di contatto: una regolazione fine – Seconda parte

 In Tecnica

Di Nicola ImbimboLeggi la biografia dell’autore
Articolo apparso la prima volta su Elevatori n. 4/2009

Fune/puleggia usura di contatto: una regolazione fine – Seconda parte (clicca qui per leggere la prima parte)

5. Gola di frizione

Viene generalmente accettato il fatto che la gola di frizione è l’elemento deputato alla trasmissione del movimento tra il motore e la fune, ma allo stesso tempo è anche l’elemento che garantisce che un sufficiente livello di forza trattiva sia sviluppata tra la puleggia e la fune: a seconda della forma geometrica (V o U con o senza intaglio), degli angoli di costruzione (g e b) e dallo stato di usura.

Uno studio è stato condotto negli anni 70 da Petkov [10] per verificare la forma reale delle gole di frizione ad U con intaglio.

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Figura 14Gola di frizione a V-con intaglio: parametri geometrici

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Figura 15Forma reale della gola di frizione a “U” con intaglio

Oltre 300 rilevamenti sono stati effettuati su ascensori in esercizio e quello che è stato rilevato è quanto segue: durante il primo periodo di esercizio la forma della gola varia rapidamente e a seguito di questo il diametro della puleggia è ridotto, ma approssimativamente la forma della gola rimane invariata. Tutte le gole di puleggia esaminate erano all’incirca simmetriche, e i loro fianchi avevano un andamento più simile a ellissi ed iperboli invece che a cerchi, come citato nella letteratura per il calcolo della frizione.

5.1 Come l’usura influisce sulla trasmissione della frizione

Anche piccoli cambiamenti dei parametri geometrici originali possono influire sensibilmente sulle performance di frizione, per questa ragione molta attenzione deve essere dedicata alla manutenzione in servizio di questi elementi con verifiche periodiche dei medesimi, per rilevare su base regolare l’entità di usura che si sta sviluppando [6,8].

Nella relazione tra fune e puleggia, entrambi gli elementi sono soggetti ad usura, ma in valore assoluto l’usura della fune è inferiore a quello della puleggia per la seguente ragione: la fune è l’elemento più duro e durante un viaggio dell’ascensore, ogni punto della fune viene in contatto con la puleggia solo una volta, ma ogni punto della puleggia viene in contatto con la fune una volta per ogni rivoluzione. La fase di progettazione richiede che la fune sia considerata come un elemento “rotondo”, che tocca la puleggia di frizione nei punti denominati A e B nella Figura 16.

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Figura 16Processo di usura in una gola di frizione a “V”

Col passare del tempo l’usura di superficie varierà i punti geometrici di contatto, e la fune si scaverà una superficie maggiormente rotonda: questo fenomeno ridurrà l’effetto incuneamento e di conseguenza si manifesterà una riduzione di trazione. Ad un determinato momento, a causa del continuo avviamento e stop dell’ascensore, le funi cominceranno a slittare. Quando questo avviene e lo si rileva con chiarezza, bisognerà tornire o sostituire la puleggia di frizione, per ripristinare le condizioni originali [6,9].

Alcuni studi condotti da Molkow [9] presso l’istituto IFT dell’Università di Stoccarda, hanno dimostrato che funi ben lubrificate sviluppano migliori condizioni di trazione: quando la fune è ben lubrificata, si incunea meglio nella gola di frizione e da questo buon contatto ne risulta un maggior coefficiente di frizione apparente. Questo significa che a seguito della sostituzione delle funi su un impianto, se si notano slittamenti, questi saranno principalmente legati allo stato di usura delle gole di puleggia che non alla “secchezza” delle vecchie funi. L’unico rimedio a questo punto è quello di tornire le gole di puleggia per accogliere le nuove funi correttamente.

Molto rari sono i casi in cui questo fenomeno è causato dalla lubrificazione originale delle funi. Un articolo su questo argomento è stato pubblicato da Major [13] a riguardo della rilubrificazione delle funi in esercizio.

5.2 Pulegge: influenza della materia prima

Non è lo scopo di questo articolo entrare nei dettagli della produzione delle pulegge di frizione, ma verrà unicamente fornita una indicazione sulla materia prima: le pulegge di frizione sono generalmente prodotte in ghisa con l’aggiunta di elementi metallici nella mistura, per garantire la necessaria durezza superficiale.

In casi particolari anche l’acciaio viene aggiunto alla fusione, principalmente per incrementare la resistenza all’usura e per ottenere una più elevata durezza di superficie, o per ottenere migliori risultati nel caso di tempratura delle gole [8]. Quando un ascensore viene progettato, viene effettuata una ipotesi molto forte: il set di funi è equamente tensionato. Sfortunatamente, per svariate ragioni, questo avviene raramente e le funi manifestano differenti comportamenti nei confronti degli allungamenti elastici e permanenti a contatto con le gole di frizione. In un breve periodo questo porterà ad una usura non omogenea del profilo delle gole. La fune non è un buono strumento di tornitura, e la forma della gola di frizione inizierà a diventare irregolare. A questo va aggiunto il fatto che la mistura di fusione della puleggia ha una matrice eterogenea e la fune, nel suo lavoro di tornitura, incontrerà punti più o meno soffici portando nuovamente a una usura non omogenea [6]. Per mantenere l’usura delle pulegge a un livello accettabile, risulta necessario fornire una sufficiente superficie di appoggio alle funi, il che significa che la “pressione specifica” deve essere tenuta in una qualche considerazione.

5.3 Effetto incuneamento dell’intaglio

Per incrementare le prestazioni di frizione delle gole a U, molto spesso questa forma geometrica di gola viene equipaggiata con un intaglio: questo genera un effetto di incuneamento sul corpo della fune portando a un incremento del coefficiente apparente di attrito. Mentre da una parte ci sono dei benefici, bisogna anche considerare gli effetti negativi osservando che la forma reale di una fune non è circolare ma è composta da un certo numero di trefoli: quanto più ampio sarà l’intaglio tanto maggiore sarà il rischio che la fune vi si incastri sul fondo [8,12].

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Figura 17Intaglio 105°: Forma teorica e deformata della fune

L’anima tessile della fune è un elemento elastico che manifesta un certo grado di compressione, ma questo comportamento è molto più simile a quello di una molla, poiché quanto maggiormente è compressa l’anima tanto maggiore sarà la forza con cui la medesima spingerà i trefoli contro la superficie della gola di puleggia. L’anima tessile si deformerà fino al massimo causando l’incastro della fune nell’intaglio, a questo punto la fune inizierà a lasciare la sua “impronta” in negativo sulla superficie della gola.

Per manifestarsi questo fenomeno, come sempre, diversi parametri devono combinarsi assieme: larghi intagli (b circa 105°), elevata “pressione specifica”, anima elastica, pulegge soffici, ascensore a bassa velocità, bassa variazione di carico nel tratto di fune della cabina (la fune non manifesterà allungamento elastico apprezzabile) [14].

Un esempio è riportato nelle fotografie di Figura 18.

Anche con lo stato di conoscenza attuale, non è chiaro completamente quale sia il principale parametro responsabile delle “impronte” in negativo della fune, ma è stato osservato statisticamente che i parametri citati in precedenza sono sempre presenti allo stesso tempo quando questo fenomeno si manifesta.

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Figura 18Largo intaglio in congiunzione con una elevata pressione specifica, risultato: impronte in negativo della fune

Ulteriori analisi statistiche basate su perizie sul campo, hanno anche dimostrato che l’insorgenza delle “impronte” negative della fune hanno una maggiore probabilità di manifestarsi quando vengono utilizzate funi ad anima sintetica (a causa della maggiore caratteristica elastica di questo materiale); alternativamente quando una fune ad anima metallica è utilizzata, tale probabilità si riduce a causa della minore compressibilità di quest’ultima, di conseguenza la fune subisce un minore incuneamento nell’intaglio.

Sicuramente altri elementi partecipano a questo comportamento di funi e pulegge, e non è lo scopo di questa pubblicazione entrare in argomentazioni tecniche troppo dettagliate. Quando queste “impronte” negative della fune si manifestano è buona regola richiedere il supporto di un esperto.

5.4 Pressione specifica

Uno dei peggiori “killer” di funi e pulegge in esercizio è la “pressione specifica”, così come è stata formulata per la prima volta nel 1927 da Hymans/Hellbronn [5].

Questo parametro rappresenta la forza reciproca con cui fune e puleggia premono l’una contro l’altra, questo influisce sensibilmente sull’abrasione superficiale di entrambi a causa dei loro movimenti reciproci.

Come descritto nei paragrafi precedenti, le tensioni T1 e T2 operanti sui due rami di fune uscenti dalla puleggia di frizione sono differenti, questo significa che la fune muovendosi attorno alla puleggia varierà il suo stato assiale di sollecitazione ed in termini pratici significa che la fune si allunga e si contrae come fosse un verme sulla superficie della puleggia.

Questo movimento relativo, in congiunzione con il valore della pressione specifica, può essere un buon indicatore di usura superficiale. Bisogna però evidenziare che la formulazione della pressione specifica è solo un parametro indicativo, in quanto considera la fune come una superficie “rotonda”, in realtà questa è una ipotesi troppo forte in quanto la fune tocca la puleggia in punti discreti in corrispondenza delle corone dei trefoli (quanto maggiore sarà il numero dei trefoli tanto maggiori saranno i punti di contatto con la puleggia e di conseguenza minore sarà la pressione specifica effettiva).

La formulazione analitica della pressione specifica non tiene però conto della numerosità dei trefoli.

Un elemento importante messo in evidenza nello studio originale di Hymans/Hellbronn [5], è il numero di viaggi orari o analisi di traffico.

Dalla Figura 19 si può rilevare che maggiore sarà il livello di traffico che un ascensore sarà in grado di supportare e minore risulterà il livello massimo della pressione specifica consentita, analogamente per quanto riguarda la velocità nominale della fune.

La pressione specifica è uno dei parametri fondamentali nella determinazione della vita utile di funi e pulegge, e molto spesso non viene assolutamente presa in considerazione dai progettisti di ascensori.

Oltre questo le norme armonizzate EN 81-1 dal 1998 hanno cancellato qualsiasi riferimento esplicito a questo metodo di calcolo.

Qualche considerazione è nascosta nel metodo di calcolo del coefficiente di sicurezza e nel numero di pulegge equivalenti, ma all’atto pratico le configurazioni degli impianti di sollevamento possono essere realizzate con un valore piuttosto elevato della pressione specifica che porterà ad una vita utile di funi e pulegge inferiore rispetto a quanto avveniva con la precedente norma.

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Figura 19Valori massimi accettabili per la pressione specifica nelle gole di frizione per ascensori (Hymans/Hellbronn 1927)

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Figura 20Formulazione della pressione specifica basata sulla EN 81 non armonizzata

Nella fase di progetto di un ascensore è sempre consigliabile dedicare attenzione ad una verifica di massima della pressione specifica, al fine di evitare problemi di esercizio. A titolo di riferimento ci si può ancora riferire alla precedente norma tecnica EN 81-1 non armonizzata [1] dove la formulazione è riportata nelle note dell’Art.9.

Anche se questa verifica non e più obbligatoria, sarebbe opportuno avere condizioni operative che, seppure non rispettino tale valore, non siano troppo distanti da esso.

6. Equo tensionamento del set di funi: metodo operativo

Uno dei parametri più importanti quando si installa un set di funi su un ascensore, è quello di accertarsi che tutte le funi costituenti il set, siano tensionate ad un livello omogeneo. La distribuzione disomogenea di tensione nel set di funi può portare in breve tempo all’usura superficiale della puleggia di frizione, con una differente pressione in ogni gola. In termini pratici questo significa che possono verificarsi fenomeni di slittamento in esercizio.

Quando un progettista inizia a valutare una installazione formula sempre l’ipotesi che tutte le funi siano tensionate al medesimo livello, ma questa assunzione si rivela ottimistica nella maggior parte dei casi.

In pratica si misura la tensione delle funi unicamente toccandole con le dita, ma questo non si rivela essere un metodo affidabile. La reale misurazione della tensione nelle funi andrebbe operata con un dispositivo professionale, meccanico o meglio elettronico che sia in grado di rilevare con un elevato grado di accuratezza il reale livello di tensione.

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Figura 21Verifica dell’equo tensionamento delle funi (dispositivo Weight-Watcher)

Questo si rivelerà di grande aiuto per identificare quale terminale di fune dovrà essere tirato o allentato per raggiungere un equo bilanciamento tra le funi.

Risulta essere di vitale importanza verificare il tensionamento delle funi all’atto dell’installazione (o durante la sostituzione del set di funi) e successivamente è buona regola verificare nuovamente la situazione dopo alcune settimane di servizio e non oltre un lasso di tempo di 4/6 settimane.

7. Conclusioni

Funi e pulegge non sono soltanto delle “commodity”, ma a volte esse provvedono a fornire anche indicazioni di errate considerazioni dell’intero progetto: impronte negative, usura precoce, vibrazione delle funi, ecc, sono chiari segni che l’impianto ascensore non si sta comportando come dovrebbe. Parallelamente a questo deve essere chiaro che le forze che agiscono tra funi e pulegge sono generate da leggi della fisica, e se ci si vuole attendere una vita utile dell’impianto ragionevole, queste devono essere considerate in ogni aspetto.

Progettare un ascensore non significa soltanto applicare le regole della EN 81, ma anche altre considerazioni devono essere svolte. In aggiunta, nuovi studi si stanno effettuando sul campo per sviluppi di nuove funi, o membri di trazione, che giocheranno un ruolo importante nel prossimo futuro.

Innovazioni nel concepire i nuovi ascensori passeranno sicuramente per questi elementi, consentendo la possibilità di utilizzare motori di piccole dimensioni e pulegge di frizione di ridotte dimensioni, il che significa coppia minore e conseguentemente un minor assorbimento di corrente dalla rete. Questo avrà ricadute anche sulle dimensioni dei motori che saranno più leggeri e sulla taglia degli inverter.

Questo processo di “down-sizing” dovrà essere effettuato con una tecnologia affidabile per la produzione di membri di trazione che garantiscano le performance in esercizio.

Se questa sarà la direzione da seguire, certamente funi e pulegge non potranno più essere considerate unicamente “commodity”, ma piuttosto saranno elementi chiave dei nuovi sviluppi, basate su materiali di alta qualità e specifiche di applicazione.

Solo coinvolgendo esperti di comprovata competenza nel settore delle funi e della trazione questi nuovi sviluppi tecnologici potranno essere supportati con successo nell’uso quotidiano.

8. Note

L’intento di questa pubblicazione era di affrontare i fondamenti dei principali parametri che influenzano la vita utile di funi e pulegge. In termini pratici si tratta di una opportunità di discussione su termini semplificati in modo da essere fruibile dalla più ampia platea.

Di sicuro questa trattazione non poteva essere esaustiva su tutti i temi e, molto spesso, l’opinione di un esperto deve essere valutata.

Molte delle pratiche discusse provengono dall’esperienza sul campo, e l’intento è quello di stimolare il ragionamento e non di definire degli standard.

Riferimenti Bibliografici

[1] EN 81, Safety rule for the construction and installation of lifts and service lifts, Part I, Electric Lifts, Edition 2, European Standard, Brussels, 1985.

[2] EN 81-1/1998, Safety rules for the construction and installation of lifts, Part I: Electric Lifts.

[3] EN 12385-5:2003, Steel wire rope safety – Part 5: Stranded ropes for lifts.

[4] ISO 4309:2004, Cranes-Wire rope-Care, maintenance, installation examination and discard.

[5] Hymans, F./Hellbronn, A.V., Der neuzeitliche Aufzug mit Treibscheibenantrieb, Springer Verlag, Berlin 1927 (The modern elevator with traction drive).

[6] Hymans, F., Electric Elevators books I &II, International Textbook Company, Scranton PA. 1931.

[7] Paolelli, R., Ascensori e montacarichi ad azionamento elettrico,Collana di studi e documenti sulla prevenzione No.49, ENPI, Roma 1969 (Electric lifts for passengers and freight).

[8] Molkow, M., Wire ropes in elevators, Pfeifer Drako brochure, Mulheim an der Rhur 2002.

[9] Molkow, M., Driving capability of traction drives, Technical Bullettin No.5, Elevator World, Mobile AL.

[10] Petkov, K.D., Theoretical and experimental study of sheave and rope traction drive, International Lift Symposium, Amsterdam 1984.

[11] Janovsky, L., Elevator mechanical design Third Edition, Elevator World, Mobile Al. 1999.

[12] Scheunemann, W./Vogel, W./Barthel,T., Steel wire ropes in elevators, PFEIFER DRAKO brochure, Mulheim an der Rhur 2008.

[13] Major, D., Lubrication and maintenance of steel wire ropes on lifts, Elevation magazine, Dartford Kent 2008.

[14] Verrett, R., Negative impressions of the rope’s surface in the grooves of sheaves and drums, Wire Rope Technology brochure, Aachen 2006.

[15] Usabiaga, H./Madoz, M.A./Ezkurra, M./Pagalday, J.M., Mechanical interaction between wire ropes and sheaves, OIPEEC Conference “Trends for ropes”, Athens 2006.

[16] Urchegui, M.A./Madoz, M.A./Tato, W./Gomez, X., Wear characterisation techniques for fatigued wire ropes, OIPEEC Conference “Trends for ropes”, Athens 2006.

[17] Schonherr, S./Wehking, K.H., Reduction in service life of wire ropes running over sheaves with angular offset, OIPEEC Conference “Trends for ropes”, Athens 2006.

[18] Imbimbo, N., “Teoria e Pratica: Il controllo delle funi metalliche di sospensione”, Elevatori, n. 6/2005, pag. 68, Milano 2005 (clicca qui per leggerlo inline).

[19] Imbimbo, N., “Nuove tendenze per gli MRL”, Elevatori, n. 2/2007, pag. 50, Milano 2007.

Fine

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