Nowoczesne rozwiązania konstrukcyjne dźwigów osobowych
TEKST I ILUSTRACJE: PAWEŁ LONKWIC
W obecnych czasach w branży budowlanej coraz częstszym rozwiązaniem stają się dźwigi osobowe bez maszynowni. Ich główną zaletą jest brak potrzeby planowania dodatkowego pomieszczenia na maszynownię [2]
RYS. 1 Podział ze względu na sposób przenoszenia napędu
Wszystkie rozwiązania konstrukcyjne dźwigów mają na celu jak najbezpieczniejsze przewiezienie pasażerów. Konstruowanie tych urządzeń sprowadza się do analizy warunków budowlanych, optymalizacji urządzenia pod względem: udźwigu nominalnego, prędkości, doboru napędu oraz wybrania konkretnego rozwiązania konstrukcyjnego. W zależności od oczekiwań klienta firmy dźwigowe muszą wychodzić naprzeciw stawianym wymaganiom [1]. W związku z tym, a także ze względu na różnorodność oferowanych kombinacji, podział dźwigów do użytku publicznego przedstawia rysunek 1. Jak widać, głównym kryterium podziału jest sposób przeniesienia napędu. Czy zawsze tak było?
Mała historia
Winda, inaczej: dźwig osobowy, to kabina poruszająca się w szybie pionowym, napędzana za pomocą liny i wciągarek. Pierwszy dokładny opis takiego urządzenia zawdzięczamy Archimedesowi, który w Syrakuzach opracował takie urządzenie napędzane siłą mięśni. W starożytności klasycznej stosowano podobne urządzenia dla uzyskiwania efektów teatralnych. W roku 80 n.e. cesarz Tytus zakończył budowę amfiteatru Flawiuszy (Koloseum). Teatr ten był wyposażony w szereg wind i dźwigów, za pomocą których wciągano na arenę ludzi i dzikie zwierzęta.
W roku 1743 we Francji zbudowano pierwszą windę osobową z przeciwwagą. W połowie XIX wieku zaczęto stawiać wysokie budynki mieszkalne, w których wchodzenie na wyższe piętra było męczące i zabierało wiele czasu, dlatego też zaczęto szukać urządzeń ułatwiających wejście.
Sprawnie funkcjonujący dźwig osobowy wynalazł Elisha Graves Otis z Nowego Jorku. Do rozreklamowania go wykorzystał Wystawę Światową otwartą w Nowym Jorku w 1853 roku. Otis zaopatrzył swoją windę w samoczynny hamulec bezpieczeństwa, unieruchamiający klatkę w wypadku zerwania się liny. Działanie hamulca demonstrował zwiedzającym przecinając linę, na której wisiała klatka z nim samym.
Pierwszy dźwig osobowy oddano do użytku w pewnym nowojorskim domu towarowym 23 marca 1857 roku. W 1880 roku Werner von Siemens użył do windy silnika elektrycznego. Dopiero w lipcu 1882 roku zamontowano pierwszą windę oświetlaną światłem elektrycznym.
W końcu XIX wieku windy były już popularne w biurowcach i blokach mieszkalnych. Do wprawiania ich w ruch używano zarówno mechanizmów elektrycznych, jak i hydraulicznych.
Nowoczesne dźwigi osobowe muszą być szybkie i niezawodne. Te, zainstalowane w Empire State Building w Nowym Jorku, pokonują 366 metrów na minutę. Windy w najnowszych drapaczach chmur poruszają się jeszcze szybciej - przykładem niech będzie superszybka winda uruchomiona w 508-metrowym budynku Taipei Financial Center. Mechanicy Toschiby zaprojektowali urządzenie, które w ciągu minuty może pokonać (w górę!) aż 1010 metrów. Winda jest dźwiękoszczelna, poziom hałasu w jej wnętrzu nie przekracza 45 dB (tyle ile w limuzynie dobrej klasy), natomiast specjalny system zmienia ciśnienie powietrza tak, aby przy ostrym przyspieszaniu pasażerowie nie odczuwali napadów duszności i mdłości.
FOT. 1 I 2 Zespół napędowy umieszczony w nadszybiu
Konstrukcje, a nowoczesność
Dynamiczny rozwój techniki można zauważyć w każdej branży. Również w branży dźwigowej firmy produkujące tego typu urządzenia muszą dostosowywać swoje konstrukcje do coraz większych wymogów klienteli. Wraz ze wzrostem technologii zmieniają się w szybkim tempie wymagania oraz przepisy, których zaostrzanie - zwłaszcza w dziedzinie bezpieczeństwa - stanowi główny element stymulujący unowocześnianie konstrukcji.
Nowoczesne konstrukcje branży dźwigowej, w przypadku wykorzystania napędu elektrycznego, zostały zorientowane głównie na dźwigi bez maszynowi oraz dźwigi szybkobieżne. Dźwigi o napędzie hydraulicznym są rozwijane głownie w kierunku dźwigów bez maszynowni. Nie można również pominąć coraz to nowszych materiałów oraz rozwiązań konstrukcyjnych, jakie są stosowane w obu grupach napędowych dźwigów. Fotografie 1. i 2. przedstawiają napęd dźwigu bez maszynowi.
Innowacjami rozwoju branży dźwigowej jest stosowanie np.: pasów z tworzyw sztucznych zamiast lin stalowych (liderem tego typu rozwiązania jest światowy wytwórca dźwigów - firma OTIS). Rysunek 2. przedstawia schemat opasania koła ciernego pasem nosnym.
Pasy stalowe, pokryte wytrzymałym poliuretanem, wprowadzają całkowicie nową technologię w przemyśle dźwigowym. Dzięki ich budowie możliwe jest zastosowanie mniejszych silników. Pasy są niezmiernie wytrzymałe, pomimo iż ich grubość wynosi tylko 3 mm. Każdy pas zawiera 12 lin złożonych z 7 splotek, z których każda składa się z 7 linek. Razem daje to 588 wytrzymałych na rozciąganie linek stalowych na pas. Stal jest cynkowana (by zapobiec korozji), a poliuretanowa warstwa chroni stalowe liny utrzymując jednocześnie ich giętkość.
Pasy są o 20% lżejsze od konwencjonalnych lin stalowych. Jeden pas zawiera właściwie więcej stalowych linek, niż konwencjonalne liny stalowe o takich samych możliwościach udźwigu. Dzięki swojej płaskości i gładkości stykają się większą powierzchnią z kołem pasowym, co ma dodatni wpływ na cierność. To pomaga pasom wydajniej przenieść ruch silnika na kabinę. Pasy nie potrzebują także smarowania, powodują mniejsze zużycie wału i mogą pracować 2-3 razy dłużej niż konwencjonalne liny stalowe. Testy wydajnościowe potwierdziły niezawodność i trwałość pasów.
RYS. 2 Zespół napędowy umieszczony w nadszybiu opasany pasem nośnym [6]
Stosowany we współczesnych dźwigach osobowych silnik Gen2 jest wyjątkowo mały (model zapewniający największy udźwig ma tylko 25 cm szerokości i 100 cm długości). Jest to silnik synchroniczny z wbudowanymi magnesami (w odróżnieniu od tradycyjnych rozwiązań, w których magnesy są przyklejane do silnika), zapewniający większą niezawodność.
Nowa technologia przynosi łatwe do zauważenia korzyści. Jednoczesne zastosowanie nowego silnika i pasów powoduje wyjątkowy komfort jazdy dźwigiem Gen2. Małych rozmiarów wał pasowy wciągarki (zaledwie 10 cm średnicy) oraz płaski i gładki pas są w głównej mierze czynnikami powodującymi cichą pracę systemu. Wbudowane magnesy łagodzą pulsację, spowodowaną momentem obrotowym silnika, dzięki czemu jazda dźwigiem jest bardziej łagodna, a zatrzymywanie bardziej precyzyjne niż przy użyciu konwencjonalnych magnesów.
FOT. 3 Zespół napędowy umieszczony w nadszybiu na ramie nośnej [3]
Kompaktowa, bezprzekładniowa wciągarka Gen2 jest wielkości zaledwie 30% konwencjonalnej wciągarki reduktorowej, a zarazem o około 22% bardziej wydajna. Promieniowa szczelina silnika powoduje, że wciągarka ma bardzo mały moment bezwładności, co redukuje pobór prądu dużo bardziej, niż we wciągarkach reduktorowych dostępnych na rynku. Podczas testów przy pełnym obciążeniu silnik Gen2 osiągał sprawność większą niż 90%, przy momencie znamionowym. Podsumowując, Gen2 nie tylko zużywa mniej energii niż zwykły napęd hydrauliczny czy reduktorowy, ma także większą sprawność niż inne systemy bezprzekładniowe [6].
Innym rozwiązaniem jest zastosowanie napędu w nadszybiu, na specjalnej ramie nośnej opartej na ścianach szybu (fot. 3).
Jeszcze innym, sprawdzonym rozwiązaniem, jest zastosowanie kompaktowego napędu w dźwigach elektrycznych z ramami plecakowymi. Rysunek 3. przedstawia przykład nowoczesnego rozwiązania układu dźwigu elektrycznego, właśnie z ramą plecakową.
Rozwiązań konstrukcyjnych jest niemalże tyle, ile firm produkujących tego typu urządzenia.
RYS. 3 Nowoczesne rozwiązanie konfiguracji dźwigu z ramą plecakową [4]
Warto przyjrzeć się także niektórym rozwiązaniom stosowanym w dźwigach o napędzie hydraulicznym. Nowatorskie jest zabudowywanie sterowania wraz z pompą w specjalnej szafie, która jest umieszczana zazwyczaj w niewykorzystywanej części budynku, np.: pod schodami. Rysunki 4. i 5. przedstawiają takie rozwiązania. Z kolei firma Leistritz preferuje rozwiązanie z agregatem umieszczonym w podszybiu dźwigu...
RYS. 4 I 5 Nowoczesne rozwiązania umieszczenia sterowania wraz z agregatami [5]
Powyżej przedstawione opisy są oczywiście wybiórczo wybranymi informacjami dotyczącymi rozwoju branży dźwigowej. Jej rozwój jest niezwykle trudny, chociażby z uwagi na konkurencję kilku silnych korporacji, takich jak: OTIS, Schinler czy Thyssen Krupp Elevator.
Oczywiście sam rozwój konstrukcji nie stanowi sedna problemu. Większość zmian powstających z punktu widzenia konfiguracyjnego urządzenia jest konsekwencją wymagań postawionych przez projektantów budowlanych, jak chociażby ciągłe dążenie do zminimalizowania wymiarów szybów, przy zachowaniu maksymalnych gabarytów kabiny i co za tym idzie - nominalnego udźwigu urządzenia.
Większość nowoczesnych budynków użyteczności publicznej jest obecnie zaopatrzona w nowoczesny sprzęt szybkiego reagowania w wypadku awarii urządzenia. Można spotkać budynki, w których zainstalowane jest nawet kilka dźwigów, które są wpięte do systemu powiadamiania. Widać również rozwój technik zdalnego powiadamiania grup konserwujących tego typu urządzenia czy też grup remontowych. Stało się to możliwe dzięki zastosowaniu wynalazku z pozornie zupełnie niezwiązanej z dźwigami osobowymi dziedziny, jaką jest telefonia komórkowa. Dzięki wbudowanemu modułowi powiadamiania w sterowaniu dźwigu, po wystąpieniu awarii, sterowanie „wysyła sms” do osoby sprawującej bezpośredni nadzór z informacją o kodzie błędu. Wówczas konserwator wie, dlaczego urządzenie jest np.: unieruchomione i może podjąć odpowiednio wczesne, a zarazem właściwe kroki w celu usunięcia powstałej usterki.
Mając świadomość tego wszystkiego, powinniśmy czuć się bezpiecznie odbywając nasze podróże osobowymi... dźwigami.
Literatura:
[1] JANOVSKY L.: Elevator Mechanical Design, Published by: Elevator World, Inc 1970
[2] LONKWIC P.; Analysis of Constructional Options of Electric Elevators Drives; Lift Report (nr 5, str. 30-43), Niemcy
[3] LONKWIC P.; Dźwigi bez maszynowni; Dozór Techniczny,