موتور گیرلس ماتودرایو چین
زنجیر جبران آسانسور، بررسی ساختار، جنس، معیارهای انتخاب و روش محاسبه
در آسانسورهای کششی، وزن سیم‌بکسل‌های تعلیق با افزایش ارتفاع حرکت به یکی از مؤلفه‌های اثرگذار بر تعادل مکانیکی سیستم تبدیل می‌شود. با جابه‌جایی کابین، طول سیم‌بکسل قرارگرفته در سمت کابین و وزنه تعادل پیوسته تغییر می‌کند، بنابراین بار واردشده بر فلکه کشش و موتور در تمام مسیر ثابت نیست. زنجیر جبران برای متعادل‌کردن این وزن متغیر در زیر کابین و قاب وزنه تعادل نصب می‌شود. انتخاب نادرست جرم واحد طول، جنس روکش، قطر حلقه طبیعی یا تجهیزات مهار می‌تواند موجب افزایش گشتاور موتور، کاهش کیفیت حرکت، نوسان زنجیر، ایجاد صدا، اختلال در دقت توقف و حتی کاهش حاشیه ایمنی کشش شود. در این مقاله، ساختار و جنس انواع زنجیر جبران بررسی شده و روشی کاربردی برای تعیین ضرورت استفاده، محاسبه جرم واحد طول، تعداد رشته‌ها، طول موردنیاز و کنترل استحکام اتصالات ارائه می‌شود. همچنین اثر حذف زنجیر جبران بر توان و سرعت قابل‌دستیابی آسانسور با یک مثال عددی تحلیل خواهد شد.
وظیفه وزنه تعادل در آسانسور کششی، جبران جرم کابین و درصدی از ظرفیت نامی آن است، اما وزنه تعادل به‌تنهایی نمی‌تواند تغییرات ناشی از جابه‌جایی سیم‌بکسل‌های تعلیق را خنثی کند. وقتی کابین در پایین‌ترین توقف قرار دارد، بخش عمده وزن سیم‌بکسل‌ها در سمت کابین است و هنگامی که کابین به بالاترین توقف می‌رسد، این وضعیت تقریبا معکوس می‌شود. در ساختمان‌های کوتاه، وزن متغیر سیم‌بکسل‌ها در مقایسه با جرم کابین و ظرفیت آسانسور کوچک است، ولی در چاه‌های بلند، همین وزن می‌تواند به چند صد کیلوگرم برسد و تعادل سیستم را به‌طور محسوسی برهم بزند.
زنجیر جبران، قطعه‌ای با جرم توزیع‌شده است که یک سر آن به زیر کابین و سر دیگر آن به پایین قاب وزنه تعادل متصل می‌شود و در قسمت چاهک به شکل یک حلقه آزاد U شکل قرار می‌گیرد. با بالارفتن کابین، مقداری از زنجیر از سمت وزنه تعادل به سمت کابین منتقل می‌شود و تغییر وزن سیم‌بکسل‌های تعلیق را در جهت معکوس جبران می‌کند. نتیجه این فرایند، یکنواخت‌ترشدن بار فلکه کشش، کاهش دامنه تغییرات گشتاور موتور و بهبود شرایط ترمزگیری و کنترل سرعت است.
کاربرد زنجیر جبران را نباید صرفا به ساختمان‌هایی با ارتفاع بیشتر از یک عدد ثابت محدود کرد. عددهایی مانند ۳۰ یا ۳۵ متر، معیارهای تجربی متداول‌اند، نه ضابطه قطعی طراحی. تصمیم مهندسی باید بر پایه وزن کل سیم‌بکسل‌ها، نسبت تعلیق، ظرفیت آسانسور، نوع ماشین، توان موتور، شرایط کشش، سرعت نامی و مشخصات محصول منتخب اتخاذ شود. ممکن است یک آسانسوربا ارتفاع حرکت کمتر، به علت سیم‌بکسل‌های سنگین یا آرایش تعلیق ۲:۱ به جبران نیاز داشته باشد، درحالی‌که در آسانسوری دیگر با ارتفاع بیشتر، محاسبات سازنده استفاده از تجهیز متفاوتی را ضروری سازد.
ساختمان و جنس زنجیر جبران
هسته اصلی زنجیر جبران معمولا از حلقه‌های فولادی جوش‌کاری‌شده ساخته می‌شود. فولاد به دلیل استحکام کششی مناسب، قابلیت تولید در جرم‌های مختلف و دوام قابل‌قبول در برابر بارهای تکرارشونده، ماده رایج این بخش است. در زنجیرهای بدون روکش، حلقه‌های فلزی مستقیما با یکدیگر تماس دارند، به همین دلیل هنگام حرکت، برخورد حلقه‌ها صدا و لرزش ایجاد می‌کند. این نوع زنجیر بیشتر برای آسانسورهای کم‌سرعت و تأسیسات صنعتی یا خدماتی مناسب است و استفاده از آن در ساختمان‌های مسکونی و مراکز حساس به صدا معمولا مطلوب نیست.نوع دیگری از محصول، زنجیر فولادی با روکش یا غلاف پلیمری است. در این ساختار، زنجیر فلزی درون پوششی انعطاف‌پذیر از مواد پلیمری، لاستیکی یا ترکیبات الاستومری قرار می‌گیرد. روکش پلیمری تماس مستقیم حلقه‌ها را کاهش می‌دهد، صدای حرکت را جذب می‌کند و از انتقال ضربه‌های موضعی به بدنه زنجیر جلوگیری می‌نماید. این پوشش همچنین مقاومت مجموعه را در برابر رطوبت، گردوغبار و شرایط خورنده چاه آسانسور افزایش می‌دهد. بااین‌حال، روکش نباید آن‌قدر سخت باشد که شعاع خمش طبیعی زنجیر را افزایش دهد یا در دمای پایین ترک بخورد. در زنجیرهای جبران مدرن، زنجیر فولادی ممکن است درون یک روکش پلیمری با مقطع تقریبا دایره‌ای و لایه نرم پرکننده قرار گیرد. این طراحی باعث می‌شود سطح خارجی کابل یکنواخت باشد، حلقه پایین با حرکت آرام‌تری تغییر شکل دهد و میزان صدا و تاب‌خوردگی کاهش یابد. محصولات تجاری این گروه با جرم‌های واحد طول متفاوت، برای نمونه از حدود ۱٫۱ تا ۶ کیلوگرم بر متر، عرضه می‌شوند. هر مدل علاوه بر جرم واحد طول، دارای حداکثر طول آویز و قطر یا پهنای حلقه طبیعی مشخصی است که باید مستقیما از جدول فنی سازنده استخراج شود. روکش مناسب باید انعطاف‌پذیری خود را در محدوده دمایی محل نصب حفظ کند، در برابر روغن و آلودگی‌های متعارف چاه مقاوم باشد و در طول بهره‌برداری از هسته فلزی جدا نشود. از سوی دیگر، حلقه‌های فولادی، اتصالات انتهایی، قلاب‌ها، بست‌ها و توری مهار باید توان تحمل وزن آویزان زنجیر و نیروهای ناشی از حرکت را داشته باشند. استاندارد 20-81 EN برای وسایل جبران و اتصالات آن‌ها ضریب ایمنی حداقل ۵ را در برابر نیروهای استاتیکی مقرر می‌کند. 17.1 ASME A نیز برای وسایل جبران و متعلقات آن‌ها ضریب ایمنی ۵ را بر مبنای حداقل نیروی شکست در نظر می‌گیرد.
چه زمانی آسانسور به زنجیر جبران نیاز دارد؟
ساده‌ترین ارزیابی اولیه بر پایه جرم سیم‌بکسل‌هایی انجام می‌شود که در طول حرکت از یک سمت سیستم تعلیق به سمت دیگر منتقل می‌شوند. اگر تعداد سیم‌بکسل‌ها را n، جرم یک متر از هر سیم‌بکسل را qr، نسبت تعلیق را R و ارتفاع حرکت کابین را H در نظر بگیریم، جرم تقریبی بخش متغیر سیم‌بکسل‌ها از رابطه زیر به دست می‌آید:
Mr = n × qr × R × H
در این رابطه، Mr جرم کابل، qr جرم کابل در هر متر و H ارتفاع است. منظور از R، تعداد شاخه‌های سیم‌بکسل تعلیق است که تغییر طول آن‌ها با حرکت کابین در محاسبه مؤثر خواهد بود. در آرایش ۱:۱ معمولاً R = 1 و در آرایش ۲:۱ با توجه به مسیر واقعی سیم‌بکسل، مقدار R می‌تواند برابر ۲ باشد.
در برخی دستورالعمل‌های تجربی، اگر حاصل رابطه بالا از حدود ۸۰ کیلوگرم بیشتر شود، استفاده از وسیله جبران توصیه می‌شود. معیار کمکی دیگر، مقایسه جرم سیم‌بکسل تعلیق با بار نامی آسانسور است، به‌طور تجربی، عبور جرم طناب‌ها از حدود ۱۰ درصد ظرفیت در ماشین‌های گیربکسی یا حدود ۶ درصد ظرفیت در ماشین‌های گیرلس می‌تواند ضرورت بررسی دقیق جبران را نشان دهد. این اعداد نباید جایگزین محاسبات کشش، توان موتور یا الزامات سازنده شوند، بلکه صرفا ابزار طراحی اولیه در مرحله طراحی هستند. افزون بر وزن سیم‌بکسل‌ها، جرم کابل فرمان و کابل‌های متحرک نیز ممکن است بر تعادل اثر بگذارد. کابل تراول عمدتا از زیر کابین آویزان است و توزیع وزن آن در طول مسیر تغییر می‌کند، بنابراین در محاسبات دقیق باید سهم مؤثر آن با علامت مناسب لحاظ شود. بهترین روش آن است که طراح برای چند موقعیت کابین، شامل پایین‌ترین توقف، میانه مسیر و بالاترین توقف، بار دو طرف فلکه کشش را محاسبه و بیشترین عدم تعادل را تعیین کند. از نظر سرعت، استاندارد EN 81-20 اجازه می‌دهد برای سرعت‌های نامی تا ۳ متر بر ثانیه از وسایلی مانند زنجیر، تسمه یا طناب جبران استفاده شود. برای سرعت بیشتر از ۳ متر بر ثانیه، استفاده از طناب‌های جبران کشیده‌شده با فلکه کششی لازم است و در سرعت‌های بیشتر از ۳٫۵ متر بر ثانیه، سامانه ضدبازگشت یا ضدجهش نیز ضرورت پیدا می‌کند. همچنین برای وسایل جبران بدون کشش در سرعت‌های بالاتر از ۱٫۷۵ متر بر ثانیه، حلقه پایین باید در مجاورت محل برگشت هدایت شود. مشخصات سازنده ممکن است محدودیت محافظه‌کارانه‌تری داشته باشد و همواره باید محدودیت سخت‌گیرانه‌تر رعایت شود.
محاسبه جرم واحد طول زنجیر جبران
هدف اصلی این است که جرم واحد طول وسیله جبران تا حد امکان با جرم واحد طول مجموعه سیم‌بکسل‌های تعلیق برابر باشد، برای سیستم‌هایی که کابل‌های متحرک آن اثر قابل توجهی ندارند، جرم جبران موردنیاز از رابطه زیر محاسبه می‌شود.
qc ≈ n × qr × R
در رابطه بالا، qc جرم کل وسیله جبران بر حسب کیلوگرم بر متر است. اگر قرار باشد از تعداد رشته زنجیر موازی استفاده شود، جرم هر رشته از رابطه زیر به دست می‌آید:
qc,1 = n × qr × R z
برای وارد کردن اثر کابل متحرک، باید اثر واقعی آن بررسی شود. در یک مدل ساده، اگر تغییر وزن کابل متحرک‌ها را در جهت مخالف تغییر وزن سیم‌بکسل‌ها باشد، می‌توان جرم مؤثر واحد طول را از رابطه زیر به دست آورد:
qt ≈ n qr R = qt,eff
در این رابطه، qt,eff مؤثر کابل‌های متحرک است، نه الزاماً جرم کل اسمی آن‌ها. بسته به محل مهار کابل، طول آویزان و آرایش حلقه، تنها بخشی از جرم واحد طول کابل در تغییر بار دو طرف فلکه مؤثر است. این‌رو استفاده مستقیم از جرم درج‌شده روی کابل، بدون تحلیل هندسی مسیر آن، ممکن است باعث انتخاب زنجیر جبران سبک‌تر یا سنگین‌تر از مقدار لازم شود.
طول واقعی زنجیر را نیز می‌توان با وارد کردن نمونه‌ای با طول معلوم کنترل کرد. اگر جرم نمونه M و طول آن L باشد، جرم واحد طول زنجیر از رابطه
q = M / L
به دست می‌آید. در استاندارد محصول چینی مخصوص زنجیر جبران، مشخصه زنجیر بر مبنای جرم هر ۱۰ متر بیان شده است و آوردن جرم واحد طول نیز از طریق اندازه‌گیری جرم و طول نمونه انجام می‌شود.
در پروژه‌های حساس، کنترل نمونه تحویلی مفید است، زیرا انحراف جرم واقعی از مقدار طراحی در طول‌های زیاد می‌تواند قابل‌توجه باشدمثال کاربردی محاسبات
یک آسانسور مسافربر با ظرفیت نامی ۱۰۰۰ کیلوگرم، سرعت ۱٫۷۶ متر بر ثانیه و ارتفاع حرکت ۶۰ متر را در نظر می‌گیریم. سیستم تعلیق از ۶ رشته سیم‌بکسل با جرم واحد طول ۰٫۶۸ کیلوگرم بر متر و سیستم تعلیق ۱:۱ استفاده می‌کند. با صرف‌نظر از اثر کابل متحرک، جرم مؤثر سیم‌بکسل‌ها در کل ارتفاع برابر است با:
Mr = 6 × 0.68 × 1 × 60 = 244.8 kg
این مقدار معادل حدود ۲۴٫۵ درصد ظرفیت نامی آسانسور است و بسیار بیشتر از معیار تجربی ۸۰ کیلوگرم خواهد بود. بنابراین حذف وسیله جبران، بدون تحلیل تفصیلی کشش و توان موتور، تصمیم مناسبی نیست. جرم کل موردنیاز زنجیر در هر متر مسیر نیز از رابطه زیر به دست می‌آید:
qc = 6 × 0.68 × 1 = 4.08 kg/m
اگر جدول سازنده محصولی دقیقاً با جرم ۴٫۰۸ کیلوگرم بر متر ارائه نکند، می‌توان نزدیک‌ترین محصول مجاز را با توجه به دامنه رواداری سازنده انتخاب کرد. گزینه دیگر استفاده از دو رشته موازی با جرم تقریبی ۲٫۰۴ کیلوگرم بر متر برای هر رشته است. در حالت دو‌رشته‌ای، نقاط اتصال باید متقارن باشند و دو رشته طول یکسان داشته باشند و فاصله آن‌ها از مرکز کابین و قاب وزنه تعادل به‌گونه‌ای انتخاب شود که گشتاور پیچشی به شاسی وارد نشود.
فرض کنیم کابل تراول در اثر آرایش نصب، جرم مؤثر ۰٫۳۸ کیلوگرم بر متر را در جهت جبران تغییر وزن سیم‌بکسل‌ها ایجاد کند. در این صورت جرم وسیله جبران اصلاح‌شده برابر خواهد بود با:
qc = 4.08 − 0.38 = 3.70 kg/m
اکنون می‌توان یک رشته با جرم نامی نزدیک به ۳٫۷ کیلوگرم بر متر یا دو رشته نزدیک به ۱٫۸۵ کیلوگرم بر متر انتخاب کرد، مشروط بر آنکه حداکثر طول آویز، قطر حلقه، سرعت مجاز و ظرفیت اتصال محصول رعایت شود. برای نمونه، شرکت X محصولاتی با جرم‌های ۱٫۱، ۱٫۵، ۱٫۷۵، ۲٫۲، ۲٫۳، ۲٫۷، ۳٫۲، ۳٫۷ و ۵ کیلوگرم بر متر معرفی می‌کند. انتخاب مدل ۳٫۷ کیلوگرم بر متر در این مثال از نظر جرم اسمی مناسب است، اما تأیید نهایی باید با نقشه اجرایی و محدودیت طول آویز همان مدل انجام شود.
```محاسبه طول و کنترل فضای چاهک
طول زنجیر جبران تنها برابر ارتفاع حرکت کابین نیست. مسیر زنجیر شامل فاصله عمودی نقاط اتصال تا حلقه پایین، طول قوس U شکل، اختلاف تراز نقاط اتصال و مقدار لازم برای تنظیم اتصالات است. بنابراین تعیین طول صرفاً با ضرب ارتفاع چاه در یک ضریب عمومی، روش دقیقی محسوب نمی‌شود. طول نهایی باید از نقشه اجرایی، عمق چاهک، محل استقرار ضربه‌گیرها، فاصله زنجیر از کف و قطر حلقه طبیعی محصول استخراج شود.
به‌صورت تقریبی می‌توان نوشت:
Lc ≈ H + Lloop + Ladj
در این رابطه، H فاصله مؤثر عمودی میان نقاط انتهایی، Lloop طول لازم برای تشکیل حلقه طبیعی و Ladj ذخیره موردنیاز برای اتصال و تنظیم است. مقدار Lloop تابع قطر طبیعی حلقه محصول است و نباید به‌صورت اختیاری کاهش یابد، زیرا کوچک‌کردن حلقه موجب افزایش تنش خمشی، تاب‌خوردگی و حرکت نامنظم زنجیر خواهد شد.
در تمام موقعیت‌های کابین باید فاصله کافی میان پایین حلقه و کف چاهک حفظ شود. زنجیر نباید با کف، ضربه‌گیر، نردبان چاهک، حفاظ فلکه، کابل‌ها یا سایر تجهیزات برخورد کند. در عین حال، حلقه نباید آن‌قدر بالا قرار گیرد که شعاع خمش اجباری و خوییک ایجاد شود. راهنمای نصب، استفاده از براکت، پیچ U شکل، فلنج، توری مهار و حلقه ایمنی مخصوص محصول را تأکید می‌کند و توصیه می‌شود پیش از نصب، سطح کابل از نظر بریدگی یا آسیب ناشی از حمل بررسی شود.
تحلیل اثر نبود زنجیر جبران بر موتور و سرعت
حذف زنجیر جبران الزاماً به این معنا نیست که سرعت نامی آسانسور در همه شرایط به یک نسبت کاهش پیدا می‌کند. در آسانسورهایی که موتور و درایو ذخیره گشتاور کافی دارند، کنترل‌کننده ممکن است سرعت نامی را حفظ کند. اما جریان موتور، تنش حرارتی، مصرف انرژی و بار واردشده بر فلکه کشش افزایش می‌یابد. در سیستمی با حاشیه توان محدود، درایو برای جلوگیری از اضافه‌جریان، شتاب را کاهش می‌دهد، زمان رسیدن به سرعت نامی را طولانی می‌کند یا آسانسور را با سرعتی کمتر از مقدار طراحی حرکت می‌دهد. این موضوع در مسیرهای طولانی اهمیت بیشتری دارد. نیروی نامتعادل ناشی از نبود زنجیر جبران را می‌توان به‌طور تقریبی از رابطه زیر محاسبه کرد:
Fu = Mr g
برای مثال قبل، اگر جرم نامتعادل برابر ۲۴۴٫۸ کیلوگرم باشد، نیروی نامتعادل در انتهای مسیر تقریباً برابر است با:
Fu = 244.8 × 9.81 ≈ 2401 N
توان مکانیکی اضافی لازم برای غلبه بر این نیرو در سرعت ۱٫۶ متر بر ثانیه، بدون احتساب بازده، برابر خواهد بود با:
Pu = Fu v = 2401 × 1.6 ≈ 3.84 kW
اگر بازده کلی ماشین و سیستم انتقال را ۸۵ درصد فرض کنیم، توان ورودی اضافی موردنیاز تقریباً ۴٫۵ کیلووات خواهد بود. این مقدار برای یک آسانسور ۱۰۰۰ کیلوگرمی قابل چشم‌پوشی نیست و می‌تواند ذخیره گشتاور موتور را در بدترین وضعیت حرکتی محدود کند. البته جهت حرکت کابین، موقعیت وزنه تعادل و شرایط بارگذاری نیز در تعیین توان واقعی موردنیاز مؤثر هستند.
در مسیر حرکت، نیروی نامتعادل ثابت نیست و با تغییر موقعیت کابین و وزنه تعادل تغییر می‌کند. در یک مسیر مشخص، ممکن است در یک جهت حرکت، موتور توان بیشتری مصرف کند و در جهت دیگر بخشی از انرژی به سیستم بازگردد. بنابراین بررسی توان نامی موتور به‌تنهایی کافی نیست؛ باید سرعت نامی، شتاب، گشتاور پیوسته و لحظه‌ای، ظرفیت اضافه‌بار و محدودیت‌های درایو نیز بررسی شوند.
تغییر زیاد کشش در دو طرف فلکه می‌تواند اطمینان از رابطه کشش و چسبندگی را کاهش دهد. پیامدهای احتمالی شامل افزایش لغزش سیم‌بکسل، تغییر سایش شیار فلکه، تغییر کیفیت شتاب‌گیری و دشوارتر شدن تنظیم ترمز و کنترل حرکت است. به همین دلیل، تصمیم درباره حذف زنجیر جبران باید بر اساس محاسبات مهندسی، مشخصات سازنده و بررسی شرایط واقعی نصب گرفته شود.
```