Un nuovo ascensore idraulico compatto Mrl per edifici di media altezza

Questo Product Spotlight sul sistema HILA presenta la nuova tecnologia dei cilindri per superare i vecchi limiti.

Questo documento è stato presentato a Berlino 2018, il Congresso internazionale sulle tecnologie di trasporto verticale e pubblicato per la prima volta nel libro IAEE Elevator Technology 22, a cura di A. Lustig. È una ristampa con il permesso dell'Associazione Internazionale degli Ingegneri degli Ascensori (www.elevcon.com).

In generale, gli ascensori idraulici sono stati limitati a basse velocità e, a causa dell'instabilità dei cilindri, adatti solo a edifici bassi. Un nuovo tipo di tecnologia dei cilindri, il Attuatore lineare infinito idraulico (HILA), ha il potenziale per eliminare queste limitazioni. Poiché questa nuova tecnologia di attuatori consente corse molto lunghe e velocità elevate, gli ascensori idraulici sono ora un'opzione per gli edifici di media altezza. Rispetto agli attuali sistemi di sollevamento idraulico, il cilindro HILA è compatto, utilizza le risorse in modo efficiente e consente una pressione idraulica fino a cinque volte maggiore.

Lo sviluppo di nuovi prodotti deve essere basato su valutazioni del ciclo di vita (LCA). La tecnologia HILA è migliore rispetto agli ascensori elettrici e idraulici convenzionali e agli azionamenti a motore lineare elettrico, quando viene considerato l'intero ciclo di vita. Ciò tiene conto dell'impatto ambientale sia dell'utilizzo dei materiali che del consumo di energia durante il periodo di utilizzo.

Introduzione

In passato, gli ascensori idraulici erano la soluzione principale per applicazioni basse, ma negli ultimi 20 anni gli ascensori idraulici sono quasi scomparsi dal mercato delle nuove installazioni, sostituiti da ascensori a fune con contrappesi. Ciò ha tuttavia comportato un costo: nelle applicazioni con utilizzo limitato, come negli edifici residenziali, l'impatto ambientale della produzione dell'ascensore è maggiore dell'impatto durante la fase di utilizzo. Pertanto, in tali applicazioni sarebbe preferito un sistema senza contrappeso.

Il megatrend dell'urbanizzazione porta un aumento della domanda di edifici residenziali di media altezza. Il nostro studio mostra che la maggior parte di questi edifici avrebbe un impatto minore sull'ambiente se gli ascensori fossero costruiti senza contrappeso. Secondo il Global Lift and Escalator Sales Market Report 2016, ci sono stati 1.2 milioni di ascensori venduti in tutto il mondo nel 2016.^, Sulla base della nostra LCA che considera l'impatto ambientale, più di 600,000 di questi sarebbero più adatti per la tecnologia HILA.

La natura del problema dell'ascensore idraulico

Nei sistemi industriali e mobili, quando si tratta di trasmettere potenza, l'idraulica di solito presenta diversi vantaggi rispetto ad altre fonti di alimentazione. Con l'idraulica, le forze elevate possono essere controllate con grande precisione e poche parti in movimento e la densità di potenza è molto elevata. Ci sono, tuttavia, una serie di problemi che si verificano nei cilindri idraulici convenzionali quando l'applicazione richiede un lungo movimento lineare, e questo spiega perché gli ascensori idraulici non vengono utilizzati per edifici di media e alta altezza. I problemi sono l'instabilità, la bassa rigidità idraulica, la bassa pressione del sistema idraulico e l'assemblaggio. L'instabilità è probabilmente il problema principale che limita la lunghezza della corsa dei cilindri idraulici convenzionali. Nei macchinari per ascensori, questo può essere risolto utilizzando un cilindro di trazione in combinazione con funi e attrezzature associate.

La rigidità idraulica influisce negativamente sul comportamento dinamico e sulla controllabilità dell'intero sistema di sollevamento. Diminuendo significativamente la pressione del sistema, è possibile mitigare l'influenza della lunghezza della corsa e, quindi, della rigidità idraulica e della frequenza naturale. Ha portato a pressioni di sistema molto basse negli odierni ascensori idraulici, circa 4 MPa (circa 580 psi). Tuttavia, la riduzione della pressione del sistema richiede componenti e volumi di olio molto più grandi. Di solito è necessaria una sala macchine dedicata, a causa del sistema di alimentazione idraulica che richiede spazio. Un sistema di sollevamento idraulico che opera in un edificio di cinque piani potrebbe richiedere una grande quantità di olio. Se un cilindro esterno o un serbatoio idraulico iniziano a perdere, possono creare problemi ambientali, come acque sotterranee contaminate.

I cilindri lineari idraulici convenzionali a corsa lunga presentano ovviamente difficili problemi tecnici, economici ed ambientali. I vantaggi normalmente associati all'idraulica in altre applicazioni — compattezza ed elevata densità di potenza — diminuiscono con l'aumento della lunghezza della corsa. Data l'opportunità dei suddetti vantaggi, sorge spontanea la domanda: esiste un'alternativa ai cilindri idraulici convenzionali in cui è possibile mantenere un'elevata pressione e compattezza dell'impianto, anche a corse lunghe?

HILA risolve questi problemi e può consentire un'alternativa all'ascensore idraulico per edifici di media altezza. Con HILA, è possibile utilizzare una pressione del sistema fino a cinque volte superiore, o 20 MPa (2,900 psi), rispetto ai cilindri idraulici convenzionali nelle applicazioni a corsa lunga. Per le applicazioni mobili sono possibili anche livelli di pressione più elevati. L'attuatore ha una rigidità maggiore rispetto ai cilindri idraulici convenzionali e la maggiore pressione di progetto riduce la frequenza naturale del sistema.

Il cilindro ha un'elevata rigidità, grazie ai suoi piccoli volumi. Ciò è vantaggioso, poiché influisce sulla precisione statica che può essere ottenuta durante il posizionamento dei carichi e determina la natura della risposta dinamica dei sistemi. Quando si utilizzano corse lunghe nei cilindri idraulici, di solito è difficile utilizzare un'elevata pressione idraulica, poiché riduce la frequenza naturale nel sistema. Si può dimostrare che la frequenza di risonanza naturale ω_h per un cilindro di sollevamento è:

dove _ictus è la corsa del cilindro e P _sistema è la pressione del sistema. Una frequenza naturale molto più elevata può essere ottenuta ad alti livelli di pressione del sistema perché il cilindro HILA ha una corsa molto più breve rispetto a quella di un cilindro di sollevamento convenzionale. La maggiore pressione del sistema e i piccoli volumi della camera consentono un design del sistema ancora più compatto, con livelli di flusso inferiori, minore perdita di energia nelle valvole e un volume del serbatoio significativamente più piccolo.

Nella Figura 1 è stata disegnata una curva di potenza costante per mostrare la relazione tra la pressione del sistema e la portata massima richiesta. La figura illustra il drastico aumento di pressione consentito dalla tecnologia HILA e le sue vantaggiose conseguenze. In un sistema di sollevamento idraulico da 10 kW che normalmente funziona a una pressione massima del sistema di 4 MPa, è richiesta una portata massima di 150 lpm. Con la tecnologia HILA, la pressione del sistema può essere aumentata a 20 MPa, abbassando così la portata massima a 30 lpm.

Quando la pressione del sistema può aumentare di cinque volte e il flusso massimo può essere ridotto a un quinto, si ottiene un sistema di alimentazione molto più piccolo, più semplice e più conveniente. Il serbatoio può essere più piccolo del 90-95%. L'intero sistema di approvvigionamento,

compresa la macchina elettrica, possono essere collocati in spazi ristretti e non è necessario alcun locale dedicato per l'alimentazione idraulica. A differenza degli ascensori idraulici convenzionali, la tecnologia HILA è indipendente dal numero di piani in termini di utilizzo del materiale. Il sistema HILA richiede la stessa quantità di materiale, ad eccezione dello stelo del pistone, indipendentemente dal numero di piani.

Tecnologia HILA

La tecnologia HILA combina due cilindri a corsa breve con due meccanismi di bloccaggio di innesto e disinnesto in un attuatore con corsa lunga. Il meccanismo di bloccaggio, una membrana idraulica, collega il pistone e lo stelo quando pressurizzato. Utilizzando semplici valvole logiche per la pressurizzazione, il pistone e lo stelo possono essere rapidamente collegati e scollegati con il massimo bloccaggio sicuro e affidabile. Il movimento di ogni singolo pistone a corsa breve, collegati tra loro dai meccanismi di bloccaggio, crea il movimento dello stelo. Per i movimenti, uno dei pistoni è collegato alternativamente allo stelo, fornendo l'azionamento. In questo modo i due pistoni muovono alternativamente lo stelo in una sorta di movimento a corda. L'innovazione HILA è presentata in modo più dettagliato in "Novel Linear Hydraulic Actuator" di M. Landberg, M. Hochwallner e P. Krus.^, La figura 2 descrive il processo di attuazione dei cilindri; dopo il passaggio 7, il processo continua con il passaggio 2. (Per un'animazione video di HILA in azione, visita youtube.com/watch?v=tVJkqC2w5ws.)

Il nucleo dell'invenzione è stato utilizzato per molti anni in vari portamandrini idraulici di alta precisione. Questa connessione mozzo/albero idraulico ha un design compatto, si blocca rapidamente e ha un posizionamento preciso. Il bloccaggio avviene con l'ausilio di una sorgente di pressione idraulica esterna separata dal meccanismo di bloccaggio.

Il meccanismo di bloccaggio è un manicotto aperto in materiale di bronzo con guarnizioni, che è integrato nel pistone nel cilindro. Trasmette solo forze assiali ed è adatto quando il riposizionamento deve essere eseguito frequentemente, in modo rapido e preciso.^,

Le soluzioni di tenuta convenzionali tra lo stelo del pistone e il cilindro prevengono in una certa misura le perdite esterne, ma creano un attrito piuttosto elevato e generano perdite di energia. Per progettare un sistema efficiente dal punto di vista energetico che offra prestazioni migliori, è essenziale ridurre al minimo l'attrito e la perdita di energia. Ciò può essere ottenuto sostituendo l'anello di usura e la tenuta dello stelo tra pistone e cilindro con cuscinetti in bronzo, una disposizione che offre numerosi vantaggi. Con l'uso di una cuffia flessibile, è consentita una maggiore perdita di guarnizioni dei cilindri. Ciò riduce l'attrito e le perdite di energia e aumenta l'efficienza energetica del cilindro. Inoltre, quando l'attrito è ridotto, sono consentite velocità dello stelo più elevate. Ciò consente, ad esempio, ascensori ad alta velocità in edifici di media altezza.^,

Poiché il pistone ha una corsa relativamente breve, è possibile coprire il cilindro con stivali sopra il pistone e catturare l'olio fuoriuscito, che viene quindi restituito al serbatoio. La soluzione dello stivale riduce significativamente i rischi di contaminazione dell'olio, offrendo al contempo una maggiore efficienza energetica e velocità dell'asta. Va notato, tuttavia, che la precisione del controllo può diventare troppo bassa se la perdita diventa troppo alta.^,

Studio di simulazione e ottimizzazione

Il problema del controllo per la tecnologia HILA è imitare il comportamento del movimento di un cilindro convenzionale. L'obiettivo è mantenere una velocità dell'attuatore costante, anche durante lo spostamento del carico da un cilindro all'altro, in modo fluido e privo di pulsazioni. Il caso di carico che solleva una cabina dell'ascensore verticalmente dal piano A al piano B può essere caratterizzato come una combinazione di carico inerziale e carico di forza. Hochwallner e Krus, in "Motion Control Concepts for the Hydraulic Infinite Linear Actuator", presentano risultati di simulazione basati su un caso di carico simile a un ascensore, che solleva una massa.^, Viene proposto e analizzato un concetto di controllo con spostamento attivo del carico e il risultato è un movimento di attuazione regolare con solo uno strappo marginale. L'attuatore HILA è costituito da due cilindri azionati da servovalvole veloci. Il circuito di controllo è chiuso con sensori di posizione precisi.

In un'applicazione di sollevamento, le costose servovalvole e sensori non sono un'opzione. La sfida qui consiste nell'implementare un sistema di controllo economico in grado di fornire un movimento regolare e una velocità di sollevamento costante senza strappi inaccettabili durante lo spostamento del carico, utilizzando normali valvole di direzione e semplici sensori di posizione.

Un sistema HILA con valvole direzionali e sensori di posizione semplici ed economici è stato studiato e analizzato presso l'Università di Linköping (LiU). L'applicazione dell'ascensore in questo studio è stata implementata come modello di simulazione HOPSAN. HOPSAN è uno strumento di simulazione di sistema multidominio di facile utilizzo per l'idraulica e la meccatronica sviluppato presso la divisione di Fluid and Mechatronic Systems (FLUMES) presso LiU.^, È stato progettato un sistema caratterizzato da bassi livelli di pulsazione e da un movimento confortevole (Figura 4).

Il risultato delle simulazioni con componenti ottimizzati mostra che è possibile ottenere le stesse funzionalità e prestazioni con semplici valvole direzionali leggermente modificate e semplici sensori di posizione discreti, come quello realizzato con un servosistema idraulico avanzato. Lo studio di simulazione mostra che la tecnologia HILA può essere un'alternativa economica e competitiva per gli ascensori in edifici di media altezza.

Studio LCA

Introduzione

La maggiore consapevolezza dell'importanza della protezione ambientale e dei possibili impatti associati ai prodotti, sia fabbricati che consumati, ha stimolato l'interesse nello sviluppo di metodi per comprendere e affrontare meglio questi impatti. Una delle tecniche sviluppate a questo scopo è l'LCA.

LCA affronta gli aspetti ambientali e i potenziali impatti ambientali durante tutto il ciclo di vita di un prodotto, dall'acquisizione delle materie prime alla produzione, all'utilizzo, al trattamento di fine vita, al riciclaggio e allo smaltimento finale. Nel 1997, il Comitato europeo per la standardizzazione ha pubblicato la sua prima serie di linee guida internazionali per le prestazioni dell'LCA. Questa serie di standard, ISO 14040, è stata ampiamente accettata tra i professionisti della LCA e viene continuamente sviluppata insieme ai progressi nel campo della LCA. Ci sono quattro fasi in uno studio LCA: la fase di definizione dell'obiettivo e dell'ambito, la fase di analisi dell'inventario, la fase di valutazione dell'impatto e la fase di interpretazione.

Poiché la valutazione della tecnologia HILA per ascensori è in fase di studio, abbiamo deciso di non eseguire una LCA completa in questa fase, ma basarla piuttosto sulla precedente Rapporto Miljögiraff LCA 56.^, Il rapporto LCA completo è coerente con la serie ISO 14040 e con la bozza delle regole di categoria di prodotto della Dichiarazione ambientale di prodotto per gli ascensori. La terminologia definita nella norma ISO 25745-2 per gli ascensori viene utilizzata in modo coerente in tutto lo studio. In questo studio, un ascensore idraulico viene confrontato con un ascensore a fune con contrappeso. Due aspetti hanno, di gran lunga, il maggior impatto sull'ambiente: la fabbricazione del prodotto e l'energia utilizzata.

Dati in ingresso

I dati derivati ​​da Rapporto Miljögiraff LCA 56 e utilizzati in questo nuovo studio sono i seguenti:

1. ReCiPe Endpoint per chilogrammo di materiale è 0.9.
2. ReCiPe Endpoint per kilowattora di energia utilizzata è 0.085.

La definizione di ReCiPe Endpoint può essere trovata in Rapporto Miljögiraff LCA 56.^,

Sistemi a confronto

In questo studio abbiamo confrontato quattro diverse possibili soluzioni per ascensori in edifici residenziali fino a 20 fermate. Gli ascensori hanno carichi nominali di 1000 kg e velocità nominale di 0.63 mps (quattro fermate) o 1 mps (otto e 20 fermate):

1. Ascensore idraulico convenzionale: quattro e otto fermate
2. Ascensore lineare idraulico HILA: quattro, otto e 20 fermate
3. Trazione senza locale macchina con contrappeso: quattro, otto e 20 fermate
4. Ascensore lineare elettrico: quattro, otto e 20 fermate

Stima del materiale

Il contenuto del materiale per i quattro diversi sistemi può essere visto nella Tabella 1.

Consumo energetico stimato

Teoricamente è stato valutato il consumo energetico per i quattro diversi sistemi. Il carico medio è calcolato secondo ISO 25745-2 per la Categoria utente 1 per quattro fermate e la Categoria utente 2 per otto e 20 fermate. L'energia potenziale reale (massa X gravità X altezza) è calcolato in una direzione; nell'altra direzione, l'energia residua viene reimmessa nella rete di alimentazione. I tassi di efficienza che sono stati utilizzati per i rispettivi sottosistemi possono essere visualizzati nella Tabella 2. Il consumo totale di energia per 20 anni, compreso l'utilizzo in standby, può essere visualizzato nella Tabella 3.

Risultato della LCA

Il risultato della LCA mostra che, per gli edifici residenziali bassi, l'idraulica convenzionale è ancora interessante. Per gli edifici di media altezza, il concetto HILA è il più interessante, illustrato nella Figura 6. L'LCA è calcolato con il feedback di energia elettrica per HILA, trazione e lineare elettrico.

Discussione

Il sistema idraulico compatto che guiderà l'ascensore con attuatore e alimentazione sotto forma di pompa e motore elettrico sarà posizionato su una parete nel vano ascensore. Gli attacchi dell'attuatore sulla parete del vano ascensore e gli attacchi per ruote a raggi possono essere dotati di opportuni ammortizzatori che attenuano i rimanenti impulsi ad alta frequenza.

La tecnologia HILA è stata ampiamente analizzata in diversi lavori accademici presso FLUMES presso LiU in Svezia.^{[1-3 e 5]} La tecnologia è stata simulata e analizzata nei modelli HOPSAN e convalidata nell'impianto idraulico di LiU. (Guarda il video su youtube.com/watch?v=UCO-OQOdxtg.)

In questo studio, l'attenzione si è concentrata su un'applicazione per ascensori di media altezza basata su semplici valvole direzionali. Il prossimo passo di sviluppo sarà la costruzione di un prototipo di ascensore, basato sulla tecnologia HILA, presso Hydroware per convalidare il risultato di simulazioni e ottimizzazioni negli strumenti di simulazione HOPSAN e Simulink.

Negli ultimi decenni si è prestata molta attenzione alla riduzione del consumo di energia durante l'utilizzo di prodotti diversi, ma poca attenzione all'impatto ambientale del materiale utilizzato per la produzione. Questo studio fornisce una chiara indicazione che il materiale utilizzato per produrre un ascensore con un massimo di 20 fermate in un edificio residenziale è cruciale per l'impatto ambientale durante la vita di un ascensore.

Conclusioni

In generale, gli ascensori idraulici sono limitati alle basse velocità e sono adatti solo per edifici bassi. L'attuatore HILA è un nuovo tipo di tecnologia dei cilindri idraulici che ha il potenziale per eliminare queste limitazioni. Consente corse molto lunghe e velocità elevate, il che apre il potenziale per gli ascensori idraulici in edifici di media altezza. Il cilindro HILA è compatto ed efficiente. Consente una pressione idraulica fino a cinque volte maggiore rispetto agli odierni ascensori idraulici.

Qui è stato studiato un sistema HILA con semplici valvole direzionali. Con l'aiuto della simulazione e dell'ottimizzazione, è dimostrato che è possibile ottenere un movimento privo di pulsazioni in un'applicazione di sollevamento basata su queste valvole di direzione semplici ed economiche. Lo studio mostra che la tecnologia brevettata HILA in questa forma di realizzazione può essere un'alternativa interessante, competitiva ed economica per gli ascensori in edifici di media altezza.

Secondo il Rapporto sul mercato globale delle vendite di ascensori e scale mobili 2016,^, ci sono stati 1.2 milioni di ascensori venduti in tutto il mondo nel 2016. Sulla base della nostra LCA, la tecnologia HILA sarebbe più adatta per oltre 600,000 di questi, se si considera l'impatto ambientale totale.

Riconoscimento

Questo lavoro è stato sponsorizzato dall'Agenzia governativa svedese per i sistemi di innovazione (Vinnova). www.vinnova.se/en

Riferimenti
[1] Landberg, M., Hochwallner, M. e Krus, P. "Novel Linear Hydraulic Actuator". Simposio ASME/Bath 2015 su Fluid Power e Motion Control (FPMC2015).
[2] Hochwallner, M., Landberg, M. e Krus, P. "L'attuatore lineare infinito idraulico - Proprietà rilevanti per il controllo". La decima conferenza internazionale sulla potenza dei fluidi (10. IFK), 10.
[3] Hochwallner, M. e Krus, P. "Concetti di controllo del movimento per l'attuatore lineare infinito idraulico". 9° Simposio di dottorato di ricerca FPNI sulla potenza dei fluidi, 2016.
[4] Sachs, H., Misuriello, H. e Kwatra, S. "Advancing Lift Energy Efficiency". Report A1501, gennaio 2015, American Council for an Energy-Efficient Economy, 529 14th Street NW, Suite 600, Washington, DC 20045
[5] Landberg, M., Sethson, M. e Krus, P. "The Hydraulic Infinite Linear Actuator with Multiple Rods", The 15th Scandinavian International Conference on Fluid Power, SICFP '17, 7-9 giugno 2017, Linköping, Svezia.
[6] Miljögiraff Lca Report 56 Hydroware. Pubblicato da Miljögiraff AB, 2015-03-30.
[7] Rapporto 2016 sul mercato globale delle vendite di ascensori e scale mobili – MnM Group.
[8] ETP-OCTOPUS, ETP Transmission AB (www.etptrans.se).
[9] Strumento di simulazione HOPSAN (en.wikipedia.org/wiki/Hopsan).