Kılavuz Raylarının Deneysel Gerilme Analizi Dr. C. Erdem Đmrak 1, Dr. Ergün Bozdağ 1, Emin Sünbüloğlu 1, Prof. Dr. Tuncer Toprak 1 & Sefa Targıt 2 1 Đstanbul Teknik Üniversitesi, Makine Mühendisliği Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Türkiye 2 ASRAY Şirketi, Türkiye Anahtar Sözcükler: Asansör kılavuz rayı, gerilme analizi, emniyet freni mekanizması ÖZET Asansör sistemlerinin temel mekanik elemanı olan kılavuz rayları, kabinin hareketi ve emniyet freni mekanizmasının işletimi sırasında iki faklı tipte gerilmee maruz kalır: eğilme ve burkulma. Kılavuz raylarının seçiminde önemli olan bu gerilmelerin hesaplanması EN81-1 e göre yerine getirilir. Bu çalışmada, gerilme dağılımını göstermek için, kılavuz rayları modellenir ve emniyet freni mekanizmasının işletimi sırasında ortaya çıkan gerilmeler gerilme-ölçerler vasıtasıyla kaydedilir. Ayrıca, serbest düşme testi donanımı kurulur ve emniyet freni mekanizmasının işletimi sırasında ortaya çıkan gerilmeler gerilme-ölçerler vasıtasıyla kaydedilir. EN81-1 e göre yapılan geleneksel hesaplama, sonlu eleman analizi ve deneysel yöntemden elde edilen sonuçlar karşılaştırılır. 1. GĐRĐŞ Asansör kılavuz rayları, asansörlerin seyir yaptığı güzergahı tanımlayan asansör sistemi komponentleridir. Kabin ve karşı ağırlığın bir üniform düşey yönde seyir yapmasını sağlamak için bazı kılavuz rayı formları gereklidir. Normal koşullarda kılavuz rayları sadece asansörün seyir yaptığı asansör güzergahlarını tanımlar ve asansör kabinlerine etki eden yüklerden ve kuvvetlerden ayrı oldukları kabul edilir (Targıt, 2002). Kılavuz rayları ya soğuk çekilerek, ya da işlenerek imal edilir. Modern asansör tesisatlarında, günümüzde hemen hemen sadece T kesitli kılavuz rayları kullanılır (Demirsöz ve ark., 2005). Kılavuz rayının ebadı, direnç göstermesi gereken kuvvetlere bağlıdır. Asansörün seyri sırasında, kuvvetler nispeten düşük olur, özellikle de kabin iyi dengeliyse ve yük dağılımı iyiyse. Raylar üzerine etki eden diğer yükler, acil durumlarda emniyet freni mekanizması işletiminden gelir. Asansör kılavuz raylarıyla ve emniyet freni mekanizmalarıyla ilgili olarak önemli sayıda araştırma çalışması yapılmıştır (Janovsky, 1992; Sanz, 1996; Scloseer, 1997; Janovsky, 1999; Stawinoga, 2001; Demirsöz ve ark., 2005; Distaso, 1986; Inglis, 2000). Jaros, emniyet freni mekanizmalarının asansörlerle birlikte uygulanması ihtiyacını gözden geçirmiş ve kılavuz raylarında deformasyonu en aza indirme ihtiyacını dikkate alan aşamalı emniyet freni mekanizmalarının avantajlarını ele almıştır. Janovsky, Avrupa Standardı EN81-1, Amerikan Emniyet Kodu A17.1, Avustralya Standardı AS 1735.2 ve Çekoslovak Standardı na göre
kılavuz raylarındaki gerilme ve sapma hesaplarını incelemiş ve karşılaştırmıştır. Kılavuz rayının düzleştirilmesinin ve pürüzsüzlüğünün seyir kalitesi üzerindeki etkisi araştırılmıştır (Sanz, 1996). Scloseer, sırasıyla aşağı yönde ve yukarı yönde oluşturulan farklı yük koşullarıyla baş edebilecek sistemi açıklamıştır. Janovsky, kılavuz raylarındaki gerilmein ve bu raylardaki emniyet freni mekanizmasının işletimi sırasındaki sapmasının hesaplanmasını araştırmıştır. Stawinoga, EN81-1 e göre kılavuz rayı hesaplamasını araştırmış ve kılavuz rayı hesabını pratik ihtiyaçlara adapte etmek için bir yöntem uygulamıştır. Emniyet freni mekanizması işletiminin gerilme hesabı üzerindeki etkilerini göstermek için, sonlu eleman yönteminin kılavuz rayı gerilme analizine uygulanması gerçekleştirilmiştir (Demirsöz ve ark., 2005). Kılavuz rayının gerilme ve deformasyon hesapları EN-81 standardına göre ve emniyet freni mekanizmasının işletimi sırasında kılavuz rayları üzerindeki gerilme dağılımı dikkate alınarak yapılmıştır. Bu çalışmada, T70 kılavuz rayı profili örnek olarak alınır, çünkü bu kılavuz rayı en yaygın olarak asansör sistemlerinin kabin desteklerinde kullanılır. Serbest düşme testi donanımı kurulur ve emniyet freni mekanizmasının işletimi sırasında ortaya çıkan gerilmeler gerilme-ölçerler vasıtasıyla kaydedilir. Ölçümlerle mukavemet analizi deneysel gerilme analizi olarak bilinir ve gerilme-ölçer, bu alanda en iyi bilinen teknolojilerden biridir. Gerilme-ölçer uygulaması kolay olmasına rağmen, ölçümlerden doğru sonuçlar elde etmek için hem eleman seçimine, hem de uygulamaya dikkat gösterilmesi gerekir. Gerilmeler, ölçülen gerilme değerleri kullanılarak hesaplanır. Gerilme-ölçer sadece temas ettirildiği nokta için bir değer verir. Ancak, gerilme gradyanı elde etmek için, şerit paternli ölçüm cihazı kullanılabilir. EN81-1 e göre yapılan geleneksel hesaplama, sonlu eleman analizi ve deneysel yöntemden elde edilen sonuçlar karşılaştırılır. 2. ANALĐZDE KULLANILAN EMNIYET FRENI MEKANĐZMASI Emniyet freni mekanizması, kabin üzerine yerleştirilmiş bir mekanik tespit komponentidir ve ana fonksiyonu, kaldırma halatlarının kopması durumunda kabinin kontrolsüz inişini önlemek için kılavuz raylarını kavramaktır (Day, 2000). Emniyet freni mekanizması tercihen kabin karkasının alt elemanlarının aşağısına yerleştirilir ve bir çift kılavuz rayı üzerinde çalışır. Đşletim her iki kılavuz rayı üzerinde aynı anda gerçekleşmelidir. Kabin emniyet freni mekanizması, performans özellikleri temelinde sınıflandırılır (Janovsky, 1999). Deneysel analiz için kullanılan anlık emniyet freni mekanizması en basit emniyet freni mekanizması tipi olup Şekil 1 de gösterilmiştir. Emniyet freni mekanizması tercihen kabin karkasının alt elemanlarının aşağısına yerleştirilir ve bir çift kılavuz rayı üzerinde çalışır. Durdurma süresi ve mesafesi son derece kısadır ve durdurma kuvvetini ve mesafesini sınırlandırmak için, esnek bir tertibat eklenmemiştir. 0,63 m/s yi aşmayan bir nominal hız için anlık tipte emniyet freni mekanizması kullanılabilir (Inglis, 2000).
Şekil 1. Anlık emniyet freni mekanizması 3. KILAVUZ RAYI GERĐLME HESAPLARI Kuvvetleri, gerilmeleri hesaplama ve böylece kılavuz rayı ebadını seçme araçları EN-81 de verilmiştir. Asansör kuyusunun tabanına tespit edilmiş kılavuz raylarının hesaplanmasında, burkulma gerilmeleri yerine çekme gerilmeleri dikkate alınır. Problemlere dayanan kılavuz rayı hesapları kabul edilir (Đmrak & Gerdemeli, 2000). Kılavuz raylarında gerilme hesapları, emniyet freni mekanizması işletimi için yapılır, sapma hesapları ise oldukça farklı işletim koşullarını, yani kabin zemini üzerine homojen olmayan bir şekilde dağılmış yükteki çalışma koşullarını dikkate alır. Kılavuz rayı bağlantılarının tasarımı ve imali hem ISO 7465 te, hem de A17.1 de belirtilmiştir. Profilin eksenine dik açılarda etki eden kuvvetlerden kaynaklanan eğilme gerilmeini değerlendirmek için, EN81-1 e göre verilen değerler için eğilme gerilmei, standart formda aşağıdaki gibi yazılır. Burada, Q nominal yük, P kabinin kütlesi, n kılavuz rayı sayısı, h kabin kılavuzu pabuçlarının merkez hatları arasındaki düşey mesafe, g standart serbest düşme ivmesi, x Q ve y Q kabin içindeki yükün merkezden kaçıklığı, x P ve y P kabin içindeki yükün merkezden kaçıklığı, l bitişik kılavuz rayı mesnetleri arasındaki maksimum mesafe, Wx ve Wy de kılavuz rayı enkesit alanın eğilme modülüdür (sırasıyla x-x ve y-y eksenlerine karşılık gelir) (Demirsöz ve ark., 2005). Darbe faktörü değerleri, emniyet freni mekanizması tipine bağlıdır ve EN81-1 standardında verilir. Kılavuz rayında eğilme gerilmei ile burkulma gerilmeinden kaynaklanan toplam gerilme Eşitlik (1) kullanılarak aşağıdaki gibi tanımlanır.
Burada, F k burkulma kuvveti, k 3 darbe faktörü, M karşı ağırlık veya denge ağırlığının kılavuz rayları, ω sırasıyla 370 N/mm² ya da 520 N/mm² kalitesinde çelikler için önerilen burkulma faktörü (λ narinlik katsayısının bir fonksiyonu olarak), A kılavuz rayının enkesit alanı ve k 3 darbe faktörüdür. x-x ve y-y kılavuz düzlemlerindeki sapmalar aşağıdaki gibi öngörülür. Burada, Q nominal yük, P kabinin kütlesi, n kılavuz rayı sayısı, h kabin kılavuzu pabuçlarının merkez hatları arasındaki düşey mesafe, g standart serbest düşme ivmesi, l bitişik kılavuz rayı mesnetleri arasındaki maksimum mesafe, Ix ve Iy kılavuz rayı enkesit alanın atalet momentleri (sırasıyla x-x ve y-y eksenlerine karşılık gelir), E Young modülü, k 1 de darbe faktörüdür. Kılavuz rayları üzerine etki eden yükler, iniş emniyet freni mekanizması işletimi için EN81-1 e göre hesaplanır. Asansör kılavuz raylarının seri üretiminin yapıldığı ASRAY A.Ş den elde edilen asansör kılavuz rayı verileri kullanılmıştır. Kılavuz rayı kesitlerinin boyutları, kılavuz raylarının fiziksel özellikleri ve bu çalışmadaki profil özellikleri Tablo 1 de verilmiştir (Đmrak & Gerdemeli 2000). Tablo 1. Kılavuz rayı boyutları ve özellikleri T70 kılavuz rayı Profil boyutları Profil özellikleri b [mm] h [mm] k [mm] n [mm] c [mm] g [mm] f [mm] y [mm] 70 65 9 34 6 7 7 18,6 A [mm 2 ] I z [mm 4 ] I y [mm 4 ] W x [mm 3 ] W y [mm 3 ] i x [mm] i y [mm] e [mm] 11,54 27,5 x 10 4 25,8 x 10 4 8,52 x 10 3 7,54 x 10 3 15,2 15,0 27,5 Karşılaştırma amacıyla T70 kılavuz rayındaki destekler arasında 2000 mm düşey mesafe durumu incelenmiştir. Kılavuz rayının ayrıntıları, CAD yazılımı ANSYS arşivinde saklanan BEAM189 üç boyutlu kuadratik sonlu gerilme kiriş elemanları kullanılarak oluşturulmuştur. Đnce ilâ orta kalınlıkta kiriş yapılarının analizi için uygun bir elemandır. Bu eleman Timoshenko kiriş teorisine dayanır. Üç boyutlu kuadratik kiriş elemanı, her düğümde, kilit nokta değerindeki serbestlik derecesi sayısı olan altı serbestlik derecesine sahiptir. Tam asimetrik yüklü 4 kişilik kabin için kılavuz rayındaki gerilme dağılımı örneği Şekil 2 deki grafikte gösterilmiştir.
4. KILAVUZ RAYI TEST DONANIMI Şekil 2. Kılavuz rayı üzerindeki gerilme dağılımı Yazarlar tarafından tasarlanan dahili test kulesi, asansör ekipmanlarının ve özellikle de asansör kılavuz raylarının ve emniyet freni mekanizmalarının testinde kullanılabilir. Bu dahili test kulesinin bir amacı da asansör mühendislerinin ve teknisyenlerinin eğitimidir. Bu kule, Đstanbul Teknik Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümünde bulunan Asansör Teknolojileri Test ve Araştırma Laboratuvarının bir parçasıdır. Test kulesi tesisatı Şekil 3 te gösterilmiş olup 7,3 m yüksekliğindedir. Ana çelik yapı, NPI ve NPU profiller kullanılarak kaynak konstrükisyonuyla oluşturulmuştur. Şekil 3. Kılavuz rayları için dahili test donanımı
Bu testte, çekiş ünitesi zemin kat konumuna yerleştirilir, halat sistemi de makinenin bodrum katı konumuna göre donatılır, tek halat sarımlı tahrik uygulanır ve halat oranı faktörü sözü edildiği gibi bire eşittir (Janovsky, 1999). Çekiş ünitesi bir frenli asansör makinesi, bir kaplin, bir çekiş tekerleği ve serbest düşme işletimi için ikinci bir frenden oluşur. ASRAY Şirketince (Đstanbul, Türkiye) imal edilen asansör makinesi kullanılır. Bu ünite, 41 dişi bulunan bir karşı çark ve 2 ağızlı sonsuz vidaya sahiptir. Bu sonsuz vidalı makinesi doğrudan 4 kw lık bir elektrik motoruyla tahrik edilir. Elektrik motorunun hızı 1000 d/dak dır. Bu test donanımında, kabin karkaslarının hareketi için 10 mm çapında 4 tel halat ve 4 kama kanala sahip 400 mm çapında bir tahirk kasnağı monte edilir. Test için iki kabin karkası kullanılır ve bunların her biri Şekil 4 te gösterildiği gibi döküm demirden yapılmış dolgu ağırlıklarıyla yüklenir. Her bir dolgu ağırlığı yaklaşık 17,3 kg ağırlığındadır. (a) Kabin karkası (b) Dolgu ağırlığı Şekil 4. Kabin karkası ve dolgu ağırlığı Kabin karkası kılavuzu, her bir kabin karkası için ayrı ayrı dört T50 kılavuz rayı monte edilerek yapılmıştır. Böylece, test kılavuz rayı serbest düşme testi sırasında gerilme-ölçer uygulaması için serbest hale gelir. Test sırasında veri kaydı için T70 kılavuz raylarına Şekil 5 te gösterildiği gibi 32 kanallı ESAM Traveller-1 cihazı ve iki rozet tipi ve üç tekli gerilme-ölçer uygulanır. Veriler, WINDOWS XP için ESAM Versiyon 3 veri toplama yazılımıyla analiz için dizüstü bilgisayara aktarılır. Traveller veri toplama serisine ait bu temel sistem, 32 kanallı bir A/D dönüştürücüyle donatılır. Bilgisayar bağlantısı USB arabirimiyle yapılır. Traveller-1 veri toplama sistemi, hem sinyal şartlandırma amplifikatörü kanallarını, hem de A/D dönüştürücüyü kontrol eden WESAM temel yazılım paketiyle (WINDOWS altında çalışır) birlikte verilir. Ayrıca, basit veri indirgemeleri ve değerlendirmeleri yapabilir ve başka veri formatlarına veri aktarımı olanakları sunar.
Şekil 5. Kılavuz raylarına gerilme-ölçer uygulamasıyla veri kaydı Gerilmeler, ölçülen gerilme değerleri kullanılarak hesaplanır. Gerilme-ölçer sadece temas ettirildiği nokta için bir değer verir. Ancak, gerilme gradyanı elde etmek için, şerit paternli ölçüm cihazı kullanılabilir. 4. SAYISAL SONUÇLAR Bu çalışmada, T70 kılavuz rayı profilleri için gerilme ve sapmalar analiz edilir. Kılavuz raylarındaki gerilme ve sapmayı hesaplamak için, EN81-1 kuralları uygulanır ve daha sonra sonlu eleman yöntemiyle yapılan statik gerilme analizinden elde edilen deneysel ve sayısal sonuçlarla karşılaştırılır. Kılavuz rayının gerilme dağılımını ve sapmaları analiz etmek için, bir sonlu eleman analiz aracı olarak ANSYS yazılımı seçilmiştir. EN81-1 standardına göre yapılan kılavuz rayı analizinde kullanılan tasarım değerleri Tablo 1 de verilmiştir. Her bir test seti, boş kabin ve asimetrik yük koşulları dikkate alınarak 320 kg, 400 kg ve 480 kg kapasite için üç serbest düşmeden oluşur. T70 kılavuz rayı için sayısal hesaplamadan, sonlu eleman analizinden ve gerilme-ölçer uygulamasından elde edilen gerilme sonuçları Tablo 2 de verilmiştir. Tabloda belirtilen ve kılavuz rayları üzerinde ortaya çıkan gerilme değerleri karşılaştırıldığında, test sonuçları ile sayısal sonuçlar arasında belirgin bir fark vardır. Asimetrik birinci yük konumunda yükler kabin üzerinde kılavuz rayına yakın yerleştirilir, ikinci yük konumunda ise yükler kabinin diğer tarafına yerleştirilir. St37 malzemeden yapılmış kılavuz raylarında maksimum izin verilen gerilme, normal işletim için 165 N/mm², emniyet freni mekanizması işletimi için 205 N/mm²dir.
Tablo 2. T70 tipi kılavuz rayı için gerilme sonuçları Nominal yük Yük koşulları Sayısal hesaplama Sonlu eleman analizi σ m σ c σ eşdeğer σ 320 kg / Boş kabin 7,19 32,23 22,24 4 kişi 1. konum 30,43 67,63 60,10 400 kg / 5 kişi 480 kg / 6 kişi 5. SONUÇLAR 2. konum Boş kabin 1. konum 2. konum Boş kabin 1. konum 2. konum 72,98 7,63 37,34 91,71 7,86 44,02 110,21 105,92 34,25 79,47 128,41 35,25 90,31 149,88 86,62 23,46 71,74 103,92 24,67 83,38 121,23 Gerilme-ölçer uygulaması 26,40 61,00 104,10 32,45 65,90 131,40 35,68 80,30 146,20 Bu çalışmada, kılavuz raylarının gerilmeleri EN81-1, sonlu eleman yöntemi ve serbest düşme deneyinde tanımlanan sayısal yöntem vasıtasıyla incelenmektedir. Emniyet freni mekanizması işletiminin gerilme hesabı üzerindeki etkilerini göstermek için bir açıklayıcı örnek verilmiştir. Karşılaştırma amacıyla T70 kılavuz rayındaki destekler arasında 2000 mm düşey mesafe durumu incelenmiş ve sayısal hesaplamalar Tablo 2 de verilen serbest düşme deneyi sonuçlarıyla doğrulanmıştır. ANSYS ten elde edilen gerilme ve sapma değerleri, %3 ile %10 aralığında değişir ve hesaplanan gerilme ve sapma analitik değerleri karşılaştırılır. Bu sapmaya, esas olarak analitik hesaplamalardaki kabuller ve faktörler, ikinci olarak da sonlu eleman yöntemindeki sayısal yaklaşım sebep olur.