Niğde Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, Cilt 3 Sayı 2, (1999), 35-50 BİLGİSAYAR DESTEKLİ ASANSÖR TAHRİK GRUBU TASARIMI I C.Erdem İMRAK ve İsmail GERDEMELİ İstanbul Teknik Üniversitesi, Makina Fakültesi, Konstrüksiyon Anabilim Dalı, İstanbul. ÖZET Sürtünmeli tahrik mekanizması, yük ve dengeleme ağırlığının sürtünme kuvveti ile hareket ettirilmesinde kullanılmaktadır. Kaldırma yüksekliğinden bağımsız olarak çalışmaları, sürtünmeli tahrik grubunun yaygın kullanımını sağlamıştır. Sürtünmeli tahrik grubu, tahrik motoru, elastik kaplin, fren tertibatı, sonsuz vidalı dişli kutusu ve tahrik kasnağı ile askı halatlarından meydana gelmektedir. Bu çalışmada, sürtünmeli tahrik grubunun en bilinen ve yaygın uygulaması olan asansör tahrik grubu detaylı olarak incelenmiş ve tahrik grubunu oluşturan elemanlar ile yapıları tanıtılmış, hesap esasları ele alınmıştır. Anahtar Kelimeler : asansör, tahrik grubu, sürtünmeli tahrik COMPUTER AIDED DESIGN OF ELEVATOR DRIVE UNIT I ABSTRACT Traction drive unit is used to put load and counter balance into motion with the friction force. Working without depending on the hoisting elevation has achieved common usage of the traction drive unit. The traction drive unit consists of the traction motor, the elastic coupling, the brake unit, the worm gear unit and traction sheave with ropes. In this study, elevator drive unit, which is the most known and general application of the traction drive, was examined in detailed and components of the drive unit were introduced with their structures, and fundamental principles of their calculations were considered. Key Words : elevator, drive unit, traction drive GİRİŞ Sürtünmeli tahrik prensibine göre çalışan tahrik grubu, kaldırma yüksekliğinden bağımsız olmaları yaygın kullanımını sağlamıştır. Asansör tahrik grubu gibi kaldırma makinalarının tasarımında sürtünmeli tahrik mekanizmalarından faydalanılır. Sessiz çalışması ve büyük yer kaplamaması asansör tahrik grubu olarak kullanımlarını yaygınlaştırmıştır. Sürtünmeli tahrik grubunun elemanları : a) asenkron elektrik motoru b) elastik kaplin c) dişli kutusu (sonsuz vida mekanizması) d) tahrik kasnağı (askı halatları ile)dır. Asansör makinası olarak kullanılan tahrik grubu elemanları Şekil 1 de görülmektedir. Kullanılan elemanlar modüler konstrüksiyon prensiplerine uygun olarak, standart elemanlardan seçilmiş ve montaj, tamir kolaylığı sağlanmıştır.
C.Erdem İMRAK ve İsmail GERDEMELİ Şekil 1. Asansör tahrik grubu ve elemanları Asansör makinaları, özel asansör elektrik motoru, fren tertibatı, tahrik kasnağı ile teçhiz edilmiş bir sonsuz vida redüktöründen oluşmaktadır. Gövde ile muhafaza edilmiş dişli grubu verimli bir güç iletimi ve tam bir çalışma güvenliği sağlamaktadır [1]. ASANSÖR DİZAYN PARAMETRELERİ Halat donanımlı asansörler, üzerinde halat sarılmış olan kasnağın karşı ağırlık ile dengelenmiş kabinleri hareket ettirmesi prensibiyle çalışırlar. Mekanik donanım olarak sürtünmeli tahrik mekanizması dışında asansör tahrik grubunda, fren donanımı, redüktör olarak bir sonsuz vida mekanizması, kabin ve karşı ağırlığın üzerinde çalıştığı kılavuz raylar, tehlike anında devreye giren paraşüt düzenleri ve tamponlar ile kapı açma-kapama mekanizmaları bulunmaktadır. Sürtünme tahrikli asansörlerde kabin ve karşı ağırlıkların bağlı olduğu çelik tel halat ile kasnak arasındaki sürtünme etkisinden yararlanılarak hareket sağlanır. Asansör tesislerinde tahrik kasnakları sahip oldukları avantajlar nedeniyle tercih edilirler. Bu avantajlar şunlardır: a) Kasnak boyutu taşıma yüksekliğinden bağımsızdır. b) Boyutlar daha küçük olabildiğinden konstrüksiyon daha hafiftir. c) Kabinin veya karşı ağırlığın herhangi bir nedenle hareketsiz kalması durumunda halat kollarında aşırı bir yüklenme veya boşalma görülmez. d) Halat sayısı çok miktarda alınabildiğinden yüksek emniyeti sağlamak ve küçük kasnak çapı kullanmak mümkündür. 36
Bilgisayar Destekli Asansör Tahrik Grubu Tasarımı I Asansörlerin başlıca teknik parametreleri Q yüküne (kg) ve nominal hıza v (m/s) bağlıdır. Asansör tahrik grubunun elemanları bu parametrelere göre hesaplanmakta ve seçilmektedir. Nominal hızların seçiminde R5 (Renard 5) serisinden, yükler için R10 serisinden faydalanılmaktadır. Kabin hızları Tablo 1 de, taşıma kapasiteleri ve platform alanları Tablo 2 den alınır [1]. Tablo 1. Asansör kabin hızları Nominal Hızlar v [m/s] (R5 serisinden) 0.25 ; 0.40 ; 0.63 ; 1.00 ; 1.60 ; 2.50 ; 4.00 ; 6.00 (R10 serisinden) 2.00 ; 3.15 ; 5.00 5 10 R5 = 10 = 1. 6 ; R5 = 10 = 125. Tablo 2. Taşıma kapasiteleri ve platform alanları Taşıma Net Platform Alanı Taşıma Net Platform Alanı kapasitesi A17 EN81 EN81 Kapasitesi A17 EN81 EN81 [kg] [m 2 ] [m 2 ] [adet] [kg] [m 2 ] [m 2 ] [adet] 100 0.30 0.40 1 800 0.30 0.40 10 160 0.47 0.45 2 1000 0.47 0.45 13 250 0.71 0.75 3 1250 0.71 0.75 16 315 0.88 0.95 4 1600 0.88 0.95 21 450 1.22 1.30 6 2000 1.22 1.30 26 630 1.64 1.66 8 2500 1.64 1.66 33 Asenkron Elektrik Motoru TAHRİK GRUBU ELEMANLARI VE YAPILARI Sürtünmeli tahrik grubunda genellikle alternatif akımlı asenkron elektrik motoru kullanılmaktadır. Motorlar bilezikli, yağlama sistemini içeren kaymalı yataklanmıştır. Motor seçimi, tesisin bulunduğu yerdeki şebeke ceryanına, motor devir sayısına, moment karakteristiğine ve kaldırma hızına bağlıdır. Genellikle devir sayısı 750, 1000 ve 1500 d/dak değerlerinde seçilmektedir. Motor büyüklüğünün seçiminde tam yük rejim gücü esas alınmaktadır. Tam yük rejim gücü, tam yükün rejimde anma hızıyla kaldırılması veya indirilmesinde motorun sağladığı güçtür [2,3]. Sürtünmeli tahrik prensibine göre çalışan asansör makinalarında yarım yüke göre dengelendiği için, kabinin yükleme durumuna göre, kabin tarafı veya dengeleme ağırlığı tarafı daha ağırdır. Bundan dolayı, yük kaldırma ve indirme hallerinin her ikisinde de, motor tarafından sağlanması gereken moment, tahrik momenti veya direnç momenti olabilir. Çalışma sırasında halatların ağırlığı nedeniyle bu moment işaret değiştirebilir. Bu durumun sonucu olarak, hızları yükle pek değişmeyen ve boş yukarı çıkması halinde olduğu gibi, yük tahrik edici yönde etki yaptığı zaman bir direnç momenti meydana getirebilen tipte motorların kullanılması gerekmektedir. Elastik Kaplin Sürtünmeli tahrik grubunun en bilinen ve yaygın uygulaması olan asansör tahrik grubunun yapımında hassas işçilik gerektiren monoblok konstrüksiyonlardan kaçınılarak mil uçları elastik kaplin ile birleştirilebilir. Elastik kaplinler, bazı küçük montaj hatalarını denkleştirdikleri gibi, ani demontaj ve frenleme sırasındaki darbeleri de sönümlemektedir [4]. Pernolu elastik kaplinler kısa süreli, sınırlı şiddetteki ve yeterli yükseklikteki frekansa sahip darbe momentlerini, darbe enerjisinin bir kısmını belli bir süre için elastik olarak depolayarak azaltmaktadır. Şekil 2 de pernolu elastik kaplin görülmektedir. 37
C.Erdem İMRAK ve İsmail GERDEMELİ Şekil 2. Elastik kaplin Kaplinin her iki yarısı dinamik olarak dengelenmiş olmaktadır. Kaplin boyutlarının gerektiğinde büyük tutulması tam bir çalışma güvenliği sağlamaktadır. Pernolu elastik kaplini oluşturan elemanlar, lastik tampon, kavrama kasnakları, saplama, somun ve kamadır [5]. Şekil 3. Lastik tampon Tablo 3. DIN 15444 standardından lastik tampon boyutları Saplama d 1 d 2 l Elastik Kaplin Ağırlık çapları [mm] + 0,5-1 - 0,5 Büyüklükleri [ kg] 20 19,3 39 29 1, 2 ve 2,5 0,033 25 24,3 49 35 3 0,062 30 29,3 59 40 4 0,103 35 34,3 69 46 5 0,162 40 39,3 74 52 6 0,201 50 49,3 89 63 7 0,339 a) Lastik tampon : konstrüktif boyutları DIN 15444 standardında tanımlanan lastik tampon, yerleştirildiği deliğin içini dolduracak kadar, ancak zorlamadan sıkışırlar. Bu sıkıştırma sonunda kavrama kasnaklarının relatif hareketine müsaade ederek, lastik ile delik arasında sürtünme ve aşınmaya yer kalmamaktadır [6]. DIN 15444 standardına göre Şekil 3 de görülen lastik tamponun boyutları Tablo 3 de verilmiştir. Lastik tampon malzemesi olarak yağa ve yıpranmaya dayanıklı elastik malzeme seçilmelidir. 38
Bilgisayar Destekli Asansör Tahrik Grubu Tasarımı I b) Kavrama Kasnakları : frenlemenin sağlanabilmesi için kavramanın ikinci kasnağı fren kasnağı olarak kullanılmaktadır. Kaplin kasnaklarının malzemesinin seçimi imalatçıya bırakılmakla birlikte kopma emniyet mukavemeti minimum 370 N/mm 2 olacak şekilde dökme çelik, çelik veya küresel grafitli dökme demir malzemeden yapılmaktadır. Motor tarafındaki kasnak ile ilgili boyutlar Şekil 4 de şekil üzerinde gösterilmiş ve değerleri DIN 15442 e göre Tablo 4 de verilmiştir. Şekil 4. Motor tarafındaki kavrama kasnağı Tablo 4. Motor tarafındaki kavrama kasnağı boyutları Büyüklük d 3 b 2 d 9 d 10 d 12 Delik d 13 d 14 f l 6 adedi 1 30 50 150 110 17,25 4 70 138 20 110 2 50 50 180 125 17,25 4 80 168 25 90 125 2,5 60 50 220 160 17,25 6 100 208 25 117 3 60 100 117 60 270 200 21,7 6 258 30 80 130 147 70 110 147 4 70 335 250 26,1 6 323 35 177 90 150 185 5 100 80 425 315 30,6 6 160 409 40 198 90 150 198 213 6 110 85 530 400 35,1 8 180 514 45 233 125 200 243 7 125 105 600 450 44,1 8 200 584 55 243 Redüktör tarafındaki kasnak ile ilgili boyutlar Şekil 5 de şekil üzerinde gösterilmiş ve değerleri DIN 15443 e göre Tablo 5 de verilmiştir. Fren kasnaklarının malzemesinin seçimi imalatçıya bırakılmakla birlikte kopma emniyet mukavemeti minimum 600 N/mm 2 olacak şekilde dökme çelik, çelik veya küresel grafitli dökme demir malzemeden yapılmaktadır. 39
C.Erdem İMRAK ve İsmail GERDEMELİ Şekil 5. Redüktör tarafındaki kavrama kasnağı Tablo 5. Redüktör tarafındaki kavrama kasnağı boyutları Büyüklük d 5 b 1 d 1 d 9 d 10 d 11 Delik d 15 d 16 e f adedi 1 30 65 175 150 110 40 4 70 160 10 20 2 50 75 200 180 125 40 4 80 185 10 25 2,5 60 95 250 220 160 40 6 100 234 10 25 3 80 118 315 270 200 50 6 130 293 15 30 4 90 150 400 335 250 60 6 150 376 15 35 5 100 190 500 425 315 70 6 160 474 15 40 6 110 236 630 530 400 75 8 180 600 20 45 7 120 265 710 600 450 90 8 200 678 20 55 c) Kaplin Saplaması : kaplin kasnaklarında lastik tamponları tespit etmek için kullanılan ve Şekil 6 da görülen saplamalar DIN 15445 standardına uygun olarak Tablo 6 da verilen konstrüktif boyutlar ile kullanılmaktadır. Kullanılan kaplin saplamaları St 60 malzemesinden ve konik kısmı DIN 15447 standandardında tanımlanan konik tolerans bileziklerine göre işlenmiş olmalıdır. Şekil 6. Elastik kaplin saplaması 40
Bilgisayar Destekli Asansör Tahrik Grubu Tasarımı I Tablo 6. Elastik kaplin saplaması boyutları d 17 d 18 Vida e f 1 h 1 h 2 20 17,65 M 16 27 23,5 52,5 105 25 22,15 M 20 31 28,5 63,5 125 30 26,65 M 24 37 33,5 73,0 145 35 31,2 M 30 44 38,0 83,5 170 40 35,75 M 30 44 42,5 94,5 180 50 44,75 M 36 50 52,5 115,5 215 d) Somun : kaplin kasnaklarını bir araya getiren kaplin saplamaları, TS 1021 standardına uygun altıköşe başlı somunlar ile birleştirilmektedir. e) kama : elastik kaplin ile iki milin tespit edilmesinde TS 147 / 1 standardına uygun olarak düz 1: 100 eğimli olan boyuna paralel kama kullanılmaktadır. Fren Tertibatı Asansör makinalarında, motor ile sonsuz vida mekanizması arasında yerleştirilen çift pabuçlu fren tertibatı ile frenleme sağlanır. Hareketin iletilebilmesi için, fren tertibatı doğru akım itici bir mıknatıs tarafından açılarak, fren kasnağı serbest bırakılır. Frenleme etkisini sağlayan eleman feredo veya benzeri cinste balatalarla kaplı, mafsallı iki pabuçtan ibarettir [7]. Sürtünmeli tahrik mekanizmalarında kullanılan çift pabuçlu fren tertibatı Şekil 7 de görülmektedir. Şekil 7. Çift pabuçlu fren tertibatları Fren mekanizması, tij arasında bulunan yayların etkisi altında normal olarak frenleme konumunda bulunur. Böylece hareketsiz kalan redüktör, ancak bir akım verildiği zaman hareket serbestliğine kavuşmaktadır. Verilen akım nedeniyle fren kasnağının pabuçları aralanır ve fren serbest kalır [8]. Çift pabuçlu fren tertibatı, frenleme momenti ve ona bağlı DIN 15435 standardına uygun olarak fren kasnağı boyutlarına göre seçilmektedir. Asansör tahrik grubunda, elektriğin aniden kesilmesi durumunda veya istendiği anda durdurma işini yapabilecek bir elektromekanik sürtünme etkili fren kullanılır. Çift pabuçlu olarak dizayn edilen fren, kabin % 125 yüklü halde maksimum hızda hareket ederken sistemi durdurduğu ve o konumunda tutabildiği kabulü ile hesaplanmaktadır [1]. 41
C.Erdem İMRAK ve İsmail GERDEMELİ Sonsuz Vidalı Redüktör Sürtünmeli tahrikte kullanılan tahrik grubunda redüktör olarak genellikle bir sonsuz vida mekanizması kullanılmaktadır. Tahrik kasnağı bu dişli çarkın mili üzerine tespit edilmiştir. Sonsuz vida mekanizması, dökme demir bir karter içinde monte edilen bir sonsuz vida ile bir dişli çarktan oluşmaktadır. Çevrim oranı genellikle 1:25 ile 1:50 mertebesindedir [9]. Bu mekanizmalar, sessiz çalışmaları ve boyutlarının küçük olmaları nedeniyle sürtünmeli tahrik gruplarında kullanılmaya son derece uygun elemanlardır. Büyük güçleri yüksek çevrim oranlarında iletebilme özellikleri arasındadır. Ayrıca değişik motor devir sayıları ve kasnak çapları kullanılarak istenilen hızlar minimum çevrim oranlarında sağlanabilmektedir. Bu mekanizmaların iki ana elemanı sonsuz vida ve karşı çarktır. Sonsuz vida malzemeleri olarak tornalanmış vidalar (St60 ve St70), frezelenmiş, taşlanmış ve sertleştirilmemiş (C45 ve 42CrMo4), frezelenmiş, taşlanmış ve sertleştirilmiş (C15 ve 16MnCr5) kullanılımaktadır. Karşı çark malzemesi olarak ise, kum veya kokil kalıba döküm (G-SnBz12) ile savurma döküm GZ-SnBz12 malzemeleri seçilmektedir. Şekil 8 de sürtünmeli hatrik mekanizmalarında kullanılan sonsuz vida mekanizması görülmektedir. Genellikle sonsuz vida mili üst konumda olan konstrüksiyonlar tercih edilmektedir. Şekil 8. Sonsuz vida mekanizması Sonsuz vida mekanizmalarında sertleştirilmiş alaşımlı çelikten yapılmış bir vida iki radyal bir eksenel bilyalı yatak ile yataklanmıştır. Karşı çark üst konumda veya alt konumda bulunabilir. Üst konumda bulunan karşı çark hafif veya orta zorluk derecesindeki makinalar için tercih edilmektedir. Büyük çevrim oranlarının sağlanmasında kullanılan tek ağızlı vidalarda verim orta mertebede bulunmaktadır. Buna karşılık sistem tersinir olmadığı için daha kolay bir şekilde dudurulabilmektedir. Sonsuz vida mekanizmaları, küçük hacim ve ağırlıkla yüksek çevrim oranlarına imkan vermektedir. Genel olarak normal evolvent dişli ve silindirik sonsuz vidadan meydana gelmektedir [10]. Sonsuz vidanın ağız sayısına bağlı olarak, mekanizmanın maksimum çevrim oranı değişimi Tablo 7 de verilmiştir [1]. Tablo 7. Ağız sayısına bağlı çevrim oranı Ağız sayısı Maksimum çevrim oranı 1 85 2 42 3 28 42
Bilgisayar Destekli Asansör Tahrik Grubu Tasarımı I Tahrik Kasnağı Sürtünmeli tahrik gruplarında kullanılan tahrik kasnakları genellikle GG-18 veya GG-22 dökme demirlerden imal edilirler. Aşınmaya karşı dayanıklı olması için dökme demire % 10 ila 50 oranında çelik katılarak Brinell sertliği HB = 200 220 dan/mm 2 olan malzemeler veya molibdenli alaşımlar yaparak Brinell sertliği HB = 200 250 dan/mm 2 olan malzemeler kullanılmaktadır. Tahrik kasnakları, daha yüksek sertlik değerleri için, yüzeyi sertleştirilmiş dökme çeliklerden de imal edilirler. Hafif yapıda olmaları istendiğinden genellikle destek elemanlı olarak dizayn edilirler. Tahrik kasnağının görünüşleri ve konstrüktif boyutları Şekil 9 da görülmektedir. γ Yiv eksenleri arasındaki t mesafesi: Yarım yuvarlak yivlerde t > 1,3 d Yarıklı ve kama yivlerde t > 1,6 d Şekil 9. Tahrik kasnağının görünüşleri Sürtünmeli tahrik mekanizmasında, yük ve dengeleme (karşı) ağırlığı bir tahrik kasnağı üzerinden geçirilen askı halatlarının uçlarına bağlanmaktadır. Karşı ağırlığın hesaplanmasında taşıyıcı kabin ağırlığı ile faydalı yükün genellikle % 40 ile % 50 oranında bir kısmının ağırlıkları toplamanın dengelenmesi konusu dikkate alınır. Tahrik kasnağının konstrüktif boyutlandırılması için askı halatları esas alınmaktadır [11,12]. Tahrik kasnağı mili yataklarına radyal ve sonsız vida mekanizmasının karşı çarkından eksenel yükler gelmektedir. Bu nedenle seçilecek rulmanların, bu yükleri karşılaması gerekir. Büyük yüklerin kaldırıldığı tahrik mekanizmalarında makaralı oynak rulmanlar, küçük yüklerde ise bilyalı sabit rulmanlar en uygun çözümlerdir. Askı Halatları Sürtünmeli tahrik gruplarında, tahrik elemanı olarak 6 yuvarlak kordonlu bazen de 7 veya 8 yuvarlak kordonlu çelik tel halatlar kullanılmaktadır. Halat çapı minimum 8 mm olarak seçilen çelik tel halatların kopma mukavemeti 1570 N/mm 2 veya 1770 N/mm 2 olmaktadır. Tahrik mekanizmasında genellikle 4 adet Seale tipi çelik tel halat kullanılmaktadır. Asansör makinalarında askı halatı olarak çoğunlukla paralel sarımlı halatlar kullanılmaktadır. Paralel sarımlı halatlar olarak Seale veya Warrington halatı yaygın kullanılmaktadır. Paralel sarımlı halatın kordonlarındaki eşit sarımlı halatlarda kordon içindeki teller aynı uzunluğa sahiptir. Bu tip halatlar, çapraz sarımlı veya düz sarımlı kordonlardan meydana gelmektedir. Yaygın olarak kullanılan Seale tipi halatlarda, her bir kordonda tel sayısı eşit iki kat vardır ve dış kat telleri, iç kat tellerinden daha kalın olmaktadır. Standartlaştırılmış olan Seale tipi halatlar Şekil 10 da görülmektedir [13-16]. 43
C.Erdem İMRAK ve İsmail GERDEMELİ 6 x 19 Seale, Elfay özlü 8 x 19 Seale, Elyaf Özlü 6 x 19 Seale, Çelik tel özlü Şekil 10. Seale tipi askı halatları Halat kesidi Şekil 8 de görüldüğü gibi bu tip halatların kordon yapılarında 3 ayrı çapta tel kullanılmaktadır. Orta çaptaki bir tel etrafında bir sıra ince tel, bunların da etrafında en kalın teller dizilidir. Bu da halatın kasnak üzerinde gezinmesinden ileri gelen sürtünmeler sonucu tellerin aşınarak kopmasını geciktirir. TS 1918 standardında yer alan Seale tipi halatların çeşitleri ve sahip oldukları tel adetleri Tablo 8 de verilmiştir. Tablo 8. Seale tipi askı halatlarının yapıları Standart Numarası Halat tel yapısı Tel adedi TS 1918 / 5 6 x 15 = 6 (1+7+7) 90 TS 1918 / 6 6 x 17 = 6 (1+8+8) 102 TS 1918 / 7 6 x 19 = 6 (1+9+9) 114 TAHRİK GRUBU ELEMANLARININ HESAP ESASLARI Sürtünmeli tahrik prensibine göre çalışmakta olan asansör tahrik grubu elemanlarının seçim ve hesaplama esaslarında taşıma kapasitesi (insan sayısı) ve asansör hızı giriş değerleri olarak alınmaktadır. Standartlarda beher insan ağırlığı 80 kg olarak esas alınarak, sisteme etki eden ağırlıklar hesaplanmaktadır [13,17,18,19]. Taşıma kapasitesi, i insan ağırlığı olmak üzere, Q = 80 i (1) Kabin ağırlığı ise, taşıma kapasitesine veya insan sayısına bağlı olarak Tablo 9 dan seçilmektedir. Tablo 9. Taşıma kapasitesine göre kabin ağırlıkları İnsan Sayısı Kabin Yükü Kabin ağılığı İnsan Sayısı Kabin Yükü 2 160 250 350 10 800 4 315 400 600 16 1250 6 450 550 800 21 1600 8 630 700 1000 33 2500 Kabin ağılığı 800 1200 1000 1600 1500 2000 2000 4000 44
Bilgisayar Destekli Asansör Tahrik Grubu Tasarımı I Karşı Ağırlığın Tayini Karşı ağırlık, kabinin ağırlığının ve seçilmiş yükün bir kısmını ( % 45 ila % 50 si cıvarı) dengelemektedir. Bu durumda karşı ağırlık, G K q = K + ψ Q + H (2) 4 Burada, Ψ : yükün karşı ağırlık tarafından karşılanan yüzdesi ( % 45-50) H : kabin tarafından alınan mesafe [m] q : hareketli halatın birim metre başına ağırlığı [kg/m] Çoğunlukta Sürtünmeli tahrik prensibine göre maksimum kapasite ile yüklü kabini dengelemek için kullanılacak karşı ağırlık, K kabin ağırlığı olmak üzere, hesaplanır. Elektrik Motoru Seçimi ve Hesabı Q G K = K + (3) 2 Tahrik grubunda kullanılan asenkron elektrik motorunun seçimi için, motor rejim gücü esas alınmıştır. Motor gücü sürtünmeli tahrikte çevre kuvvetinden hesaplanmaktadır. Bu mekanizmada çevre kuvveti (1) ve (3) eşitlikleri yardımıyla, Q Q S = ( Q + K ) ( GK ) = ( Q + K ) K + = (4) 2 2 olarak hesaplanmaktadır. Böylece karşı ağırlık bir miktar yükü dengelemiş olmakta ve hareketi sağlamak için gerekli güç azalmaktadır. Asansör hızı v olmak üzere motor rejim gücü, Q v S v N = = 2 [BG] (5) 75 η 75 η olarak hesaplanmaktadır. Motor gücü hesabında yer alan verim η, sonsuz vida mekanizmasına bağlı olarak seçilmektedir. Tahrik grubunda kullanılmak üzere motor seçiminde ihtiyaç duyulan bir diğer parametre ise motor devir sayısıdır. Asenkron elektrik motorları, 750 d/dak, 1000 d/dak veya 1500 d/dak olarak seçilmektedir. Elastik Kaplin Hesabı ve Seçimi Pernolu elastik kaplin hesabında, elektrik motorunun yarattığı döndürme momenti esas alınmaktadır. Moment iletiminde emniyet katsayısı k olmak üzere, (5) ifadesiyle bulunan motor gücü ve motor devir sayısı yardımıyla döndürme momenti hesaplanmaktadır. M d N = k 71620 (6) n 45
C.Erdem İMRAK ve İsmail GERDEMELİ Hesaplanan döndürme momentine göre DIN 15441 standardında boyutları verilen elastik motor kaplinlerinin ölçüleri tespit edilmektedir. Döndürme momenti ile elektrik motoru tarafındaki kavrama kasnağı çapı arasındaki ilişki Tablo 10 da verilmiştir [19]. Tablo 10. Döndürme momentine göre elastik kaplin kasnak çapları Moment [dancm] Kasnak Çapı [mm] Moment [dancm] Kasnak Çapı [mm] 550 175 5500 350 750 200 8500 400 1500 250 13000 450 3000 300 20000 500 Tablo 9 dan yararlanarak uygun elastik kavrama kasnakları seçildikten sonra, diğer elemanların boyutları hesaplanmaktadır. Mil boyutlandırılması için, mil malzemesi seçime bağlı olarak mil çapı hesaplanmaktadır. 32 M 3 d π τb d = (7) Mil malzemelerine bağlı olarak burulma değerleri kullanılmaktadır. Tahrik grubu tasarımında kullanılan mil mazlemeleri Tablo 11 da gösterilmiştir. Hesaplanan mil çapına en yakın standart mil çapı üst değeri seçilir [4]. Tablo 11. Mil malzemeleri Alaşımsız çelikler St 34 St 37 St 42 St 50 St 60 St 70 Islah çelikleri Sementasyon çelikleri C 22 C 35 C 45 C 60 25 CrMo 4 34 CrMo 4 30 Mn 5 37 MnSi 5 34 CrNiMo 6 15 Cr 3 16 MnCr 5 20 MnCr 5 15 CrNi 6 18 CrNi 8 Standart eleman olan kamalar, seçilen mil çapına göre tayin edilmektedir. Kama boyunun hesabı için ilk olarak kasnak malzemesi dökme demir, dökme çelik veya çelik malzemelerinden seçilir. Seçilen malzemenin ezilme emniyet değeri kullanılarak kama boyu bulunur. 2 M d l = d t p 2 em (8) Burada, d : mil çapı t 2 : kama yuvası boyutu p em : kasnak malzemesi ezilme emniyet değeri Fren Tertibatının Hesabı ve Seçimi Gerekli fren kuvveti, yükün tutulması ve hareketin durdurulması için yeterli olmalıdır. Bu kuvvet fren boyutlarını tespit edebilmek için gerekli temel bir büyüklüktür. Fren tertibatının hesabında başlangıç noktası frenleme momentinin bulunmasıdır. Basitleştirilmiş hesap yönteminde frenleme momenti tahrik sisteminin toplam verimi ve momenti göz önüne alınarak hesaplanır. Burada ötelenen ve dönen makina elemanları ile yüklerin atalet kuvvetleri ve momentleri ayrı ayrı hesaplanmadan bir emniyet faktörü tanımlanarak fren momenti bulunur. Yükün güvenli bir şekilde asılı tutulabilmesi için taşıma kuvvetinin 2.5 katının frenlenmesi gerektiği dikkate alınırsa, bu durumda frenleme momenti; 46
Bilgisayar Destekli Asansör Tahrik Grubu Tasarımı I Burada, 2 M ν M η (9) B = d M B : frenleme momenti M d : tahrik motorundan elde edilen moment η : tahrik sisteminin toplam verimi ν : emniyet faktörü (2,5) Fren kasnağının çapı, frenleme momentine göre DIN 15435 standardından seçilmektedir. Fren kasnağının seçiminin uygun olup olmadığı, fren basıncına göre kontrol edilmektedir. Fren balatasının maksimum basınç değeri p em = 1,5 N/mm 2 alındığında ve fren tertibatı ile ilgili boyutlar kullanıldığında, fren basıncı hesaplanmaktadır. p = M B 1 D µ b l o o (10) Burada, M B : frenleme momenti D : fren kasnağı çapı µ : fren balatası sürtünme katsayısı (µ = 0,4) b o : fren balatası genişliği l o : fren balatası uzunluğu olarak alınmıştır [12]. Askı Halat Çapı Hesabı Tahrik kasnağının çapını hesaplayabilmek için ilk olarak askı halatı çapının hesaplanması ve standart çap değerinin seçilmesi gerekmektedir. Askı halatlarının hesabında öncelikle, tek bir halatta oluşan maksimum çekme kuvveti hesaplanır. Asansör hızı ve kullanım şekli dikkate alınarak seçilen emniyet katsayısı ile çarpılarak, bulunan bu değere göre halat tablosundan teorik kopma yüküne bağlı halat çapı seçilir. Askı halatlarına gelen maksimum dinamik yük hesaplanır. Q + K b ΣS max = + GH 1 + (11) i g Burada, i : halatlama oranı G H : halat ağırlığı b : asansör ivmesi g : yerçekimi ivmesi (9.81 m/s 2 ) Halat ağırlığı değeri ilk hesaplarda tahmini bir değer seçilmekte, kesin halat çapı seçiminden sonra hesap yenilenmektedir. Asansör ivmesi ise, hıza bağlı olarak tanımlanmaktadır [14]. b = 0.67 v + 0. 13 v 2 (12) Taşıyıcı halat sayısı n = 4 adet olarak seçildiğinden, tek bir halata gelen maksimum yük (11) ifadesinden elde edilir. ΣSmax Smax = (13) n Tablo 12 den seçilen halat için emniyet katsayısı υ B ile halatın kopma kuvveti bulunur. 47
C.Erdem İMRAK ve İsmail GERDEMELİ S B = S max ν (14) B Tablo 12. Halatların kopma emniyet katsayıları Asansör Hızı v [m/s] < 0.63 0.63 1.00 1.25 >1.25 I. Tamburlu Yolcu 12 13 14 15 16 Yük 8 9 10 11 12 II. Tahrik Yolcu 16 17 18 19 20 Kasnaklı Yük 11 12 13 14 15 III. Tahrik Yolcu 16 18 20 22 24 Kasnaklı* Yük 14 15 16 17 18 * Kabin halatlara yaylı olarak asılı TS 1918 standardında Föy 7 de verilen 6 x 19 SEALE ve Föy 8 de verilen 8 x 19 SEALE tipi halat tablolarındaki 1570 veya 1770 N/mm 2 kopma mukavemeti değerleri için verilen F t teorik kopma yüküne uygun halat çapı seçilir [15]. Seale halatların minimum kopma yükleri ve halat çapları, halat yapılarına bağlı olarak Tablo 13 ve Tablo 14 de verilmiştir. Tahrik Kasnağı Hesabı ve Seçimi Tahrik kasnağı çapı, çelik tel halat çapına bağlı olarak seçilmektedir. Tahrik kasnağı çapı iki ayrı yöntemle elde edilmekte ve birbiriyle mukayese edilip en büyük çap esas alınmaktadır. a) I. Yöntem : tahrik kasnağı çapı, seçilen halat çapına ve işletme hızına bağlı olarak hesaplanmaktadır [14]. D T ( + 0. v) = d 37 27 (15) Tablo 13. 6 x 19 Seale halatın minimum kopma yükleri (TS 1918 / 7) Elyaf Özlü Halat Çelik Tel Özlü Halat Halat Ağırlık Teorik kopma yükü [kn] Teorik kopma yükü [kn] Ağırlık Halat Çapı Kopma muk. [N/mm 2 ] Kopma muk. [N/mm 2 ] Çapı [mm] kg/m 1570 1770 1570 1770 kg/m [mm] 8 0,238 38,7 43,6 44,9 50,6 0,262 8 9 0,302 48,9 55,2 56,8 64 0,332 9 10 0,373 60,4 68,1 70,1 79 0,410 10 12 0,537 87 98,1 101 114 0,590 12 15 0,838 136 153 158 178 0,922 15 16 0,954 155 174 179 202 1,05 16 18 1,21 196 221 227 256 1,33 18 20 1,49 242 272 280 316 1,64 20 22 1,80 292 330 339 382 1,98 22 b) II. Yöntem : tahrik kasnağı çapı, çelik tel halat ile kasnak yivi arasında meydana gelen ezilme basıncı esas alınarak hesaplanmaktadır [14]. Smax 1 D T = (16) d p sinγ / 2 Burada, p em : kasnak malzemesi ezilme emniyet basıncı (p em = 2,5 N/mm 2 ) γ : kasnak kama yiv açısı ( Şekil 11 den γ = 35 ) alınmıştır. em 48
Bilgisayar Destekli Asansör Tahrik Grubu Tasarımı I Tablo 14. 8 x 19 Seale halatın minimum kopma yükleri (TS 1918 / 8) Elyaf Özlü Halat Çelik Tel Özlü Halat Halat Ağırlık Teorik kopma yükü [kn] Teorik kopma yükü [kn] Ağırlık Halat Çapı Kopma muk. [N/mm 2 ] Kopma muk. [N/mm 2 ] Çapı [mm] kg/m 1570 1770 1570 1770 kg/m [mm] 10 0,348 53,6 60,5 70,8 79,8 0,425 10 11 0,422 64,9 73,2 85,7 96,6 0,514 11 12 0,502 77,2 87,1 102 115 0,612 12 15 0,784 121 136 159 180 0,957 15 16 0,892 137 155 181 204 1,09 16 18 1,13 174 196 229 259 1,38 18 20 1,39 215 242 283 319 1,70 20 22 1,69 260 293 343 386 2,06 22 24 2,01 309 348 408 460 2,45 24 γ Sonsuz Vida Mekanizması Hesabı ve Seçimi Şekil 11. Kama yiv profili Sonsuz vida mekanizması motor devir sayısı, çevrim oranı ve motor anma gücüne bağlı olarak redüktör kataloglarından seçilmektedir [18]. Çevrim oranı, motor devir sayısı ile tahrik kasnağı devir sayısı arasındaki orandır. Tahrik kasnağı devir sayısı ise, işletme hızı ve (15) veya (16) ifadesinden hesaplanan tahrik kasnağı çapına bağlı olarak hesaplanmaktadır. n TK 60 v = π D T (17) Sonsuz vida mekanizmasının çevrim oranı ise, seçilmiş olan senkron motor devir sayısına bağlı olarak ifadesi ile bulunur. nmotor i = (18) n TK 49
C.Erdem İMRAK ve İsmail GERDEMELİ SONUÇ Hareket mesafesinden bağımsız çalışan sürtünmeli tahrik mekanizması, asansör tahrik grubu olarak yaygın kullanılmaktadır. Emniyet bakımından otoblokajlı sonsuz vida mekanizması ve her an devrede bulunan çift pabuçlu fren tertibatı, tahrik grubunun en önemli avantajlarıdır. Tahrik grubu elemanları, modüler konstrüksiyon prensiplerine uygun olarak, standart elemanlardan ve modüler ünitelerden seçilerek dizayn edilmiştir. Böylece tahrik grubunun bilgisayar ortamında hesaplanarak, teknik resimlerinin oluşturulması imkanı sağlanmıştır. KAYNAKLAR 1. İMRAK, C.E., Düşey Transport Sistemleri Ders Notları, İTÜ. Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 1999. 2. İMRAK, C.E., Asansör Elektrik Tahrik Sistemleri, Asansör Dünyası, 32, 84-94, 1999. 3. İMRAK, C.E., Asansör Tahrikinde Kontrol Parametreleri, Asansör Dünyası, 33, 90-96, 2000. 4. ÇAKIR, A., Bağlama Elemanları, İTÜ Yayını, İstanbul, 1984. 5. AKKURT, M., Makina Elemanları Cilt 2, Birsen Kitabevi, İstanbul, 1986. 6. OKDAY, Ş., Makina Elemanları Cilt 1, Kazmaz Matbaası, İstanbul, 1979. 7. PHILLIPS, R.S., Electic Lifts, Pitman Publ., Bath, 1973. 8. DEMİRSOY, M., Transport Tekniği Kaldırma Makinaları Cilt 1, Birsen Yayınevi, İstanbul, 1993. 9. AKKURT, M., Makina Elemanları Cilt 3, Bursa Üniversitesi Basımevi, Bursa, 1980. 10. OKDAY, Ş., Makina Elemanları Cilt 3, Kazmaz Matbaası, İstanbul, 1982. 11. PFEIFER, H., Grunderlagen Der Fördertechnik, Viewegs Favhbücher der Technik, Germany, 1977. 12. ERNST, H., Hebezeuge Bemessungsgrundlagen Bautetie Antriebe, Friedr. Vieweg+Sahn, GmbH Verlag Braunschweig, Berlin, 1973. 13. JANOVSKY, L., Elevator Mechanical Design, Ellis Horwood Publ., New York, 1993. 14. TEXIER, G., Asansör Tesisleri, Çev. U. KÖKTÜRK, Birsen Kitabevi, İstanbul, 1972. 15. GERDEMELİ, İ., Asansörlerin Mekanik Hesapları, Asansör Projelendirme Kurs Notları, TMMOB Makina Mühendisleri Odası Antalya Şubesi, 49 68, 1996. 16. İMRAK, C.E., Asansör Halatlarının Yapısı ve Tavsiyeler, Asansör Dünyası, 11, 34-42, 1997. 17. BARNEY, G.C., COOPER, D.A. and INGLIS, J., Elevator & Escalator Micropedia, IAEE Publ., England, 1997. 18. İMRAK, C.E., Bilgisayar Yardımıyla Makina Konstrüksiyonu ve Asansör Tahrik Grubuna Ait CAD Programı, Y.Lisans Tezi, İTÜ. Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 1992. 19. DOSDOĞRU, G., Kaldırma Makinaları, Karaca Ofset Basımevi, İstanbul, 1972. 50