سیستم تعلیق و آسانسورهای بدون وزنه تعادل

پویا غلامی –  موضوع بحث این مقاله در خصوص سیستم تعلیق آسانسور و یا بکسل‌بندی است که یکی از اصلی‌ترین پارامترهای جابه‎جایی کابین در طول چاه است و در بسیاری از موارد در طراحی و اجرای یک دستگاه آسانسور تأثیرگذار خواهد بود که به تفکیک درباره آن‌ها توضیح داده خواهد شد. در ادامه درخصوص تأثیرات و استفاده از این موضوع در آسانسورهای به روز توضیح می‌دهیم که در نهایت منجر به حذف قاب وزنه تعادل در آسانسورها شده است. مبحث را با قرقره‌ها آغاز می‌کنیم که پایه و اساس سیستم تعلیق در آسانسورهاست.

نحوه عملکرد سیستم تعلیق آسانسور با استفاده از قرقره‌ها

قرقره‌ها جزء اصلی سیستم تعلیق آسانسور هستند که برای تغییر جهت و انتقال نیرو طراحی شده‌اند. قرقره از یک چرخ ثابت روی یک محور تشکیل شده است.  یک قرقره ممکن است دارای یک یا تعدادی شیار برای قرار گرفتن طناب باشد. این وسیله در حقیقت یک ماشین ساده است که برای تغییر جهت و قدرت نیرو ساخته شده است. هدف از طراحی این وسیله، حرکت و تغییر جهت طناب یا انتقال نیرو توسط طناب طراحی شده است.

سیستم تعلیق آسانسور با استفاده از قرقره‌ها موجب کاهش نیروی مورد نیاز برای بلند کردن بار می‌شود. همچنین در سیستم تعلیق آسانسور، قرقره‌ها و طناب‌ها نقش کلیدی در تعادل و جابجایی بار ایفا می‌کنند. این وسیله معمولاً و ترجیحاً با هدف کاهش میزان نیروی مورد نیاز برای بلند کردن بار استفاده می‌شود.

تاریخچه و عملکرد قرقره‌ها در بلند کردن بار

در تاریخ از این وسیله به عنوان یکی از ۶ ماشین ساده  (simple machine)   که برای بلند کردن وزن استفاده می‌شده، نام برده شده است. همان‌طور که در مورد همه دستگاه‌های ساده سنخیت دارد، منشأ قرقره ناشناخته است. هنگامی که انسان‎های اولیه با پرتاب طناب‌های طبیعی روی شاخه‌های درختان، اشیای سنگین را بلند می‌کردند، از ایده یک قرقره ثابت برای تغییر جهت نیرو استفاده کردند.

اما از آنجا که چرخی برای چرخاندن وجود نداشت، این روش منجر به تولید اصطکاک قابل توجهی می‌شد . مورخان معتقدند سال ۱۵۰۰ قبل از میلاد مسیح، مردم در بین النهرین از این وسیله برای استخراج آب از چاه‌ها استفاده می‌کردند، ولی در اسناد تاریخی ثبت نشده که این وسیله اولین بار توسط چه کسی ساخته شده است.

با این حال اعتقاد بر این است ارشمیدس نخستین سیستم مستقل بلوک و قرقره را طراحی و ساخته است. ارشمیدس با استفاده از قرقره‎های مرکب، توانسته یک کشتی جنگی را که قبلاً توسط چند مرد جابه‌جا شده بود، یک نفره جابه‌جا کند  که خود این امر پایه علم امروزی در خصوص قرقره‌ها شده است.

نحوه عملکرد سیستم قرقره در ساده‌ترین تئوری عملکرد که برای این سیستم فرض شده، قرقره‌ها و طناب‌ها بی‌وزن هستند . همچنین هیچ اتلاف انرژی به‌خاطر اصطکاک در این سیستم وجود ندارد. از قابلیت کشسانی کابل‌ها نیز صرف‌نظر می‌شود. در وضعیتی که سیستم در تعادل است، برآیند نیروهای موجود در بلوک باید به صفر برسد. همچنین تنش در هر دو بخش طناب باید یکسان باشد.

یعنی هر دو قسمت طناب که از بلوک در حال حرکت پشتیبانی می‌کنند، باید هرکدام نیمی از بار را پشتیبانی کنند. کلیه موارد مطرح شده پیش‌فرض‌های استفاده در قرقره هستند.

بیشتر بخوانید:

• قیمت ساندویچ پانل
• آسانسور شیندلر CLIMB: راه‌حلی نوین برای پروژه‌های ساختمانی
• قوانین آسانسور در ایران

بکسل بندی آسانسور چیست و عملکرد آن چگونه است؟

حال با دانستن طریقه عملکرد قرقره‌ها می‌توان درباره سیستم بکسل‌بندی یا همان سیستم تعلیق آسانسور صحبت کرد. در آسانسورها از طناب فولادی یا سیم بکسل استفاده می‌شود که سیم بکسل‌ها انواع بسیار متفاوت و با سایزهای مختلف و نوع پیچش متفاوت تولید می‌شوند که هر کدامشان در صنایع مختلف و در جایگاه خود مورد استفاده قرار می‌گیرند که غالباً سیم بکسل مورد استفاده در آسانسورها از نوع ۸*۱۹ است؛ بدین معنی که ۱۹ عدد تک سیم که تشکیل دسته سیم را می‌دهد به تعداد ۸ عدد در دور هسته پیچیده شده است.

کاربرد سیم بکسل‌ها انتقال کابین در طول چاه است که نیروی جابه‌جایی آن توسط موتور تأمین می‌شود. حال با دانستن چگونگی عملکرد قرقره‌ها در آسانسور آن را فلکه هرزگرد می‌نامیم که توسط آن انتقال نیرو در جهات مختلف تأمین می‌شود.

انواع بکسل بندی آسانسور

بکسل‌بندی در آسانسورها غالباً به چهار دسته ۱:۱ و ۲:۱ و ۳:۱ و ۴:۱ تقسیم‌بندی می‌شود که البته سیستم تعلیق‌هایی با بکسل‌بندی های بیشتر تا ۸:۱ و ۱۰:۱ و ۱۲:۱ هم قابل اجراست. نوع بکسل‌بندی‌ها با توجه به ویژگی‌های هرکدام و متناسب با نوع پروژه استفاده می‌شود. در ادامه به مزایا و معایب هرکدام خواهیم پرداخت.

سیستم بکسل بندی ۱:۱

در سیستم بکسل بندی ۱:۱ که ساده ترین حالت بکسل‌بندی است، یک سمت سیم بکسل  به قاب وزنه و سمت دیگر آن مستقیم به کابین متصل می‌شود که در این حالت سرعت حرکت موتور با سرعت کابین یکسان است و کلیه نیروها که شامل وزن کابین، ظرفیت و بار نامی آن، وزن قاب وزنه و کلیه دیگر متعلقات مستقیم به موتور و شفت آن و یا گیربکس در موتورهای گیربکس‌دار منتقل می‌شود که در این حالت شفت موتور می‌بایست توان تحمل همه نیروهای وارد شده به آن را داشته باشد، موتور نیز توان بیشتری نسبت به سیستم تعلیق‌های دیگر نیاز دارد.

این نوع سیستم تعلیق آسانسور غالباً در آسانسورهایی با ظرفیت و تعداد توقف محدود مورد استفاده قرار می‌گیرد. لازم به ذکر است در آسانسورهای پرسرعت نیز به‌دلیل نیاز به استفاده از حداکثر سرعت موتور، سیستم یک به یک استفاده شده است. ازمزایای این سیستم تعلیق آسانسور می‌توان به سادگی نصب، تجهیزات کمتر در فلکه‌ها و طول سیم بکسل کمتر اشاره کرد.

سیستم تعلیق ۲ به ۱

با متداول شدن موتورهای گیرلس در اوایل دهه ۹۰ میلادی، سیستم تعلیق ۲ به ۱ نیز برای این نوع از موتورها متداول شد. در این نوع سیستم تعلیق سرعت گردش فلکه موتور دو برابر سرعت حرکت کابین و وزنه تعادل است، از این رو آن را دو به یک می‌نامند. با توجه به محدودیت سرعت در موتورهای گیربکس‌دار و اتلاف انرژی در سرعت‌های زیاد، سیستم یاد شده کمتر برای موتورهای گیربکس‌دار استفاده می‌شود.

اما در موتورهای گیرلس (بدون گیربکس با تغییر تعداد قطب در استاتور سرعت موتور تغییر می‌کند، از این‌رو می‌توان به سرعت‌های زیاد با کمترین اتلاف دست یافت. بنابراین برای آسانسورهای تا ۳ متر برثانیه مسافربر نیز از سیستم ۲ به ۱ استفاده می‌شود.

در سیستم تعلیق آسانسور ۲ به ۱ به تعبیه فلکه روی کابین و وزنه تعادل نیاز است. به‌صورت کلی برای کابین سه نوع و برای وزنه تعادل دو نوع چیدمان فلکه کاربرد دارد.

برای آسانسورهای موتورخانه‌دار، بسته به شرایط فلکه کابین می‌تواند یک یا دو عدد باشد. دو عدد فلکه می‌تواند در بالای کابین یا در پایین اتاقک آسانسور تعبیه شود. بدیهی است با توجه به محل تعبیه کابین، لازم است تأثیر آن بر عمق چاله و یا فضای سرویس‌کار در بالای کابین نیز بررسی شود تا افزایش تعداد فلکه منجر به عدم انطباق استاندارد نشود.

در سیستم تعلیق آسانسور ۲:۱ سر بکسل‌ها به سقف چاه متصل شده و خود این امر سبب انتقال نیمی از بار به سقف چاه و نیمی از آن به موتور است. استفاده از دو فلکه در بالای کابین و یا دو فلکه در زیر کابین از استقبال بیشتری در نزد طراحان برخوردار است. درخصوص وزنه تعادل نیز عموماً فلکه در بالا قرار گرفته و استفاده از یک یا دو عدد فلکه، بستگی به دهنه ریل‌ها، سرعت حرکت و مقدار بار وزنه تعادل دارد.

مزایای سیستم تعلیق ۲ به ۱

از مزایای سیستم ۲ به ۱ می‌توان به نصف شدن بار وارده به شفت موتور، کاهش توان موتور، کاهش مصرف انرژی به‌دلیل توان کمتر موتور و کاهش مصرف به دلیل استفاده از موتور گیرلس ( سنکرون مغناطیس دائم )، کنترل بهتر موتور توسط تابلو که با استفاده از اینکودر و درایو این امر محقق می‌شود و سبب حرکت نرم‌‌تر کابین می‌شود.

سیستم تعلیق آسانسور ۳:۱

در سیستم تعلیق ۳:۱ مانند سیستم ۱:۱ یک سر بکسل به کابین و انتهای آن به قاب وزنه متصل می‌شود، با این تفاوت که فلکه‌های هرزگرد نیز در دو سمت کابین و قاب وزنه متصل است. در این حالت بار وارده به موتور یک سوم شده و سرعت موتور نیز  سه‌برابر سرعت کابین خواهد بود.

سیستم تعلیق آسانسور ۴ به ۱

در سیستم تعلیق آسانسور ۴ به ۱ سرعت موتور چهار برابر سرعت کابین و وزنه تعادل است. به عنوان مثال درصورتی که سرعت حرکت خطی سیم بکسل روی فلکه موتور ۱m/s  باشد، در سیستم یک به یک کابین و وزنه تعادل با سرعت ۱m/s جابه‌‍جا می‌شوند. اگر همین موتور در سیستم تعلیق آسانسور ۲ به ۱ استفاده شود، سرعت کابین و وزنه تعادل ۵/۰m/s بوده و اگر همان موتور با سرعت حرکت خطی سیم‌بکسل معادل ۱ m/s  در سیستم تعلیق آسانسور ۴ به ۱ استفاده شود، سرعت حرکت کابین و وزنه تعادل ۲۵/۰m/s است.

بنابراین با توجه به  نسبت معکوسی که میان سرعت کابین و موتور درصورت افزایش سیستم تعلیق وجود دارد، دو گزینه محتمل خواهد بود. استفاده از این سیستم برای آسانسورهای مسافربر با تعداد نفرات زیاد به عنوان مثال بیش از ۲۰ نفر که در این صورت برای دستیابی به سرعت‌های معمول ۱m/s  یا ۶/۱m/s  برای کابین و وزنه تعادل لازم است از موتوری با چهاربرابر سرعت یاد شده استفاده کرد. در گزینه دوم که بسیار مورد استقبال قرار گرفته، استفاده در آسانسورهای باربر و خودروبر است.

در آسانسورهای باربر با ظرفیت جابه‌جایی بیش از ۲ تن و نیز آسانسورهای خودرو بر مکانیزم یاد شده، کارایی داشته؛ زیرا در این نوع آسانسورها فراخوان آسانسور بسیار کم بوده و با توجه به ترافیک پروژه می‌توان از این نوع سیسستم استفاده کرد.

در یک سیستم تعلیق آسانسور ۴ به ۱ باید بار کابین و وزنه تعادل روی چهار سیم بکسل تقسیم شود، به‌گونه‌ای که یکی از این سیم بکسل‌ها در فیکسینگ سقف/موتورخانه فیکس شده و بار یک طرف سیم بکسل به موتور وارد می‌شود. از این‌رو عملاً یک چهارم وزن کابین به موتور اعمال شده، در حالی که در سیستم ۲ به ۱ نصف وزن و در سیستم یک به یک کل وزن کابین باید توسط موتور حمل شود.

در این تصویر که در استاندارد تجدیدنظر اول آمده یک سیستم بکسل بندی ۴:۱ را نشان می‌دهد که فلکه هاشور خورده نشانگر موتور و مابقی فلکه‌های هرزگرد است که اعداد داخل آن نیز سرعت چرخش فلکه‌ها با تصور سرعت حرکت کابین  ۱ m/s است. موارد دیگر اشاره شده پارامترهای مورد نیاز برای محاسبات آسانسور است.

سیستم تعلیق Maxi Space: حذف وزنه تعادل در آسانسورهای خانگی

در سیستم تعلیق‌های بیشتر با همان روند اشاره شده است. به طور مثال در سیستم تعلیق A سرعت موتور A  برابرسرعت کابین است و با همان تناسب نیرو وارده موتور A/۱ خواهد بود . یکی  از شرکت‌های مطرح ساخت آسانسور در دنیا با استفاده از این فرایند و سیستم تعلیق در محصولی به نام  Maxi Space که در سال ۲۰۰۶ به عنوان اختراع ثبت شده، استفاده کرده که برای حذف وزنه تعادل برای آسانسور خانگی استفاده شده است.

در این نوع سیستم با بالا بردن سیستم بکسل‌بندی به نوعی مقدار نیروی مورد نیاز وزنه تعادل که برای کاهش انرژی و حفظ نیروی تعادل وارد بر موتور را داشته است تأمین می‌کند که با حذف وزنه تعادل حداکثر استفاده از فضای چاه می‌شود.

پیش‌تر از این آسانسورهای هیدرولیک در چاه‌هایی که ابعاد کوچک‌تری داشتند، به دلیل اینکه تجهیزات بالابری فضای کمتری نسبت به آسانسورهای کششی داشتند، مورد استفاده قرار می‌گرفت که این سیستم می‌تواند در آسانسورهای کششی که سرعت‌های بالاتری نسبت به آسانسورهای هیدرولیک دارند، مورد استفاده قرار بگیرد.

بهره‌برداری بهینه از فضا با سیستم آسانسور Maxi Space

همچنین می‌توان در ساختمان‌هایی که فاقد آسانسور هستند نیز آسانسورهایی با ظرفیت و سرعت مناسب استفاده کرد. در سیستم Maxi Space، ۳۳ درصد از فضای چاه نسبت به آسانسورهایی با قاب وزنه کمتر استفاده می‌شود. در جدول زیر می‌توان ابعاد مورد نیاز این نوع آسانسورها را مشاهده کرد.

با توجه به گسترش ساختمان‌سازی گاهی نیاز است از سیستم‌های سنتی با دیدی متفاوت و به‌روزتر نسبت به ساختمان‌های جدید استفاده کرد و  بهره حداکثری از فضاها و انرژی را داشت که خود این امر می‌تواند سبب توجه به‌روز‌رسانی و استفاده از سیستم‌های جدید شود.

البته لازم به ذکر است این شرکت در گذشته نیز آسانسورهایی با موتورهایی با حداقل میزان ممکن، به طوری‌که بتوان در پشت ریل در آسانسورهای بدون موتورخانه استفاده کرد را طراحی و تولید کرده است.