Анализ требований, предъявляемых к работе лифтов

В числе главных технико-экономических требований и показателей при обосновании технических решений различных структур лебедок и их систем управления называются:

- возможность обеспечить оптимально комфортные условия перемещения пассажиров;

- надежность, безопасность и производительность;

- энергетическая эффективность преобразования энергии и капитальные затраты [1].

К важным дополнительным показателям относятся:

- экологичность (шум, вибрации механизма, наличие и объемы использования смазочных масел);

- габариты лебедки и системы управления;

- влияние на питающую сеть (величины рабочих и пусковых токов, возможные искажения формы тока и напряжения).

Во многих работах, аналитики, также учитывают затраты на утилизацию отработанных смазочных масел, указывают на последствия для окружающей среды при использовании и утилизации постоянных магнитов, насыщенных редкоземельными элементами [2]. Прочие показатели, такие как дизайн кабины и органов управления, организация связи и многое другое, во многих работах, как правило, не рассматриваются. Но зарубежные авторы, разделяют лифты на известные классы, в зависимости от качества материалов и дизайна: бюджетный или эконом-класс, повышенного качества, люкс, и т.д.

При перемещении пассажиров вертикальным транспортом, к которому относятся лифты, необходимо придерживаться определенных комфортных условий. В это понятие входят условия разгона и торможения с ограничением первой и второй производных скоростей кабины – ускорение и рывка, согласно индивидуальным физиологическим ощущениям человека [3]. Обеспечение оптимально комфортных условий перевозки пассажиров достигается за счет обеспечения оптимальной диаграммы изменения скорости кабины лифта в продолжение перемещения. Оптимальность диаграммы определяется условием получения минимального времени перемещения с учетом ограничений величин скорости, ускорения и рывка кабины лифта. Ограничения величины ускорения и рывка устанавливаются нормативными документами. Практически не заметными для ощущения пассажиров, принятыми на практике, являются линейные ускорения а≤ 1, 0 – 1, 5 м/с² и рывка r≤ 3, 0 – 5, 0 м/с³.

Вопрос степени влияния различных факторов и параметров на производительность пассажирских лифтов рассматривали многие ученые [6]. Отмечается, что требуемая производительность достигается, в зависимости от назначения здания и характеристики пассажиропотока, подбором номинальной скорости кабины, установкой группы лифтов вместо одиночного, введением экспрессных зон перемещения, в которых отсутствуют перемещения на один или несколько этажей и т.д.

Для жилых и административных зданий элементы лифтов обычно рассчитываются на максимальный пассажиропоток. Известно, что пассажиропоток в разное время суток изменяется по величине и направлению. В утренние и вечерние часы наблюдаются “пики” загрузки лифтов, между которыми находится область примерно равного распределения загруженности. В большинстве случаев при проектировании лифтов за расчетный период принимают интервалы времени, равный пяти минутам. Выбор такого времени интервала объясняется тем, что в продолжении более длительных промежутков времени интенсивность пассажиропотока подвержена значительным колебаниям и, если принимать в качестве расчетных средние величины, это может вызвать в определенные моменты очереди и чрезмерное увеличение времени ожидания.

При неравномерной заселенности этажей расчетный пятиминутный пассажиропоток определяется:

(1.1)

При равномерной заселенности:

(1.2)

где А – полное количество людей в здании;

N – общее число этажей здания;

а – число этажей, население которых не пользуется лифтов (как правило, для жилых домов это первые два этажа);

I’/100 – показатель интенсивности пассажиропотока, характеризующий число пассажиров (в процентах), подлежащих перемещению вверх и вниз в продолжение расчетного пика.

Отмечается, что на величину пятиминутных пиков, также могут влиять и другие параметры, например месторасположение здания. Величины типовых «пятиминутных» пиков приведены в таблице 1.1.

При выборе числа лифтов принимается во внимание время, затрачиваемое лифтом на круговое перемещение. Часовая производительность лифта (общее число людей, перемещенных за час в одном направлении) определяется по выражению:

, (1.3)

где E=Q/80 – вместимость кабины, чел.;

Q – грузоподъемность лифта, кг.;

80 – средняя масса одного пассажира, кг;

– время, затрачиваемое на остановки, с.

Таблица 1.1 – Величины «пятиминутных» пиков загрузки лифтов в зависимости от функционального назначения здания

Это время может быть найдено:

(1.4)

Для пассажирских лифтов грузоподъемностью 320, 500 и 1000 кг со скоростью движения кабины 0, 71 и 1, 0 м/с сумма времени, затраченного на ускорение и замедление (), на пуск () и дверные операции (), составляет 10-12 с. Для грузопассажирских лифтов это время немного больше – 12-14 с.

Ограничение времени ожидания посадки – высадки на этаже в значительной степени оптимизирует производительность лифта. В случаях очень напряженного пассажиропотока используют специальные кабины проходной конструкции с передними и задними дверьми, двухуровневые и двухпалубные кабины.

Для лифтов при ширине дверного проема до 1000 мм время, затраченное на вход () и выход () одного пассажира составляет 1, 5-2, 0 с, а при ширине дверного проема более 1000 мм – 0, 8-1, 2 с. Дополнительное время (), затрачиваемое на случайные задержки, определяется в процентах к общему времени кругового рейса. При обслуживании пассажиропотоков, идущих в одном направлении, оно принимается равным 5-10% от полного времени рейса, а при двухсторонних пассажиропотоках – 10-15% от времени рейса в одном направлении. Число вероятных остановок кабины лифта:

, (1.5)

где – число возможных остановок на этажах выше первого;

– расчетный коэффициент, обычно принимаемый равным 0, 8.

Слабым местом всех существующих аналитических методов расчета, является то, что они позволяют определить пассажиропоток в целом за сутки или в среднем за один час и не позволяют рассчитать реальную загрузку лифта (число вызовов, количество остановок, число пассажиров, распределение пассажиров при движении вверх и вниз). Например, при движении лифта со скоростью 2, 0 м/с полный цикл при рассматриваемой пятиминутной максимальной интенсивности пассажиропотока в 40-этажном здании и грузоподъемности лифта 1600 кг в обе стороны составит 303 с. При этом перевозится 28 человек, а расчетное время движения соответствует пятиминутному расчетному интервалу времени. Если принять, что эта величина составляет 5% от всех людей, проживающих в здании и пользующихся лифтом, то общее число пассажиров за сутки составляет 560 человек. При расчете числа пассажиров, пользующихся лифтом, из условий часового максимального пассажиропотока, определяется цифра – 993 человека. В то же время лифт, работая в режиме максимальной пятиминутной интенсивности пассажиропотока, может за сутки совершить 235 полных рейсов и перевезти 7934 пассажира. Сравнение полученных цифр показывает, что реальная среднесуточная загрузка пассажирского лифта почти на порядок отличается от загрузки, определенной на основании расчетной методики [6]. Это говорит о том, что для оценки энергетических показателей лебедок и выполнения других технико-экономических расчетов требуется полная информация о реальной загрузке лифтов, представленная на основании статических исследований. При отсутствии такой информации актуальной является разработка и применение новых методов технико-экономического сопоставления применяемых вариантов и технических решений при синтезе и анализе лифтовых подъемных механизмов и их систем управления.

Наиболее существенное влияние на производительность лифтов, при прочих равных условиях, оказывает номинальная скорость передвижения кабины. Ограничения по скорости передвижения определяются конструкцией пассажирского лифта и устанавливаются в зависимости от назначения здания и его этажности. Максимальную скорость кабины принято называть рабочей или номинальной скоростью [5]. По номинальной скорости движения кабин пассажирские лифты подразделяют на тихоходные (0, 5-0, 71 м/с), быстроходные (1, 0-1, 4 м/с) и скоростные (свыше 1, 6 м/с).

Также обращают внимание на то, что производительность лифта не связана прямой пропорциональностью с его скоростью [6]. Это обусловлено тем, что при большом числе остановок лифт, в большинстве случаев, не успевает разогнаться до максимальной скорости. В этом плане интересны приведенные на рисунке 1.1 идеальные диаграммы перемещения лифта на различное число этажей высотой 3, 2 м, при номинальной скорости лифта 1, 0 м/с.

Анализируемы параметр – время, за которое кабина переместиться на заданное число этажей от начала движения до полной остановки. Учитываются кинематические параметры – путь, скорость, ускорение, рывок. Допускается, что системы управления обеспечивают условия комфортности перемещения пассажиров. По этим условиям устанавливаются ограничения ускорения и производной ускорения – рывку.

Рисунок 1.1 – Диаграммы перемещения пассажирских лифтов при различной этажности зданий

Расчетная высота этажа 3, 2 м. Оценивается производительность возможных при перемещениях кабины на расстояние с 1 по 10 этаж с учетом двух возможных систем управления:

- лебедка с нерегулируемым двухскоростным асинхронным двигателем; все процессы пуска и торможения происходят с расчетным ускорением 1м/с². За 1, 2 м до места остановки двигатель переключается на пониженную до 0, 25 м/с скорость, точная остановка выполняется путем наложения электромагнитного тормоза за 0, 15 м от заданного этажа. Расчетная форма графика движения – трапецеидальная двухступенчатая;

- лебедка с регулируемым двигателем; движение выполняется по расчетной траектории с ограничение заданной скорости на уровне номинальной, ускорения до 1 м/с² и рывка до 3 м/с³. Остановка точная на заданном этаже, без дополнительных операций подхода к заданной точке. Расчетная форма графика скорости – трапецеидальная с ограничением по рывку.

Для первого варианта учитываются возможные скорости 0, 71; 1, 0; 1, 6 м/с. Для второго варианта 1, 0; 1, 6; 2, 0; 2, 5; 2, 8; 4, 0; 6, 0 м/с. Отмечается, что исполнение лифта с нерегулируемой лебедкой со скоростью подъема 1, 6 м/с и более видится довольно рискованным, поскольку трудно обеспечить условия комфортности перемещения кабины. Графики, которые показывают продолжительность перемещения на заданное количество этажей для обоих вариантов, в зависимости от номинальной скорости, представлены на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 – Зависимость времени перемещения пассажиров на заданную высоту от скорости движения кабины лифта

Показано, что при перемещении на любое расстояние, лебедка с регулируемой системой управления всегда имеет преимущество в быстродействии благодаря отсутствию участка с пониженной скоростью [7]. Например: при перемещении на один этаж, разность составляет 2, 56 с для лифта со скоростью 1 м/с и 0, 77 с для лифта со скоростью 1, 6 м/с. Быстродействие увеличивается соответственно в 1, 57 и в 1, 2 раза. При перемещении на два этажа для случая со скоростью 1 м/с это соотношение составляет 1, 33 и даже при перемещении на десять этажей дает ощутимую разность в 1, 08 раза, конечно, с учетом вспомогательных операций, эти показатели будут несколько меньше. Особенностью лифтов со скоростью движения кабины 1, 6 м/с и более, является то, что при указанных ограничениях по ускорению и рывку, кабина не успевает разогнаться до номинальной скорости и затормозиться на расстоянии в один этаж, то есть полная диаграмма может быть отработана только на расстоянии в несколько этажей. Чтобы «вписать» оптимальную диаграмму со скоростью 1, 6 м/с в один этаж, необходимо формировать «треугольную» форму диаграммы – уменьшать значения заданной скорости и увеличивать допустимые значения ускорения и рывка, разумеется, в разумных пределах. При скорости 2, 5 м/с для этого необходимо 3 этажа, при скорости 4 м/с уже 6 этажей [6]. При этом, искусственное снижение скорости при перемещениях на меньшее количество этажей значительно уменьшает производительность. Очевидно, решением реализации требуемого быстродействия является формирование треугольной оптимальной диаграммы движения формы индивидуально для соответствующего количества этажей. В современных системах управления формирование такого многообразия диаграмм движения не является проблемой.

Расчеты производительности вертикального транспорта, в зданиях различного назначения дают основания для рекомендаций о применении лифтов в жилых и административных зданиях, со следующими номинальными скоростями: до 9 этажей – 0, 71-1, 0 м/с; от 9 до 16 этажей – 1, 0-1, 4 м/с; с числом этажей более 16 этажей – 2, 0-4, 0 м/с. Рекомендованные данные по грузоподъемности и скорости движения пассажирских лифтов приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2 – Грузоподъемности и скорости перемещения пассажирских лифтов

Для повышения производительности лифтов в высотных зданиях предлагается использовать экспрессные зоны – одна часть лифтов обслуживает только первую половину этажей, вторая часть лифт следует без остановок ко второй половине этажей и там осуществляет перевозку пассажиров [8]. Если в высотных зданиях вводятся экспрессные зоны, рекомендуют скорости 2, 5-4 м/с. В таком случае при выходе из экспрессной зоны рекомендуют переходить к меньшим скоростям, или так же, формировать индивидуальные треугольные диаграммы движения.

Номинальная скорость кабины, принятая при модернизации старых лифтов в большей степени зависит от общего состояния здания, в целом, и лифтовой шахты, в частности. На основе анализа статистики аварийных режимов работы утверждается, что при сохранении старых направляющих увеличивать скорость не рекомендуется, не смотря на прочие технические возможности.