Ausgabe 1/2005
01/01/05
Einblicke in das natürliche Verhalten der Fangvorrichtungen für Aufzüge und ihre Auslösevorrichtungen
Dipl.-Ing. Johannes de Jong (Kone Corporation)
Eine ansonsten logisch funktionierende Fangvorrichtung kann plötzlich ein unberechenbares Verhalten an den Tag legen. Dieser Aufsatz erläutert das Reibungsverhalten, die Wirkung der Reibungstoleranzen, die Gründe für das unberechenbare Verhalten und die Maßnahmen zur Vermeidung derartiger Verhaltensweisen. Hierin wird auch das Verhalten der Auslösevorrichtungen (wie Geschwindigkeitsbegrenzer) erläutert und welche Auswirkungen sie auf den Betrieb der Fangvorrichtung haben.
Kategorie: Fachaufsaetze Ausgabe 1/2005
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Häufig wird das natürliche Verhalten der Fangvorrichtungen und Geschwindigkeitsbegrenzer nicht richtig verstanden, sodass falsche Entscheidungen bezüglich der Kombination dieser Vorrichtungen getroffen werden. In diesem Aufsatz werden auch Vorschläge zu möglichen Verbesserungen künftiger Sicherheitsnormen für Aufzüge gemacht, um die Zuverlässigkeit der derzeit eingesetzten Fangvorrichtungen zu erhöhen.
Fangvorrichtungen wurden erstmals Anfang der fünfziger Jahre des neunzehnten Jahrhunderts eingeführt und bilden seitdem einen festen Bestandteil von Seilaufzugsanlagen. In den modernen Sicherheitsnormen für Aufzüge werden drei Arten von Fangvorrichtungen beschrieben.
Verzögerungsfrei wirkende Fangvorrichtungen. Hierbei handelt es sich um die einfachste Art, bei der sich nach ihrer Auslösung die Kraft in Abhängigkeit der zurückgelegten Fahrstrecke erhöht. Die Nenngeschwindigkeit eines Aufzugs, der mit dieser Art Sicherheitsvorrichtung ausgestattet ist, ist auf 0,63 m/s begrenzt. Diese Art der Fangvorrichtung ist ziemlich verbreitet bei Anwendungen mit niedriger Geschwindigkeit und einer geringen Fahrweglänge.
Verzögerungsfrei wirkende Fangvorrichtungen mit Pufferwirkung. Diese Art ähnelt in ihrer Arbeitsweise der verzögerungsfrei wirkenden Fangvorrichtung, wobei die Stoßwirkung durch den Einsatz von Ölpuffern gemildert wird. Diese Art der Fangvorrichtung kann bei Nenngeschwindigkeiten von bis zu 1,0 m/s eingesetzt werden. Auf Grund der höheren Kosten kommt diese Art der Fangvorrichtung nicht sehr häufig zum Einsatz.
Progressive Fangvorrichtungen. Diese Art muss bei Nenngeschwindigkeiten höher als 1,0 m/s eingesetzt werden und wird auch häufig bei Nenngeschwindigkeiten über 0,63 m/s verwendet. Der Kraftanstieg wird durch Anschläge begrenzt, die in der Fangvorrichtung eingebaut sind. So wird eine konstante Reibungskraft erzeugt, bis die Kabine zum Stillstand kommt. Dadurch werden gefährlich hohe Abbremsniveaus über längere Zeitspannen vermieden, die bei den Fahrgästen in der abgebremsten Aufzugskabine zu Verletzungen führen können.
Die ersten beiden genannten Arten der Fangvorrichtung sind meistens nicht einstellbar, während die progressiven Fangvorrichtungen praktisch immer einstellbar sind. Das unberechenbare Verhalten ist überwiegend den progressiven Fangvorrichtungen vorbehalten. Dieses Verhalten wird nicht durch die Einstellung, sondern durch das natürliche Reibungsverhalten verursacht, was bei der Person, die die Einstellung durchführt, oft zu Verwirrung führt. Ich kann die vielen Gelegenheiten nicht mehr zählen, bei denen ich versucht habe, Fangvorrichtungen auf einen etwas härteren Halt einzustellen und genau das Gegenteil bewirkt habe. Ich zweifelte oft daran, ob ich die Einstellung in die richtige Richtung vorgenommen habe. Jeder, der Fangvorrichtungen einstellt, hat ähnliche Erfahrungen gemacht. Es handelt sich dabei nicht um Fehler bei der Einstellung, sondern um einen natürlichen Teil des Verhaltens von Fangvorrichtungen. In diesem Aufsatz wird erläutert, was die eigentliche Ursache für dieses Verhalten ist.
Die Auswirkungen der Reibung auf die Einstellung
Die zulässige Masse bei konstanter Reibung
Um eine Masse M im freien Fall anzuhalten, müssen wir eine auf die Masse wirkende Kraft größer als die Schwerkraft Mg aufwenden. Die Kraft sollte der Schwerkraft entgegenwirken.
Die Norm EN 81 gibt klar vor, dass eine Kabine im freien Fall (bei einem totalen Versagen der Aufhängungsmittel) mit einer durchschnittlichen Verzögerung von mindestens 0,2 g und maximal 1,0 g angehalten werden soll. Im Anhang mit den Erläuterungen zur Baumusterprüfung für progressive Fangvorrichtungen wird in EN 81 explizit eine Einstellung anvisiert, die eine durchschnittliche Verzögerung von 0,6 g erzielt. Um dies bei einer Masse M zu erreichen, muss eine auf die Masse wirkende Kraft von 1,6 Mg aufgewendet werden (siehe Abb. 1).
Wenn wir diese Kraft nun beibehalten und die Masse ändern, erhalten wir die in Abb. 2 dargestellte Verzögerungskurve.
Wie aus Abbildung 2 ersichtlich, wird die durch EN 81 vorgegebene maximale Verzögerung von 0,1 g nicht überschritten, wenn die eigentliche Masse über 0,80 M bleibt, und die erforderliche minimale Verzögerung von 0,2 g nicht unterschritten, wenn die Masse nicht größer ist als 1,33 M. Mit anderen Worten, wenn wir die Reibungskraft der Fangvorrichtung auf 1,6 Mg einstellen, werden wir immer noch in der Lage sein, 20 % leichtere Kabinen und bis zu 33 % schwerere Kabinen innerhalb der Vorgaben aus EN 81 anzuhalten. Diese Aussage stimmt jedoch nur, wenn die Reibungskraft genau bei 1,6 Mg verbleiben würde. Wir wissen alle, dass eine konstante Reibung in Wirklichkeit nicht existiert. Es gibt immer Toleranzen.
Die Auswirkungen der Reibungstoleranzen auf die zulässige Masse
In Abbildung 3 ist dargestellt, was bei einer Toleranz von ± 10 % bzw. ± 20 % auf die Reibungskraft von 1,6 Mg mit der zulässigen Last passiert.
Bei einer Toleranz von ± 10 % auf die Reibungskraft von 1,6 Mg muss die Masse zwischen 0,88 M und 1,20 M liegen, um den Abbremsvorgaben von EN 81 zu entsprechen.
Bei einer Toleranz von ± 20 % auf die Reibungskraft von 1,6 Mg muss die Masse zwischen 0,96 M und 1,07 M liegen, um den Verzögerungsvorgaben von EN 81 zu entsprechen.
Der Bereich der zulässigen Masse verringert sich mit dem Anstieg der Reibungskrafttoleranz. Bei einer Reibungstoleranz von ± 25 % treffen die untere und die obere Massengrenze zusammen und muss die Masse genau 1,00 M sein, um stets den Vorgaben aus EN 81 zu entsprechen.
Die Auswirkungen der Geschwindigkeit auf die Reibungstoleranzen
Die meisten Werkstoffe bieten einen einigermaßen konstanten Reibungsfaktor über einen bestimmten Bereich „Kraft x Geschwindgkeit“, auch bekannt als PV-Bereich. Leider wird dieser Bereich auf Grund des begrenzten Platzangebots zur Unterbringung der Keile bei den Anwendungen von Fangvorrichtungen weit überschritten. Deshalb sind praktisch alle für die Fangvorrichtungskeile benutzten Werkstoffe von der Geschwindigkeit abhängig. Je höher die Geschwindigkeit, desto größer ist der Toleranzbereich und desto kleiner ist der einsetzbare Lastbereich.
Dr.-Ing. Klaus Feyrer hat bereits die Abhängigkeit des Reibungsfaktors von der Geschwindigkeit in „Technische Überwachung“ Bd. 8 (1967) Nr. 12, Seite 415 – 422, dokumentiert. Klaus Feyrer arbeitete als Professor an der Universität von Stuttgart im Fachbereich Fördertechnik.
Abbildung 4 zeigt eine Vielzahl von Erprobungen von Fangvorrichtungen, die bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten mit zwei verschiedenen Einstellungen der Fangvorrichtung durchgeführt wurden.
Es ist deutlich erkennbar, dass die Kraft der Fangvorrichtung bei steigender Geschwindigkeit abnimmt und bei sinkender Geschwindigkeit zunimmt. Man sieht auch, dass es bei allen Geschwindigkeiten erhebliche Toleranzen in der Reibungskraft gibt.
Abbildung 5 zeigt eine typische Kurve der Freifallgeschwindigkeit einer Fangvorrichtung mit geschwindigkeitsabhängigen Eigenschaften.
Die Geschwindigkeit nimmt linear bis zu einer Geschwindigkeit von 5,06 m/s zu, wo die Fangvorrichtung ausgelöst wird. Wenn dann die Geschwindigkeit nach dem Auslösen abnimmt, sieht man deutlich, dass die Kurve einen steileren Verlauf nach unten nimmt, was auf eine verstärkte Verzögerung und höhere Reibungskräfte deutet.
Eine ähnliche geschwindigkeitsabhängige Kurve findet man in „Elevator Technology 12, Proceedings of Elevcon 2002“ im Beitrag „The world’s fastest (1010 m/min) elevator“, Seite 223.
Die Möglichkeit eines Versagens der Fangvorrichtung
Der Bereich, in dem jede Prüfung der Fangvorrichtung den Vorgaben der Norm EN 81 entspricht, ist in Abbildung 6 dargestellt und als „sicherer Bereich“ gekennzeichnet. Außerhalb dieses Bereichs ist es immer noch möglich, Fangvorrichtungsprüfungen in Übereinstimmung mit EN 81 durchzuführen. Es besteht aber auch die Möglichkeit eines Versagens.
Abbildung 6 zeigt das Verhältnis zwischen einem möglichen Versagen und einem möglichen Erfolg bei einer Masse vom 0,75 M und einer Reibungskraft von 1,6 Mg ± 20 %. Bei 0,64 M ist die Möglichkeit des Versagens 100 %. Die Verzögerung durch die Fangvorrichtung übersteigt stets 1,0 g.
Am unteren Ende der Verzögerungskurve und außerhalb des sicheren Bereichs können Prüfungen gemäß EN 81 bei geringer Verzögerung durchgeführt werden. Man kann dabei aber auf Verzögerungen unterhalb von 0 g treffen, oder mit anderen Worten gesagt durchfallen. Da die Reibungskraft bei hohen Geschwindigkeiten geringer ist als bei niedrigen Geschwindigkeiten, ist ein Durchfallen sogar noch wahrscheinlicher, weil die durchschnittliche Verzögerung höher ist als die Verzögerung zu Beginn des Fangvorgangs.
Da sich die Reibung zwischen aufeinanderfolgenden Erprobungen dramatisch ändern kann, sind die Möglichkeiten einer strafferen Einstellung zur Verkürzung des Gleitwegs recht gut. Trotzdem könnte sich bei der nächsten Erprobung ein längerer Gleitweg einstellen. Aber auch das Gegenteil ist möglich.
Dieses unberechenbare Verhalten der Fangvorrichtungen ist die logische Konsequenz aus den Reibungstoleranzen. Da EN 81 eine Toleranz von ± 7,5 % auf die auszulösende Masse zulässt, sollten die Toleranzen unter ± 15 % bleiben, um unter allen Bedingungen mit perfekt eingestellten Fangvorrichtungen innerhalb des sicheren Bereichs zu bleiben. Zur Berücksichtigung kleinerer Ungenauigkeiten bei der Einstellung sollte die Reibungstoleranz innerhalb von ± 10 % gehalten werden, um eine Neueinstellung der Fangvorrichtungen auf der Baustelle zu vermeiden. Es sollte auch eine Vielzahl von Erprobungen stattfinden, um den sicheren Bereich und die Toleranz der Fangvorrichtung zu bestimmen. Die meisten Fangvorrichtungen verfügen über größere Reibungstoleranzen als ± 10 %, sodass mehr als nur gelegentliche Neueinstellungen erforderlich sind.
Wie lässt sich das Verhalten der Fangvorrichtung verbessern?
Das Verhalten der Fangvorrichtung lässt sich am ehesten dadurch verbessern, dass man die Aufzugsnorm ändert. Die in Deutschland gültige alte DIN-Norm erlaubte maximale Verzögerungen von 1,4 g im freien Fall anstatt der maximalen Verzögerung von 1,0 g gemäß EN 81, ohne dass dabei die Fahrgäste zu Schaden kamen. Die niedrigere Verzögerungsbegrenzung im freien Fall wurde in beiden Regelwerken mit 0,2 g vorgegeben. Die Konsequenz der höheren Höchstgrenze stellt eine erhebliche Vergrößerung des sicheren Bereichs dar, wogegen sich die angestrebte Verzögerung im Vergleich zum Wert von 0,6 g aus EN 81 lediglich auf 0.7 g erhöht. Daraus ergibt sich, dass die Reibungstoleranz auf ± 20 % erhöht werden kann, wodurch eine Neueinstellung auf der Baustelle vermieden wird. Die meisten Fangvorrichtungen würden nur geringfügig oder überhaupt nicht mehr neu eingestellt werden müssen.
Eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung des Verhaltens von Fangvorrichtungen wäre der Einsatz elektronisch gesteuerter Fangvorrichtungen. Die derzeit gültigen Normen verhindern den Einsatz derartiger Fangvorrichtungen. Aber vielleicht erlaubt die Risikoanalyse den Einsatz der elektronisch gesteuerten Fangvorrichtungen in der näheren Zukunft. Die Kosten für diese Servosysteme könnten jedoch den Einsatz auf hochwertige Aufzugsanlagen beschränken.
Kone hat die Toleranz der Fangvorrichtungen durch die Einführung der Fangvorrichtungen SGB06 und SGB07 dramatisch verbessert. Diese patentierten Fangvorrichtungen arbeiten komplett mechanisch und wenden mechanische Servoprinzipien an. Wegen ihrer Bauweise verringern diese Fangvorrichtungen automatisch die normal auf die Keile wirkenden Kräfte bei steigendem Reibungsfaktor. Dadurch verläuft die Reibungskraft beim Einstellwert praktisch weiterhin linear mit nur geringen Toleranzen.
Auf Grund des mechanischen Servoprinzips sind die Kone-Fangvorrichtungen vom Typ SGB06 und SGB07 geschwindigkeitsunabhängig. Abbildung 8 zeigt eine Kurve der Freifallgeschwindigkeit einer Fangvorrichtung vom Typ SGB06 mit einer Greiflast von 1000 kg bei einer Geschwindigkeit von fast 10 m/s.
Im Vergleich zu den üblichen Kurven anderer Hochgeschwindigkeits-Fangvorrichtungen hat die Verzögerungskurve einen bemerkenswert geraden Verlauf.
Die Auswirkungen von Geschwindigkeitsbegrenzern
Die Norm EN 81 schreibt eine Baumusterprüfung aller Geschwindigkeitsbegrenzer vor. Die Baumusterprüfung erfolgt jedoch bei einer sehr geringen Beschleunigungsrate. Sie kommt auch sehr nahe an die Beschleunigung bei Aufzügen in Durchgeh-Situationen (Geschwindigkeitsüberschreitung mit befestigten Seilen). In Freifallsituationen (komplettes Versagen der Aufhängungsmittel) sind die Beschleunigungsrate und die Schwerkraft (9,81 m/s2) praktisch gleich und wird die Beschleunigung nur leicht durch die Reibung gebremst.
Der Geschwindigkeitsbegrenzer ist im Prinzip stets eine Schwungradvorrichtung, bei der die Fliehkraft versucht, gegen die Kraft einer Feder anzukämpfen. Ein anderes Wort dafür wäre ein Federmassensystem. In jedem Federmassensystem sind die Kraft und die Geschwindigkeit phasenverschoben. Bei langsamer Beschleunigung (= bei einem langsamen Anstieg der Fliehkraft) hat die Geschwindigkeit Zeit genug, sich anzupassen. Mit anderen Worten, die Wechselbeziehung zwischen der Position des Gewichts und der Fliehkraft und daher der Geschwindigkeit ist gut. Bei einer schnelleren Beschleunigung steht für das Ausfahren des Gewichts weniger Zeit zur Verfügung, und wegen der Phasenverschiebung zwischen der Kraft und der Geschwindigkeit ist die Wechselbeziehung zwischen der Geschwindigkeit und der Position des Gewichts weniger gut.
Würde man die Position des Gewichts als Tacho benutzen können, würde man feststellen, dass sich eine korrekte Geschwindigkeit bei einer langsamen Beschleunigung, aber eine viel zu geringe Geschwindigkeit bei einer starken Beschleunigung ergibt, weil das Gewicht zu langsam ausgefahren wird.
Abbildung 9 zeigt drei verschiedene Geschwindigkeitsbegrenzer für niedrige Geschwindigkeiten, alle mit einer auf 0,8 m/s eingestellten Auslösegeschwindigkeit. Die beiden Linien mit dem geringeren Anstieg gehören zu zwei identischen Kone-Begrenzern vom Typ OL35. Der dritte ist ein handelsüblicher Begrenzer mit einem Hebelarm.
Die Kone-Geschwindigkeitsbegrenzer vom Typ OL35 wurden speziell zur Minimierung des Geschwindigkeitsanstiegs infolge einer stärkeren Beschleunigung entwickelt. Diese Begrenzer verzeichnen bei weitem den geringsten Anstieg aller von uns getesteten Begrenzer. Dennoch liegt die Geschwindigkeitserhöhung knapp über dem doppelten Wert bei Schwerkraft.
Beim Hebelarmbegrenzer erhöhte sich die Geschwindigkeit um mehr als das Vierfache bei Schwerkraft. Dennoch schnitt der hier dargestellte Hebelarmbegrenzer bei den Messungen nicht als schlechtester ab. Glücklicherweise ist die Geschwindigkeitserhöhung bei allen Begrenzerarten kleiner als bei höheren Einstellungen der Auslösegeschwindigkeit.
Die Energie, die Fangvorrichtungen absorbieren müssen, erhöht sich mit der zweiten Potenz der Auslösegeschwindigkeit. Unter realen Freifallbedingungen wäre es daher nicht verwunderlich, wenn verzögerungsfrei wirkende Fangvorrichtungen komplett zerstört werden oder die Kabine bei einer progressiven Fangvorrichtung durchfällt.
Fangvorrichtungen und Geschwindigkeitsbegrenzer sollten so kombiniert werden, dass eine Erhöhung der Geschwindigkeit hervorgerufen durch eine hohe Beschleunigung beim freien Fall nicht zu einem völligen Versagen der Fangvorrichtung führt. Das völlige Versagen kann bei verzögerungsfrei wirkenden Fangvorrichtungen durch eine zu starke Dissipation der Energie oder bei progressiven Fangvorrichtungen durch verringerte Reibungsfaktoren auf Grund der Geschwindigkeitsabhängigkeit oder des Verlustes des sicheren Bereichs hervorgerufen werden.
Schlussfolgerung
In diesem Aufsatz wurden die Auswirkungen der Reibungstoleranzen auf den Betrieb der Fangvorrichtungen untersucht. Es wurde ebenfalls untersucht, welche Auswirkungen Auslösevorrichtungen wie z.B. Geschwindigkeitsbegrenzer auf die Funktion der Fangvorrichtung haben.
Es können folgende Schlussfolgerungen gezogen werden:
Um eine nachträgliche Verstellung progressiver Fangvorrichtungen zu vermeiden, wäre es empfehlenswert, die alte deutsche DIN-Norm wieder einzuführen, nach der eine maximale Verzögerung von 1,4 g und eine angestrebte Verzögerung von 0,7 g im freien Fall zulässig sind. Dadurch ergeben sich erheblich größere Reibungstoleranzen für Fangvorrichtungen. Die derzeit gültige EN 81 gibt für die meisten eingesetzten Fangvorrichtungen viel zu kleine Toleranzen vor.
Wenn wir die derzeitige Norm EN 81 beibehalten, sollte man sich mehr auf die Verringerung der Reibungstoleranz bei progressiven Fangvorrichtungen konzentrieren.
Sollte man es versäumen, die Erhöhung der Auslösegeschwindigkeit von Geschwindigkeitsbegrenzern im freien Fall zu überprüfen, können sich potenziell gefährliche Kombinationen aus Fangvorrichtungen und Geschwindigkeitsbegrenzern ergeben, die zu einem völligen Versagen im freien Fall führen.
Glücklicherweise kommt ein freier Fall nur äußerst selten vor.
Nachdruck mit freundlicher Genehmigung der IAEE – The International Association of Elevator Engineers in Elevator Technology 14, Proceedings of Elevcon 2004, vom 14. International Congress on Vertical Transportation Technologies, stattgefunden vom 27.–29. April 2004 in Istanbul, Türkei.
Referenzen
Dr.-Ing. Klaus Feyrer (1967). Technische Überwachung, Bd 8 Nr. 12, pp 415 – 422.
T. Munakata, H. Kohara, K. Takai, Y. Sekimoto, R. Ootsubo, S. Nakagaki (2002), Elevator technology 12, proceedings of Elevcon 2002, “The world fastest (1010 m/min) elevator”, page 223.
First published by IAEE – The International Association of Elevator Engineers in Elevator Technology 14, Proceedings of Elevcon 2004, the 14th International Congress on Vertical Transportation Technologies, held 27–29 April 2004 in Istanbul, Turkey.
T. Munakata, H. Kohara, K. Takai, Y. Sekimoto, R. Ootsubo, S. Nakagaki (2002), Elevator technology 12, proceedings of Elevcon 2002, “The world fastest (1010 m/min) elevator”, page 223.
First published by IAEE – The International Association of Elevator Engineers in Elevator Technology 14, Proceedings of Elevcon 2004, the 14th International Congress on Vertical Transportation Technologies, held 27–29 April 2004 in Istanbul, Turkey.
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