Elevator rope tension analysis

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Ask about the availability of the thesis by sending email to the Aalto University Learning Centre oppimiskeskus@aalto.fi

Authors

Date

2017-06-12

Department

Major/Subject

Teknillinen Mekaniikka

Mcode

K3006

Degree programme

Konetekniikan koulutusohjelma

Language

en

Pages

120+9

Series

Abstract

Traction sheave elevators tend to have uneven rope tensions. In an optimum situation, the rope tensions in all the ropes would be equal, but in real-life situations that is not the case. These variations cause ropes and traction sheaves to wear unevenly. This causes monetary and reliability issues to elevator companies. The phenomenon is caused by several reasons, such as: different initial rope lengths, misalignment on the sheaves, dimensional inaccuracies or variation of the material properties due to the manufacturing tolerances etc. The objective of this thesis is to study the reasons behind the uneven rope tensions and to develop and validate a parametric rope tension simulation model for a traction sheave elevator with a 1:1 roping factor, a diverting pulley, a compensation sheave, compensation ropes and a travelling cable. The focus is only on the suspension rope tensions. Finally, a partial sensitivity analysis is done on the model to analyse the impact of different phenomena on uneven rope tensions. The car and the counterweight are modelled as point masses and the suspension ropes as massless springs and dampers. The simulation model solves equations of motion of the system numerically and produces time-displacement histories from which the rope tensions can be calculated. Once validated, the modelling basics presented in this thesis can be applied to construct simulation models for more complicated systems, for example a traction sheave elevator with a different roping factor. The model validation was done by first examining the behaviour of the simulation model for an arbitrary elevator. Simulation parameters of the arbitrary elevator will be changed and the elevator behaviour will be studied. Second, simulation results are compared to experimental measurements. Both validations were done successfully, but the angular velocity of the sheaves had to be adjusted to decrease random vibrations and to get feasible results. A partial sensitivity analysis was done to the simulation model to study the effect of the rope coating thickness, rope elastic modulus, the rope fixing spring stiffness and the slip%-chart on the uneven rope tensions. Rope coating thickness seemed to have a larger effect on the rope tensional differences than the rope elastic modulus within the used means and variances. Softer rope fixing springs and more slip on the sheave seemed to decrease the tensional differences. Additional study, tests and model validation are still needed.

Vetopyörähissin hissiköysien voimajakaumat tapaavat olla epätasapainossa. Ideaalitilanteessa jokaisessa köydessä olisi yhtä suuri jännitys, mutta todellisuudessa näin ei ole. Nämä voimavaihtelut saavat köydet ja vetopyörän kulumaan epätasaisesti. Tämä aiheuttaa kustannuksia ja luotettavuusongelmia hissiyhtiöille. Ilmiön takana on monia syitä, esimerkiksi erot köysien lepopituuksissa, köysien epätasainen kulku vetopyörällä tai valmistuksista johtuvat geometriset epätarkkuudet ja vaihtelut materiaaliominaisuuksissa. Diplomityön tavoitteena on esitellä syitä epätasaisiin köysivoimajakaumiin, sekä kehittää ja validoida parametrinen simulointi malli vetopyörähissille, jolla on ripustussuhde 1:1, taittopyörä, kompensaattori, kompensaatioköydet ja korikaapeli. Työssä keskitytään vain ripustusköysien köysivoimiin. Lopuksi osittaisherkkyysanalyysi tehdään simulointimallille, jotta voidaan selvittää eri ilmiöiden vaikutuksen suuruutta epätasaisiin köysivoimiin. Kori ja vastapaino mallinnetaan pistemassoina ja ripustusköydet massattomina jousi-vaimentimina. Simulaatiomalli ratkaisee systeemin liikeyhtälöt numeerisesti integroimalla ja tuottaa ratkaisuna on systeemin siirtymät ajan funktiona. Köysivoimat voidaan laskea systeemin siirtymä-aika historiasta. Mallin validoinnin onnistuttua, työssä esitettyjä perusteita käyttämällä voidaan ratkaista monimutkaisempia systeemejä, esimerkiksi hissejä erilaisilla ripustussuhteilla. Mallin validointi tapahtui kaksivaiheisesti. Ensiksi, mielivaltaisen hissin simulaatioparametrien arvoja muutetaan ja seurataan käyttääkö hissi odotuksien mukaisesti. Toiseksi, simulointituloksia verrataan mittaustuloksiin. Molemmat validoinnit onnistuttiin tekemään, mutta veto- ja taittopyörien pyörimisnopeutta täytyi rajoittaa, jotta mallin satunnainen värähtely lakkaisi. Simulointimallille tehtiin osittaisherkkyysanalyysi, jotta köyden pinnoitepaksuuden, kimmomoduulin, köysien kiinnitysjousien jäykkyyden ja luiston määrän vaikutuksien suuruutta epätasaisiin köysivoimiin voidaan arvioida. Pinnoitepaksuudella oli huomattavasti kimmomoduulia suurempi vaikutus epätasaisiin köysivoimiin työssä käytetyillä jakaumilla. Löysemmät köysien kiinnitysjouset ja lisääntynyt luiston määrä systeemissä näyttivät tasaavan köysivoimaeroja. Simulointimallia tarvitsee parantaa ja lisää testejä tehdä, jotta tulokset saadaan vahvistettua.

Description

Supervisor

Tuhkuri, Jukka

Thesis advisor

Helenius, Juha

Keywords

rope tension, rope slip, traction sheave elevator, simulation, structural dynamics

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201707046000

Collections

[dipl] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG