Bana Bir Fren Ver

Yayın TarihiEylül-Ekim, 2019 Brian Mather - Ogura Industrial Corp Endüstriyel Ürünler ve Bölge Satış Md. Yazdır

Emniyet freninin amacı, çözümleri, hizmet ve tasarımla ilgili hususları

Elisha Graves Otis'in sektörde devrim yaratacak emniyet frenini ilk kez sergilediği 19. yüzyılın ortalarından bu yana asansör emniyet freni uzun bir yol kat etti. Hatta emniyet freni geliştirilene kadar asansörlerin popülerlik kazanmadığını söylemek daha doğru olur. Şimdilerde ise modern asansörlerde kullanım ve tasarım kriterlerine bağlı olarak farklı çeşitlerde emniyet freni teknolojileri kullanılmaktadır. Buradaki genel prensip aynıdır: yolcuların, yüklerin ve ekipmanın güvenilir bir biçimde korunmasını sağlamak. Bu makalede bu amaca, ilgili çözümlere ve bu çözümlerin nasıl çalıştığına, hizmet ve tasarımla ilgili hususlara değinilecektir.

Dünya üzerindeki asansör ve vinç tasarımlarının ortak bir özelliği vardır: emniyet freni. Fren, bir hareket kontrol aracıdır. İstenmeyen hareketleri önler, kabini yerinde tutar ve bazen de aşırı hızı engeller. Elektrik kesintisi veya anlık güç kesintisi gibi acil durumlarda durmayı sağlamak için de kullanılır. Bugün sektörde birçok farklı fren türü vardır. Elektrikli, hidrolik veya mekanik olarak çalışabilirler. Birçoğu elektrikle çalıştığı için biz bunlara odaklanacağız.

Frenler genelde tork gereksinimine göre tasarlanır. Ağır bir yük daha fazla tutma torku gerektirir. Tork, belli bir mesafeden etki eden güce eşittir ve normalde fit paund kuvvet (ft...lbf) veya Newton metre (N.m). şeklinde gösterilir. Torku beygir gücü ve dakikada tamamlanan devir sayısından (rpm) oluşan bir denklem ile hesaplayabiliriz. Tork (ft...lbf)) = 5.252 x beygir gücü x servis etkeni/rpm. Fren seçiminde dinamik frenleme için atalet momenti veya yük hareket halindeyken acil frenleme önemli olan bir diğer husustur. Atalet momentinin değeri bilindiğinde yükü yavaşlatmak için gereken torku hesaplayabiliriz. Tork = (atalet momenti * dakikada tamamlanan devir sayısındaki (rpm) değişim) /(308 * durmak için gereken süre). wk2 yansıyan atalet momentini verir ki bu T = wk2 * ∆ rpm/308t şeklinde de yazılabilir.

Dinamik frenleme büyük miktarda bir enerjiyi absorbe etmek için bir fren gerektirebilir. “Enerji absorpsiyonu” genellikle sürtünme yüzeylerinin ısınması ve yıpranması anlamına gelir. Enerji, atalet momenti ile hızın karesinin çarpımına eşittir. Kavrama frenleri çoğunlukla eşleşme (sürtünme) yüzeyleri için yüksek bir sürtünme katsayısı malzemesi ile tasarlanmıştır. Kavrama freninde kullanılan malzeme yüksek tork kapasitesine sahip olsa da bunun olumsuz yanı dinamik frenleme esnasında çok çabuk yıpranabilmesidir. Bu yüzden, frenler bir dizi testten geçirilerek veya defalarca acil duruşa tabi tutularak derecelendirilir; daha doğru ifade etmek gerekirse, zaman içinde belirli miktarda enerjiyi absorbe edecek şekilde derecelendirilirler. E = (1/2)mv2 formülü aşağıdaki gibi bir enerji denklemine dönüştürülebilir:

Ee = (M * v2 * td)/[k *(td + tl)] (1. Denklem)

Ee = kavrama başına düşen enerji; M = atalet momenti; v = hız; td = dinamik tork; tl=yük torku; k bir katsayıdır.

Tamamen dinamik frenleme için tasarlanmış başka fren türleri de vardır. Bunlar, sürtünme yüzeylerindeki aşınmayı sınırlayan özel bir sürtünme malzemesinden yapılır. Dinamik durdurma sürtünme malzemesi güvenilir bir tork taşıma kapasitesi sağlar. Zamanla, dinamik durdurmanın aşınmaya yol açacağını ve bu aşınmanın sürtünme yüzeyleri arasındaki daha büyük hava boşluklarında olacağını göreceksiniz. Bu yüzden bazen ayarlanabilir frenlerdeki hava boşluğunu ayarlamamız gerekir.

1.denklemden kavrama başına düşen enerjiyi alarak kullanım ömrü formülünde kullanabiliriz:

  • L = v/Ee*w (2.Denklem)
  • L = kullanım ömrü; v = toplam kavrama alanı; w = yıpranma oranı

Elektromanyetik Frenler

Elektromanyetik frenler makine hareket halindeyken sürtünmeyi / frenlemeyi önleyen dâhili hava boşlukları ile çalışır. Resim 1’de basit bir kapalı elektromanyetik frenin parçalarına ayrılmış hali görülmektedir.

Resim 2’de, fren devreye girdiğinde (kapalıyken) bir hava boşluğunun aralık ölçer ile nasıl ölçülebileceğini gösterilmektedir. Sürtünme yüzeyleri arasındaki hava boşluğunu ölçmek için güç uygulayarak veya manuel serbest bırakma mekanizmasıyla freni serbest bırakın. Bakım esnasında bir güvenlik özelliğini devre dışı bırakırken özel önlemler alınması gerektiği gayet açıkça görülmektedir. Hava boşluğu bir frenin önemli bir özelliğidir çünkü basınç plakasını manyetik olarak içeri çekmek için manyetik akının bu hava boşluğu mesafesi boyunca ilerlemesi gerekir. Bu boşluk çok büyük olduğunda manyetik güç bobin yaylarındaki gücün üstesinden gelemez. Bu yüzden ideal hava boşluğunun komponentlerin birbirine değmesine izin vermeyecek mümkün olan en küçük ebatta olması gerekir. Üreticiler her bir ürün için önerilen hava boşluğunu bırakırlar. Küçük frenlerin hava boşlukları da küçüktür.

Kapalı bir elektromanyetik frenin temel çalışmasında bobinin gücü kesilir (güç uygulanmaz). Frenin içinde basınç plakasını sürtünme diskine doğru itmek ve sert kapak plakasına doğru sıkıştırmak için normal kuvvet uygulayan bobin yayları vardır. Bu kapak plakası frendeki şafta mekanik olarak bağlanmış olan ve şaftı yerinde tutan bir göbeğe bağlıdır. Frenin devreye girmesi için bobine güç (akım) uygulayın. Böylelikle bobin elektromıknatıs gibi çalışarak basınç plakasını sürtünme malzemesinden uzaklaştırır. Basınç plakasının hareketi bobin yaylarını sıkıştırır, sonra basınç plakası alan bobinine manyetik olarak kilitlenir ve şaft serbest kalarak döner. Çeşitli kapalı fren örnekleri de olmasına rağmen en temel konsept budur.

Bu tür bir frende güç uygulanmamasına rağmen, serbest bırakılması için elektrik akımı gerekir. Manyetik akımın basınç plakasını alan bobinine doğru itmesiyle bobin yayları sıkıştırılır. Basınç plakasını itip yayları sıkıştırmak basınç plakasının bobine sıkıştırılıp frenin bağlantısını kesmekten daha fazla enerji harcar. Bu nedenle, fren devreden çıkarken bir güç kontrol cihazı çok kısa bir süreliğine “aşırı uyarım” denen hızlı bir güç patlaması sağlayabilir. Fren devreden çıktığında, güç kontrol cihazı freni boşta tutmak için darbe genişlik modülasyonu vasıtasıyla gücü düşürebilir. Bu da frenin harcadığı toplam gücü azaltır ve enerjinin daha verimli kullanılmasını sağlar.

Yaylı Frenler

Asansör sektöründe kullanılan yaylı frenlerin genel endüstriyel frenlerle karşılaştırıldığında özel tasarım özellikleri vardır. Bunlar güvenlik, güvenilirlik, hizmet verilebilirlik ve çalışma sesinin düşük olmasıdır. Buna bir örnek olarak yedekleme amaçlı iki frenin bir araya getirilmesinden oluşan çift fren tasarımını verebiliriz. Mini makine odalı (MMR) ve makine odasız (MRL) asansörlerde ve ev asansörlerinde kullanılır.

İki adet yarım ay şeklinde armatürü olan tek diskli tasarım (Resim 4) gibi başka tasarımlar da mevcuttur. Dar yerler için bu ince profilli, düşük maliyetli fren yüksek tork kararlılığı sağlar, gürültüsü azdır ve manuel frenleme seçeneği sunar. MMR ve MRL asansörlerde kullanılır.

Yay kullanılan kaliper fren türü (Resim 5) de aynı şekilde çalışır. Yaylar, frenin mekanik olarak çalışması için gereken normal gücü uygular. Fren, bobine elektrik akımı uygulanmasıyla devre dışı kalır. Hidrolik yaylı frenlerde ise hidrolik basınç uygulamak frenin çalışmasına neden olur. Her iki kaliper türü frende tek bir dişçe çoklu kaliper fren eklenerek sistemin ekstra güvenli olması sağlanabilir. Kaliper türü frenler maliyetine karşılık daha yüksek bir tork sunar çünkü tutma gücü daha büyük bir disk yapıçapı üzerinde etki etmektedir. Tork = güç x mesafe (yarı çap).

Tamburlu Frenler

Tamburlu fren (Resim 6-9) bir diğer fren türüdür. Bir motorun arka kısmına monte edilen döner yaylı frenler veya büyük tamburlu disk üzerine monte edilen kaliper frenlerin aksine, bu frenler tambura doğrudan frenleme gücü uygulayacak şekilde monte edilebilir. Ayarlı fren ise tamburun içine monte edilir. Tamburun iç çapı frenin sürtünme yüzeyidir. Ekstra güvenlik ve güvenilirliğin temini için tamburun içine birden çok fren monte edilebilir. Kavrama gücünün yay gücü ile elde edildiği ve elektrikle devreye girdiği için diğer yaylı frenlere benzer şekilde çalışır.

Eğer tamburun içinde yer yoksa veya farklı bir neden söz konusu ise, harici bant tipi tamburlu fren kullanılabilir. Bu durumda, tamburun dış çapı sürtünme yüzeyi olur. Frenin ince profili bakım için kolay çıkarılmasını sağlar. Manuel devreye girme opsiyonu vardır ve ilave güvenlik sağlamak üzere tek bir tamburda birden çok fren kullanılabilir. Kaliper frende olduğu gibi büyük bir yarıçapa uygulanan kuvvet yüksek seviyede bir fren torku sağlayabilir.

Hidrolik Frenler

1972’den önce hidrolik asansörlerde silindir emniyet cihazı yoktu. 50 yıl içinde bölge perdesi arızalarından kaynaklanan birkaç kaza bazı standartların yeniden kaleme alınmasına neden oldu. Elektrolizin, hidrolik sistemdeki silindirlerde ve diğer kritik yeraltı komponentlerinde hasara yol açtığı bilinmektedir. Ekstra emniyet faktörü olarak çift bölmeli silindirlerin kullanılabilir veya başka bir kabin emniyet özelliği temin edilebilir. Adams Elevator Equipment Co. tarafından üretilen the LifeJacket® isimli sistem (Resim 10 ve 11) kendi başına popüler bir çözümdür. Bu, asansörün aşağı yönde istenmedik hareketini önleyecek tek emniyet aracıdır. Hidrolik basınçta bir kayıp olduğunda veya aşağı yönde kontrolsüz bir hareket yaşandığında asansörün kontrollü durmasını sağlamak için pistonu harekete geçirir ve tutar. Kontrol silindirindeki basınç düştüğünde kavramayı bu piston tutucu sağlar. Bu da LifeJacket setinin valflerinin çalışmasıyla ya da asansör sistemindeki basıncın düşmesiyle hidromekanik bir şekilde gerçekleşir. İki adet kontrol valfinin kullanılması yedekleme amaçlıdır.

Bakım ve Onarım

Frenlerin amaçlandığı şekilde çalışmamasının nedenleri arasında yağ veya gres gelir, bunlardan her ne pahasına olursa olsun uzak tutulmalıdır. Sürtünme yüzeylerinin kirlenmesi fren torkunu büyük ölçüde azaltacaktır. Su ve buz da frenden uzak tutulmalıdır. Bazı sürtünme malzemeleri nemden diğerlerinden daha fazla etkilenir, fakat nem fren için genel olarak iyi değildir. Tozun da sürtünme yüzeylerine yapışması bir sorun olabilir, bu yüzden tozun girmesini engellemek için fren kapağı veya toz spreyleri kullanılabilir. Ayrıca frene uygun gücün uygulanması gerekir; aşırısı ısınmasına, azı ise çalışmamasına neden olabilir. Fren bobininin zarar görmüş olması mümkün olsa da bağlantıların yanlış yapılması, tellerin hasar görmesi, yanlış ebatta kablo kullanımı veya aralıklı güç kaybı da soruna neden olabilir. Üreticinin önerilerine uyulmalıdır.

Frenin gürültülü çalışması durumunda kirlenme olup olmadığına bakın ve hava boşluklarını kontrol edin. Fren türüne göre gerekiyorsa ayarları kontrol edin. Fren üzerindeki ısıl izlerini veya yıpranmayı da kontrol edebilirsiniz. Son olarak, eğer daha yeni servis hizmeti verildiyse, frende manuel çalışmama ayarlanıp ayarlanmadığına bakın. Bu da frenin devreden çıkmasına neden olabilir.

Brian Mather 2015’ten beri New Jersey’in Somerset kentinde Ogura Industrial Corp.’da Endüstriyel Ürünler Müdürü ve Bölge Satış Müdürü olarak çalışmaktadır. Bundan önce Rexnord’da Falk Renew ile bulunmuş, Electroid, Danaher Corp. ve SKF Group’ta çalışmıştır. Philadelpia’daki Drexel Üniversitesi’nin Makine Mühendisliği bölümü mezunudur.