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Méthodologies pour la conception et le développement de nouveaux concepts de transport vertical

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Figure 5 : Différentes parties d'un escalier mécanique classique

La conception, les modèles et les méthodologies des escaliers mécaniques sont quelques-uns des points clés de cet article.

de Juan David Cano-Moreno, José María Cabanellas Becerra, Jesús Félez Mindán et Carlos Labajo Tirado

Les escaliers mécaniques et les trottoirs roulants sont des systèmes multicorps dont la conception de base date de plus d'un siècle. La méthodologie développée permet d'étudier et d'améliorer n'importe quel sous-système des deux systèmes. De plus, de nouveaux concepts peuvent être développés et testés sans la nécessité et le coût d'une construction réelle. Le CITEF (Centre espagnol de recherche sur les technologies ferroviaires) modélise les escalators depuis plus de quatre ans. Plusieurs modèles complexes et innovants ont été développés pour caractériser le comportement statique, cinématique et dynamique des escaliers mécaniques. Les nombreux éléments mécaniques des escaliers mécaniques compliquent la tâche de modélisation. Cependant, des méthodologies et des outils ont été développés afin de l'automatiser, réduisant ainsi les coûts de calcul et de temps. Les méthodologies développées ont été validées en comparant des mesures réelles et des sorties simulées à partir d'un modèle dynamique.

Introduction

La conception moderne de l'escalator est issue d'inventions vieilles de plus de 100 ans. Le premier brevet a été accordé à Nathan Ames en 1859 pour un escalier tournant en forme de triangle équilatéral (Figure 1).[3] Les brevets ultérieurs de mécanismes de levage ont convergé rapidement vers la conception. Des inventeurs comme GA Wheeler, JM Dodge et Charles Seeberger ont plusieurs brevets d'escalator.[5] L'Exposition universelle de 1900 à Paris présentait quatre types d'escaliers mécaniques différents, dont celui de J. Reno (Figure 2).

Jusqu'à présent, la conception mécanique de base n'avait pas changé. Par conséquent, les escalators sont devenus une marchandise. Des brevets récents, cependant, montrent de nouvelles lignes à suivre, et l'accessibilité et la sécurité sont présentes dans certains brevets concernant la jupe mobile.[7] La jupe mobile a été conçue pour éviter les coincements entre les parties fixes et mobiles des escaliers mécaniques. D'autres brevets tentent de minimiser la polygonisation de la vitesse dans les retournements et les zones de transition. Les dispositifs anti-polygonisation augmentent le cycle de vie des composants de la chaîne et diminuent les niveaux de vibration et de bruit.

D'autre part, la simulation du comportement des escalators est un domaine inexploré. Seuls quelques modèles figurent dans la bibliographie technique.[1-3 & 8] Le CITEF concentre ses efforts sur les modèles de simulation afin de réduire les coûts d'expérimentation et d'accélérer les processus d'innovation et d'amélioration.

Conception d'escalator de base

Les escaliers mécaniques comprennent une chaîne d'étapes qui se déplacent en boucle pour fournir un mouvement continu le long d'un chemin spécifié. Les marches sont reliées à deux boucles continues de maillons de chaîne à rouleaux (une de chaque côté), comprenant une pluralité de rouleaux qui interagissent avec un mécanisme d'entraînement. Les systèmes conventionnels sont entraînés par engrenage. Au fur et à mesure que les maillons de la chaîne à rouleaux se déplacent, les marches se déplacent comme vous le souhaitez. Chaque marche est reliée à deux rouleaux sur chaque partie latérale de la marche (rouleaux intérieur et extérieur). Seuls les rouleaux extérieurs appartiennent à la chaîne à rouleaux (Figure 4). Les deux sont guidés par deux guides différents. La chaîne est tendue dans la zone inférieure à l'aide de guides coulissants et de deux ressorts préchargés qui fonctionnent dans le sens horizontal.

Le système d'entraînement par engrenage dans la zone supérieure est le système de traction conventionnel, bien qu'il existe des brevets sur les systèmes de traction linéaire qui fonctionnent dans les zones droites. Les rouleaux extérieurs s'engagent dans deux roues dentées (Figure 5).

Modèles de simulation d'escalator

Les améliorations apportées aux escalators n'ont démontré leur validité qu'à titre expérimental. Cela suppose un coût élevé en ressources et en temps, provoquant ainsi un goulot d'étranglement pour son évolution. Afin d'accélérer ce processus, des modèles statiques, cinématiques et dynamiques ont été développés. Tous les modèles font partie d'une méthodologie complète partiellement décrite dans les articles précédents.[3]

Modèles statiques

Certains modèles ont été programmés dans le logiciel Matrix Laboratory (MATLAB) pour avoir une idée de l'emplacement des valeurs de force maximales et de leur distribution dans le temps et le guide. De plus, ces modèles ont des sorties cinématiques. Par exemple, l'influence du pas des maillons de chaîne a été étudiée pour trois longueurs différentes : 0.405 mm, 0.225 mm et 0.165 mm (Figure 6). La force de réaction du guide à rouleaux et les forces longitudinales des maillons de chaîne sont représentées pour le retournement inférieur. Les résultats montrent que lorsque le pas des maillons diminue, la force longitudinale des maillons tend à être constante et la valeur de la force de réaction diminue.

Ce programme peut simuler n'importe quelle géométrie ; par conséquent, des rotations paramétrées ou des guides complets peuvent être introduits afin d'obtenir des conceptions robustes. Un retournement, défini comme deux zones circulaires jointes par une droite tangente, a été étudié, faisant varier deux rayons et l'angle entre la droite et la zone horizontale (figure 7).

Un plan factoriel et des traitements statistiques ont été utilisés pour obtenir certaines conclusions sur ce plan. Des techniques de clustering et de régression linéaire multivariée ont été utilisées. La figure 8 montre certaines géométries de rotation et les sorties correspondantes.

Modèles cinématiques

La plupart des modèles cinématiques ont également été simulés dans des modèles statiques et dynamiques. Ces modèles ont été utilisés comme filtre de viabilité pour les nouvelles conceptions. L'analyse des interférences est une phase importante et fondamentale dans le développement de nouveaux concepts. Le CITEF a développé des modèles avec deux objectifs principaux :

  • Analyse des conceptions existantes
  • Développement de nouveaux concepts d'escaliers mécaniques

Ces modèles ont été conçus et simulés avec le logiciel CATIA. Le comportement cinématique n'a besoin que de modèles simplifiés. La figure 9 montre un modèle d'un escalator conventionnel représenté avec trois marches, deux guides, et ses rouleaux et maillons de chaîne. Ce type de modèle permet aux utilisateurs d'obtenir toutes les principales sorties cinématiques de l'escalier mécanique :

  • Pas/rouleau, linéaire/angulaire, vitesse/accélération
  • Analyse des interférences entre toutes les parties des éléments mécaniques
  • La distance minimale entre deux marches adjacentes doit être prise en compte en raison de critères de conception et de sécurité (Figure 10). UNE EN-115 établit des limites pour certaines lacunes afin d'éviter les coincements. De plus, ces distances doivent être supérieures à la tolérance de conception, y compris les déformations futures dues au fonctionnement normal.
  • Les propriétés d'inertie peuvent être obtenues en entrée de modèles dynamiques : masse, centre de gravité et moments d'inertie

Ces sorties sont utiles pour tester différents systèmes de traction en utilisant des lois de mouvement, des formes de guide de conception ou l'étude de l'influence du pas des maillons de chaîne. Ainsi, le CITEF a implémenté et simulé des courbes sans impulsion programmées dans MATLAB et insérées dans CATIA à l'aide de l'environnement de programmation Visual Basic (Figure 11). Un trottoir roulant a été mis en œuvre avec des courbes de guidage circulaires et sans impulsion. Ces modèles ont une chaîne à rouleaux ouverte avec une loi qui simule un système de traction linéaire, garantissant une vitesse linéaire constante dans les zones droites. L'allongement des maillons est étudié en mesurant la distance minimale entre les rouleaux 9 et 10 (figure 12). Les guides circulaires atteignent un allongement de plus de 50 mm, tandis que les courbes sans impulsion n'ont pas d'allongement correspondant à un pas de maillon dans le temps.

Modèles dynamiques

Pour créer les modèles dynamiques, un logiciel d'analyse multicorps à usage général est utilisé. Dans ce cas, le logiciel sélectionné était SIMPACK. L'une des raisons d'utiliser SIMPACK est son module de modélisation de chaîne spécifique. De plus, le CITEF a l'expérience de l'utilisation de ce logiciel pour simuler n'importe quel système multicorps, bien qu'il soit spécialisé dans la simulation dynamique des chemins de fer. Une fois les sorties statiques et cinématiques établies, les résultats dynamiques donneront des informations sur l'importance de la composante dynamique dans chaque modèle.

Le module de chaîne SIMPACK permet aux utilisateurs de créer une chaîne en définissant ces pièces principales :

  • Pas de maillon de chaîne
  • Nombre de maillons de chaîne
  • Précharge de la chaîne
  • Type de chaîne
  • Géométrie et propriétés d'inertie des maillons de la chaîne (intérieur et extérieur)
  • Roues dentées (leader ou entraînées)
  • Guides tenseurs
  • Séquence à suivre et sens de rotation (Les points médians de la chaîne peuvent être créés avec les définitions de ces pièces. SIMPACK ensembles tous les éléments à la position initiale.)

Le CITEF a développé des modèles entièrement dynamiques basés sur des systèmes de traction linéaire. Ceux-ci ont été modélisés à partir du logiciel SIMPACK de base. Afin de minimiser le temps et les coûts de modélisation, certains outils ont été mis en place.[3] Ces outils d'automatisation sont orientés vers :

  • Tâches de pré-processeur (Certains programmes MATLAB ont été développés afin d'automatiser certains problèmes de modélisation en créant des codes lisibles SIMPACK pour certaines géométries, propriétés répétitives et entités.)
  • Traitements de sortie (En raison de la faible vitesse des escalators [0.5-0.75 mps], les sorties cycliques peuvent être reconstruites à partir de la simulation du temps correspondant à un pas de maillon de chaîne. De plus, certains modèles et méthodologies sont utilisés pour analyser et compacter les principaux résultats dynamiques.)

Caractérisation dynamique

Le CITEF a identifié les principales sorties dynamiques d'un escalier mécanique (Figure 17). Ces modèles ont été définis avec des paramètres afin d'automatiser certaines analyses qui nécessitent des variations de paramètres. Par conséquent, l'analyse de sensibilité et la conception robuste peuvent être utilisées pour déterminer le comportement dynamique d'un modèle spécifique et comment il pourrait être amélioré.

En suivant ces lignes, l'écart de vitesse standard a été étudié statistiquement avec divers paramètres de station tendeur : rigidité, déchargement et précharge. Le chargement aléatoire a été introduit dans SIMPACK au moyen de programmes MATLAB. Des critères robustes ont été utilisés pour sélectionner les meilleurs paramètres du tendeur (Figure 18).

Systèmes de traction linéaire

Comme cet article l'a décrit, les systèmes de traction conventionnels consistent principalement en une roue dentée située au plus haut chiffre d'affaires. Ce type de système de traction produit des effets de polygonisation indésirables pour des raisons géométriques. Les équations suivantes montrent que la vitesse linéaire du rouleau après la zone de retournement n'est pas constante pour une vitesse angulaire constante. Ça dépend de:

  • La position relative avec le rouleau précédent
  • Diamètre de la zone de retournement
  • Pas de maillon de chaîne

Par conséquent, la vitesse linéaire d'un rouleau est représentée par V2' dans l'équation et sur la figure 20, où la variation de V2' peut être appréciée.

Le principal avantage de ce système de traction est qu'il est situé là où la force longitudinale du maillon de chaîne atteint son maximum. Par conséquent, si une précharge appropriée est utilisée, la chaîne n'atteint jamais un état de compression. Cette considération doit être prise en compte pour d'autres types d'emplacements du système de traction, car, en fonction de la précharge du tendeur et de l'état de charge, l'état de compression pourrait être établi. Un modèle dynamique d'une chaîne à rouleaux tractée avec un système de traction linéaire a été modélisé en utilisant un système de contrôle proportionnel sur une longueur égale à trois pas de maillons. Le centre de ce système a été simulé à deux hauteurs différentes à l'intérieur de la zone inclinée la plus élevée (Figure 21).

Ce modèle de chaîne à rouleaux, implémenté dans SIMPACK, présente les principales caractéristiques suivantes :

  • Nombre de maillons de chaîne : 60
  • Hauteur de l'escalator : 4.5 m
  • Maillons de chaîne : un par étape
  • Constante proportionnelle du système de contrôle, Kp : 106
  • Vitesse nominale : 0.5 mps
  • Charger (Le programme simule comment un escalier mécanique vide se remplit jusqu'à ce qu'il soit complètement chargé. Une fois complètement chargé, un autre cycle est simulé)
  • Durée du cycle : 49 s.
  • Charge/rouleau : 980 N (une personne par marche de 100 kg)
  • Précharge tendeur : 1,500 XNUMX N

La figure 22 montre la sortie de force longitudinale du maillon de chaîne le long de plus de deux cycles pour deux hauteurs d'emplacement différentes pour le système de traction linéaire. Pour un faible état de charge, le maillon de chaîne n'est jamais soumis à des efforts de compression ; cependant, avec la chaîne complètement chargée, une zone apparaît après le système de traction où les maillons de la chaîne sont comprimés.

Il existe déjà des escaliers mécaniques fonctionnant avec des systèmes de traction linéaire principalement basés sur des systèmes à pignons à rouleaux qui s'engagent au niveau du maillon de la chaîne.[9] L'état de compression est facile à éviter en augmentant la précharge dans les ressorts tenseurs.

Guides sans impulsion

La traction linéaire est une piste de recherche intéressante si des courbes sans impulsion sont mises en œuvre sur les géométries de guidage. Le CITEF a implémenté ces géométries dans les guides que suivent les chaînes à rouleaux et a trouvé leurs avantages dynamiques. Les figures 24 et 25 montrent la sortie dynamique pour la vitesse linéaire absolue d'un rouleau le long de guides circulaires et sans impulsion.

Les deux chaînes à rouleaux ont été tractées avec un système de traction linéaire ; par conséquent, les valeurs de la zone inclinée la plus élevée sont principalement constantes – environ 0.5 mps. L'écart de vitesse apparaît le long de la zone inclinée inférieure où son amplitude augmente pour atteindre les maximums aux retournements. Les guides circulaires ont un effet de polygonisation important de cette variable. Cet écart est considérablement réduit lorsque des courbes sans impulsions sont utilisées. Il existe deux sources principales pour expliquer l'écart de vitesse de ce modèle : la géométrie des courbes (équation 1) et le déplacement horizontal de la station tendeur.

Comme dans les guides circulaires, les deux effets sont présents. Les guides sans pouls suppriment le premier, limitant les conséquences négatives :

  • Incrément du cycle de vie de la chaîne à rouleaux : incrément de l'amplitude de contrainte du maillon de chaîne (Figures 26 et 27) et de la force de réaction du guide à rouleaux
  • Diminution des niveaux de bruit et de vibration
  • Augmenter le niveau de confort des passagers
  • Diminution de la probabilité de piégeage (L'écart entre les étapes est augmenté en raison de l'allongement des maillons de la chaîne.)
  • Réduction des coûts d'entretien

Validation du modèle

Un modèle entièrement dynamique d'un escalier roulant a été testé et validé avec des mesures expérimentales d'un prototype réel. Le CITEF a développé des méthodologies et des outils pour le fenêtrage et la comparaison de signaux expérimentaux et simulés dans les domaines temporel et fréquentiel. Des corrélations qualitatives et quantitatives élevées ont été trouvées entre les modèles, atteignant des coefficients de corrélation élevés pour les deux, en particulier en fréquence, où les coefficients de cohérence et de corrélation atteignent des valeurs de plus de 95%. Les figures 28 à 30 montrent quelques-unes des principales sorties d'un cas de charge, vitesse et précharge mesurées.

Conclusions

La méthodologie de modélisation présentée montre un moyen fiable et pratique d'étudier et de prédire le comportement des escaliers mécaniques. Les résultats dynamiques obtenus à partir des modèles SIMPACK ont été validés par des mesures expérimentales ; par conséquent, les sorties simulées peuvent être utilisées pour caractériser la dynamique de l'escalator. Grâce à cette méthodologie, il est possible d'identifier le comportement dynamique principal d'un escalier mécanique et d'analyser la sensibilité de chaque paramètre utilisé dans les modèles dynamiques. La paramétrisation de ces types de modèles est essentielle pour permettre des changements rapides et une analyse plus approfondie.

Des changements de configuration substantiels sont autorisés dans ces modèles, tels que la longueur et la position du système de traction, les formes de guidage, les paramètres de contact et de tenseur, les propriétés d'inertie de toute géométrie, etc. Ces changements peuvent être orientés pour obtenir :

  • Principaux résultats dynamiques : accélération, forces, vitesses, forces de contact, etc.
  • Analyse des formes modales (motifs de mouvement dans lesquels toutes les parties du système se déplacent de manière sinusoïdale avec la même fréquence et la même relation de phase fixe)
  • Analyse paramétrique pour optimiser les sorties
  • Etude des irrégularités du guide ou du rouleau
  • Des tests accélérés pour étudier le cycle de vie des composants
  • Échecs de synchronisation du système de traction
  • Influence de la forme du guide dans les sorties d'accélération
  • Paramètres de confort, tels que les niveaux d'accélération des passagers
  • Analyse des vibrations et du bruit

Ces possibilités permettent d'étudier et d'améliorer l'élancement de toute conception d'escalier mécanique, ce qui est essentiel pour le développement de nouveaux concepts. Le CITEF a modélisé plusieurs modèles dynamiques d'escaliers mécaniques et de trottoirs roulants et a développé des outils pour réduire considérablement les coûts de modélisation et de temps d'intégration. Ces outils ont été testés et validés par rapport à des mesures réelles. Par conséquent, ces outils permettent d'augmenter le nombre de nouvelles conceptions qui pourraient être étudiées dynamiquement avec des modèles de simulation en comparaison expérimentale (construction et mesure des résultats dans des prototypes réels). Les modèles de simulation dynamique permettent de gagner du temps et de l'argent et d'accélérer le processus d'innovation.

Références
[1] José María Cabanellas Becerra, Juan David Cano Moreno, Berta Suárez, José Antonio Chover et Jesús Félez, « Méthodes d'amélioration des escaliers mécaniques », Technologie des ascenseurs 17 : Actes de l'ELEVCON 2008, p. 22-33, 2008.
[2] José María Cabanellas Becerra, Juan David Cano Moreno, Berta Suárez, José Antonio Chover et Jesús Félez, "Modèles dynamiques avancés pour la simulation d'escalators", ELEVATOR WORLD, p. 136-141, 2008.
[3] Nathan Ames, « Escalier tournant », 28076, 1859.
[4] Charles D. Seeberger, « Aufzug mit Endloser, Spiralförmiger Transportbahn », AT2031B, 1900.
[5] GR Strakosch, Transport vertical : ascenseurs et escaliers mécaniques. : John Wiley & Sons, 1983.
[6] YS Kwon, « Analyse dynamique pas à pas », Génie mécanique-CIME, 1998.
[7] Miguel Angel Gonzalez Alemany, Abdón Muñiz Camblor, José María Cabanellas Becerra et Juan David Cano-Moreno, « Escalera mecánica. Brevet n° P200802887 », P200802887, 2008.
[8] Joerg Ostermeier, Helmut Meyer et Andreas Stuffel, États-Unis 2002/017905 A1, 2002.
[9] « Améliorations et relatives à l'appareil de convoyeur à chaîne », 3941/18, 1918.
[10] Juan David Cano-Moreno, José María Cabanellas Becerra, Carlos Labajo Tirado et Jesús Félez Mindán, « Methodology for Flexible Modeling of Escalator Multibody Systems », Conférence de simulation industrielle, Loughborough (Royaume-Uni), 2009.
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Juan David Cano-Moreno, José María Cabanellas Becerra, Jesús Félez Mindán et Carlos Labajo Tirado

Juan David Cano-Moreno, José María Cabanellas Becerra, Jesús Félez Mindán et Carlos Labajo Tirado

Juan David Cano-Moreno travaille comme ingénieur de recherche pour le CITEF. Il est spécialisé dans la simulation de transport vertical et la conception innovante. Il a obtenu sa maîtrise en génie mécanique de l'Universidad Politécnica de Madrid à Madrid. Il prépare actuellement sa thèse de doctorat.

José María Cabanellas Becerra est professeur agrégé au Département de génie mécanique et industriel de l'Universidad Politécnica de Madrid à Madrid et gère des projets majeurs au CITEF. Sa thèse de doctorat portait sur la modélisation et la simulation de systèmes.

Jesús Félez Mindán est professeur titulaire à l'Universidad Politécnica de Madrid à Madrid. Il est actuellement directeur du CITEF. Il a de l'expérience dans la modélisation et la simulation de systèmes et a publié des articles techniques sur le sujet.

Carlos Labajo Tirado a travaillé avec un étudiant boursier du CITEF. Il a collaboré à des projets innovants liés au transport vertical. Il a obtenu sa maîtrise en génie mécanique de l'Universidad Politécnica de Madrid à Madrid.

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Tom Sybert, président de CJ Anderson & Co.,

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