Lift: simulator interaktif kontrapemberat dan rem

Yang ditunjukkan model

Anda masuk lift di lantai dasar, menekan 6, dan sekitar sepuluh detik kemudian pintu terbuka 15 m lebih tinggi. Tidak ada apa pun di dalam kereta yang memberi tahu bagaimana hal itu terjadi. Tidak terdengar derek, tidak terasa tali menegang, dan perjalanan terasa sama entah Anda sendirian atau berdesakan dengan dua belas orang lain. Pameran ini membuka ruang luncur agar Anda bisa melihat sebabnya.

Modelnya adalah lift penumpang traksi berukuran umum: enam lantai henti berjarak 3 m, kereta seberat 1000 kg yang boleh membawa 1000 kg, bobot imbang di sebelahnya, dan mesin tanpa roda gigi di ruangan di atas ruang luncur. Tombol model menomori lantai henti dari 1 sampai 6, dan 1 adalah lantai henti terbawah, yang di banyak gedung di Indonesia disebut lantai dasar. Tidak ada yang disalin dari lembar data satu pabrikan. Setiap massa dan ukuran adalah nilai model, dipilih dalam rentang yang wajar dan agar hitungannya mudah diikuti. Anda bisa memuat kereta dengan hingga 13 penumpang (masing-masing dihitung 75 kg), menekan tombol panggil di sisi kanan panggung, menahan pintu terbuka, menaikkan kecepatan nominal, dan memutus tali. Panel di sudut menghitung ulang torsi, kerja per perjalanan, dan angka keselamatan setiap kali.

Mengapa tali tidak digulung pada tromol

Cara paling jelas mengangkat sebuah kotak adalah mengikatnya dengan tali lalu menggulung tali itu pada tromol. Lift barang awal melakukan persis itu, dan mesin tromol kecil masih ada. Masalahnya, tromol harus menampung seluruh panjang tali, dan motor harus mengangkat seluruh berat kereta beserta muatannya setiap kali.

Lift traksi bekerja dengan cara lain. Tali diikat ke kereta di satu ujung dan ke bobot imbang di ujung lain, dan di antaranya tali hanya melintang di atas roda beralur yang disebut puli traksi. Tidak ada yang digulung. Saat motor memutar puli, gesekan di alur menyeret tali, sehingga kereta bergerak ke satu arah dan bobot imbang ke arah lain sejauh yang sama. Dalam model, diameter puli 640 mm dan lima tali berjalan berdampingan di alurnya. Di sebelahnya, puli pembelok yang lebih kecil merenggangkan tali agar bobot imbang bisa tergantung di samping kereta, bukan tepat di bawah mesin.

Perhatikan tanda merah pada kedua puli saat kereta bergerak. Keduanya berputar persis sejauh perjalanan tali dibagi jari-jarinya, itulah sebabnya puli pembelok yang kecil berputar lebih cepat daripada yang besar.

Bobot imbang menanggung kereta dan sekitar separuh beban

Inilah angka pertama yang penting. Bobot imbang dalam model beratnya 1450 kg, yaitu kereta kosong (1000 kg) ditambah 45% beban nominal (1000 kg). Uraian lift traksi yang diterbitkan memberi aturan yang sama: bobot imbang biasanya sama dengan kereta ditambah 40 sampai 50% kapasitas.

Mengapa tidak disamakan saja dengan kereta penuh? Karena lift jarang penuh. Jika bobot imbang setara kereta penuh, motor harus menarik kereta kosong ke atas melawan kelebihan bobot imbang 1000 kg, padahal di luar jam sibuk kereta kosong adalah keadaan paling umum. Mengambil jalan tengah membuat sisi kereta dan sisi bobot imbang sama pada enam penumpang (450 kg), dan ketidakseimbangan tidak pernah terlalu besar ke arah mana pun.

Setel penggeser "Penumpang" ke 6 dan lihat panel. "Sisi kereta − sisi bobot imbang" menunjukkan nol. Dalam keadaan ini motor hanya perlu mengatasi gesekan dan mempercepat massa. Sisanya diimbangi gravitasi di ujung lain tali.

Memeriksa torsi dan energi

Torsi yang harus diberikan motor pada kecepatan tetap adalah massa tak seimbang dikali g dikali jari-jari puli:

T = (m_car + m_load − m_cw) × g × r

Dengan 13 penumpang, sisi kereta seberat 1000 + 975 = 1975 kg, jadi ketidakseimbangannya 1975 − 1450 = 525 kg. Pada r = 0,32 m itu menghasilkan 525 × 9,81 × 0,32 = 1648 N·m. Singkirkan bobot imbang dan motor harus menahan seluruh 1975 kg: 1975 × 9,81 × 0,32 = 6200 N·m. Kasus terburuk di seluruh rentang beban turun menjadi sekitar 27% dari nilainya tanpa bobot imbang.

Tanda minusnya patut diperhatikan. Dengan kereta kosong, sisi bobot imbang lebih berat, jadi saat naik motor harus menahan kereta, bukan menariknya. Grafik di panel menunjukkan ini sebagai garis merah yang memotong nol pada enam penumpang, sementara garis abu-abu (tanpa bobot imbang) tetap jauh di atasnya.

Energi mengikuti pola yang sama. Mengangkat kereta penuh dari lantai 1 ke lantai 6 (15 m) dengan bobot imbang butuh 525 × 9,81 × 15 = 77 kJ. Tanpa bobot imbang butuh 1975 × 9,81 × 15 = 291 kJ, hampir empat kali lipat. Bila dirata-ratakan atas semua beban dari 0 sampai 13 penumpang, selisihnya lebih besar lagi: sekitar 39 kJ per perjalanan dengan bobot imbang dibanding 219 kJ tanpanya. Saat sisi bobot imbang lebih berat, motor bekerja sebagai rem, dan penggerak regeneratif modern bisa mengembalikan sebagian energi itu ke gedung alih-alih mengubahnya menjadi panas.

Mengapa puli bisa mencengkeram tali

Puli traksi hanya bekerja karena kedua ujung tali menariknya. Gesekan pada permukaan melengkung bisa menahan selisih tegangan, tetapi hanya sampai rasio tertentu yang tumbuh secara eksponensial dengan koefisien gesek dan sudut lilitan. Pelaut memakai efek yang sama ketika melilitkan tali beberapa kali pada bolder.

Dalam model, rasio tegangan antara kedua sisi adalah 1,45 dengan kereta kosong, 1,00 saat seimbang, dan 1,36 dengan 13 penumpang. Angka-angka itu longgar. Tanpa bobot imbang, sisi lain puli tidak akan berisi apa pun, dan penggerak traksi tidak bisa bekerja sama sekali. Jadi bobot imbang punya dua tugas: menghemat kerja motor dan memberi puli sesuatu untuk dicengkeram. Peraturan Lift Inggris merangkum tugas kedua dalam satu kalimat: lift yang digerakkan puli gesek harus dirancang untuk menjamin kestabilan kabel traksi pada puli.

Bagaimana kereta memutuskan berhenti di mana

Tekan beberapa tombol di panel panggil dan kereta tidak melayaninya sesuai urutan Anda menekan. Kereta mengikuti kontrol kolektif yang disederhanakan, skema yang dipakai sebagian besar lift tunggal dalam bentuk tertentu:

1. Terus bergerak ke arah sekarang selama masih ada panggilan di depan.
2. Di jalan, berhenti untuk tombol yang ditekan di dalam kereta dan untuk panggilan lantai yang searah.
3. Jika panggilan di depan hanya yang berlawanan arah, pergi ke yang paling jauh, lalu berbalik.
4. Bila tidak ada lagi di depan, balik arah atau menunggu dengan pintu tertutup.

Tur menyiapkan kasus yang khas. Kereta berada di lantai 1. Di dalam, seseorang menekan 5 dan 2. Di lantai 3 seseorang ingin naik, dan di lantai 4 seseorang ingin turun. Kereta berhenti di 2, 3, dan 5 dalam perjalanan naik, lalu turun kembali ke 4. Penumpang di lantai 4 menunggu sedikit lebih lama, tetapi tidak ada yang dibawa ke arah yang salah. Cakram keras dulu memakai aturan yang sama untuk menggerakkan kepala bacanya, dan ilmu komputer masih menyebutnya algoritma lift.

Panel menampilkan lantai henti yang direncanakan setelah kata "berikutnya", dan daftarnya berubah begitu Anda menekan tombol. Panggilan yang tidak lagi sempat dilayani (karena kereta terlalu dekat untuk mengerem dengan halus pada 1 m/s²) disisakan untuk perjalanan balik.

Gedung tinggi dengan kelompok lift memakai cara yang lebih rumit. Dengan sistem tujuan, penumpang memasukkan lantai tujuan sebelum naik, dan sistem mengelompokkan orang yang menuju lantai berdekatan ke kereta yang sama.

Pintu yang terkunci sebelum kereta bergerak

Pintu lantai yang terbuka ke ruang luncur kosong adalah bahaya yang hendak dicegah kunci kait. Setiap pintu lantai dalam model punya kunci di ambang atasnya. Saat pintu menutup, sebuah kait turun, sebuah sakelar menutup, dan lampu kecil di samping kunci menyala hijau. Keenam sakelar dirangkai seri dalam rantai pengaman, sehingga satu pintu yang terbuka di mana pun menghentikan seluruh lift.

Peraturan Lift Inggris, yang mewarisi persyaratan dasar Eropa, menyatakannya dengan gamblang: perangkat kunci kait harus mencegah, dalam operasi normal, kereta mulai bergerak kecuali semua pintu lantai tertutup dan terkunci, dan harus mencegah pintu lantai terbuka saat kereta bergerak di luar zona lantai. Nyalakan "Tahan pintu terbuka" lalu tekan lantai lain. Kereta tetap di tempat, panel menjelaskan sebabnya, dan kereta berangkat begitu Anda melepas pintu dan kuncinya menutup.

Apa yang terjadi bila tali putus

Inilah ketakutan yang dibawa orang ke dalam lift, dan inilah alasan lift bisa menjadi mesin pengangkut orang. Dalam model Anda bisa memutus kelima tali dengan satu sakelar. Jatuhnya ditampilkan dengan seperempat kecepatan sebenarnya, karena kejadian nyatanya selesai dalam sekitar setengah detik.

Tiga bagian ikut bekerja. Governor berada di kamar mesin. Talinya sendiri membentuk lingkaran yang turun ke puli berbeban di lekuk dasar dan dijepitkan ke kereta, sehingga governor berputar setiap kali kereta bergerak. Bandul di dalamnya terbuka ke luar saat kecepatan naik. Dalam model governor terpicu pada 1,15 kali kecepatan nominal, 2,01 m/s untuk 1,75 m/s, dan sebuah rahang mengunci tali governor. Kereta masih jatuh sesaat, sehingga tali yang terkunci menarik tuas pada rangka kereta ke atas. Tuas itu mengangkat baji rem pengaman ke celah yang menyempit di samping tiap rel, dan baji menjepit rel sampai kereta berhenti.

Hitungannya singkat. Dari diam, kereta jatuh bebas sampai mencapai 2,01 m/s, yang memakan 2,01 ÷ 9,81 = 0,21 s dan 2,01² ÷ (2 × 9,81) = 21 cm. Lalu rem pengaman progresif model mengerem dengan rata-rata 0,6 g, sehingga kereta berhenti dalam 2,01² ÷ (2 × 0,6 × 9,81) = 34 cm. Sekitar 55 cm seluruhnya. Bobot imbang yang kini lepas jatuh ke peredamnya di lekuk dasar.

Peraturan meminta tiga hal yang bisa Anda lihat di sini. Lift harus punya governor. Perangkat yang menghentikan kereta jatuh harus terpisah dari tali yang menggantungnya. Dan perangkat itu harus mampu menghentikan kereta pada beban nominal penuh dan kecepatan tertinggi tanpa perlambatan yang membahayakan penumpang. Peraturan juga mewajibkan sedikitnya dua tali terpisah, masing-masing dengan pengikatnya sendiri, dan peredam di lekuk dasar. Kecepatan picu governor yang tepat dan rentang perlambatan yang diizinkan ditetapkan dalam standar lift yang lebih rinci. Nilai 1,15 dan 0,6 g di sini adalah nilai model dalam rentang yang lazim.

Seberapa cepat lift di gedung tinggi

Penggeser kecepatan naik sampai 21 m/s, kecepatan nominal yang dilaporkan Hitachi untuk liftnya di Guangzhou CTF Finance Centre: 1260 m/min, membawa orang dari lantai dasar ke lobi hotel di lantai 95, setinggi 440 m, dalam sekitar 42 s. Lift yang sama turun hanya 600 m/min (10 m/s). Sebelumnya rekor dipegang Taipei 101, yang liftnya mencapai 16,83 m/s pada 2004. Lift dua tingkat di Burj Khalifa berjalan hingga 10 m/s.

Naikkan penggeser di model dan hampir tidak ada yang tampak berubah. Justru itu intinya. Dengan percepatan 1 m/s², kereta butuh v² ÷ a meter untuk melaju lalu melambat lagi. Untuk 21 m/s jaraknya 441 m, sedikit lebih panjang dari seluruh perjalanan di Guangzhou, itulah sebabnya waktunya sekitar 2 × √440 = 42 s, cocok dengan angka Hitachi. Di ruang luncur kita yang 15 m, kereta hanya bisa mencapai √15 = 3,9 m/s sebelum harus mengerem. Lift cepat hanya sepadan di gedung tinggi, dan bahkan di sana batas kenyamanan percepatan dan perubahan tekanan udara di telinga menentukan banyak hal dalam rancangan.

Di mana model lebih sederhana daripada lift sungguhan

• Berat tali diabaikan. Di gedung tinggi, tali itu sendiri beratnya ratusan kilogram dan berpindah dari satu sisi puli ke sisi lain saat kereta bergerak, sehingga lift berlintasan panjang menggantungkan tali atau rantai kompensasi di bawah kereta dan bobot imbang.
• Gesekan, rugi motor, dan energi untuk mempercepat massa diabaikan. Torsi dan kerja yang ditampilkan hanyalah bagian gravitasi.
• Profil gerak nyata juga membatasi sentakan (laju perubahan percepatan), sehingga mulai dan berhenti lebih lembut daripada 1 m/s² tetap yang dipakai di sini.
• Rem pengaman dalam model mencengkeram dengan 0,6 g tetap. Rem pengaman progresif sungguhan diatur untuk beban nominal dan memberi perlambatan yang bergantung pada muatan kereta.
• Kontrolnya mengikuti satu aturan sederhana dan mengabaikan pembukaan ulang pintu, penimbangan beban (lift sungguhan menolak berangkat saat kelebihan beban), dan mode petugas pemadam kebakaran.

Sejarah singkat

Penemuan yang terkait dengan Elisha Otis adalah rem pengaman, bukan liftnya. Otis Elevator Company menghitung awal usahanya dari 20 September 1853, penjualan pertama lift dengan rem pengamannya. Pada 1854, di Pameran Industri Semua Bangsa di New York (pameran Crystal Palace), Otis berdiri di atas panggung yang diangkat lalu menyuruh orang memotong tali pengangkatnya. Menurut sejarah perusahaan sendiri, panggung turun beberapa sentimeter lalu remnya menghentikannya, dan Otis berkata kepada penonton, "Semua aman, Tuan-tuan, semua aman." Tiga tahun kemudian, pada 23 Maret 1857, lift penumpang Otis pertama mulai beroperasi di Gedung E. V. Haughwout di New York. Otis memperoleh paten pada Januari 1861 dan wafat beberapa bulan kemudian.

Sejak itu kecepatan terus naik. Hitachi mencatat bahwa liftnya tahun 1968 untuk Gedung Kasumigaseki di Tokyo berjalan 300 m/min, tercepat di Jepang saat itu; lift Guangzhou berjalan lebih dari empat kali lipatnya.

Bagaimana angka-angka diperiksa

Semua nilai di panggung berasal dari satu set rumus. Rumus yang sama dihitung dengan tangan dan hasilnya cocok untuk: bobot imbang, titik seimbang pada enam penumpang, torsi dan kerja untuk 0 dan 13 penumpang dengan dan tanpa bobot imbang, rasio tegangan tali, waktu perjalanan, 42 s versi Hitachi untuk 440,4 m, jarak jatuh bebas dan jarak henti, serta lima urutan panggilan untuk kontrol kolektif. Ke-54 hitungan tangan itu cocok.

Daya berbeda dari energi per perjalanan

Pemilihan motor harus memperhitungkan seberapa cepat motor melakukan usaha serta energi untuk satu perjalanan penuh. Bayangkan massa tak seimbang sebesar 1,000 kg naik dengan kecepatan tetap 3 m/s. Ini asumsi perhitungan, bukan beban dan kecepatan kabin di layar. Gravitasi menarik ke bawah dengan gaya 9,810 N. Mengalikan gaya dengan kecepatan menghasilkan daya mekanis 29,430 W, atau 29.43 kW. Mengangkat massa itu sejauh 15 m membutuhkan usaha 147,150 J, sekitar 147 kJ, baik bagian perjalanan berkecepatan tetap berlangsung cepat maupun lambat. Kecepatan lebih tinggi membutuhkan daya lebih besar, tetapi tidak mengubah energi gravitasi tersebut.

Sekarang gunakan massa sebenarnya pada model. Dengan 13 penumpang, hanya selisih massa 525 kg yang menentukan daya gravitasi saat kecepatan tetap. Pada 3 m/s dibutuhkan sekitar 15.45 kW; pada kecepatan awal 1.75 m/s, sekitar 9.01 kW. Kedua perjalanan ideal sejauh 15 m memindahkan energi yang sama, 77.25 kJ, antara motor dan beban yang bergerak. Seperti tampilan usaha, angka ini mengabaikan percepatan dan rugi-rugi. Ini bukan rekomendasi daya nominal motor maupun pembacaan meter listrik.

Sebagai contoh saja, anggap efisiensi konversi masukan listrik menjadi keluaran mekanis adalah 80% selama pengangkatan berkecepatan tetap. Untuk memasok 15.45 kW pada puli traksi, diperlukan sekitar 19.31 kW dari sumber listrik. Efisiensi asumsi ini tidak diukur dalam pameran. Konsumsi tahunan gedung juga mencakup pengoperasian pintu, penerangan, dan waktu menunggu. Konsumsi itu tidak dapat dihitung dengan mengalikan energi satu perjalanan ideal dengan jumlah penumpang harian, karena penumpang berbagi perjalanan dan muatan berubah-ubah.

Kabin seimbang tetap memiliki inersia

Dengan enam penumpang, sisi kabin dan penyeimbang masing-masing bermassa 1,450 kg. Pengaruh gravitasi keduanya saling meniadakan pada puli, tetapi massanya tidak hilang. Saat kabin dipercepat ke atas, penyeimbang dipercepat ke bawah. Energi kinetik keduanya bertambah, sehingga motor harus mempercepat massa gabungan 2,900 kg meskipun ketidakseimbangan statisnya nol.

Untuk perhitungan ideal dengan percepatan 1 m/s², tanpa massa tali dan inersia putar, gaya penggerak tambahan adalah 2,900 N. Pada jari-jari puli model sebesar 0.32 m, ini setara dengan torsi percepatan 928 N·m. Torsi ini ditambahkan pada torsi gravitasi, yang kebetulan nol dalam keadaan seimbang ini. Ketika sistem yang sama mencapai 1.75 m/s, kedua massa yang bergerak translasi menyimpan energi kinetik gabungan sekitar 4.44 kJ. Pengereman harus mengeluarkan energi itu lagi. Mesin nyata juga mempercepat rotor dan pulinya, dan penggeraknya memiliki batas arus serta suhu.

Karena itu, tampilan torsi nol pada titik seimbang bukan berarti lift tidak memerlukan motor. Yang nol hanya torsi gravitasi pada kecepatan tetap. Model sengaja memisahkan perbandingan sederhana ini dari perhitungan gerak. Mengubah jumlah penumpang mengubah tampilan torsi, tetapi pameran tidak menyimulasikan motor yang kesulitan mencapai percepatan perintah. Pada lift nyata, kemampuan traksi, torsi motor yang tersedia, dan profil gerak yang dapat diterima penumpang harus diperiksa bersama.

Rem mesin dan alat pengaman memiliki tugas berbeda

Dalam operasi normal, penggerak memperlambat kabin sebelum mencapai lantai dan rem mesin menahan peralatan yang sudah berhenti. Pembatas kecepatan dan alat pengaman menangani kegagalan lain: kabin bergerak terlalu cepat. Pembatas mendeteksi gerak melalui talinya sendiri, sedangkan alat pengaman bekerja pada rel pemandu. Peraturan lift Inggris mensyaratkan alat pencegah jatuh bebas yang independen dari sarana penggantung kabin. Rem yang hanya bekerja pada puli traksi tidak dapat memenuhi tujuan tersebut setelah semua tali penggantung putus.

Mencengkeram rel bukan perintah untuk berhenti di lantai terdekat dan bukan kendali penumpang biasa. Kabin dapat berhenti di antara lantai dan masih memerlukan penyelamatan terkendali oleh petugas kompeten. Penyangga di dasar sumur memberi perlindungan lain di ujung lintasan; penyangga tidak menggantikan pembatas kecepatan dan alat pencengkeram rel. Pemisahan fungsi ini penting agar satu kegagalan tidak menghilangkan semua cara menghentikan kabin.

Sakelar pemotong tali pada layar menghilangkan kelima tali penggantung sekaligus agar urutannya terlihat. Sakelar itu tidak memperkirakan kemungkinan kejadian tersebut. Demikian pula, hasil 55 cm berlaku untuk kondisi model yang disebutkan, termasuk gerak awal, ambang pemicu, dan perlambatan pengereman yang diasumsikan. Itu bukan jaminan jarak aman untuk setiap instalasi. Jangan pernah menggunakan perhitungan pameran untuk memeriksa, menyetel, atau menguji peralatan keselamatan lift nyata.

Bandingkan di layar

Mulai dengan 0 penumpang, biarkan kecepatan nominal pada 1.75 m/s dan panggil lantai 6 dari lantai 1. Perhatikan selisih massa negatif: kabin kosong lebih ringan daripada penyeimbang. Ulangi dengan enam penumpang, lalu 13. Tampilan melewati nol dan menjadi positif. Dalam setiap keadaan, kabin tetap naik ketika diperintahkan. Tanda tersebut menunjukkan arah upaya motor terkait gravitasi, bukan arah perjalanan yang diminta penumpang.

Selanjutnya bandingkan perjalanan dari lantai 1 ke lantai 2 dengan perjalanan dari lantai 1 ke lantai 6. Jaraknya 3 m dan 15 m. Dengan asumsi percepatan 1 m/s², perjalanan pendek hanya dapat mencapai sekitar 1.73 m/s sebelum harus mengerem. Menaikkan kecepatan nominal menjadi 21 m/s tidak membuat perjalanan pendek itu melaju konstan pada 21 m/s. Bahkan perjalanan panjang hanya mencapai sekitar 3.87 m/s dalam profil kecepatan segitiga ideal. Batas ini berasal dari jarak yang tersedia, bukan kerusakan penggeser.

Terakhir, aktifkan pilihan menahan pintu terbuka sebelum meminta lantai lain. Nonaktifkan lalu amati interlock mengizinkan gerak. Uji pemotongan tali secara terpisah, dengan kecepatan nominal awal agar hasilnya dapat dibandingkan dengan perhitungan keselamatan sebelumnya. Kendali tersebut memperagakan dua perlindungan berbeda: mencegah keberangkatan dengan pintu lantai yang belum terkunci dan menghentikan kabin yang melampaui kecepatan. Keduanya bukan izin untuk mengutak-atik pintu atau peralatan keselamatan di luar model ini.