Kladka výťahu: Typy, profily drážok, inšpekčná príručka a tipy na výmenu

Čo je to kladka výťahu a prečo na tom záleží?

Výťahová kladka – v odbornej terminológii nazývaná aj kladka – je drážkované koleso, cez ktoré prechádzajú výťahové laná alebo oceľové pásy, aby prenášali pohyb a podporovali zaťaženie kabíny výťahu a protizávažia. Každý systém trakčného výťahu závisí od kladiek, ktoré presmerujú dráhu lana, znásobia mechanickú výhodu a prenesú hnaciu silu z ťažného stroja do kabíny. Bez správne navrhnutých, vyrobených a udržiavaných výťahových kladiek by sa laná rýchlo opotrebovali, ťažný stroj by nebol schopný efektívne pohybovať kabínou a riziko skĺznutia lana alebo mechanického zlyhania by sa dramaticky zvýšilo.

Pojmy „výťahová kladka“ a „výťahová kladka“ sa v priemysle používajú zameniteľne, hoci technicky kladka konkrétne označuje drážkovanú kladku používanú s lanom alebo lankom. Vo výťahovom inžinierstve sa kladka vzťahuje na samotné drážkované koleso, zatiaľ čo kladka niekedy označuje kompletnú zostavu vrátane hriadeľa, ložísk a krytu. Bez ohľadu na terminológiu sú tieto komponenty srdcom každého mechanického systému trakčného výťahu a ich geometria, materiál, profil drážky a stav priamo určujú výkon výťahu, životnosť lana a bezpečnosť cestujúcich.

Tento článok popisuje, ako fungujú kladky výťahov, rôzne typy používané vo výťahových systémoch, použité materiály a výrobné normy, ako ich kontrolovať a udržiavať a čo treba hľadať pri špecifikácii náhradných kladiek. Či už ste technik výťahov, manažér budov alebo inžinier, ktorý navrhuje novú inštaláciu, podrobné pochopenie výťahových kladiek je základom pre udržanie bezpečného a efektívneho chodu výťahových systémov.

Ako fungujú kladky výťahu v trakčnom systéme

V trakčnom výťahu hnací stroj — elektromotor spojený s prevodovkou alebo bezprevodový motor s priamym pohonom — otáča trakčnú kladku. Oceľové laná alebo potiahnuté oceľové pásy sú prehodené cez trakčnú kladku, pričom kabína výťahu je zavesená na jednej strane a protizávažie na druhej strane. Trenie medzi lanom a drážkami trakčnej kladky je to, čo poháňa auto hore a dole – stroj neťahá lano ako navijak; uchytí to cez trakciu. Tento základný rozdiel je dôvodom, prečo majú profil drážky, pomer priemeru lana a kladky a materiál drážky taký priamy vplyv na výkon systému.

Okrem hlavnej trakčnej kladky používa kompletný výťahový systém niekoľko prídavných kladiek. Deflektorové kladky presmerujú dráhu lana z ťažného stroja do kabíny alebo protizávažia, keď stroj nie je umiestnený priamo nad výťahovou šachtou. Napínacie kladky udržujú napnutie lana a správne zarovnanie v systéme. V lanových hydraulických výťahoch a niektorých trakčných systémoch sú viaceré kladky usporiadané v konfigurácii kladkostroja, aby sa dosiahla mechanická výhoda – usporiadanie lán 2:1 a 4:1 používané v mnohých výťahových systémoch vyžaduje na dokončenie dráhy lana deflektor a napínacie kladky. Každá kladka v systéme prispieva k únave pri ohybe lana, takže počet kladiek, ich priemery a uhly ohybu ovplyvňujú životnosť lán.

Typy výťahových kladiek a ich špecifické úlohy

Kompletná výťahová inštalácia využíva niekoľko odlišných typov kladiek, z ktorých každá je navrhnutá pre špecifickú funkciu v lanovom systéme. Pochopenie toho, čo každý typ robí a kde sa nachádza, pomáha pri diagnostike problémov a špecifikovaní správnych náhrad.

Trakčná kladka (hnacia kladka)

Trakčná kladka je primárnym hnacím prvkom výťahového systému. Je namontovaný priamo na výstupnom hriadeli ťažného stroja — buď cez prevodovku, alebo priamo na hriadeľ bezprevodového motora — a jeho rotácia poháňa kabínu výťahu a protizávažie trením lana. Trakčné kladky sú najviac zaťažené kladky v systéme, ktoré sú vystavené plnému napätiu lana aj únave v ohybe z lán neustále sa ohýbajúcich po povrchu kladky. Ich profil drážky musí byť presne prispôsobený priemeru lana a materiál drážky musí poskytovať primeranú trakciu bez toho, aby spôsoboval nadmerné opotrebovanie lana. Priemery trakčných kladiek sa pohybujú od približne 320 mm na malých obytných výťahoch do viac ako 800 mm na vysokorýchlostných komerčných systémoch.

Deflektorová kladka

Deflektorová kladka sa používa na presmerovanie dráhy lana z ťažného stroja do správneho vertikálneho zarovnania nad kabínou alebo protizávažím, keď stroj nie je umiestnený priamo nad osou výťahovej šachty. Vo výťahových inštaláciách bez strojovne (MRL), kde je hnací stroj namontovaný v hornej časti výťahovej šachty a nie vo vyhradenej strojovni, sú deflektorové kladky obzvlášť dôležité pre stanovenie správnej geometrie lana. Deflektorové kladky sa používajú aj v nadzemných inštaláciách strojovne, kde je stroj odsadený od stredu výťahovej šachty. Prenášajú značné zaťaženie lana v ťahu a musia byť dimenzované a podopreté, aby zvládli tieto sily bez deformácie alebo vibrácií.

Kladka auta a kladka s protizávažím

V konfiguráciách lán 2:1 – kde sa lano pohybuje z pevného kotviaceho bodu, dole okolo kladky na ráme auta, späť hore k deflektoru alebo hornej kladke a dole k protizávažiu – kladka auta a kladka protizávažia sú namontované na rám auta a rám protizávažia. Tieto kladky umožňujú, aby sa auto a protizávažie pohybovali polovičnou rýchlosťou lana oproti systému 1:1, čo znižuje potrebnú rýchlosť lana a umožňuje menšiemu ťažnému stroju presunúť rovnakú záťaž. Kladky automobilov musia byť navrhnuté s primeranou vôľou lana v rámovej konštrukcii vozidla a ich ložiská musia zvládnuť celé zavesené zaťaženie vozidla plus menovité zaťaženie rozdelené medzi pády lana.

Horná kladka (sekundárna kladka)

Horné kladky sú pevné kladky namontované v hornej časti výťahovej šachty alebo v nadzemnej konštrukcii strojovne, ktoré presmerujú laná medzi trakčnú kladku a kladku kabíny alebo protizávažia v konfiguráciách s viacnásobným ovinutím alebo v zložitých konfiguráciách lán. V lanových systémoch 4:1 používaných v niektorých nízkorýchlostných, vysokokapacitných nákladných výťahoch dopĺňa usporiadanie kladkostroja viacero nadzemných kladiek. Tieto kladky majú typicky menší priemer ako trakčná kladka a sú určené predovšetkým na presmerovanie dráhy lana, a nie na poskytovanie trakcie.

Kompenzačná kladka

Vo vysokých budovách, kde je hmotnosť lana významná – zvyčajne v budovách nad 30 metrov obsluhovanej výšky – sú kompenzačné laná alebo reťaze zavesené pod vozidlom a protizávažím, aby sa vyrovnala hmotnosť zdvíhacích lán pri jazde vozidla. V šachte výťahu je namontovaná kompenzačná kladka na vedenie kompenzačných lán a udržiavanie vhodného napätia. Kompenzačné kladky sú napínané gravitáciou a musia sa voľne pohybovať vertikálne v rámci limitov, aby sa prispôsobili predĺženiu lana a dynamickému pohybu lana počas prevádzky.

Profily drážok kladky výťahu a ich vplyv na životnosť lana

Profil drážky an výťahová kladka je jedným z technicky najkritickejších aspektov konštrukcie výťahu, ktorý priamo ovplyvňuje trakčný výkon a rýchlosť opotrebovania lana. Vo výťahových kladkách sa používajú tri hlavné profily drážok, z ktorých každý predstavuje iný kompromis medzi trakciou, tlakom lana a životnosťou lana.

Okrúhla drážka (U-drážka)

Okrúhla drážka má kruhový prierez s polomerom o niečo väčším ako je polomer lana – zvyčajne je polomer drážky 0,53–0,55 násobok priemeru lana. Lano sa dotýka drážky veľkým oblúkom (približne 120–150°), čím sa prítlačný tlak rovnomerne rozloží na širokú oblasť. Tento nízky prítlačný tlak spôsobuje minimálnu deformáciu lana a maximálnu únavovú životnosť lana, vďaka čomu sú kladky s kruhovou drážkou preferovanou voľbou pre všetky deflektorové kladky, kladky pre automobily a horné kladky, kde nie je potrebná trakcia. Obmedzenie okrúhlych drážok na trakčných kladkách spočíva v tom, že poskytujú nižšiu trakciu (trenie) ako podrezané drážky, čo môže byť nedostatočné pre systémy s nízkymi pomermi protizávažia alebo vysokými požiadavkami na zrýchlenie.

Podrezaná V-drážka

Podrezaná drážka kombinuje tvar V s malým polomerom podrezania v spodnej časti. Šikmé strany drážky stláčajú lano a vytvárajú klinový efekt, ktorý výrazne zvyšuje normálnu silu medzi lanom a drážkou – a teda zvyšuje dostupnú trakciu – v porovnaní s okrúhlou drážkou pri rovnakom napätí lana. Trakčný koeficient dosiahnuteľný s podrezanou drážkou je zvyčajne o 50 – 80 % vyšší ako s okrúhlou drážkou s ekvivalentným uhlom drážky, a preto sú podrezané drážky štandardným profilom pre trakčné kladky vo väčšine moderných výťahových inštalácií. Kompromisom je vyšší kontaktný tlak na drôty lana na okrajoch drážky, čo urýchľuje opotrebovanie lana a znižuje únavovú životnosť lana. Uhly podrezanej drážky sa zvyčajne pohybujú od 90° do 105°, pričom hlbšie podrezanie poskytuje vyššiu trakciu za cenu rýchlejšej degradácie lana.

V-drážka (plné V)

Plná V-drážka bez podrezania generuje maximálnu trakciu prostredníctvom extrémneho zaklinenia, ale za cenu veľmi vysokých prítlačných tlakov, ktoré spôsobujú rýchle opotrebovanie lana. Plné V-drážky sa zriedka používajú v moderných trakčných kladkách osobných výťahov, ale možno ich nájsť v starších inštaláciách alebo v niektorých aplikáciách nákladných a servisných výťahov. Vysoký kontaktný tlak medzi lanom a drážkou v drážke V tiež spôsobuje samotné rýchle opotrebovanie drážky, čo si vyžaduje častejšiu výmenu trakčnej kladky v porovnaní s dizajnom s podrezanou drážkou. Ak sa v existujúcich inštaláciách vyskytujú plné V-drážky, ich stav by sa mal starostlivo posúdiť počas kontrol údržby.

Materiály a výrobné normy pre kladky výťahov

Kladky výťahov sa vyrábajú z materiálov vybraných tak, aby poskytovali správnu kombináciu tvrdosti, húževnatosti, opracovateľnosti a odolnosti proti opotrebovaniu pre ich úlohu v systéme. V tabuľke nižšie sú zhrnuté hlavné použité materiály a ich vlastnosti:

Kladky výťahov musia spĺňať príslušné bezpečnostné normy vrátane noriem EN 81-20 a EN 81-50 v Európe, ASME A17.1 v Severnej Amerike a GB 7588 v Číne. Tieto normy špecifikujú minimálne pomery priemeru kladky a lana (zvyčajne D/d ≥ 40 pre trakčné kladky, kde D je priemer stúpania kladky a d je priemer lana), tolerancie profilu drážky, požiadavky na mechanické vlastnosti materiálu a kontrolné kritériá. Súlad s týmito normami je povinný pre schválenie typu výťahu a je overovaný počas výroby a pravidelných bezpečnostných kontrol.

Pomer D/d: Prečo je priemer kladky vo vzťahu k priemeru lana kritický

Pomer rozstupu kladky (D) k priemeru lana (d) – všeobecne písaný ako D/d – je jedným z najdôležitejších parametrov pri návrhu výťahového lana a kladky. Zakaždým, keď sa lano ohne cez kladku, vonkajšie drôty lana sú napnuté v ťahu, zatiaľ čo vnútorné drôty sú stlačené. Čím je kladka menšia v porovnaní s lanom, tým je toto ohybové napätie silnejšie a tým rýchlejšie lano akumuluje únavové poškodenie. Pomer D/d 40:1 – minimum zvyčajne vyžadované bezpečnostnými normami výťahov pre trakčné kladky – znamená, že pre lano s priemerom 13 mm je minimálny priemer rozstupu kladky 520 mm.

Použitie väčších pomerov D/d výrazne predlžuje životnosť lana. Výskum a terénne údaje dôsledne ukazujú, že zvýšenie D/d zo 40 na 60 môže viac ako zdvojnásobiť únavovú životnosť lana pri ekvivalentnom zaťažení. Vysokorýchlostné výťahové systémy s vysokým cyklom – ako napríklad tie vo vysokých komerčných budovách, ktoré vykonávajú stovky jázd denne – často špecifikujú pomery D/d 60–80 alebo vyššie, aby sa dosiahla prijateľná životnosť lana medzi výmenami. Pomer D/d musí byť zachovaný pre všetky kladky v systéme, nielen pre trakčnú kladku, pretože únava z ohybu lana je kumulatívna naprieč každou kladkou a kontaktom lana počas každého spúšťacieho cyklu. Deflektorové kladky a vrchné kladky sú niekedy špecifikované s menšími priemermi ako trakčná kladka, ale ich príspevok k únave lana sa musí zohľadniť pri výpočte celkovej životnosti lana.

Kontrola kladky výťahu: čo a kedy skontrolovať

Pravidelná kontrola výťahových kladiek je povinným prvkom údržby výťahu podľa všetkých hlavných bezpečnostných noriem. Kontrola kladky slúži na dva účely: identifikácia opotrebovaných alebo poškodených kladiek predtým, ako spôsobia poškodenie lana alebo zlyhanie systému, a overenie, či systém kladky naďalej poskytuje primeranú trakciu a životnosť lana. Pri každej pravidelnej návšteve výťahu by mali byť zahrnuté nasledujúce kontrolné položky:

• Meranie opotrebovania drážky: Na meranie hĺbky a profilu každej drážky použite mierku drážok (merač profilu go/no-go prispôsobený nominálnemu profilu drážky). Drážky, ktoré sú opotrebované nad rámec tolerancie výrobcu – zvyčajne o viac ako 10–15 % zväčšenie polomeru drážky alebo viditeľné sploštenie podrezaného profilu – sa musia znovu opracovať alebo kotúč vymeniť. Opotrebované drážky znižujú trakciu v trakčnej kladke a zvyšujú kontaktný tlak lana v deflektorových kladkách, čím sa urýchľuje opotrebovanie lana.
• Stav povrchu drážky: Skontrolujte povrchy drážok, či nemajú ryhy, praskliny, jamky alebo koróziu. Ryhovanie – pozdĺžne drážky vyrezané do drážky kladky zlomenými drôtmi lana – vytvárajú koncentrácie napätia v lane a dramaticky urýchľujú degradáciu lana. Akákoľvek kladka s ryhovanými drážkami musí byť znovu opracovaná, aby sa obnovil hladký povrch drážky alebo vymenená, ak by hĺbka drážky po opätovnom opracovaní klesla pod minimum.
• Konzistencia hĺbky drážky: Zmerajte hĺbku drážky vo všetkých drážkach na viacdrážkovej kladke. Nerovnaká hĺbka drážok spôsobuje nerovnomerné rozloženie zaťaženia na laná – najplytšia drážka nesie najvyššie zaťaženie, zatiaľ čo laná v hlbších drážkach nesú menšie napätie. Táto nerovnováha zaťaženia urýchľuje opotrebovanie preťaženého lana a znižuje celkový bezpečnostný faktor systému. Drážky by sa mali znovu opracovať, ak odchýlka hĺbky medzi drážkami na tej istej kladke presiahne 0,5 mm.
• Stav ložiska: Skontrolujte ložiská kladky na hluk, drsnosť alebo nadmernú vôľu otáčaním kladky rukou s odstránenými lanami. Drsné, hlučné alebo uvoľnené ložiská indikujú poruchu mazania alebo opotrebovanie ložiska a musia byť okamžite vymenené. Zlyhané ložiská kladky umožňujú vychýlenie kladky, čo spôsobuje zrýchlené opotrebovanie lana a abnormálne zaťaženie hriadeľa kladky a nosnej konštrukcie.
• Zarovnanie kladky: Overte, či je kladka správne zarovnaná s dráhou lana – kladky, ktoré sú nesprávne zarovnané, spôsobujú, že lano prebieha šikmo cez drážku, pričom vznikajú bočné sily, ktoré opotrebúvajú lano a drážku asymetricky a môžu spôsobiť, že lano preskočí drážku pri vysokých rýchlostiach. Zarovnanie sa kontroluje pomocou rovného okraja alebo laserového nástroja na zarovnanie cez čelné plochy kotúča.
• Stav chrániča kladky: Skontrolujte, či sú všetky chrániče kladky na svojom mieste, nepoškodené a správne umiestnené, aby sa zabránilo vykoľajeniu lana. Bezpečnostné normy vyžadujú chrániče na všetkých kladkách výťahu, ktoré zadržia lano v drážke v prípade náhlej straty napätia.

Kedy vymeniť kladku výťahu

Rozhodovanie o tom, kedy vymeniť výťahovú kladku namiesto pokračovania v jej prevádzke alebo opätovného opracovania drážok, je rozhodnutie, ktoré musí vyvážiť bezpečnosť, životnosť lana a náklady na údržbu. Nasledujúce podmienky vyžadujú výmenu kotúča alebo opätovné opracovanie drážok a mali by sa s nimi zaobchádzať ako s povinnou činnosťou, ak sú identifikované počas kontroly:

• Opotrebenie drážky nad rámec tolerancie: Keď merania meradla opotrebenia drážok preukážu, že sa drážky opotrebovali mimo výrobcom špecifikovanú toleranciu pre polomer drážky alebo geometriu podrezania, a keď zostáva dostatok materiálu na opätovné opracovanie bez zmenšenia základne drážky pod minimálnu hrúbku steny, drážky by sa mali znovu opracovať. Ak nezostane dostatok materiálu na opätovné opracovanie, vymeňte kladku.
• Prasknutie alebo zlomenina: Akékoľvek viditeľné trhliny v tele kladky, náboji alebo ráfiku vyžadujú okamžitú výmenu kladky. Trhliny v liatinových kladkách sa pri cyklickom zaťažovaní rýchlo šíria a môžu viesť ku katastrofálnemu lomu. Nepokúšajte sa opraviť prasknuté kladky zváraním alebo iným spôsobom.
• Drážkovanie lana, ktoré nie je možné opracovať: Ak je drážka dostatočne hlboká, že opätovné opracovanie s cieľom odstrániť drážky by znížilo drážku pod minimálnu hĺbku, je potrebná výmena.
• Poškodenie koróziou: Významné korózne jamky na povrchoch drážok alebo na tele kladky v prostrediach s vysokou vlhkosťou, chemikáliami alebo pobrežným slaným vzduchom môžu vyžadovať výmenu, keď hĺbka jamiek narúša štrukturálnu integritu kladky alebo hladkosť povrchu kontaktu s lanom.
• Opotrebenie ložiskového telesa: Ak je vývrt ložiskového puzdra opotrebovaný alebo poškodený tak, že vonkajší krúžok ložiska nie je možné bezpečne držať, kladka sa musí vymeniť – pokusy o použitie nadmerne veľkých ložísk alebo lepidiel na opravu opotrebovaného puzdra nie sú prijateľnou bezpečnostnou praxou vo výťahových systémoch.

Výťahové kladky v moderných MRL a vysokorýchlostných systémoch

Technológia výťahov bez strojovne (MRL), ktorá sa od konca 90. rokov stala dominantným typom inštalácie pre nízko až stredne výškové budovy, priniesla nové výzvy a konfigurácie pre výťahové kladkové systémy. V inštaláciách MRL je ťažný stroj namontovaný vo výťahovej šachte – zvyčajne v hornej časti – a geometria lana musí byť stanovená pomocou deflektorových kladiek umiestnených v obmedzenom priestore konštrukcie výťahovej šachty. To kladie oveľa väčšie požiadavky na presnosť polohovania kladky, konštrukčný návrh podpery a plánovanie prístupu k údržbe ako bežné inštalácie v strojovni. Deflektorové kladky MRL sú často integrované do zostavy základovej dosky stroja alebo namontované na špeciálne oceľové konzoly privarené alebo priskrutkované ku konštrukcii výťahovej šachty.

Vysokorýchlostné výťahy obsluhujúce vysoké budovy – tie, ktoré sa pohybujú rýchlosťou 4 m/s a viac – kladú vysoké požiadavky na výkon trakčnej kladky. Pri vysokých rýchlostiach sa výrazne zvyšujú vibrácie lana, aerodynamické efekty a dynamické nárazové sily v miestach vstupu a výstupu lanovnice. Vysokorýchlostné trakčné kladky sú vždy z kovanej ocele alebo vysokopevnostnej tvárnej liatiny, presne vyvážené na minimalizáciu vibrácií, vybavené vysoko presnými ložiskami a navrhnuté so starostlivo optimalizovanými profilmi drážok, ktoré minimalizujú únavu lana pri zachovaní primeranej trakcie. Vznik systémov oceľových pásov s plochým povlakom (ako sú Schindler's Multibelt a Otis' Gen2) pre rýchlosti až 4 m/s zaviedol kotúče s polyuretánovou výstelkou ako alternatívu k drážkovaným železným kotúčom, ktoré poskytujú tichšiu prevádzku a dlhšiu životnosť pásu v aplikáciách so stredným zdvihom a zároveň zjednodušujú výrobu kotúčov v porovnaní s presnými drážkami.