Şamil  ÇAHAL - Yasin ÜSKÜL - Nizamettin YILMAZ  HAS Asansör A.Ş. Ar-Ge Merkezi

Özet: Mevcut yönetmeliklere göre, asansör sistemlerinde 1,5 m/s değerinin üzerindeki hızlarda kademeli fren sistemlerinin kullanımı güvenlik açısından zorunludur. Bu tür frenler kademeli şekilde kabini durdurma yetenekleri sayesinde kabin içindeki insanların yüksek ivmeler nedeni ile zarar görmelerine izin vermezler. Bu makalede, EN 81-20/50 standartlarında belirtilen şartları sağlayan bir kademeli fren tasarımının işlem adımları açıklanmıştır.

Anahtar kelimeler: Asansör, kademeli fren, tasarım, emniyet, EN 81.
 
Abstract
The use of progressive safety gears at 1.5 m/s in elevator systems is a safety requirement. These safety elements with their cabin stopping capabilities do not allow passengers to be damaged by the high acceleration in the cabin. In this paper, the design steps of a commercial safety gear conforming to EN 81: 20/50 standards are presented.
 
Keywords: Elevator, safety gear, design, safety. 
1. Giriş
Kademeli frenler, bir asansörün serbest düşme halinde uyguladıkları kuvvetle 1.g normal yer çekimi ivme değerini aşmadan kabini durdurma yeterliliğine sahiptirler. En az ve en çok durma mesafeleri de kabin hızına bağlı olarak standartlarca belirlenmiştir. EN 81-20:2014 standardı kademeli freni şu şekilde tanımlar: Karşı ağırlıkta veya dengeleme ağırlığında meydana gelen kuvvetlerin kabul edilebilir bir değerde sınırlandırılması için özel tedbirlerin alınmasını ve kılavuz rayları üzerinde frenleme etkisi ile yavaşlamanı gerçekleştirilmesini sağlayan bir güvenlik tertibatı.
 
Kademeli frenler EN 81-20 ve EN 81-50 [1-2] standartlarında belirtilen istekleri karşılamak zorundadırlar ve günümüzde birçok fren üreticisi farklı yapılarda fren sistemini üretmektedirler. 
 
Esnek çeneli fren sistemleri en sık kullanılan fren yapılarıdır. Bu tip frenlerde kanal içerisinde ani duruş anında yukarıya doğru çekilen konik çeneler aralarında bulunan rayı dengeli bir şekilde sıkıştırır ve belirli mesafede durmayı sağlarlar. Freni kabin anma hızı %15 aşıldığında harekete geçen bir sistem (paraşüt) aktif hale gelir, bu durumda gerilen halatlar konik çenelerin birini veya ikisini yukarıya doğru kanallar üzerinde çeker, bu işlem çeneler kanal içerisinde rayı sıkıştırana kadar devam eder. Çene ve kanal arasında sıkışma anında oluşan basıncın değeri de yaylar ile kontrol edilir. Bu işlemde rijitliği helisel yaylara göre oldukça yüksek olan helisel veya çanak (tabak) yaylar kullanılmaktadır.
 
Bu tip frenler aşağıdaki 
özelliklere sahiptirler :
- Fren aktive edilmesinin ardından düzgün bir kayma hareketine imkân tanırlar.
 
- Çene ve kanal arasındaki kama şekilli eğimli yüzey sayesinde son durdurma işlemi güvenli şekilde olur.
 
- Basit bir devreye sokma mekanizması ile hızlı şekilde reaksiyon verebilirler.
 
- Çene ve kanal arasındaki büyük temas alanı sayesinde frenleme esnasında herhangi bir zarar durumu oluşmaz.
 
- Frenleme sonrası ilk haline getirme işlemi (reset) problemsiz ve kolay şekilde yapılabilir.
 
- Devreye sokma mekanizmasının ayarları kolay şekilde yapılır, sistem montajı basittir.
 
Buradaki yay kuvvetlerinin uygun şekilde ayarlanması uygun yay katsayısının seçilmesi ile mümkündür. Çok rijit bir yay sistemi seçilirse frenleme esnasında ray aşırı zarar görebilir. Aynı şekilde yay rijitliği az seçilirse de bu kez ray üzerine yeteri kadar kuvvet uygulanamayacağı için sürtünme kuvvetinin yetersiz kalması sonucu ile de karşılaşılabilir.
 
Frenler kuru veya yağlanmış şartlardaki raylar üzerinde çalışabilirler. Sürtünme katsayısı her iki durumda da çok fark ettiğinde frenin davranışı da bu durumdan etkilenecektir. Frenin anma kütlesine göre kabinin iki tarafında birer veya tandem şekilde dört adet fren uygulamaları uygulamada mevcuttur.
 
Frenleme olayının etken faktörü ray ile frenleme yüzeyi arasındaki sürtünme katsayısıdır. Sürtünme katsayısı ancak çok sayıda deneyin ardından tespit edilebilir. Düz ve diş açılmış sürtünme yüzeyleri için belirlenen sürtünme katsayısı değerleri Tablo 1.’de verilmiştir.
 
Tablo 1. Düz ve diş açılmış yüzeyler için sürtünme katsayısı değerleri [3]
 
2. Kademeli frenlerin tasarımı
“Asansör güvenliği” asansörün tasarlandığı nominal yüke eşdeğer sayıda insanı veya yükü herhangi bir kattan bir diğerine, belirlenen hızla, emniyetle taşıması demektir. Kaza raporları ve istatistikleri incelendiğinde asansör güvenliğini zedeleyici haller olarak şu durumlar sayılabilir [4]:
 
a) Asansörün çalışmaması
 
b) Asansörün iki istasyon arasında kalması
 
c) Asansörün öngörülen değerlerden daha büyük değerlerle ivmelenmesi veya frenlenmesi
 
d) Asansör kabininin en alt istasyonda duramayıp, asansör kuyusu tabanına kadar inmesi
 
e) Asansör seyir hızının nominal hızın çok üstüne çıkması
 
f) Taşıyıcı halatların kopması ve kabinin serbest düşüşe geçmesi.
 
Bu hallerden ilk ikisi, asansörün çalışmaması veya çalışırken iki istasyon arasında kalması tahrik gurubunun ya da kumanda gurubunun bir arızası sonucudur. Can veya mal güvenliğini doğrudan etkilemez. Diğer dört arıza hali ise taşınan can veya malın doğrudan zarar görmesine sebep olur.
 
Asansörün standartlarda ön görülen ivmelerden daha büyük değerlerle hızlanması veya yavaşlaması sistemde kullanılan tampon ve frenlerin tasarım hatalarından veya zaman içerisinde oluşan aşınma, deformasyon gibi nedenlerden doğan sapmalardan kaynaklanır. Taşıyıcı halatın kopması ise en az görülen ama en tehlikeli haldir ki, bu asansörün düzenli bakım ve kontrolü ile engellenir, engellenemediği hallerde de fren sistemi ile kabinin serbest düşmesi durdurulur.
 
Yukarıda adı geçen ve kazaların olumsuz sonuçlarını önlemek için kullanılan tampon, hız regülatörü ve frenler ulusal ve uluslar arası standartlara ve diğer yasal kurallara uyularak tasarlanmak ve imal edilmek zorundadırlar.
 
EN 81-20 [1] standardı 3.41 maddesinde kademeli devreye giren güvenlik tertibatı; karşı ağırlıkta veya dengeleme ağırlığında meydana gelen kuvvetlerin kabul edilebilir bir değerde sınırlandırılması için özel tedbirlerin alınmasını ve kılavuz rayları üzerinde frenleme etkisi ile yavaşlamanın gerçekleştirilmesini sağlayan bir güvenlik tertibatı olarak tanımlanmaktadır. Aynı standart güvenlik tertibatında kaymalı frenlerin kullanılmasını ve eğer hız değeri 0,63 m/s’nin altında ise anlık tip (kazık) frenlerin kullanılmasını önermektedir. Beyan hızı 1 m/s değerini aştığında da kademeli tip frenlerin kullanımının şart olduğu görülmektedir.
 
Kademeli güvenlik tertibatı için, karşı ağırlığının veya dengeleme ağırlığının veya beyan yükü ile yüklü kabinin serbest düşmesi durumunda ortalama yavaşlama, 0,2.gn ve 1.gn arasında olmalıdır şartı da istenmektedir. Aynı standart, güvenlik tertibatı serbest kaldıktan (devre dışı bırakıldıktan) sonra, asansörün tekrardan hizmete girmesi için yetkin bakım personelinin müdahalesinin şart olduğunu ve asansörün kendi kendine devreye girmesinin kesinlikle önlenmesi gerektiğini vurgulamaktadır.
 
EN 81-20’nin 5.6.2.2.1.6 Elektrikli kontroller a) maddesine göre; hız regülâtörü veya başka bir tertibat, uygun bir elektrikli güvenlik tertibatı vasıtasıyla, aşağı veya yukarı yöndeki kabin hızının regülâtörün devreye girdiği hıza ulaşması öncesi, asansör makinasının durdurmasını sağlamalıdır. 
EN 81-50 [2] standardı kademeli fren sistemlerinin devreye girme denemelerinde deneyin hangi kütle (kg) için yapılacağını ve hangi hızda (m/s) regülatörün devreye gireceğini beyan şartı getirir. Çeşitli kütlelerde kullanılmak üzere güvenlik tertibatı belgelendirilmek isteniyorsa, başvuruda bulunan bu durumu belirtmeli ve ayrıca ayarın kademeli veya kesintisiz olduğunu bildirmelidir. Başvuruda bulunan, 0,6.gn düzeyinde bir ortalama yavaşlama ivmesini elde etmek için öngörülen frenleme kuvvetini (N) 16’ya bölerek asılan kütleyi (kg) seçmelidir.
 
İzin verilebilir kütlenin hesaplanması işleminde; tek bir kütle için belgelendirilmiş güvenlik tertibatı için: Müsaade edilebilir kütle, 
 
(P+Q)1 = FB / 16
 
denklemiyle hesaplanır. Burada;
 
FB: Frenleme kuvveti (N),
 
P : Boş kabin ve kabinin taşıdığı bileşenler, örneğin, kabin hareket seyir kablosu, varsa dengeleme halatlarının / zincirlerinin vb. kütleleridir (kg),
 
Q : Beyan yükü (kg),
 
(P+Q)1 : Müsaade edilebilir kütle (kg) olarak tanımlanır.
 
Hesaplanan müsaade edilebilir kütle, deney kütlesinden daha büyükse, deney kütlesi, her bir deneyin ortalama yavaşlama ivmesi 1.gn aşmaması şartıyla, müsaade edilebilir kütle olarak alınabilir.
 
Farklı kütleler için kademeli güvenlik tertibatında, her bir ayar kademesi için müsaade edilebilir kütle yukarıda belirtildiği gibi hesaplanmalıdır.
 
Deneyler sırasında bulunan değerlerin, başvuruda bulunan tarafından beklenen değerlerden %20’den fazla farklı çıkması durumunda; başvuruda bulunanın onayı alınarak, gerekliyse ayarlar değiştirildikten sonra başka deneyler yapılabilir.
 
Proje çalışmasının hemen başında tekniğin mevcut seviyesinin tespiti için detaylı bir literatür çalışması yapılmış ve kademeli fren sistemlerinden beklentiler ve standartlara göre frenlerin sahip olması gereken özellikler belirlenmiştir.
Buna göre EN 81-20/50 standartlarına uygun ve güvenli bir frenin geliştirilmesinde adımlar aşağıdaki şekilde belirlenmiştir:
 
a) Frenin çalışma mantığı için algoritmanın geliştirilmesi.
 
b) Fonksiyonların belirlenmesi: 2 m/s üzerindeki hızlarda kullanım, (P+Q)1 olarak belirtilen anma yüklerinin maksimum ve minimum değerler arasında değişken olması, kumanda kuvvetlerinin standartta belirtildiği gibi 100 N’un altında kalması, mümkün olduğunda az parçadan oluşması, uzun ömür ve uygun maliyet.
 
c) Mühendislik hesaplamalarının yapılması.
 
d) Prototip fren sisteminin imalatı.
 
e) Prototip üzerinde denemeler ve gerekirse tasarımın iyileştirilmesi
 
2.1. Örnek fren sistemleri
Günümüzde birçok üretici firma tarafından üretilmiş farklı anma yükleri ve hız değerleri için, tek veya çift yönlü çalışabilen fren sistemleri mevcuttur [5]. Bunlara örnekler Şekil 1 ve 2.’de verilmiştir. Şekil 1.’de görülen sistemde esnek çeneli bir fren yapısı mevcut olup konik yüzeyler üzerinde kayan fren çeneleri tek yönde frenleme kuvvetinin oluşmasını sağlarlar. Şekil 2’de görülen fren sistemi de her iki yönde çalışabilen kademeli sisteme örnektir.
 
Fren blokları asansör kabin süspansiyonunun iki tarafından alt veya üst bölüme yerleştirilebilirler. Fren sistemlerinin devreye sokulması için basit bir kol mekanizması kullanılır. Bu mekanizmaya örnek Şekil 3.’te verilmiştir.
 
Fren sistemlerinin tasarımında kullanılan genel yaklaşımlar ve denklemler takip eden bölümde verilecektir.
 
Fren mekanizmasının sağlaması gereken frenleme kuvvetinin en küçük değeri:
 
FR = (P+Q).16
 
denklemi ile hesaplanır. Frenleme işi esnasında ray üzerinde kayma yolu da
 
h = v2/(2.gn)+0,1+0,03
 
şeklinde bulunur. Bu yolun standartlarda belirtilen değeri aşmaması gerekir. Genel istek oluşan ivmenin ortalama değer olan 0,6.gn değerini aşmamasıdır. 
 
Frenleme esnasında ortaya çıkan iş kuvvet ve hesaplanan bu mesafenin çarpımından elde edilir:
 
E = FR . h
Bu enerjinin fren kütlesi, raydaki şekil değiştirmeler ve yay sistemi tarafından karşılanması gerekir. Buradaki karşılama oranları tecrübi olarak belirlenir ve fren sistemlerinin yapısına göre değişir. Yay sisteminde, az yer değiştirme ama yüksek yay katsayısı isteklerini karşılayan en iyi yay tipi olan çanak yaylar kullanılır. Bu tür yayların kapladığı yer de az olduğu için fren sistemlerinde kullanımları oldukça avantajlıdır.
 
Hesaplanan enerji ve oran üzerinden yay paketinin bu enerjiye karşı durma miktarı yani yer değiştirme değeri belirlenir. Yay üretici firmalarından temin edilecek olan bu değerler örneğin 0,6 mm maksimum yay yer değiştirmesi ve yine katalogdan okunacak bir yayın taşıyabileceği en büyük kuvvet değeri şeklinde belirlenir ve gerekli olan çanak yay sayısı hesaplanır. Genel olarak mekanizmada iki paketli ve farklı sayılarda seri-paralel bağlı yay sistemleri bulunmaktadır. Örnek bir yay paketi Şekil 4.’te görülmektedir.
 
Yay paketlerinde yayların tamamının paralel bağlı olarak kullanılmamasının nedeni yay paketinin toplam rijitliğinin düşürülmesi ve yer değiştirme miktarının arttırılmasıdır. Standartta istenen ivme değerlerinin sağlanabilmesi ancak bu yayların miktarı ve bağlama yöntemlerinin doğru seçilmesi ile mümkündür.
 
2.2 Tasarımda yenilikler
Tasarlanacak kademeli fren sistemi mevcut setlerden bazı farklılıklar ve yenilikler içermektedir. Bunlardan bazıları aşağıda sıralanmıştır:
 
- Yeni fren sistemi kompakt yapıda olacaktır.
- Devreye sokma kuvvetleri hassas şekilde hesaplanacak ve yaylarla ilgili hesaplar daha hassas şekilde yapılabileceğinden frenleme konforu da iyileşecektir.
 
- Yay yerine malzemenin sönüm etkisinin kullanımı da planlanabilir. Bu durumda malzeme modelleri bilgisayar ortamında katı modeller yardımı ile modellenecek ve hassas şekilde parça rijitliği hesaplanacaktır. Uygun yer değiştirme değerleri bu şekilde tespit edilecek ve sistemde yay kullanımına gerek kalmayacaktır.
 
- Standartta geçen beyan yükünün ±%25 oranında sağlanması isteği nedeniyle yaylanma miktarı ve frenleme mesafesinde önemli değerde bir tolerans vardır. Bu değerlerin sağlanması bu nedenle zor olmayacaktır. Özellikle rayın yağlanmış veya kuru olması sonuçlar üzerinde doğrudan etkilidir. Tablo 1.’de görüldüğü üzere sürtünme katsayısı 0,19 ile 0,76 arasında değişmektedir. Yaklaşık 4 kat fark olan bu değerlerin etki edeceği sürtünme kuvveti değerlerini de sağlamak zorlu bir mühendislik problemidir. Deneysel olarak yapılan çalışmaların ardından sürtünme davranışı modellenecek ve daha doğru değerler ile çalışılacaktır.
 
- Freni devre sokma mekanizmaları da çeşitli hatalı çalışmalara neden olabilmekte veya buradaki burulma rijitliği nedeniyle fren geç devreye girebilmektedir. EN 81-50’de geçen elektromekanik devreye sokma mekanizmaları kelimesine göre burada elektrik kesilmesinden etkilenmeyen mekanizmalar yapılabilir. Örneğin elektro mıknatıs şeklindeki kilit sistemleri asansör frenini normal çalışma şartlarında sürekli kilitli yani raya çeneler temas etmeyecek halde tutarlar. Asansör normal hızla çalışırken,  elektrik akımı elektro mıknatısı beslemektedir ve hareketli çeneyi çekili tutar sürtünme hali oluşmaz ve böylece kabin aşağı/yukarı hareketine serbestçe devam edebilir. Elektrik kesildiğinde veya seyir hızı %15 aşıldığında elektro mıknatıs  hareketli çeneyi çekemez ve kabin raylar üzerinde bloke edilir yani durdurulur. Böyle bir sistemde, asansörün yeniden devreye alınması için elektro mıknatısa enerji gönderme amacı ile küçük bir aküye ihtiyaç olacaktır. Bu sistemde, freni aşırı hızda devreye sokan paraşüt sistemine gerek kalmayacaktır. Bu nedenle de asansör kabin hızının ayrıca belirlenmesine ihtiyaç duyulacaktır. Elektriksel sistemlerden veya motor üzerinden hız değeri belirlemesi güvenli olmayacaktır. Bu nedenle kabin hızı halatlar üzerinden, raylar üzerinden veya kabin üzerine konacak bir tekerlek yardımıyla belirlenebilir. Hızın belirlenmesi için indüktif dönme hızı sensörlerinin kullanımının uygun olacağı araştırmalarımız sonucunda bulunmuştur, Şekil 5.
 
Mevcutta kullanılan ve paraşüt sistemi olarak isimlendirilen acil durum fren devreye sokma mekanizması da bu şekilde ortadan kaldırılabilecektir. Asansör freninin çalışması daha hızlı ve güvenli şekilde sağlanabilecektir.
 
3. Sonuç
Bu çalışmada, asansör sektöründe nispeten yeni olan kademeli (progressive) fren sistemleri tanıtılarak standartlardaki hesaplama yöntemleri anlaşılmaya çalışılmıştır. Standartlarda genel olarak deneysel kontrol temel alındığından hesaplama ile ilgili detaylı bilgi yer almamaktadır. 
 
Kademeli frenlerin hesabında temel kinematik ve dinamik bağıntılarını kullanmak yeterli ve gerekli olacaktır. Serbest düşme hali için standartta istenen ivme değerlerinin sağlanması için hangi mesafede kabinin durdurulacağını hesaplamak zor olmayacaktır. Ancak sürtünme kuvvetinin ne kadarlık oranının yaylanma ne kadarının da ray-fren gövdesi tarafından karşılanacağı ancak deneysel olarak belirlenebilecek bir olaydır. Bu kısımda mühendislik yaklaşımlarının ve hesaplama yöntemlerinin geliştirilmesi gerekmektedir.
 
EN 81-20 ve EN 81-50 standartlarında asansör güvenlik elemanları hakkında seçme, hesaplama ve deneysel kontrol bilgileri verilse de kademeli frenlerin tasarımı ile ilgili hesap yöntemi ani frenler için verildiği gibi tanımlanmamıştır. Bu konuda standart hesabı üretici firmalarda çalışan mühendislerin yaratıcılık ve bilgileri ön plana çıkmaktadır. Bu hesapların belirlenerek standart içine dahil edilmesi frenlerin güvenliğinin arttırılması açısından önem taşımaktadır.
 
Tasarım aşamaları ve sınır şartlarının belirlendiği bu aşamanın ardından sonraki aşamada hesaplama yöntemi belirlenecek ve kademeli frenler için hesaplamalar yapılıp deneysel doğrulama çalışmalarına geçilecektir. Bu şekilde asansör sistemlerinin en önemli güvenlik elemanı olarak isimlendirilebilecek fren sistemlerinin güvenirlikleri arttırılacaktır.