Kieleckie Targi Dźwigów EUROLIFT 2016 zgromadziły grupę fachowców z branży dźwigowej, jednak tematyka ta jest intersująca dla wszystkich, gdyż dźwigi stały się nieodłącznym elementem naszej codzienności. Korzystamy z nich wszyscy na co dzień, nie zwracając nawet uwagi na ich funkcjonalność. Dlatego postanowiliśmy przyjrzeć się im z nieco innej perspektywy i przedstawić kilka ciekawostek historycznych, główne kamienie milowe w rozwoju dźwigów oraz kierunki, w których zmierza ten proces.
Oczywiste oczywistości, czyli kilka wyjaśnień na początek
Branża dźwignicowa to dość szerokie pojęcie obejmujące produkty i usługi związane z urządzeniami i rozwiązaniami przeznaczonymi do podnoszenia, przemieszczania i manipulacji ładunkami, a także do transportu osób na niewielkie odległości. Zgodnie z tą definicją dźwigi są częścią (segmentem) branży dźwignicowej.
W języku polskim istnieją dwa słowa: dźwig i winda. Opisują one to samo urządzenie, przy czym dźwig to fachowe określenie, stosowane w przepisach, normach i klasyfikacji branżowej, natomiast winda jest określeniem używanym w mowie potocznej.
Krótka historia dźwigów
Pierwsze konstrukcje przypominające współczesny dźwig były znane już w czasach starożytnych Rzymian. Niektórzy wskazują jako pierwszego konstruktora dźwigu do przenoszenia ludzi, Marcusa Vitruviusa Pollio – architekta rzymskiego, żyjącego w I wieku p.n.e. Był on konstruktorem machin wojennych oraz autorem traktatu O architekturze ksiąg dziesięć, będącego podstawowym źródłem wiedzy o architekturze i sztuce budowlanej starożytnych Greków i Rzymian. Różne źródła podają, że w Pałacu Nerona, a także w Koloseum były zainstalowane dźwigi.
W starożytności w konstrukcji dźwigów wykorzystywano siłę napędową mięśni ludzkich, maszyny proste, a następnie systemy wielokrążków i przeciwwagę, jako dodatkową siłę napędową. Można powiedzieć, że przez kilkanaście wieków, aż do wynalezienia silnika parowego, dźwig był konstrukcją uśpioną. Dopiero po wynalezieniu silnika parowego pojawiły się rozwiązania napędzane pasami transmisyjnymi z wykorzystaniem przekładni zębatych. Pierwsze dźwigi towarowe służyły również do wydobywania urobku w kopalniach.
Impulsem, który spowodował rozwój dźwigów i ich zastosowanie do przewozu ludzi był wynalazek Elisha Otisa, zaprezentowany na Światowej Wystawie w Nowym Jorku w 1853 roku w postaci aparatu chwytnego, blokującego kabinę w przypadku zerwania lin. Już 4 lata później w 1857 roku w 5-piętrowym budynku w Nowym Jorku firma Otis zainstalowała pierwszy dźwig osobowy. Prace nad rozwojem transportu ludzi trwały również w Europie. W 1876 roku w Londynie w Głównym Urzędzie Pocztowym został zainstalowany pierwszy dźwig okrężny tzw. paternoster, który składa się z szeregu otwartych kabin połączonych w łańcuch i poruszających się z niewielką prędkością w zamkniętej pętli w ruchu ciągłym. Jedna strona porusza się do dołu, a druga do góry, (pracuje ona jak przenośnik kubełkowy). Rozwiązanie to znalazło zastosowanie w budynkach użyteczności publicznej w całej Europie, w tym i w Polsce i było popularne aż do lat 50-tych XX wieku. Następnie zrezygnowano z niego ze względu na wysoką wypadkowość.
W 1886 roku zakłady Siemensa zbudowały pierwszy dźwig o napędzie elektrycznym z silnikiem prądu stałego, a dwa lata później Niemiec Carl Flohr zastosował do napędu dźwigu po raz pierwszy silnik prądu przemiennego, co zapoczątkowało rewolucyjne zmiany w konstrukcji dźwigów i rozpoczęło nową erę dźwigów o napędzie elektrycznym.
W 1903 roku Otis zaprezentował wciągarkę bezreduktorową, która z upływem czasu stała się standardem w budowie dźwigów. W zaprezentowanym rozwiązaniu liny nośne przytwierdzone były do dachu kabiny i owinięte wokół koła ciernego, posiadającego specjalne wyżłobienia, a następnie ich końce przymocowane do przeciwwagi. Łączny ciężar kabiny, lin i przeciwwagi wciskał liny nośne w wyżłobienia gwarantując odpowiednie sprzężenie cierne. Technologia ta umożliwiła osiągnięcie prędkości powyżej 2,5 m/s i budowę coraz wyższych budynków tzw. drapaczy chmur.
W 1904 roku podczas budowy hotelu Bristol w Warszawie zabudowano prawdopodobnie pierwszy dźwig w Polsce.
Napędy z przekładnią czy bez przekładni?
W ślad za rozwojem napędów elektrycznych, stosowanych w dźwigach nastąpiła ewolucja w budowie wciągarek, a co się z tym wiążę uległa zmianie ich budowa oraz prędkości podnoszenia.
Napędy z przekładnią znalazły zastosowanie w budynkach średniej wysokości, gdzie prędkość podnoszenia do 2,5 m/s okazała się wystarczająca do obsługi budynku. W tym przypadku przekładnia pozwala na zabudowę silnika o mniejszej mocy oraz, co się z tym wiąże, tańszej aparatury sterującej.
Dźwigi z napędami bez reduktora, okazały się niezastąpione w wysokich budynkach, gdy niezbędna prędkość musi wynosić od kilku do kilkunastu m/s. Ten typ napędu był odpowiedzią na potrzeby projektantów, którzy chcieli budować coraz wyżej i wyżej.
Dźwigi elektryczne z maszynownią czy bez maszynowni?
W latach 90-tych XX wieku czołowi producenci wdrożyli do produkcji dźwigi elektryczne bez maszynowni. Rozwiązanie to oparte jest na idei umieszczenia wciągarki w nadszybiu i wyeliminowaniu pomieszczenia maszynowni. Było to możliwe dzięki zastosowaniu wciągarki o małym kole ciernym. Rozwiązania te są stosowane w budynkach od 2 do 30 pięter. Unikalnym rozwiązaniem firmy Otis w tej grupie dźwigów jest zastosowanie zamiast lin, stalowych pasów o grubości 3 milimetrów pokrytych poliuretanową powłoką, które są kilkakrotnie trwalsze i bardziej elastyczne niż liny oraz nie wymagają smarowania.
Brak oddzielnej maszynowni oznacza oszczędność miejsca i energii, gdyż w napędzie zastosowano silniki synchroniczne z magnesami permanentnymi. Dzięki nowym silnikom radykalnie zmniejszono wymiary wciągarki oraz ograniczono generowany poziom hałasu. Pomimo pewnych utrudnień przy montażu i konserwacji, dźwigi te cieszą się coraz większa popularnością. Np. wg danych UDT w roku 2013 około 56% montowanych dźwigów nie posiadało oddzielnej maszynowni.
Sterowanie dźwigami coraz bardziej skomplikowane
Pierwsze rozwiązania w zakresie sterowania dźwigami były bardzo proste i opierały się na tzw. sterowaniu korbowym, którego głównym elementem był manipulator przestawny pomiędzy 3 pozycjami: do góry, stop, w dół. Uruchomienie ruchu windy polegało na wybraniu korbą odpowiedniej pozycji, a dokładność zatrzymania zależała od wprawy operatora. To w tym okresie pojawił się zawód operatora windy popularnie zwanego windziarzem.
Następnie, w latach 20-tych XX wieku, zostało wprowadzone sterowanie przestawne, które funkcjonowało do początku lat 70-tych. Algorytm tego sterowania pewnie niektórzy jeszcze pamiętają:
Pasażer przywołuje dźwig naciskając przycisk. Dźwig rusza do jego przystanku, a na wszystkich piętrach zapala się lampka, co oznacza, że dźwig jest w użyciu i nie będzie reagował na inne wezwania. Gdy dźwig dojedzie na piętro, pasażer otwiera drzwi i wchodzi do kabiny, naciskając na ruchomą podłogę. Styk ruchomej podłogi powoduje, że dźwig od tego momentu reaguje wyłącznie na dyspozycje z kabiny. Pasażer wybiera piętro i dźwig jedzie na to piętro. Kiedy pasażer wysiądzie z kabiny i zwolni nacisk na ruchomą podłogę, dźwig ponownie będzie reagował na wezwania z pięter.
Podstawową wadą tego rodzaju sterowania było to, że nie można było zabrać po drodze żadnego pasażera. Rozwiązaniem tego problemu stało się sterowanie zbiorcze, które gromadzi w pamięci polecenia od pasażerów tj. wezwania i dyspozycje i realizuje je wg własnego programu. W systemie sterowania zbiorczego lampka sygnalizuje przyjęcie polecenia do wykonania i gaśnie, kiedy polecenie zostaje wykonane. W polskich blokach mieszkalnych najczęściej było stosowane sterowanie zbiorcze w dół a w biurowcach sterowanie zbiorcze w obie strony.
Wkrótce i to sterowanie przestało wystarczać i wdrożono sterowanie dyspozycjami, które pozwala na optymalizację pracy grupy dźwigów w taki sposób by zredukować czas transportu i osiągnąć maksymalną wydajność. Sterowanie opiera się na zasadzie dystrybucji dyspozycji pomiędzy poszczególne dźwigi w grupie w taki sposób, aby każdy z dźwigów wykonał jak najmniejszą liczbę przystanków i przewiózł największa liczbę pasażerów. Algorytmy sterowania ruchem w grupie dźwigów są coraz bardziej złożone i uwzględniają wiele danych wejściowych.
Sterowanie zespołami dźwigów. Dla optymalizacji przewozu pasażerów bardzo duże budynki, zwłaszcza biurowce, podzielone są na strefy, które są obsługiwane przez wydzielone zespoły wind. Często w różnych porach dnia mogą być stosowane różne priorytety. Wówczas ilość danych wejściowych, która podlega analizie bywa bardzo duża i różnorodna. W godzinach szczytów będzie nam zależało na szybkości transportu, a w pozostałych godzinach na efektywności energetycznej. W takich sytuacjach algorytmy sterowania są bardzo skomplikowane i oparte na logice rozmytej (ang. fuzzy logic) zamiast logiki binarnej.
Drzwi szybowe i drzwi dźwigowe
W zakresie drzwi dźwigowych nastąpiła zasadnicza ewolucja: od prostych prymitywnych zamknięć aż po w pełni automatyczne, wyposażone w kurtyny świetlne, których zamykanie/otwieranie odbywa się bez ingerencji pasażera. Zapewne część z Państwa pamięta pierwsze polskie dźwigi, które posiadały zasuwana kratę wewnątrz lub drzwi połówkowe, które należało zamknąć przed rozpoczęciem jazdy. Mieszkańcy budynku posiadali klucze do windy, aby otworzyć drzwi szybowe.
Wynalezienie systemu ryglowania drzwi szybowych i dźwigowych stanowiło ogromny krok w zakresie bezpieczeństwa eksploatacji dźwigów. Rygiel uniemożliwiał otwarcie drzwi przystankowych na piętrze, gdy dźwig nie stał za drzwiami lub otwarcie drzwi wewnętrznych, gdy dźwig znajdował się w ruchu.
W latach 70-tych bezpieczeństwo zamykania drzwi szybowych zaczęły kontrolować czujniki fotooptyczne, zabezpieczające pasażerów przed zatrzaśnięciem w czasie wchodzenia do windy. Czujniki takie można spotkać i dzisiaj w eksploatowanych dźwigach starszego typu. Obecnie są one zastępowane coraz częściej przez kurtyny świetlne, umożliwiające lepszą kontrolę w tym wykrywanie obiektów o różnej szerokości i wysokości, np. wystająca ręka, parasol, teczka, pies lub dziecko, które nie powinno podróżować windą samodzielnie.
W nowoczesnych rozwiązaniach nad wejściem do windy montowane są czujniki radarowe rozróżniające kierunek ruchu (zbliżanie/oddalanie) i z wyprzedzeniem otwierające drzwi dźwigu, o ile kabina znajduje się za drzwiami. Podobna rolę mogą pełnić kamery instalowane nad drzwiami dźwigu.
Gdzie dojedziemy windą za kilka lat?
W dzisiejszych czasach dźwig nie jest już symbolem luksusu, a praktycznym urządzeniem, niezbędnym do życia ludzi w aglomeracjach miejskich. Dźwig stał się też pierwszym ogniwem w logistce transportu osób. Jeżeli miałby się włączyć do sytemu transportu miejskiego - musiałby urwać się z liny. Być może jesteśmy tylko o krok od tego wydarzenia. Firma Thyssenkrupp Elevator przedstawiła windę, która jest uwolniona od lin i porusza się nie tylko w pionie, ale i w poziomie. Więcej na ten temat znajdziecie Państwo na blogu. Coraz wyższe i coraz większe budynki uwalniają nowe pomysły w umysłach projektantów dźwigów, którzy tworząc coraz bardziej śmiałe wizje pokonują bariery wysokości, prędkości czy udźwigu, które jeszcze nie tak dawno wydawały się nie do pokonania.
Czy w kosmos polecimy rakietą czy pojedziemy windą? To pytanie jest jak najbardziej zasadne. Winda kosmiczna przestaje być tylko ideą i nabiera coraz bardziej realnych kształtów. Kanadyjska firma Thoth Technology uzyskała w USA patent na kosmiczną windę o wysokości 20 kilometrów, która ma służyć do wysyłania w przestrzeń kosmiczną ludzi i ładunków. Z kolei japońska firma Obayashi Corporation przedstawiła plan budowy windy kosmicznej, która miałaby zacząć działać w roku 2050. Projekt zakłada wykorzystanie węglowych nanorurek, dziesiątki razy wytrzymalszych od stali. Kapsuła pomieści 30 osób i będzie przemieszczać się z prędkością ok 200 km/h.
W powyższych rozważaniach pominęliśmy temat dźwigów hydraulicznych, gdyż ich sposób napędu, pomimo podnoszenia kabiny dźwigowej jest spokrewniony z dźwignikami, a nie cięgnikami. Poruszymy go przy innej okazji.
Przeczytaj również artykuł o historii rozwoju dźwignic na naszym blogu.
