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Trasporti e Macchine

Freno paracadute per ascensori: come funziona il blocco guide

Come funziona il freno paracadute di un ascensore: limitatore centrifugo, interruttore di sicurezza e ganasce che mordono le guide quando la cabina accelera.

Illustrazione tecnica di un vano ascensore, freno paracadute ascensore come funziona: ganasce a cuneo sulla guida verticale e limitatore di velocità in cima al vano

Fino a 0,63 m/s di velocità nominale basta la presa istantanea; per impianti più rapidi il costruttore PFB indica la presa progressiva.

Il freno paracadute di un ascensore non dipende né dalle funi né dal motore: sono ganasce d'acciaio che serrano le guide verticali del vano quando la cabina supera la velocità consentita. A comandarle è il limitatore di velocità, che rileva l'anomalia e manda un segnale meccanico alla leva del paracadute, la quale afferra la guida e ferma l'impianto.[1] Elisha Otis non inventò l'ascensore ma proprio questo freno, ed è la ragione per cui i grattacieli diventarono praticabili.[2]
Limite del tipo istantaneo
0,63 m/s
Velocità nominale massima per l'arresto brusco a presa istantanea[3]
Prove di tipo limitatore
≥ 20 prove
Richieste dalla UNI EN 81-50 nell'arco delle velocità di intervento[4]
Soglia minima di scatto
115%
Regola californiana: il limitatore non scatta sotto la velocità nominale più 15%[5]

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Un secondo livello di sicurezza, indipendente dal motore

Il paracadute è l'ultima barriera, non il freno di servizio. A fermare la cabina in condizioni normali pensa il freno elettromeccanico del macchinario, che per la UNI EN 81-20 deve riuscire da solo ad arrestare la cabina in discesa a velocità nominale con la portata nominale aumentata del 25%.[6] Il paracadute entra in gioco quando quel freno, le funi o l'intero argano non bastano più, e per questo non si appoggia su nessuno di loro.
Il principio è opposto a quello del freno motore delle automobili: lì la trasmissione dissipa energia finché resta collegata alle ruote, qui l'energia finisce sull'acciaio delle guide metalliche verticali, i binari a sezione a T ancorati al vano su cui scorre la cabina. Se il macchinario non risponde più, le guide ci sono ancora. Le ganasce del paracadute si chiudono proprio su di esse.
Contro un'accelerazione indesiderata un impianto ha quindi tre difese, e ciascuna fa un lavoro che le altre non fanno:
  • il freno del macchinario tiene la cabina ferma al piano e la arresta in servizio;
  • il paracadute afferra le guide quando la cabina supera la velocità consentita;
  • gli ammortizzatori in fossa assorbono l'urto residuo sul fondo del vano.
La UNI EN 81-50:2020 elenca paracadute e limitatore di velocità tra i componenti di sicurezza, cioè quelli che devono superare una prova di tipo prima di essere montati su un impianto.[7] Sono due pezzi distinti che lavorano in coppia: uno misura, l'altro stringe.

Dal limitatore alle ganasce: la catena di intervento

Tutto parte dal limitatore di velocità, una puleggia in cima al vano attorno alla quale gira una fune ad anello che segue la cabina lungo tutta la corsa. Puleggia e blocco centrifugo sono i due componenti principali del dispositivo.[8] Finché la velocità resta normale le masse centrifughe restano raccolte, e oltre la soglia la forza centrifuga le spinge verso l'esterno fino a farle agganciare un meccanismo di arresto.
Da quel punto la sequenza è sempre la stessa, e si legge come una scala di allarmi:
  1. Il limitatore rileva che la cabina viaggia oltre la velocità di intervento.
  2. Un interruttore di sicurezza elettrico, azionato dal limitatore, toglie corrente al motore e al freno del macchinario, nei casi previsti dalla norma californiana.[9]
  3. Se la cabina continua ad accelerare, il limitatore blocca la propria fune.
  4. La cabina, scendendo, tira la fune bloccata e questa muove la leva meccanica di sgancio del paracadute.
  5. Le ganasce serrano la guida e fermano l'impianto.[1]
La soglia è l'altro dato che conta. La regola californiana vieta che il limitatore scatti sotto il 115% della velocità nominale,[5] un margine che evita di far intervenire per una normale oscillazione di velocità un componente pensato per l'emergenza. Il valore è un esempio extra-UE e non va letto come clausola della EN 81-20.
L'impianto non chiede alla cabina il permesso di fermarsi: sfrutta il suo stesso moto per azionare il freno. È la stessa logica dei freni pneumatici dei treni merci lunghi, che frenano quando la pressione nelle condotte cade invece di quando qualcuno comanda di frenare.

Presa istantanea o progressiva: come mordono le guide

I paracadute si dividono in due famiglie. Quello istantaneo arresta la cabina in modo brusco ed è adatto, secondo il costruttore PFB, a velocità nominali fino a 0,63 m/s;[3] quello progressivo frena in modo graduale, riducendo le forze di decelerazione sulla struttura, e il costruttore PFB lo indica fino a 2,50 m/s.[10] Per quest'ultimo valore parliamo di un campo prodotto di un costruttore, non di un limite di norma.
Tipo di paracaduteCome arresta la cabinaVelocità nominale indicata
Presa istantaneaBrusco e immediatoFino a 0,63 m/s[3]
Presa progressiva (ganasce a cuneo)Graduale, con forze di decelerazione ridotteFino a 2,50 m/s (campo prodotto PFB)[10]
Nel progressivo le ganasce a cuneo non si piantano di colpo nell'acciaio: scorrono sulla guida mordendola sempre più forte, aiutate da molle tarate. L'energia della cabina si trasforma in calore d'attrito lungo la corsa di frenata, lo stesso problema di dissipazione graduale che un camion in discesa affronta con il rapporto crawler del cambio.
Sul limitatore si monta anche il dispositivo anti-UCM, che ferma la cabina in caso di movimenti incontrollati agendo sul paracadute.[11] Un movimento incontrollato non è per forza una caduta libera, ed è il motivo per cui la sola sovravelocità non basta come segnale di allarme. Una corsa lunga si trova nella Statue of Unity, dove due ascensori salgono nei nuclei fino alla galleria, come spiega l'ingegneria della statua più alta del mondo.

Otis al Crystal Palace: nasce il freno di sicurezza

Elisha Graves Otis non inventò l'ascensore: inventò il freno, ed è una differenza che cambia la storia dell'edilizia.[2] Al Crystal Palace di New York, nel 1854, si fece portare in alto su una piattaforma e ordinò di tagliare con un'ascia la fune che la reggeva.[12] La piattaforma cadde di pochi pollici e si fermò davanti a una folla elettrizzata.[13]
Il dispositivo era una molla da carro montata sopra la piattaforma, collegata alla fune di sollevamento: finché la fune era in tensione la teneva compressa, quando la fune cedeva la molla scattava ad aprirsi a ganascia e si agganciava a barre dentate a cremagliera fissate ai lati del vano.[14] Il principio era quello di una guida dentata che tiene la cabina in posizione anche a fune spezzata.[15] Una presa a denti ferma tutto di colpo, ed è il limite che i paracadute progressivi hanno poi superato.

Norme, prove e controlli: quanto è affidabile

Il limitatore non entra in un impianto sulla fiducia. La UNI EN 81-50 chiede almeno 20 prove nell'arco delle velocità di intervento comprese nel campo delle velocità nominali dell'ascensore.[4] Tra queste, la prova di tipo del limitatore prevede almeno due prove con accelerazione tra 0,9 e 1 gn, per simulare una situazione di caduta libera.[17] Una sola prova riuscita dimostra che il dispositivo può funzionare; venti distribuite sull'intervallo mostrano che scatta in modo ripetibile.
Il 115% della velocità nominale è invece una prescrizione californiana.[5] Il freno del macchinario e il paracadute hanno compiti separati: il primo ferma l'impianto in servizio, il secondo interviene quando il primo non basta.
Dopo l'installazione il paracadute di norma non richiede manutenzione, ma è consigliato farlo ispezionare due volte l'anno.[16] Questo è il consiglio del costruttore; l'obbligo di legge è un altro: per l'art. 13 del DPR 162/1999 il proprietario dello stabile deve far eseguire regolari manutenzioni e sottoporre l'impianto a verifica periodica ogni due anni.[18]
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Il caso più istruttivo viene da Hong Kong. Nel 2013, a North Point, tutte e quattro le funi di sospensione di un ascensore si ruppero quasi nello stesso momento, e l'inchiesta dell'EMSD lo classificò come incidente raro.[19] Il limitatore aveva raggiunto la velocità di intervento, ma il nottolino non si innestò sui denti della ruota dentata e il paracadute non scattò.[20] Il caso non dice quanto sia probabile un simile guasto, e mostra che le barriere non sono sempre indipendenti: la stessa manutenzione carente può colpire più componenti insieme, e il paracadute protegge solo se limitatore e leva sono in ordine.
Il confronto con la dimostrazione di Otis è istruttivo. Nel 1854 bastò una fune tagliata davanti al pubblico per dimostrare che il freno funzionava; oggi la stessa fiducia nasce da una sequenza di prove ripetute e da un'ispezione periodica, cioè da procedure che nessuno applaude ma che si possono verificare ogni volta.

Domande frequenti

Come funziona il freno paracadute di un ascensore se la fune si rompe?
Se la cabina accelera oltre la velocità di intervento, il limitatore di velocità blocca la propria fune e questa tira la leva del paracadute. Le ganasce serrano allora le guide verticali e la cabina si ferma a prescindere dallo stato di funi e motore, perché il segnale è la velocità e non la tensione delle funi di sospensione.

Che differenza c'è tra paracadute istantaneo e progressivo?
Il tipo istantaneo blocca la cabina in modo brusco ed è per impianti lenti, fino a 0,63 m/s di velocità nominale. Il tipo progressivo frena in modo graduale con ganasce a cuneo e riduce le forze di decelerazione sulla struttura.

A cosa serve il limitatore di velocità in un ascensore?
Misura la velocità della cabina con una puleggia e un blocco centrifugo. Se la sovravelocità supera la soglia interrompe la corrente e, se serve, aziona meccanicamente il paracadute.

Il paracadute si attiva con la caduta libera o con la sovravelocità?
Con la sovravelocità rilevata dal limitatore, che comprende la caduta libera ma anche un'accelerazione indesiderata con le funi integre. Il dispositivo anti-UCM aggiunge una protezione dal movimento incontrollato della cabina.

Ogni quanto si controlla il paracadute dell'ascensore?
Il paracadute di norma non richiede manutenzione, ma una ispezione due volte l'anno è consigliata dal costruttore. Le verifiche periodiche dell'impianto seguono le regole nazionali.

Chi ha inventato il freno di sicurezza dell'ascensore?
Elisha Graves Otis, che nel 1854 lo mostrò al Crystal Palace di New York. Otis non inventò l'ascensore, ma il freno che lo rese sicuro abbastanza per i grattacieli.

L'ascensore può precipitare davvero?
È un evento eccezionale, ma dipende dalla manutenzione: funi, limitatore e paracadute non sono sempre guasti indipendenti, perché la stessa trascuratezza può colpirli insieme. Il paracadute esiste per intervenire quando funi e macchinario cedono, ma funziona solo se limitatore e leva sono in ordine.

Fonti

20 riferimenti Mostra
  1. PFB — Lift safety gear: how it works (si apre in una nuova scheda)

    «the overspeed governor activates, sending a mechanical signal to the safety gear linkage, which engages by gripping the guide rail and bringing the installation to a standstill.»

  2. National Inventors Hall of Fame — Elisha Graves Otis (si apre in una nuova scheda)

    «Elisha Graves Otis didn't invent the elevator; he invented something perhaps more important – the elevator brake – which made skyscrapers a practical reality.»

  3. PFB — Instantaneous safety gear (si apre in una nuova scheda)

    «The instantaneous safety gear brings the installation to an abrupt and immediate stop. It is suitable for installations with rated speeds up to 0.63 m/s.»

  4. UNI — Corso UNI EN 81-50 (prove di tipo) (si apre in una nuova scheda)

    «Si devono effettuare ≥ 20 prove nell'arco delle V intervento interne al campo delle velocità nominali dell'ascensore.»

  5. California DIR — Title 8 §3036 (si apre in una nuova scheda)

    «At not less than 115 percent of rated speed.»

  6. UNI — Corso UNI EN 81-20 (freno del macchinario) (si apre in una nuova scheda)

    «Questo freno deve essere capace di arrestare da solo il macchinario con la cabina che viaggia in discesa alla velocità nominale e con la portata nominale aumentata del 25%.»

  7. UNI — Corso UNI EN 81-50 (componenti di sicurezza) (si apre in una nuova scheda)

    «Nella DA vi è un elenco di elementi considerati come componenti di sicurezza inclusi paracadute, limitatore di velocità, dispositivi di blocco delle porte di piano»

  8. UPCommons — Limitatore di velocità (si apre in una nuova scheda)

    «és un element de seguretat que actua en cas de que es produeixi una sobre velocitat a la cabina i provoca el tall de flux de corrent i si és necessari, l’aturament mecànic del sistema.»

  9. California DIR — Title 8 §3036 (interruttore del limitatore) (si apre in una nuova scheda)

    «When operated the switch shall cause power to be removed from the hoist machine motor and brake.»

  10. PFB — Progressive safety gear (si apre in una nuova scheda)

    «The progressive safety gear applies a gradual braking action, reducing the deceleration forces on the structure. It is suitable for installations with rated speeds up to 2.50 m/s.»

  11. PFB — Dispositivo anti-UCM (si apre in una nuova scheda)

    «permette di fermare la cabina in caso di movimenti incontrollati, agendo sul paracadute.»

  12. ASME — Elisha Graves Otis (Crystal Palace) (si apre in una nuova scheda)

    «At the New York Crystal Palace, while standing on top of a hoist suspended high in the air, Otis ordered the rope that was holding the platform to be cut with an axe.»

  13. ASME — Elisha Graves Otis (la caduta) (si apre in una nuova scheda)

    «The heavy platform fell only a few inches before it was stopped by the safety device, electrifying the cheering crowd.»

  14. ASME — Elisha Graves Otis (la molla) (si apre in una nuova scheda)

    «If the cable broke, however, this pressure was suddenly released, causing the big spring to snap open in a jaw-like motion.»

  15. Guinness World Records — First safety elevator (si apre in una nuova scheda)

    «Otis refined existing elevators of the time, which were unreliable and dangerous, with a toothed guide-rail, which held the car in place even if the elevator cable broke.»

  16. PFB — Manutenzione del paracadute (si apre in una nuova scheda)

    «The safety gear does not normally require any maintenance. However, it is advisable to carry out an inspection of the device twice a year.»

  17. Symposium on Lift & Escalator Technologies — prova di tipo del limitatore (si apre in una nuova scheda)

    «In addition a minimum of two tests shall be made with an acceleration of between 0.9 and 1 in order to simulate a free fall situation»

  18. DPR 162/1999 art. 13 — obblighi del proprietario (si apre in una nuova scheda)

    «Il proprietario dello stabile, o il suo legale rappresentante, sono tenuti ad effettuare regolari manutenzioni dell'impianto ivi installato, nonché a sottoporre lo stesso a verifica periodica ogni due anni.»

  19. EMSD Hong Kong — North Point 2013 (funi) (si apre in una nuova scheda)

    «The investigation revealed that this was a rare incident. All the four suspension ropes were broken at almost the same time»

  20. EMSD Hong Kong — North Point 2013 (limitatore) (si apre in una nuova scheda)

    «The investigation revealed that the pawl of the overspeed governor had failed to engage onto the teeth of the ratchet wheel during the incident when the activation speed of the overspeed governor was reached.»