Hidrolik asansörlerin bilgisayar yardımıyla analizi
Computer aided analysis of hydraulic elevators
Yazar: ABDÜLHAMİT ADSOY
Danışman: DOÇ. DR. SERPİL KURT HABİBOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Elektrohidrolik = Electrohydraulic ; Elektrohidrolik sistemler = Electrohydraulic systems ; PLC = Programmable logic controller

Özet:
Asansörleri genel olarak, bina içi veya çelik konstrüksiyon bir kuyu boşluğunda sabitlenmiş çelik raylar ile klavuzlanan ve istisnalar dışında düşey doğrultuda hareket eden bir kabinin  çelik halatlar veya hidrolik bir piston ile tahriklenerek insan ve yük taşımacılığında kullanıldığı elektromekanik taşıyıcı sistemler olarak tanımlayabiliriz.
Asansörleri ana tahrik tipine göre elektrikli-halatlı, direkt hidrolik ve halatlı hidrolik olarak üç gruba ayırabiliriz. Tipi ne olursa olsun güç olarak elektrik enerjisi her zaman kullanılır. Hidrolik asansörlerde farklı olarak elektrik enerjisi kullanılarak basınçlandırılmış bir akışkan vasıtasıyla tahrik sağlanır. Elektrikli asansörlerde ise halata bir elektrik motoru vasıtasıyla güç uygulanarak asansör tahrik edilir. 
Hidrolik asansörler aynı konstrüksiyon hacminde çok daha ağır yüklerde çalışabilir. Bunun yanında yeni kontrol teknikleri ve kompakt elemanlar sayesinde daha küçük alanlara kurulabilirler. Yük çok büyük oranda sistem tarafından taşındığından binaya ek bir yük oluşturmaz. Bu sebeple mimari tasarımı asansör kurulumu gözetilerek yapılmayan yapılarda rahatlıkla kullanılabilir.
Bu tezde, hidrolik asansörler ile alakalı yayın, tez ve makalelerden derlenen bilgiler kullanılarak genel bir çalışma yapılmıştır. Bu çalışmada öncelikle asansör dünyasına bir giriş yapılmış ve kısa bir tarihi bilgi verilmiştir. Daha sonra hidrolik asansörler detaylı olarak sınıflandırılmış ve anlatılmıştır. Hidrolik bir asansörü oluşturan elemanlar sınıflandırılıp açıklanmış ve şekil ve tablolarla anlatım desteklenmiştir. 
Aynı zamanda bu teze mühendisliğin vazgeçilmezi olan ve akla gelebilecek her türlü uygulama ve araştırma çalışmasında kullanılan sonlu elemanlar yönteminin anlatıldığı bir bölüm eklenmiştir. Bu bölümde sonlu elemanların ne olduğu, konu ile alakalı yapılan çalışmalardan ve son olarak bu yöntemin bilgisayar yardımıyla kullanımı anlatılmıştır. Bilgisayar kullanımda gerçekçi sonuçlar elde etmek için kullanılması gereken H ve P çözüm yöntemlerinden bahsedilmiştir. 
Yapılan çalışmanın pratik değeri olması açısından 1600 kg, 20 kişilik, 5 kat kapasiteli bir hidrolik asansörün tasarımı düşünülmüştür. Burada tasarım yönteminin görülmesi sebebiyle iki yandan çift silindirle indirekt tahrik tipinin uygun olacağı kanaatine varılmıştır. Bu tasarım parametreleri, EN 81-3+A3 standardı ve TMMOB Makine Mühendisleri Odası "Asansör Avan Proje Hazırlama Esasları" gözetilerek temel hesaplamalar yapılmıştır. 
Tezde son olarak, yapılan temel hesaplamalarla hazırlanan asansör projesinde kullanılan elemanlar ANSYS sonlu elemanlar paket programı kullanılarak kontrol edilmiştir. Böylece yapılan hesabın güvenilirliği kontrol edilmiş ve varsa iyileştirmeler yapılarak daha güvenli ve ekonomik bir sonuç elde edilmeye çalışılmıştır.
Son olarak tasarımı yapılan hidrolik asansöre ait hidrolik kontrol devresi tasarlanmış ve otomatik kontrolü için PLC tabanlı bir elektrik devresi hazırlanmıştır. Bu elektrohidrolik tasarım Fluidsim yazılımı kullanılarak tasarlanmış olup değişik çalışma şartları için test edilmiştir. Simülasyon ortamında tam yükte katlara iniş – çikış işlemleri yapılıp hidrolik devre elemanları üzerindeki etkiler incelenmiştir. Ana tahrik silindirinin tasarım hızında çalışması esnasında, ani durma ve kalkmalarda meydana gelen titreşimler seyehat konforunu bozmayacak seviyelere indirilmiştir. Bu işlem için hidrolik devreye basınç dalgalanmalarını absorbe etmesi için bir hidrolik akümülatör eklenmiştir. 
Böylece tam bir hidrolik asansör tasarımı yapılarak mevcut paket programların uygulamadaki faydaları görülmüştür.

Abstract:
As humanity evolve, transporting humans and goods from point A to point B gains a significant importance in everyday life. Elevators are optimum solutions to this problem and technologically evolves ever since of its first use. Elevators can be defined as electromechanical transport systems works on a vertical direction guided by T-Shaped rails. Elevators are classified by drive systems as electric, hydraulic and pneumatic power. Elevators can be classified by means of usage as passanger, goods, service, hospital, car etc. 
Hydraulic elevators on the other hand are interest of this thesis and will be considered from now on. This type of elevators are actuated by a hydraulic piston directly or with the help of a 2:1 pulley system. Hydraulic actuators used in this type of designs can be single or telescopic type hydraulic cylinders. Actuation can be done by using one or to pistons simultaneously. Double piston actuated elevator solutions are used on heavy duty elevator designs and elevators where a wide platform ( large volumetric capacity ) is needed. Hydraulic elevators however, have a limited use as travel heights increaising.
The main advantage of hydraulic elevators is they can handle very heavy loads easily by multiplying the weak force of pump to create large enough forces. But these tpe of elevators suffer from two major problems. The main problem is the size of the equipment. In order for the elevator to reach the higher floors, hydraulic actuators have to get longer. And when large load handling is required, hydraulic pistons get larger which need more room to assamble the system. 
When direct actuated elevators are installed, the entire cylinder structure have to be burried below so that piston head can be leveled with the bottom of the car. So you have to dig deeper as you build higher. 
The other disadvantage of hydraulic elevators is that efficiency is low since they have no counter weight. This type of designs require energy all the time regardless of car being empty. This problem van be solved by adding a counter balance weight.
Apart from these, hydraulic elevator have many advantages which make them an excellent choise in many applications. Noise sorce can be placed in the machine  room far away from the shaft. This provide a comfortable ride. They require smaller shaft spaces to install, and flexible machine room locations. They dont apply extra loads to the building which give design freedom to architects. They can be retrofitted to any building. 
Emergency evacuation procedures  are simple and completely safe. Use in earthquake zones is safe and reliable. Very safe during service and repaire works since there is no moving part but elevator car. Componenets used in this systems are high quality grades and seldom need replacement. Free choice of maintenance company is possible since all parts meets specific standarts. For buildings up to 5 floors, hydraulic elevators are virtually more cost effective than any other elevator types. 
Since the application of VFD ( variable frequency drive ) drive technology to the elevator pump units, energy consumption reduced while drive comfort improved at the same time. Use of eco-friendly hydraulic fluids and leakage prevention systems reduces environmental hazards to a minimum. 
The description of the engineering problems and laws of physics for a problem are usually expressed in terms of partial differential equations (PDEs). For the majority  of des,gns and problems, these PDEs cannot be solved with analytical methods. In engineering approach to a solution to these problems, an approximation of the equations are being constructed based on different types of discretizations and assumptions derived from a way of understanding how the design supposed to work. These discretization methods approximate solution of PDEs with numerical equations. These equations then can be solved by numerical methods. These solutions are in fact an approximation of the real solution to the PDEs. This method is called finite element method (FEA) and used to compute such approximations.
The benefit of using FEA method is that it offers freedom in the selection of discretization, both in the elements used to discretize the domain and the basis function. Another benefit of FEA is that the theory is well developed. 
Back in the history, the usefulness of te method was first recognized at the start of the 1940s by Richard Courant, a German mathematician. Courant recognised its application to a range of problems but it took several decades before the FEA approach was applied in the fields outside of structural mechanics as today. 
With technological achivements in the field of computers and programming, many FEA analysis software packages are available today. Power of computers carry the FEA method to  whole new level. Today, FEA method is an important tool in many engineering and science fields. 
Design and construction of hydraulic elevator became simpler as computer aided design and analysis software packages  evolves. Autodesk Inventor is a CAD software and will be used to design the hydraulic elevator components.
Designs have to checked and optimised to provide the best solution to an elevator design. Also design calculations have to carried out carefully so that customer demands can be economical and affordable. 
A way of designing more suitable elevators is to use the finite element method mentioned above.
Design and construction of an elevator shall conform to the National Building Regulations and be able to support at least the loads may be applied during usage of the system. 
A hydraulic elevator project for 20 passanger, 1600 kg capacity which will be assembled on a 5 floor high building is designed. The elevator is actuated by two cylinders indirectly with a 2:1 pulley system. Design calculations are carried out in accordance with EN 81-2-A3 standard. 
Hydraulic cylinders are calculated to stand the load of the car, passangers and pressurized hydraulic fluid. Hydraulic tank capacity and electrical motor power are calculated. Stresses and elastic deformations are calculated. Material and cylinder type choosed from standard tables. After that pullies and steel wire rope calculations carried. A suitable pulley and a certain length and diameter steel wire rope desided from manufacturers tables. Elevator car is constracted from UPN profiles. Main load carrier profile is calculated to be UPN140. Deflection and shear calculations show good results. 
According to calculations a CAD model of the design is created by using Autodesk Inventor software. A steel frame car body assembled and joints added. All profiles taken from DIN EN standard families. 
These models than transfered to the FEA analysis software ANSYS. Under diffierent types of load conditions, both elevator car and hydraulic cylinders analised statically. Resullts comply with the calculations made before.
An electrohydraulic control circuit design for elevator control carried on with the help of Fluidsim software. A PLC control electric circuit kontrols hydraulic komponenets of elevator. Deciding between user inputs and choosing which way to go or fail conditions are all controlled by this logic controller. 
Simulation of this control circuit shows how differen components effects performance and reliability of elevator design. Result of simulatins used improve characteristics of whole elevator.