I limitatori di velocità

L’invenzione dell’ascensore come mezzo di movimentazione in verticale ha avuto già da subito bisogno di sistemi di regolazione della velocità. I primi ascensori comandati dalla figura del “liftman” avevano un range di velocità entro la quale operare; queste velocità erano comandate mediante una funicella che azionava dei rubinetti nei primi impianti idraulici e poi mediante un reostato con i primi impianti a tamburo azionati da un motore elettrico. Il “liftman” però poteva distrarsi e l’impianto poteva così raggiungere velocità pericolose.

In tutti quei casi in cui, vuoi per guasti oppure per distrazioni, l’impianto raggiungeva velocità eccessive serviva qualche sistema di regolazione o di intervento di emergenza che azionasse i dispositivi di sicurezza della cabina chiamati apparecchi o anche paracadute.

Un aneddoto vuole che il termine paracadute sia legato al fatto che alcuni apparecchi di sicurezza erano dotati anche di una tela posta sotto la cabina e tenuta tesa (per esempio su alcuni impianti Stigler ) che, in caso di velocità eccessiva, o in caso di impatto con oggetti (per esempio scale) non appartenenti all’ascensore che si trovavano ad invadere il vano di corsa, azionava gli apparecchi di sicurezza. La tela gonfiandosi prendeva la forma di un paracadute e magari era fatta anche con la stessa stoffa.

L’introduzione della macchina a vapore alla fine del 1700 ha reso necessario pensare a metodi per gestire/regolare l’energia prodotta. Lo stesso Watt realizzò il primo dispositivo per regolare il flusso di vapore sfruttando due masse poste in rotazione da un albero rotante che per effetto della forza centrifuga tendono ad allontanarsi dall’asse stesso. Il loro allontanamento è contrastato da un sistema di molle e/o dalla forza di gravità attraverso un sistema articolato di bracci e leve. L’allontanamento delle masse permette quindi di regolare l’apertura delle valvole, o come succederà poi per gli ascensori, permette a sistemi precaricati di scattare e bloccare, con modalità diverse, la funicella che sarà collegata agli apparecchi di sicurezza. Il regolatore di watt è uno dei primi esempi di sistema di controllo a retroazione negativa.

Lo sfruttamento della forza centrifuga, nelle forme più varie, è il principio che nel tempo fino ai giorni nostri ha permesso di realizzare dei limitatori di velocità e dei regolatori di velocità.

Il regolatore di Watt lo si ritrova praticamente in tutti i primissimi ascensori idraulici per regolare la velocità massima agendo direttamente sui rubinetti che permettevano di riempire e svuotare i pistoni. In parallelo, lo stesso principio viene usato come limitatore della velocità eccessiva anche in caso di rottura delle funi abbinato ad un dispositivo di sicurezza che, arrestava la cabina mediante ganasce o dispositivi di vario tipo, sollecitato dal limitatore di velocità mediante una funicella.

Di seguito illustreremo una serie di brevetti, tratti dall’archivio messo a disposizione da Google Patents, nei quali è contemplato un limitatore di velocità. Come vedrete, nelle sue svariate forme, il principio di funzionamento è praticamente sempre lo stesso ed infatti ritroviamo già dalla fine del 1800 modelli di limitatori ancora utilizzati ai giorni nostri seppur con tecnologie e materiali diversi.

Il primo brevetto che vediamo è del 1878 ad opera di R. H. Hill e prevede un regolatore di watt messo in moto da un sistema a pignone e cremagliera solidale con le guide in legno; raggiunta la velocità di intervento il limitatore, mediante una leva articolata sulle sue masse, fa sganciare un gancio che tiene bloccata una molla che liberandosi spinge dei cunei verso i tacchetti facendo bloccare la cabina sulle guide.

Un brevetto simile lo troviamo anche nel 1883 ad opera di P. J. Singer. questa volta il limitatore è messo in moto da una funicella; nel brevetto non si spiega come; probabilmente sarà stata usata una fune partente da un capofisso in testata che dopo aver girato attorno alla puleggia del limitatore torna in testata per passare attraverso una puleggia di rinvio ed arrivare ad un contrappeso. Questa volta però le guide in legno non hanno dei tacchetti scavati ma sono lisce, il paracadute agisce con degli eccentrici artigliati che tendono a “mordere” le guide ed a arrestare la cabina.

Nel brevetto che segue del 1884 ad opera di C. P. Adams il limitatore di velocità è messo in moto da una serie di ingranaggi solidali con le guide di legno intagliate. Raggiunta la velocità di intervento il limitatore sgancia una leva che fa si che dei nastri vengano tirati su dei dischi facendo rallentare la cabina fino a fermarla. Di fatto il limitatore innesca un freno a frizione.

Nell’invenzione del 1888 ad opera di a. C. Ellithorpe ritroviamo il limitatore con massa centrifuga interna che è stato ampliamente utilizzato anche in Italia e che si utilizza ancora.

In pratica due pesi ruotano solidali con la puleggia collegati ad un eccentrico ed una molla, all’aumentare della velocità i pesi, per via della forza centrifuga, tendono a contrastare la forza della molla e ad estendersi fino ad andare ad impattare su di un cuneo fisso. A questo punto, per attrito, la funicella tende a fare ruotare il limitatore sul suo punto di ancoraggio t; così facendo una serie di leve collegate ad un freno a tamburo continuano a tenere fermo il limitatore. La funicella per via dell’attrito sulla puleggia si oppone al movimento della cabina permettendo di mettere in rotazione un tamburo che a sua volta, svolgendosi impegna delle ganasce che si stringono sulle guide. Notiamo che il limitatore fa anche da tenditore di se stesso aiutato da un peso. Il sistema è con funicella aperta con un contrappeso posto al lato opposto della cabina. Il paracadute usato in questo caso è del tipo a presa progressiva

Non passa molto tempo, nel 1893, ad opera di W. H. Hultgren ritroviamo il limitatore con funicella e tenditore in fossa come si usa oggi. Il limitatore sfrutta sempre la forza centrifuga e come i limitatori di oggi, la puleggia si blocca quando il peso mobile solidale con la stessa, vincendo la forza di una molla che si oppone alla forza centrifuga riesce ad impattare su dei blocchi fissi che arrestano la puleggia. La funicella tende poi ad arrestarsi per attrito.

Brevetti simili ma con regolatore di watt li ritroviamo poi nel 1901 ad opera di G. John e di C. R. Pratt e nel 1906 a opera di N. P. Otis

Un primo limitatore di velocità con arpioni lo troviamo nel 1904 ad opera di M. Hanford. Questo limitatore di velocità è di tipo bidirezionale e, grazie ad una vite senza fine, funge anche da finecorsa ai piani estremi.

Nel 1916 ritroviamo un limitatore centrifugo con i cinematismi collegati ai due pesi invertiti. questo limitatore quando interviene blocca la funicella sia mediante il suo attrito con la gola della puleggia che mediante due ganasce.

Un limitatore simile è quello della Schindler messo in commercio dal 1920 e del quale abbiamo smontato ed analizzato un esemplare donato dalla Nova Elex e che ritrovate nella pagina dedicata al limitatore KRK15.

Un limitatore usato su diversi impianti ed ancora in uso in alcuni paesi è quello centrifugo realizzato dalla Otis e del quale vi riportiamo di seguito delle foto concesse dalla Nova elevators.

Nel 1919 grazie all’inventiva di D. L. Lindquist ritroviamo il primo limitatore con eccentrico e salterello. Abbiamo sempre delle masse concentriche che per via della forza centrifuga tendono a spostarsi nella periferia della puleggia, in più su una delle due masse abbiamo una rotella che tende a scorrere su di un eccentrico; ad ogni giro quando la rotella si viene a trovare sulla parte più estesa dell’eccentrico, per via della forza di inerzia, le masse tendono a proseguire la traiettoria verso l’esterno. Aumentando la velocità la traiettoria si fa sempre più eccentrica fino a quando il peso al quale è agganciata la rotella va ad impattare su di un fermo sul quale è messo in posizione un braccio che ruota sul suo asse ( punto 20 nella figura). Questo braccio, dopo avere impattato con la massa ed avere perso la sua posizione di riposo, tende a strozzare la funicella mentre viene trascinato dalla stessa. Inoltre sul braccio è montato un pattino spinto verso la puleggia da una molla che, non essendo più bloccata, spinge il pattino verso il centro della puleggia aumentando la frizione con la funicella fino ad arrestarne il moto.

La tecnologia utilizzata ai giorni nostri è ancora simile a quella usata nei primi limitatori con salterello, abbiamo un salterello che saltando su di una camma, quando si raggiunge la velocità massima, blocca la rotazione della puleggia la quale, attraverso una scanalatura, fa bloccare la funicella che aziona il pacacadute. Con il passare degli anni la tecnologia si è evoluta in ogni senso permettendo di ridurre le masse, aumentare l’attrito della funicella, ridurre i rumori e rendere sempre più precisa la velocità di intervento. In Italia ed in altri paesi la normativa aveva imposto poi per anni l’uso di una seconda gola sulla puleggia per permettere di verificare il funzionamento del limitatore a velocità ridotte simulandone l’intervento a velocità nominale.

Grazie alla tecnologia basata su encoder assoluti con canali ridondanti ed appositi circuiti di sicurezza che calcolano direttamente la velocità della cabina e permettono alle molle che azionano i paracadute di metterli in posizione di arresto cabina, la figura classica del limitatore di velocità sarà destinata a ridursi a favore di sistemi elettronici.

Tutte le immagini dei brevetti sono state prese dai documenti archiviati da Google patents; purtroppo in questo archivio, degli anni a cavallo tra il 1800 e 1900 si ritrovano solo brevetti realizzati in America.