Justificación para desarrollar un probador de frenos

Cómo abordar un accidente y prevenir futuros similares resultó en un monitor de freno genérico.

Por el Dr. Albert So, el Dr. KH Lam y Chung To "Andy" Kong

Este artículo fue presentado por primera vez en el 2019 Simposio internacional de ascensores y escaleras mecánicas en Las Vegas.

En mayo de 2018, ocurrió un accidente fatal relacionado con la falla de un freno de ascensor en Hong Kong. La víctima esperaba en el séptimo piso por el ascensor, que viajaba hacia arriba desde la planta baja. Debido a diversas causas, los dos frenos no pudieron detener por completo y mantener estacionaria la cabina del ascensor. Cuando se abrieron las puertas en el séptimo piso y la víctima entró en la cabina del ascensor, ésta continuó subiendo. La víctima quedó atrapada entre el dintel del rellano y el umbral de la puerta del automóvil.

La víctima logró escapar de quedar atrapada pero luego cayó al pozo y murió. Debido a este accidente, el sistema de frenos de todos los modelos similares de la misma marca fue inspeccionado minuciosamente según lo exigido por la autoridad de aplicación de la legislación.

Para abordar las causas del accidente y desarrollar un medio para prevenir accidentes similares, la Universidad de Hong Kong comenzó a diseñar un monitor de freno genérico para garantizar el funcionamiento adecuado de un freno de ascensor estándar y rastrear su tendencia de deterioro. La ocurrencia del accidente, las causas de la falla de los frenos y las cláusulas relevantes con respecto al requisito de frenos en el código de práctica de seguridad de Hong Kong se introdujeron por primera vez en el IEES de 2019.

Se discutirán varias características del dispositivo para monitorear de cerca los solenoides de freno, resortes, brazos de freno, pastillas de freno y el rendimiento de trabajo de los frenos. El diseño es lo suficientemente genérico como para ser aplicable a la mayoría de las instalaciones estándar en Hong Kong. Estas características se han diseñado especialmente para abordar las diversas causas del accidente, que también son problemas comunes que han provocado un movimiento involuntario de automóviles (UCM) en los últimos años. También se describirá la electrónica y la tecnología de la información que se empleará para cargar datos útiles en bruto y procesados ​​en la nube para la investigación de accidentes, por si acaso. También se resaltarán los algoritmos para procesar datos sin procesar.

El accidente fatal: fundamento para desarrollar el monitor de frenos

La descripción del accidente, a continuación, se basa en el Informe de investigación técnica sobre el incidente del ascensor en el Tribunal de París preparado por el Departamento de Servicios Eléctricos y Mecánicos (EMSD) del Gobierno de la Región Administrativa Especial de Hong Kong (RAEHK). [2] Al mediodía del 11 de mayo de 2018, ocurrió un accidente fatal en un edificio residencial de gran altura en Hong Kong. Un ascensor vacío subió desde la planta baja hasta el séptimo piso en respuesta a una llamada de aterrizaje desde allí. En el séptimo piso, las puertas del rellano y del auto se abrieron y la víctima, una mujer mayor, ingresó al auto, pero éste continuó subiendo con las dos puertas aún abiertas. La víctima quedó atrapada entre el dintel del rellano y el umbral de la puerta del automóvil. Intentó escapar, pero cayó al foso del ascensor y murió. Finalmente, el ascensor se detuvo aproximadamente en el piso 12.

El elevador era un elevador eléctrico con una capacidad nominal de 1000 kg y una velocidad nominal de 1.75 m / s, una disposición de cables 1: 1 y con un engranaje helicoidal. El freno era del tipo antiguo; es decir, un solo resorte de compresión. La fecha del último examen anual del elevador fue el 2 de marzo de 2018, mientras que su último mantenimiento de rutina se llevó a cabo el 9 de mayo de 2018. EMSD realizó una investigación completa y pruebas en el lugar después del accidente, y algunos hallazgos se discutieron a continuación.

Según las imágenes de circuito cerrado de televisión (CCTV), el ascensor se movió hacia arriba involuntariamente cuatro veces durante la misma mañana antes del accidente. Dado que no hubo lesiones, el problema no llamó la atención y la empresa gestora no había tenido conocimiento de ningún problema. Como se mencionó anteriormente, después de que la víctima ingresó al ascensor, éste continuó subiendo con ambas puertas abiertas y finalmente se detuvo en el piso 12.

Durante la investigación, se realizó una simulación posterior al accidente en la que se instruyó al ascensor para que adoptara el mismo patrón de viaje registrado por el CCTV justo antes de que se llevara a cabo el accidente. Se utilizó una cámara termográfica para medir la temperatura del solenoide de freno y las pastillas o forros de freno. Transcurrida media hora, los pistones de freno empezaron a funcionar de forma asíncrona y lenta, con un retraso de alrededor de 1 s. A los 70 minutos del comienzo de la simulación, los pistones de freno no se movieron, lo que significa que ya no se pudo abrir ningún brazo de freno. Dado que el freno no se podía abrir, las dos pastillas de freno descansaban sobre el tambor de freno giratorio. Luego, la temperatura de los dos revestimientos comenzó a subir a un valor constante de alrededor de 220 ° C. Tres horas y media después del comienzo de la simulación, el ascensor se movió mientras las puertas del rellano seguían abiertas; es decir, una situación de UCM.

Después de la simulación, se desmontó el sistema de frenos y se descubrió que la carcasa del émbolo no se había lubricado durante mucho tiempo, ya que se encontró lubricante seco en la superficie interior. En un revestimiento, la cabeza de un tornillo, de cada 10, estaba seriamente desgastada por unos 3 mm, mientras que faltaba otro tornillo. Los tornillos del otro revestimiento se encontraron intactos y normales. Se encontraron dos rayones obvios correspondientes a las posiciones de los dos tornillos anormales en el tambor de freno. Posteriormente se realizó un experimento para medir el coeficiente de fricción (COF) de dicho revestimiento, en comparación con el de uno nuevo. Se encontró que el COF se redujo en aproximadamente un 40%. Posteriormente también se llevó a cabo una prueba de compresión de los forros de freno, que reveló que la fuerza vertical para mantener una compresión constante, digamos, 0.5 mm, de un forro de sobrecalentamiento, era mucho menor que la de un forro de freno normal, alrededor de 1 a 5.

El informe concluyó que el accidente fue causado por el atasco del émbolo del freno, que no estaba debidamente lubricado dentro de la carcasa del solenoide. Esto llevó a una apertura incompleta de los brazos de freno mientras el elevador estaba en movimiento, lo que resultó en una situación de sobrecalentamiento con las pastillas de freno, ya que no estaban completamente separadas del tambor de freno. El contacto parcial continuo entre el forro del freno y el tambor producía una vibración que aflojaba los tornillos de fijación de los forros. A medida que los tornillos sobresalían del revestimiento, se producían arañazos en el tambor, lo que reducía aún más el área de contacto entre el revestimiento y el tambor. Como resultado, no hubo suficiente fuerza de frenado para sostener el ascensor cuando se detuvo en el séptimo piso para responder a la llamada de aterrizaje de la víctima. Como solo había un pasajero dentro del automóvil durante el accidente, el lado del contrapeso era mucho más pesado y, por lo tanto, el elevador continuó moviéndose hacia arriba.

Debido a este accidente, la autoridad prestó mucha más atención a la seguridad de los frenos y consideró que podrían ser necesarias más medidas para monitorear el desempeño de los frenos. Se pidió al Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Universidad de Hong Kong que estudiara el desarrollo de un probador de frenos para realizar un seguimiento del rendimiento de los frenos las 24 horas del día, los 7 días de la semana. Antes de analizar el desarrollo, es apropiado revisar primero los códigos legales relacionados con los frenos en Hong Kong.

Código de seguridad aplicado en Hong Kong

En el último siglo, Hong Kong había adoptado las normas británicas (BS) sobre requisitos técnicos para la seguridad de los ascensores, BS 2655, luego BS 5655 y, finalmente, EN 81 en la década de 1980. En 1993, EMSD publicó el primer código de seguridad local, Código de prácticas sobre el diseño y la construcción de ascensores y escaleras mecánicas,^{[ 1 ]} que fue revisado en 2000 y 2010. En 2018, EMSD comenzó a considerar la adopción total de la new Europey versiones EN 81-20 y -50. De acuerdo con el código legal, un freno de ascensor moderno debe funcionar de la siguiente manera:

1. Capaz de detener la máquina cuando el automóvil se desplaza hacia abajo a la velocidad nominal y con una carga del 125%.
2. El retardo medio del coche no superará los 9.81 m / s2 y será de al menos 1.96 m / s2.
3. Cada uno de los dos juegos de frenos puede funcionar de forma independiente.
4. Cualquier conjunto puede frenar independientemente el elevador a velocidad nominal y 100% de carga hacia abajo, o a velocidad nominal y 0% de carga hacia arriba.
5. El frenado se hará efectivo sin demora adicional después de abrir el circuito de liberación del freno.
6. La operación de un dispositivo de protección de sobrecarga y / o sobrecorriente para el freno iniciará la desactivación simultánea de la máquina.
7. No se aplicará corriente al freno hasta que se haya encendido el motor.

A excepción de los puntos 6 y 7, el monitor deberá poder verificar los parámetros relevantes para confirmar el buen funcionamiento del freno.

Parámetros a medir

Los siguientes parámetros son monitoreados continuamente por la estructura del hardware (que se discutirá en la siguiente sección). Primero, se debe medir la corriente CC del solenoide de freno, porque cualquier cambio puede indicar que hay algún problema con el solenoide. Por lo general, se mide mediante el uso de un transductor de corriente de efecto Hall, porque los transformadores de corriente ordinarios no son aplicables a los circuitos de CC.

En segundo lugar, debe medirse el movimiento de cada brazo de freno para comprobar si el funcionamiento del brazo de freno es sincrónico con la condición de encendido / apagado de la corriente del solenoide. Además, el movimiento de cada brazo también indica si el resorte que actúa sobre el brazo se ha deteriorado. Se utilizan dos acelerómetros, uno cerca de la parte superior del brazo y otro cerca de la parte inferior, para comprobar si existe algún obstáculo externo entre el tambor y el brazo.

En tercer lugar, debe controlarse la temperatura del forro del freno, porque un contacto parcial continuo entre el forro y el tambor durante el funcionamiento del motor aumenta ciertamente la temperatura, como se menciona en el informe del accidente. Técnicamente, puede ser un poco difícil medir directamente la temperatura del revestimiento, pero es mucho más fácil medir la parte metálica del brazo del freno. No hay forma de medir con precisión la temperatura, aunque una alarma de temperatura excesiva puede ser suficiente.

Cuarto, un nuevo forro de freno es bastante grueso. Pero, si el tambor gira de vez en cuando cuando el revestimiento está en contacto parcial con él, el grosor se reduce gradualmente, como la situación de un freno de vehículo. Es significativo medir el grosor del revestimiento, pero la precisión puede no ser tan alta, porque solo estamos hablando de una reducción de un par de milímetros.

En quinto lugar, la posición instantánea, la velocidad, la dirección de desplazamiento, la aceleración y la desaceleración de la cabina del ascensor deben monitorizarse como una buena referencia para comparar el rendimiento del sistema de ascensor con otros parámetros bajo monitorización.

En sexto lugar, la aceleración y la desaceleración de la cabina del ascensor deben controlarse continuamente. La verificación cruzada de dicho valor con los valores de otros parámetros puede darnos más información sobre la salud de todo el sistema. Tenga en cuenta que los cables de elevación son elásticos y el deslizamiento entre los cables y las ranuras de la polea motriz es inevitable. Es útil medir directamente el movimiento de la cabina del ascensor.

Finalmente, se deben monitorear varios contactos limpios para indicar el estado del sistema de ascensor (como se explica en la siguiente sección).

Estructura de hardware del monitor de freno

Las figuras 1 y 2 muestran la ubicación de los sensores del monitor de freno en las proximidades del freno. Visto desde

En la ilustración se muestra una versión antigua del freno, como lo demuestra el hecho de que solo hay un solenoide independiente. Este diseño es el mismo que el que se utilizó en el accidente. Es fácil agregar un transformador de corriente de efecto Hall más para abordar el diseño moderno de frenos con dos solenoides independientes. El tacómetro está conectado a un extremo del eje del motor de accionamiento para que la velocidad y la posición en tiempo real de la cabina del ascensor se estimen mediante cálculo.

De acuerdo con los requisitos de diseño, el monitor no debe interferir con el funcionamiento normal del ascensor, ni degradar ningún estándar de seguridad de acuerdo con el código legal. El contratista de mantenimiento debe proporcionar cinco relés que obtienen la señal del controlador. El relé 1 indica el estado del solenoide de freno; el relé 2 indica el estado del regulador de velocidad; el relé 3 indica que la cabina del ascensor está en la posición más baja; el relé 4 indica si el automóvil está parado o en movimiento; y el relé 5 indica la dirección del movimiento del automóvil.

Dos acelerómetros están instalados en la parte superior del automóvil, uno a la derecha y otro a la izquierda. La computadora integrada en la parte superior del automóvil continúa comunicándose con la que está dentro de la sala de máquinas (Figura 1) a través de una señal Wi-Fi. El uso de Wi-Fi es lo suficientemente bueno, porque la distancia máxima entre la parte superior del automóvil y la sala de máquinas es de solo un par de cientos de metros, y no hay obstrucción en el eje entre los dos.

Al verificar el momento exacto en que se inyecta o se retira corriente del solenoide, y el momento exacto en que cada brazo del freno comienza a moverse, podemos saber si el funcionamiento del freno es puntual. La duración del recorrido del brazo del freno también puede indicarnos si el resorte o el solenoide están en buen estado. Se espera que, cuando hay cierta fatiga con el resorte o hay algún cortocircuito dentro del solenoide, el brazo del freno tienda a funcionar un poco más lento. Al realizar un seguimiento de la temperatura del brazo del freno, podemos saber si hay contacto parcial entre el revestimiento del freno y el tambor del freno cuando está girando. Al medir la distancia entre un punto determinado del brazo del freno desde la superficie del tambor, podemos juzgar si el grosor del revestimiento del freno se reduce debido al envejecimiento y si el equilibrio de la fuerza entre el solenoide y el resorte varía ligeramente. Al verificar el tacómetro, podemos saber si la cabina del ascensor se está moviendo. Por último, utilizando los dos acelerómetros situados en la parte superior de la cabina para comprobar el momento exacto en el que se produce algún cambio de corriente en el solenoide de freno y el momento en el que la cabina del ascensor empieza a desacelerar, podemos determinar si la tasa de desaceleración de la cabina del ascensor cumple con el requisito legal. Al integrar los datos de los dos acelerómetros situados en la parte superior de la cabina, podemos estimar aproximadamente la distancia recorrida durante el frenado de emergencia. (El tacómetro también puede dar algunas pistas sobre este rendimiento).

Estructura del software del monitor de freno

La Figura 2 muestra un sistema electrónico en el que hay tres placas Arduino, cada una conectada a unos pocos sensores a través de puertos I2C o puertos de entrada / salida (E / S). Estas tres placas están conectadas a la PC incorporada dentro de la sala de máquinas, que se comunica continuamente con otra PC incorporada en la parte superior del automóvil. Se ha utilizado Windows 7 como sistema operativo, pero se planeó actualizarlo pronto a Windows 10. La Figura 3 muestra el sistema electrónico en la parte superior del automóvil.

Del mismo modo, se utiliza una placa Arduino para recuperar señales de los dos acelerómetros. Esta placa está cableada a la PC incorporada en la parte superior del automóvil, que se comunica continuamente con la que está dentro de la sala de máquinas.

Algunos datos preliminares sin procesar

Dentro de la sala de máquinas, los sensores de vibración del brazo de freno podrían considerarse los dispositivos principales de todo el sistema, ya que controlan el funcionamiento normal y anormal de ambos brazos. Es posible detectar problemas con el funcionamiento de cada lado del sistema de frenado comprobando los perfiles de vibración. La Figura 4 muestra los datos brutos de tres ciclos de operaciones "abierto-cerrado" del freno. La frecuencia de muestreo fue de 200 Hz, lo que revela que cada operación duró solo alrededor de 20 puntos de datos; es decir, 20 X (1/200) s = 0.1 s - una operación realmente rápida. La vista ampliada mostró una operación "cerrada" del primer ciclo. El equipo de investigación está investigando los detalles de las formas de onda para evaluar los datos que se revelan. En la parte superior del automóvil, tenemos el siguiente formato de datos de todos los sensores, incluida la marca de tiempo del Arduino, las vibraciones de tres ejes de los dos acelerómetros ("L" para "izquierda" y "R" para "derecha"), el Sensor de infrarrojos y el tiempo real agregado por la computadora principal:
(Marca de tiempo, AcXL, AcYL, AcZL, AcXR, AcYR, AcZR,
IR, tiempo real):
(3205675876, -15536, -244, -4380, -8488, -13280, -3520, 1,
‘2019-09-03 00:16:43.626’).

Conclusión

Debido a la ocurrencia de un accidente fatal reciente en Hong Kong, la autoridad de las regulaciones legales del gobierno de la RAEHK tenía la intención de actualizar los procedimientos de monitoreo de frenos para evitar más accidentes. Para abordar e incluso predecir fallas con el sistema de frenado que provocó y podría conducir a accidentes similares, se formó un equipo de investigación en la Universidad de Hong Kong para desarrollar un monitor de frenos en línea, cuyas características y estructura se han destacado en este artículo. También se han incluido algunos datos preliminares en bruto. Este proyecto aún está en curso y habrá más resultados disponibles para cuando se celebre el simposio.

Agradecimiento

Este proyecto aún está en marcha y cuenta con el apoyo financiero del EMSD del Gobierno de la RAEHK. Se publicarán más resultados en una próxima edición de ELEVATOR WORLD.

Referencias

[1] EMSD. Código de práctica sobre el diseño y construcción de ascensores y escaleras mecánicas (1993).
[2] EMSD. Informe de investigación técnica sobre el incidente del ascensor en el tribunal de París, centro de la ciudad de Sheung Shui, nuevos territorios (2018)