El dispositivo de seguridad más importante para escaleras mecánicas

La evolución de los sistemas de frenado de escaleras mecánicas y pasillos móviles

Por Anthony Boom

Introducción

Desde que se instaló la primera escalera mecánica, los fabricantes de escaleras mecánicas y los comités de códigos de seguridad han trabajado de forma proactiva y reactiva para que las escaleras mecánicas fueran lo más seguras posible. Ya sea que los fabricantes y los comités de códigos actuaran de forma proactiva o reactiva, con el paso del tiempo se implementaron muchos dispositivos y reglas de seguridad nuevos para hacer que las escaleras mecánicas y las pasarelas móviles fueran más seguras. 

En los más de 35 años que he trabajado en el negocio de escaleras mecánicas, he visto la implementación de una variedad de nuevos dispositivos de seguridad, como detectores de escalones faltantes, sensores de velocidad de pasamanos, dispositivos de impacto de peine, dispositivos de escalones nivelados, dispositivos de exceso y subvelocidad y más. 

Se podría escribir mucho sobre la incorporación y evolución de todos los dispositivos de seguridad de las escaleras mecánicas, pero este artículo se centra en la evolución del dispositivo de seguridad más importante: el freno de la escalera mecánica.

El freno de la escalera mecánica es el dispositivo de seguridad más importante, ya que todos los demás dispositivos de seguridad de una escalera mecánica dependen de la función del freno de la escalera mecánica. Si no hubiera freno de escalera mecánica, ¿qué valor tendría instalar un interruptor de parada de emergencia o un dispositivo de exceso de velocidad o un dispositivo de impacto de peine o cualquier otro dispositivo de seguridad? La respuesta es “ninguno”. Si no hubiera freno de escalera mecánica, la escalera mecánica no se detendría cuando se activara un dispositivo de seguridad. En el mejor de los casos, el motor de la escalera mecánica se apagaría y la escalera mecánica continuaría moviéndose hasta que el peso de los pasajeros en la escalera mecánica fuera insuficiente para superar la fricción de los pasamanos y la banda rodante del peldaño. 

Frenos de par fijo y volantes de inercia

Los primeros frenos de las escaleras mecánicas eran simples frenos aplicados por resorte, ahora denominados frenos de par fijo. Se utilizaban resortes de tensión y resortes de compresión para aplicar el freno de la escalera mecánica cuando era necesario. Los resortes de tensión perdieron popularidad porque la falla del resorte de tensión daría como resultado que no hubiera freno en absoluto, mientras que un resorte de compresión aún puede proporcionar algo de fuerza de resorte si el resorte se rompe. 

Algunas desventajas de un freno de par fijo:  

• El freno debe reajustarse periódicamente a medida que se desgasta.
• Si el par fijo del freno se ajusta de tal manera que sea suficiente para detener una escalera mecánica muy cargada, entonces, cuando la escalera mecánica esté ligeramente cargada, puede detenerse indeseablemente rápido.
• La distancia de frenado de la escalera mecánica puede variar mucho según la carga de la unidad. Si la carga de la escalera mecánica es grande, la distancia de frenado será larga, mientras que si la carga de la escalera mecánica es ligera, la distancia de frenado será corta. 

Para minimizar las diferencias en las distancias y tasas de frenado de las escaleras mecánicas, los fabricantes de escaleras mecánicas añadieron un gran volante al motor de la escalera mecánica. La incorporación de un volante al motor de la escalera mecánica redujo el impacto de la carga sobre la escalera mecánica. Básicamente, el freno trabaja más para detener el volante que para detener la carga sobre la escalera mecánica. Cuanto más grande sea el volante, más constante será la detención de una escalera mecánica desde que no hay carga en la escalera mecánica hasta que hay una carga pesada en la escalera mecánica. 

La incorporación de un volante de inercia no solo hace que la escalera mecánica se detenga de manera más constante, sino que también hace que la velocidad de parada de la escalera mecánica sea más constante en ambas direcciones: hacia arriba y hacia abajo. Sin un volante de inercia montado en el motor de la escalera mecánica, una carga en la escalera mecánica hará que la escalera mecánica se detenga brevemente si la escalera mecánica está funcionando en la dirección ascendente y se detenga prolongadamente si la escalera mecánica está funcionando en la dirección descendente. 

Puede parecer que el volante montado en el eje del motor de la escalera mecánica solucionó la mayoría de los problemas del freno de par fijo. Sin embargo, agregar un volante genera algunos problemas nuevos no deseados:

• La necesidad de un freno mucho más grande. Con un volante montado en el eje del motor, el freno debe tener suficiente par de frenado para detener el volante y la carga nominal completa en la escalera mecánica.
• Aumentar el tamaño del freno aumenta el coste del freno.
• Se necesita más espacio para montar el volante y el freno más grande.
• Se requiere una gran corriente eléctrica para poner en marcha el motor de la escalera mecánica y el volante para que gire y luego acelere hasta alcanzar la velocidad. 

Los fabricantes de escaleras mecánicas han soportado estos problemas durante décadas para obtener los beneficios que proporciona la adición de un volante de inercia. Sin embargo, a medida que pasó el tiempo, los requisitos del código de seguridad se volvieron más estrictos. El código requería una distancia mínima de frenado de 4.5 pulgadas (4.5 pulgadas se calculó sobre una tasa de desaceleración máxima de 3 pies/s^2 para una escalera mecánica que funcionaba a 90 pies/min). Detenerse a una velocidad inferior a 3 pies/s^2 se consideraba desestabilizador para los pasajeros. Sin embargo, la escalera mecánica tenía que detenerse a una distancia no mayor de aproximadamente 16 pulgadas. Estas 16 pulgadas se determinaban por la distancia desde el interruptor del faldón hasta los dientes del peine de la escalera mecánica. Si el zapato de alguien quedaba atrapado entre el borde del escalón y el faldón de la escalera mecánica al activar el interruptor del faldón, la escalera mecánica tenía que detenerse antes de que el pie de esa persona fuera arrastrado hacia los dientes del peine. 

Para cumplir con el rango de distancia de frenado permitido por el código de 4.5 a 16 pulgadas, sin importar la carga viva en la escalera mecánica, los fabricantes experimentaron con el aumento del tamaño del volante del motor para minimizar el efecto de la carga viva en la escalera mecánica. Otros fabricantes exploraron la posibilidad de establecer un par de frenado alto y luego retrasar la aplicación del freno para cumplir con el requisito de distancia de frenado mínima de 4.5 pulgadas.

Retrasar la aplicación del freno ayudó a cumplir con el requisito de distancia mínima de frenado, pero no logró cumplir con la tasa máxima de desaceleración de 3 pies/s^2. Por lo tanto, el comité de código agregó el requisito de aplicar el freno sin demora para evitar una tasa de desaceleración mayor a 3 pies/s^2. 

Frenos de par fijo variable

En la década de 1980, la empresa para la que trabajaba combinó un freno magnético permanente (PM) con un método novedoso de aplicar un par de frenado fijo proporcional a la carga de la escalera mecánica. La ventaja del freno PM era y es que es un dispositivo de par variable. El freno PM produce un par que es inversamente proporcional a la corriente que fluye a través de la bobina del freno PM. Si la carga de la escalera mecánica era pesada, entonces el controlador del freno podía aumentar el par de frenado reduciendo la corriente del freno PM. Si la carga de la escalera mecánica era ligera, entonces el controlador del freno podía disminuir el par de frenado aumentando la corriente de la bobina del freno PM.

Ahora bien, este controlador de freno determina la carga de la escalera mecánica midiendo el ángulo de fase entre el voltaje del motor de la escalera mecánica y la corriente del motor de la escalera mecánica. Un ángulo de fase mayor implica una carga más ligera en la escalera mecánica, mientras que un ángulo de fase menor implica una carga más pesada en la escalera mecánica. Si el ángulo de fase fuera pequeño, entonces el controlador de freno de la escalera mecánica reduciría la corriente de la bobina de freno de PM para aplicar más fuerza de frenado mientras la escalera mecánica se detenía. Cuando el ángulo de fase fuera mayor, el controlador de freno de la escalera mecánica aumentaría la corriente de la bobina de freno de PM para disminuir el par de frenado.

La aplicación de un par de frenado proporcional a la carga de la escalera mecánica eliminó la necesidad de un volante de inercia y permitió cumplir con los requisitos del código en cuanto a velocidad de desaceleración y distancias de frenado. Sin embargo, este controlador de freno requería una configuración de control bastante compleja que variaba según el tamaño y la fabricación del motor. Además, el par de frenado de PM no era constante de un freno a otro para una corriente de bobina de freno determinada. En consecuencia, se debían realizar ajustes de configuración adicionales de vez en cuando o cada vez que se reemplazaba el freno por uno nuevo.

Control de frenos con retroalimentación de velocidad

En 1988, la misma empresa ideó un nuevo control de freno que era más sencillo de configurar y que no dependía del tamaño del motor, de su fabricación ni de las variaciones en el par de frenado para una corriente de bobina de freno determinada. Este nuevo método utilizaba la “retroalimentación de velocidad” con el mismo freno de imán permanente. El controlador de freno de “retroalimentación de velocidad” comparaba una rampa de tensión predefinida con la tensión de un tacómetro accionado por el motor de la escalera mecánica. El controlador de freno variaba el par de frenado en función de cómo la tensión del tacómetro seguía la rampa de tensión predefinida. Si, mientras la escalera mecánica se estaba deteniendo, la tensión del tacómetro era inferior a la tensión de la rampa de tensión predefinida, la escalera mecánica se estaba deteniendo más rápido de lo deseado. Por lo tanto, el controlador de freno reducía el par de frenado para disminuir la velocidad de detención de la escalera mecánica. Sin embargo, si la tensión del tacómetro era superior a la rampa de tensión predefinida, la escalera mecánica se estaba deteniendo más lentamente de lo deseado. Por lo tanto, el controlador de freno aumentaba el par de frenado para disminuir la velocidad de detención de la escalera mecánica.

Las ventajas del control de freno con retroalimentación de velocidad incluyen:

• Procedimiento de configuración simplificado
• Independiente del tamaño del motor
• Independientemente de la fabricación del motor
• Independiente de las variaciones en el par de freno para una corriente de bobina de freno dada
• Se eliminó la necesidad de un volante de inercia.

Mientras el freno pudiera producir suficiente torque para detener la carga nominal, la retroalimentación de velocidad funcionó bastante bien.

Las desventajas del control de freno por retroalimentación de velocidad incluían:

• La necesidad de “ajustar” el tacómetro a la rampa de voltaje predefinida generada por el controlador de freno
• A medida que el voltaje del tacómetro se degradaba con el tiempo, era necesario “reajustarlo” a la rampa de voltaje predefinida generada por el controlador del freno.
• El controlador de frenos tenía solo una rampa de voltaje preprogramada con la que se comparaba el voltaje de retroalimentación del tacómetro. Por lo tanto, se necesitaban diferentes tarjetas de control de frenos para cada velocidad a la que se había diseñado una escalera mecánica o un andador para automóviles.

Cabe señalar que, para evitar una situación insegura, el controlador de la escalera mecánica no permitiría que la escalera mecánica funcionara si el voltaje en el tacómetro fuera demasiado bajo.

Control de frenos con retroalimentación de desaceleración

En 1993, la misma empresa presentó otro nuevo controlador de freno que tenía todas las ventajas del controlador de freno de “retroalimentación de velocidad”, pero era incluso más simple de configurar y no tenía que ser “ajustado” o “reajustado”. Este nuevo método utilizó “retroalimentación de desaceleración” con el mismo freno PM. Este controlador de freno utilizó un codificador en lugar de un tacómetro para determinar la velocidad y calcular la desaceleración de la escalera mecánica en tiempo real. La tasa de desaceleración de la escalera mecánica en tiempo real calculada se comparó luego con un punto de ajuste de desaceleración deseado. El controlador de freno utilizó un control PI (proporcional e integral) para variar el par de frenado dependiendo de qué tan cerca estaba la tasa de desaceleración de la escalera mecánica en tiempo real del punto de ajuste deseado. Si, mientras la escalera mecánica se detenía, la tasa de desaceleración de la escalera mecánica en tiempo real era mayor que el punto de ajuste, entonces la escalera mecánica se detenía más rápido de lo deseado. Entonces, el controlador de freno reduciría el par de frenado para disminuir la tasa de parada de la escalera mecánica. Sin embargo, si la tasa de desaceleración de la escalera mecánica en tiempo real era menor que el punto de ajuste, la escalera mecánica se detenía más lentamente de lo deseado. Por lo tanto, el controlador de freno aumentaba el par de frenado para aumentar la tasa de detención de la escalera mecánica.

Las ventajas del control de freno con retroalimentación de desaceleración incluyen:

• Todas las ventajas del controlador de retroalimentación de velocidad
• Un procedimiento de configuración aún más sencillo
• Sin afinación ni resintonización
• La misma tarjeta de control de freno se puede utilizar en cualquier escalera mecánica o pasarela de velocidad.

Otras mejoras incorporadas al nuevo controlador de freno con retroalimentación de desaceleración incluyen:

• El uso de PWM (modulación por ancho de pulso) en lugar de regulación lineal para controlar la corriente de frenado. La PWM proporciona un control más preciso y es más eficiente energéticamente que el antiguo control lineal.
• Se agregó el uso del control PI para regular la corriente de liberación de la bobina del freno. De esta manera, a medida que la resistencia de la bobina del freno variaba de un freno a otro, o a medida que la resistencia de la bobina del freno variaba debido a variaciones de temperatura, el controlador PI mantenía la misma corriente de liberación del freno a lo largo del tiempo.
• La lógica difusa por la que obtuve una patente para el control de frenos calculó la carga en la escalera mecánica de modo que el par de frenado inicial coincidiera estrechamente con el par de frenado real requerido. El resultado de estimar la carga en la escalera mecánica antes de que se aplicara el freno redujo el tiempo y la magnitud de la oscilación para producir un accionamiento más suave del freno.

Mientras el freno pudiera producir suficiente torque para detener la carga nominal, la retroalimentación de desaceleración funcionó bien.

Una de las principales desventajas del control de frenado por retroalimentación de desaceleración se presenta en una escalera mecánica en movimiento ascendente. Una escalera mecánica cargada en movimiento ascendente siempre se detendrá más rápido que el punto de ajuste de desaceleración deseado si no hay una masa de volante montada en el motor de la escalera mecánica. Sin embargo, en este momento, el Código de seguridad de escaleras mecánicas no requiere una tasa de desaceleración máxima cuando la escalera mecánica está en movimiento ascendente. 

Frenado dinámico controlado por motor

A principios de 2024, terminé de probar un nuevo sistema de frenado híbrido para escaleras mecánicas y pasillos móviles. Este sistema de frenado híbrido incorpora un control de frenado por retroalimentación de desaceleración con otro tipo de control de frenado permitido recientemente por la norma ASME A17.1-2019 y la regla 2022 del Código de seguridad de escaleras mecánicas de 6.1.5.3.4. El Código de seguridad de escaleras mecánicas se refiere a este nuevo sistema de frenado como "frenado dinámico controlado por motor". El frenado dinámico controlado por motor requiere que la energía permanezca conectada al motor de la escalera mecánica durante el proceso de frenado porque el motor se está utilizando para frenar.

En realidad, el frenado dinámico controlado por motor no es una novedad, pero hasta hace poco no se permitía su uso en escaleras mecánicas y pasillos móviles porque el Código de Seguridad de Escaleras Mecánicas siempre ha exigido que se retire la alimentación del motor y del freno de la máquina motriz siempre que se active un dispositivo de seguridad. El Código de Seguridad de Escaleras Mecánicas ahora permite el uso del frenado dinámico controlado por motor, siempre que se cumplan otras normas. 

Las ventajas del frenado dinámico controlado por motor:

• Todas las ventajas del controlador de retroalimentación de desaceleración
• La escalera mecánica no acelera ni desacelera mientras espera que se active el freno cuando se activa un dispositivo de seguridad. Sin el frenado dinámico, la escalera mecánica “gira libremente” durante el tiempo que tarda un freno normal en pasar de abierto a activado. Si bien el tiempo normal de activación del freno es relativamente pequeño, la escalera mecánica acelerará momentáneamente bajo carga en la dirección descendente hasta que se active el freno. Con el frenado dinámico, se elimina el giro libre del motor. En consecuencia, se mejora el proceso de parada.
• Tasa de parada constante independientemente de la carga en la escalera mecánica o la dirección de marcha
• Distancias de parada constantes independientemente de la carga en la escalera mecánica o la dirección de marcha
• Se puede utilizar como medio adicional para detener la escalera mecánica (código requerido por encima de los 6 m)
• Elimina la necesidad de un segundo freno de máquina cuando el código requiere un freno redundante
• El perfil de frenado es suave como un freno de par fijo. 

Las desventajas del frenado dinámico controlado por motor incluían:

• El motor no puede producir torque para frenar en caso de pérdida de potencia.
• El Código de seguridad de escaleras mecánicas permite el uso de frenado dinámico controlado por motor para la mayoría de los dispositivos de seguridad, pero no para todos. El frenado dinámico NO está permitido para el control de velocidad de las escaleras mecánicas, el dispositivo de cadena de transmisión, los interruptores de foso, la inversión de parada, el dispositivo de seguridad de motor desconectado, el dispositivo de impacto de peldaño de peine y varios más.

Para superar las desventajas del frenado dinámico controlado por motor, combiné el frenado dinámico con el control de retroalimentación de desaceleración para formar un sistema híbrido. Para la mayoría de los dispositivos de seguridad, se utiliza el frenado dinámico controlado por motor. Cuando no se puede utilizar el frenado dinámico controlado por motor, el sistema híbrido utiliza el control de retroalimentación de desaceleración.

Cuadro comparativo de frenado

• La línea de puntos superior representa la dirección descendente con carga completa del frenado PM.
• La segunda línea discontinua desde arriba representa el frenado PM sin carga en la escalera mecánica en ninguna dirección.
• La línea sólida central representa el frenado dinámico (regenerativo), todas las condiciones, con carga, sin carga, dirección ascendente, dirección descendente.
• La línea discontinua inferior representa la dirección ascendente de carga completa del frenado PM.
• En cualquier freno de resorte o de accionamiento magnético existe un tiempo de aplicación. La tabla de comparación de frenado muestra un tiempo de aplicación de freno de 100 m/s y una velocidad de marcha de la escalera mecánica de 100 pies/min. La velocidad real de la escalera mecánica depende de la velocidad real de marcha sin carga de la escalera mecánica, de la dirección de marcha y de la carga de la escalera mecánica. Una escalera mecánica con carga en subida funcionará más lentamente que la velocidad real de la escalera mecánica sin carga y una escalera mecánica con carga en bajada funcionará más rápido que la velocidad real de la escalera mecánica sin carga. 
• El gráfico de dirección de frenado de PM a plena carga muestra que la velocidad de la escalera mecánica aumentó a 2.5 pies/s.² De 100 pies/min a 115 pies/min y se movió 2.15 pulgadas antes de que se activara el freno. Luego, el controlador de freno PM controló la tasa de desaceleración a 1.5 pies/s² para 14.7 pulgadas adicionales. El tiempo total de frenado es de aproximadamente 1.4 s con una distancia total de frenado de 16.8 pulgadas. Si hubiera un tiempo de aplicación cero y si hubiera suficiente par de frenado para detener la carga a 1.5 pies/s², entonces la distancia de parada real sería 11.11 pulgadas.
• El gráfico de frenado PM sin carga muestra que la velocidad de la escalera mecánica disminuyó a 0.5 pies/s.² de 100 pies/min a 97 pies/min y se movió 1.97 pulgadas antes de que se activara el freno. Luego, el controlador de freno PM controló la tasa de desaceleración a 1.5 pies/min.^s2 para 10.45 pulgadas adicionales. El tiempo total de parada es de aproximadamente 1.2 s con una distancia total de parada de 12.4 pulgadas. Dependiendo de la inercia y la fricción del sistema mecánico, el tiempo real, el tiempo de parada y la distancia variarán. Si el tiempo de aplicación fuera cero y si hubiera suficiente inercia para superar la fricción del sistema, la distancia de parada real sería de 11.11 pulgadas.
• El gráfico de dirección ascendente de frenado de PM a plena carga muestra que la velocidad de la escalera mecánica disminuyó a 4.2 pies/s² de 100 pies/min a 74.8 pies/min y se movió 1.75 pulgadas antes de que se activara el freno y luego continuó desacelerando a 4.2 pies/s² para 2.22 pulgadas adicionales. El tiempo total de parada es de aproximadamente 0.4 s con una distancia de parada total de 3.97 pulgadas. En este caso, el controlador de freno PM aplicará poca fuerza de frenado. El peso en la escalera mecánica hará que la escalera mecánica se detenga más rápido que la velocidad programada del controlador de freno. El tiempo total de parada es de aproximadamente 0.4 s con una distancia de parada de 3.9 pulgadas. Dependiendo de cuánto peso haya en la escalera mecánica y de la inercia y fricción del sistema mecánico, el tiempo real, el tiempo de parada y la distancia variarán.
• El gráfico de frenado dinámico (regenerativo) no muestra tiempo de retardo en el frenado. Independientemente de la carga en la escalera mecánica y la dirección de marcha, el gráfico muestra que la escalera mecánica desaceleró a 1.7 pies/s² de 100 pies/min a 0 pies/min en 1.0 s en una distancia de parada total de 9.8 in. En este caso, el controlador de freno PM aplicará poca fuerza de frenado durante la parada, ya que el inversor está reduciendo la velocidad de la escalera mecánica más rápido que el punto de ajuste del controlador de freno. En la dirección ascendente, el inversor “empujará” la carga de la escalera mecánica para mantener los 1.7 pies/s² tasa de desaceleración. 

Conclusión

Desde que se instaló la primera escalera mecánica, los fabricantes de escaleras mecánicas y los comités de códigos de seguridad han trabajado de forma proactiva y reactiva para hacer que las escaleras mecánicas y las pasarelas móviles sean lo más seguras posible añadiendo y mejorando dispositivos de seguridad.

El dispositivo de seguridad más importante de una escalera mecánica es el freno. Todos los demás dispositivos de seguridad dependen del freno para detener la escalera mecánica cuando se activa un dispositivo de seguridad. El freno no solo debe detener la escalera mecánica o el andén móvil, sino que también debe detener la escalera mecánica de la forma más segura posible.

Como ya se ha comentado, los frenos de las escaleras mecánicas empezaron siendo frenos de par fijo. Luego se fueron mejorando con la incorporación de volantes de inercia, frenos de par fijo variable, retroalimentación de velocidad, retroalimentación de desaceleración y, ahora, frenado dinámico controlado por motor. 

El sistema de frenado que terminé de probar recientemente es un sistema híbrido que combina el frenado dinámico controlado por motor con el frenado por retroalimentación de desaceleración para cuando no se puede utilizar el frenado dinámico controlado por motor.

Referencias de código

ASME A17.1-2019/CSA B44:19 Regla 6.1.5.3 Frenos

• 6.1.5.3.1 Freno de la máquina de accionamiento de la escalera mecánica 
• 6.1.5.3.2 Frenado del eje de transmisión principal
• 6.1.5.3.3 Los frenos de las máquinas de accionamiento de escaleras mecánicas y los sistemas de frenado dinámico controlados por motor deberán estar certificados según los requisitos de 8.3.1 y 8.3.6.
• 6.1.5.3.4 Frenado dinámico controlado por motor de máquina de accionamiento de escalera mecánica
• 6.1.5.3.5 Freno auxiliar 
• ASME A17.1-2019/CSA B44:19 Regla 6.1.6.7 Monitor de distancia de frenado de escaleras mecánicas
• ASME A17.1-2019/CSA B44:19 Regla 6.1.6.3 Dispositivos de protección eléctrica 6.1.6.3.1 a 6.1.6.3.16 incluyen la siguiente redacción si se permite el frenado dinámico para el dispositivo, “deberá provocar el inicio del frenado dinámico (6.1.5.3.4) o se eliminará la energía eléctrica del motor y el freno de la máquina impulsora de la escalera mecánica”. Si no se permite el frenado dinámico, se omitirá la siguiente redacción: “deberá provocar el inicio del frenado dinámico”. Los dispositivos se enumeran en la sección Requisitos de este documento. 
• ASME A17.1-2019/CSA B44:19 Regla 6.1.6.10 Circuitos de control y operación. El diseño y la instalación de los circuitos de control y operación deberán cumplir con los puntos 6.1.6.10.1 a 6.1.6.10.4.
• ASME A17.1-2019/CSA B44:19 Regla 8.3.1 Requisitos generales para pruebas y certificación
• ASME A17.1-2019/CSA B44:19 Regla 8.3.6 Pruebas de tipo de frenos y sistemas de frenado de escaleras mecánicas