Unitized vs Caliper vs Drum

Su autor explica las ocho similitudes y diferencias principales de estos tipos de frenos de ascensor.

Los pasajeros no suelen ver el sistema de frenado en un ascensor o montacargas, pero dependen absolutamente de que esté diseñado correctamente y funcione de manera confiable. Discutiremos las principales similitudes y diferencias de tres tipos de dispositivos de frenado electromagnético: frenos unitarios, frenos de pinza y frenos de tambor. El motor hará la mayor parte del frenado dinámico, pero estos frenos también son capaces de detener o activar una parada de emergencia.

Similitudes y diferencias

Semejanzas

1. Seguridad
2. Transmitir par mecánicamente
3. Actuación electromagnética
4. Los espacios de aire importan
5. Alta fiabilidad
6. Desbloqueo manual para servicio
7. Diseño redundante
8. Diseño de apagado

Diferencias:

1. Parada o simplemente aguantando y paradas de emergencia (paradas de emergencia)
2. Torque fijo vs variable
3. Rango de par
4. Espacio necesario
5. Ruido
6. Montaje
7. Mantenimiento
8. Consumo de energía

Detalles

Similitudes

Seguridad: Los frenos de apagado son dispositivos de seguridad en equipos en movimiento. Si se pierde energía inesperadamente, el freno se activa y detiene el movimiento. Antes de que los abogados se involucraran, estos se llamaban dispositivos a prueba de fallas porque estaban diseñados para fallar en la condición segura (frenado). Si alguna vez se preguntó qué lo mantenía en su lugar mientras estaba sentado 50 pisos en el aire, es el freno de apagado.

Transmite el par mecánicamente: los frenos aplicados por resorte transmiten el par mecánicamente, aunque se accionan eléctrica o hidráulicamente. Los resortes dentro de cada freno aplican una fuerza normal a cierta distancia, que se relaciona con su par de frenado o retención. Par = Fuerza x Distancia.

En un freno unificado (freno de motor), los resortes fuerzan el disco de fricción para que se apriete entre la placa de presión y la placa de cubierta. El disco de fricción está conectado a un cubo conectado al eje, por lo que al evitar que el disco de fricción gire, también evita que el eje gire.

En un freno de pinza, la fuerza normal del resorte está en la zapata de freno. La zapata está montada rígidamente y rodea un gran disco de freno giratorio. Cuando los resortes presionan la pastilla de freno contra el disco, crea fricción y par de frenado / retención.

En un freno de tambor, el resorte realiza un trabajo similar, pero la pastilla de freno hace contacto con el diámetro interior (ID) o el diámetro exterior (OD) de un tambor que lleva los cables.

Accionamiento electromagnético: normalmente se activa un freno de apagado. Para desconectarlo, se aplica energía a la bobina de campo. Esto crea un flujo magnético que viaja a través del espacio de aire y procede a tirar de la placa de presión del freno hacia la bobina. Esto comprime los resortes y libera el freno. Cuando la placa de presión está en contacto con la bobina, el circuito magnético es fuerte y el freno permanece desacoplado. Algunos frenos también se pueden accionar hidráulicamente, pero la tendencia es utilizar el accionamiento eléctrico para facilitar el mantenimiento, aumentar la confiabilidad y reducir los costos.

Los espacios de aire son importantes: al flujo magnético no le gusta viajar a través de los espacios de aire. Sin embargo, los espacios de aire son necesarios en el funcionamiento de un dispositivo aplicado por resorte. Sin un espacio de aire, el freno nunca se desconectaría cuando se aplica potencia. Por otro lado, si el espacio de aire es demasiado grande, el freno tampoco se desenganchará porque el flujo magnético no podrá recorrer la distancia y tirar de la placa de presión hacia la bobina de campo. En otras palabras, se requiere un espacio de aire mínimo para que los componentes no se froten excesivamente, y hay un espacio de aire máximo porque el flujo magnético tiene límites en el espacio abierto que puede viajar.

Alta confiabilidad: cuando se seleccionan y operan correctamente, los frenos de elevadores y polipastos duran millones de ciclos. Esto es importante para la seguridad, así como para el tiempo de actividad y los costos operativos. Algunos frenos tienen indicadores de desgaste para señalar cuándo está expirando la vida útil del diseño o cuando es necesario realizar ajustes. Otros están diseñados para que se revisen manualmente los espacios de aire para determinar el ajuste o el final de su vida útil.

Liberación manual para servicio: dado que los frenos de desconexión necesitan energía para soltar el freno, presenta un desafío durante el servicio. Por lo tanto, existen funciones de liberación manual para liberar mecánicamente el freno. Estos podrían tener la forma de una palanca o quizás incluso soltar pernos. Funcionalmente, su propósito es presionar físicamente la placa de presión contra el cuerpo de la bobina y comprimir los resortes para que el material de fricción no haga contacto y entregue par de frenado.

Diseño redundante: hay varias redundancias por seguridad y confiabilidad. Cuando un componente falla o se debilita, otro puede funcionar para mantener el freno operativo. Los resortes son un ejemplo. Si bien no son puntos de falla comunes, hay varios resortes que contribuyen al par total. Se pueden utilizar bobinas redundantes. Si uno falla, el otro todavía funciona. Hay diseños de frenos unificados que tienen dos frenos completos integrados en un paquete. Para los frenos de tambor y de pinza, se pueden usar varias zapatas de freno para crear redundancia, de modo que si una falla, las otras aún entreguen el par necesario de manera segura.

Diseño de apagado: para todos los tipos de frenos mencionados, la energía solo se consume cuando el elevador está en movimiento. No se requiere potencia para que los frenos apliquen torque. Por eso los llamamos dispositivos de apagado.

Diferencias

Deteniéndose o simplemente aguantando, y paradas de emergencia: según el material de fricción y las tasas de disipación de calor de un freno, se clasifican como frenos para detenerse o frenos solo para detenerse y paradas de emergencia. Un material con un alto coeficiente de fricción puede producir un par estático más alto, pero se verá comprometido en la tasa de desgaste. Por lo tanto, estos se utilizan normalmente para aplicaciones de retención o parada de emergencia. Para los frenos que se utilizan con más frecuencia para el frenado dinámico, se utilizan otros materiales de fricción que tienen mejores índices de desgaste. También pueden ser algo más grandes para ayudar a disipar el calor, porque la parada dinámica crea calor a través de la fricción mecánica.

Par fijo frente a variable: los frenos unitarios de apagado tienen principalmente un par fijo por tamaño; sin embargo, algunos frenos tienen pernos de ajuste para cambiar la fuerza del resorte y el par del freno. Estos frenos unificados normalmente se montan en la parte trasera de un motor, por lo que no hay forma de agregar más de un freno al sistema. Por tanto, el par del sistema es fijo. Por otro lado, los frenos de tambor y de pinza entregan un par fijo por dispositivo, pero es posible agregar varios dispositivos a un sistema. Por ejemplo, se pueden montar varios frenos de pinza en un disco y se pueden montar varios frenos de tambor dentro o fuera de un tambor. En este caso, el par total se puede aumentar en función de agregar más frenos.

Rango de torsión: los frenos unificados que se montan en motores están disponibles en tamaños muy pequeños y hasta miles de libras-pie de torsión. Los frenos de pinza son un tipo que aplica fuerza de sujeción a un disco giratorio. Esa fuerza de sujeción puede ser de más de 1,000 libras-pie y el torque depende del radio del disco y la cantidad de frenos de pinza instalados. La mayoría de los discos tienen un diámetro de al menos 15 pulgadas, pero pueden ser mucho más grandes. Los frenos de tambor generalmente producen alrededor de 500 lb-pie de torsión cuando se usan en un tambor de poco menos de 20 pulg. diámetro. Nuevamente, se pueden usar múltiples frenos en un tambor para multiplicar el par.

Espacio necesario: los frenos unificados generalmente se montan en la parte trasera de un motor, por lo que el motor necesitaría un eje presente. El diámetro exterior del freno es normalmente menor que el diámetro exterior del motor, por lo que la longitud disponible suele ser la única preocupación. Los frenos de pinza están montados alrededor de un disco, por lo que el espacio no está muy restringido y es muy posible montar de tres a cuatro frenos en ese disco, si es necesario. Los frenos de tambor se montan naturalmente dentro o fuera de un tambor. El montaje en el interior es más difícil de acceder, pero permite menos espacio.

Ruido: en el caso de los frenos unitarios, el ruido generalmente proviene del desacoplamiento del freno, ya que la placa de presión se atrae hacia el cuerpo de la bobina. Esto ocurre cuando se aplica energía. A menudo, este no es un sonido deseado, por lo que se pueden proporcionar funciones internas de amortiguación de ruido para reducir el ruido a 60 dBA o menos. Se utilizan en ascensores sin cuarto de máquinas o en mini-salas de máquinas. El ruido es una preocupación menor con la pinza o los frenos de tambor.

Montaje: Los frenos unificados se montan en el eje del motor. En general, solo es necesario atornillarlos al motor. Los frenos de pinza deben atornillarse rígidamente alrededor del disco giratorio. Se debe tener especial cuidado con la alineación y los espacios de aire adecuados. Los frenos de tambor también necesitan el mismo cuidado de los espacios de aire y la alineación para garantizar no solo el par adecuado, sino también una vida útil prolongada.

Mantenimiento: los espacios de aire son una característica esencial de cualquier freno. Los frenos unitarios generalmente tienen el espacio de aire fijo en la fábrica, por lo que no hay mucho que hacer excepto monitorear el desgaste de los espacios de aire con el tiempo. Ahora hay dispositivos disponibles que monitorean de forma remota los espacios de aire. Algunos frenos unitarios de bajo perfil están disponibles con diseños divididos para facilitar el servicio y el reemplazo. 

Los frenos de tambor y de pinza, por otro lado, requieren una inspección y un servicio más frecuentes. Las pastillas de freno tienden a desgastarse debido a la parada dinámica, y ese desgaste reduce la vida útil del freno. En algún momento, será necesario restablecer los espacios de aire. Los frenos de tambor externos son más fáciles de inspeccionar y mantener, en comparación con los frenos de tambor internos.

Uso de energía: si bien todos los tipos de frenos mencionados funcionan de manera similar, requerirán diferentes cantidades de energía para desengancharse. 

Los espacios de aire en los frenos unificados se pueden controlar en la fábrica, por lo que se puede optimizar la potencia requerida. Al flujo magnético no le gusta viajar a través de espacios de aire, por lo que los espacios más estrechos resultan en menores requisitos de energía.

Los frenos de tambor y los frenos de pinza tienen espacios de aire que se colocan en el campo. Es posible que el consumo de energía sea mayor debido al número de dispositivos y la variación en los espacios de aire y la actuación eléctrica del freno. 

En revisión

Los frenos electromagnéticos de cualquier estilo tienen una reputación de larga data como dispositivos de seguridad confiables en ascensores y escaleras mecánicas. Las regulaciones continúan guiando la aplicación y ubicación de los frenos. Algunos requieren que el freno esté ubicado en el eje más cercano al elevador. 

Los frenos unitarios típicos están montados en el motor y necesitan que el par de retención se transmita a través del tren de transmisión y al cable del tambor o al eje de transmisión del elevador. Debido a que una falla catastrófica de la caja de cambios podría anular la efectividad de un freno de motor, se pueden hacer otras consideraciones. Como se mencionó anteriormente, las redundancias pueden proporcionar una capa adicional de seguridad. Los frenos de motor unificados se pueden usar como freno primario y un sistema de frenado de emergencia secundario, como un freno de tambor o de pinza, se puede usar en caso de falla del freno del motor.