Requisitos de capacidade de frenagem de elevadores

Descrição dos problemas existentes nas normas A17.1 e EN 81-20

por Guangchi Liang

A segurança dos elevadores modernos depende fortemente da capacidade de frenagem do sistema. A falha nos freios pode levar ao excesso de velocidade da cabine ou ao movimento involuntário da cabine com a porta aberta, aumentando o risco de morte ou ferimentos graves a um nível inaceitável. Dos mais de 6 milhões de elevadores em operação na China, o número de acidentes causados ​​por falha nos freios ocupa o segundo lugar, atrás apenas dos causados ​​por falha nas portas, enquanto a gravidade ocupa o primeiro lugar (Figura 1).

Nos últimos anos, embora os novos elevadores tenham incorporado proteção contra sobrevelocidade ascendente (ACOP) e proteção contra sobrecarga descendente (UCMP) com base na proteção contra sobrevelocidade descendente já existente, a função de proteção aprimorada ainda depende de uma capacidade de frenagem adequada e confiável, proveniente de freios redundantes ou relativamente independentes. Uma capacidade de frenagem adequada e confiável continua sendo uma das garantias mais importantes para a segurança do elevador. No entanto, quanto maior a capacidade de frenagem, melhor: torque de frenagem excessivo leva a uma desaceleração muito rápida da cabine, o que pode causar ferimentos aos passageiros.

Este artigo discute os requisitos de capacidade de frenagem e os problemas existentes em duas importantes normas de segurança para elevadores — ASME A17.1 e EN 81-20. A influência de outros dispositivos de frenagem de elevadores, incluindo equipamentos de segurança, também é abordada.

Requisitos das normas atuais para capacidade de frenagem

Na norma A17.1-2013, para elevadores de passageiros, os requisitos de capacidade de frenagem são resumidos da seguinte forma:

a. Requisito mínimo de capacidade de frenagem: O sistema de frenagem pode desacelerar o carro a partir de sua velocidade nominal quando este estiver transportando 125% de sua carga nominal na direção descendente, ou o carro vazio na direção ascendente, a partir da velocidade na qual o interruptor de sobrevelocidade do regulador estiver acionado. As velocidades de acionamento do amortecedor permitidas são consideradas, e a perda de energia da linha principal não deve reduzir a capacidade do sistema de frenagem abaixo dos requisitos aqui estabelecidos (2.24.8.2.2).

1. O freio da máquina motriz pode manter o carro parado com sua carga nominal de 125% e desacelerar o carro vazio viajando na direção ascendente a partir da velocidade na qual o interruptor de sobrevelocidade do governador está definido, garantindo que a velocidade de impacto do amortecedor esteja abaixo de seu valor permitido (2.24.8.3).

2. O freio de emergência pode desacelerar, parar e manter o veículo com qualquer carga de até 125% da carga nominal (2.19.1.2(b), 2.19.2.2(b)). Os freios de emergência também devem atender aos demais requisitos de frenagem do ACOP e do UCMP.

b. Requisito de capacidade máxima de frenagem: a desaceleração média do veículo produzida pelo Sistema de Frenagem (incluindo o freio mecânico ou em combinação com a frenagem assistida eletricamente, mas não o freio de emergência) não deve ser superior a 9.8 m/s² (32.2 pés/s²) (2.24.8.2.2). O freio de emergência, por si só, não deve fazer com que a desaceleração média do veículo exceda 9.8 m/s² (32.2 pés/s²) durante a fase de parada ou desaceleração em subidas com excesso de velocidade (2.19.3.2(h)).

Na norma EN 81-20:2014, para elevadores de passageiros, os requisitos de capacidade de frenagem são resumidos da seguinte forma:

O freio da máquina motriz, por si só, deve ser capaz de parar a máquina quando o veículo estiver se deslocando em declive na velocidade nominal e com 125% da carga nominal.

Todos os componentes mecânicos do freio redundante da máquina (RMB), que participam da aplicação da ação de frenagem na superfície de frenagem, devem ser instalados em pelo menos dois conjuntos. Se um dos conjuntos de freio não estiver funcionando devido à falha de um componente, deve haver torque de frenagem suficiente para desacelerar, parar e manter o veículo em movimento descendente à velocidade nominal e com carga nominal no veículo, ou ascendente com o veículo vazio (5.9.2.2.2.1).

2. Quando o RMB é um freio para ACOP e UCMP, os requisitos de capacidade de frenagem do ACOP e do UCMP são para todo o freio redundante da Máquina, em vez de considerar a falha de componentes de freio individuais (5.6.6, 5.6.7).

Quando o freio da máquina motriz, por si só, parar o elevador na descida à velocidade nominal e com 125% da carga nominal, a desaceleração média da cabina não deverá exceder a resultante da operação do dispositivo de segurança ou da parada no amortecedor.

Para ACOP e UCMP, durante a fase de parada, o elemento de frenagem do meio não deve permitir uma desaceleração do veículo superior a:

a. 1gn na direção ascendente com um carro vazio

b. Os valores aceitos para dispositivos de proteção contra queda livre na direção descendente.

Na China, a maioria dos 700,000 elevadores fabricados anualmente é composta por motores síncronos de ímã permanente. Esses elevadores utilizam, basicamente, motores de frenagem rotativa (RMBs) como componentes de freio dos sistemas ACOP e UCMP.

Problemas relacionados aos requisitos atuais de capacidade de frenagem

A exigência de que o freio da máquina motriz seja capaz de parar a cabina em descida à velocidade nominal e com 125% da carga nominal, conforme a norma EN 81-20, é insuficiente após a aplicação do RMB. Como demonstrado na Tabela 1, quando o coeficiente de balanceamento é 0.5, se um dos dois conjuntos de freio falhar, o freio só poderá suportar 87.5% da carga nominal. Por outro lado, se um dos componentes de frenagem falhar, os requisitos de capacidade de frenagem para desaceleração, parada e retenção da cabina em descida com 100% da carga nominal, conforme a norma EN 81-20, Seção 5.9.2.2.2.1, são claramente insuficientes, visto que o elevador ainda pode operar com até 110% da sobrecarga, de acordo com os requisitos da Seção 5.12.1.2.2.

Quando o RMB serve como freio para o ACOP e o UCMP, é possível que o ACOP e o UCMP atuais falhem devido à capacidade de frenagem insuficiente caso um dos componentes do freio apresente defeito. Nas seções 5.6.6 e 5.6.7 da norma EN 81-20, os requisitos de capacidade de frenagem do ACOP e do UCMP referem-se ao RMB como um todo e não consideram a falha de componentes individuais do freio.

Como pode ser visto acima, em A17.1 e EN 81-20, a capacidade de frenagem do freio da máquina e do freio de emergência é exigida apenas em relação à carga nominal (kÉ um problema que o

margem de segurança (Sa) dos freios é diferente sob a mesma relação de carga nominal (k) com parâmetros diferentes, como o coeficiente de equilíbrio (q).

A margem de segurança do torque de frenagem (Sa) é como um fator de segurança usado para garantir que o próprio freio ainda seja seguro sob certas incertezas (frio e quente, dinâmica e estática, antes e depois do desgaste, etc.). Um valor adequado e estável Sa É fundamental para garantir a segurança e a confiabilidade da capacidade de frenagem. k não garante estabilidade Sa.

A relação entre Sa e k, dependendo de múltiplos parâmetros (estado estático), assumindo compensação perfeita e independentemente da massa do cabo em movimento, é:

S_a = (p + kQ - mcwt) / (p + Q - mcwt) = (k - q)/(1 - q) (2)

onde S_a é a margem de segurança do torque de frenagem; k é a relação de carga nominal; Q é a carga nominal; P é a massa de um carro vazio; e q é o coeficiente de equilíbrio, que indica a quantidade de contrapeso da carga nominal; e mcwt é a massa do contrapeso (P + qQ).

Em A17.1, quando o freio de emergência atua na superfície de trabalho do freio da máquina e os dois freios são acionados simultaneamente, se q = 0.5, k = 1.25 e S_a = 1.5 para cada freio,

para dois freios (S_a = 3), os dois freios podem suportar 200% da carga nominal (k = 2). Na mesma situação, se q = 0.4, k = 1.25 e S_a = 1.42 para cada freio, para dois freios (Sa = 2.84), os dois freios podem suportar 210% da carga nominal (k = 2.1) (Tabela 1 e Figura 2(a)).

Na norma EN 81-20, se um dos componentes do freio falhar, e q = 0.5, k = 1 e S_a = 1, todo o RMB pode suportar 150% da carga nominal (equivalente a S_a = 2 e k = 1.5). Se um componente falhar, e q = 0.4, k = 1 e S_a = 1, todo o freio pode suportar 160% da carga nominal (equivalente a Sa = 2 e k = 1.6). Mas, se um dos componentes do freio falhar, não há capacidade de frenagem suficiente para desacelerar, parar e manter o carro em declive com a sobrecarga de 110% permitida para operar de acordo com a norma EN 81-20. Isso claramente não é redundante e, portanto, inaceitável (Tabela 1 e Figura 2(b)).

Na opinião do autor, além de k, S_a deve ser exigido conforme a Figura 3. Isso é especialmente verdadeiro se q O valor não é necessário na(s) norma(s). Se houver um Sa exigência, k pode ser reduzido adequadamente.

Na China, existe outra norma para máquinas de tração de elevadores (GB/T 24476-2009) que exige um torque de frenagem negociado com os usuários das máquinas de tração, de acordo com a norma GB 7588-2003 (EN 81-1:1998), ou seja, 2.5 vezes o torque nominal convertido para a roda (disco) de frenagem. Isso equivale a S_a é 2.5 para todo o RMB, e depois que um dos componentes de frenagem falhar (e existem dois componentes de frenagem), S_a = 1.25.

Portanto, as sugestões para a elaboração das normas técnicas de segurança de elevadores na China são as seguintes:

1. Conforme mostram a Figura 3(a) e a Tabela 1, se um dos dois componentes de frenagem falhar, a capacidade de frenagem pode desacelerar, parar e manter um veículo com 110% da carga nominal à velocidade nominal, equivalente a Sa = 1.17 (q = 0.4) a 1.2(q = 0.5). O RMB inteiro pode conter 170% (q = 0.5) a 180% (q = 0.4) carga nominal.
2. Como mostram a Figura 3 (b) e a Tabela 1, se um dos dois componentes de frenagem falhar, a margem de segurança do torque de frenagem Sa não é inferior a 1.25, equivalente a k = 1,125 (q = 0.5) a 1.15 (q = 0.4). O RMB inteiro pode conter 175% (q = 0.5) a 190% (q = 0.4) carga nominal.

Estas recomendações substituem a exigência de que o freio do veículo seja capaz de suportar 125% da carga nominal do veículo e que o freio de emergência seja capaz de desacelerar e segurar o veículo.

com qualquer carga até 125% da carga nominal (A17.1) ou a capacidade de frenagem para desacelerar, parar e manter o veículo em declive com 100% da carga nominal quando um dos componentes do freio falhar (EN 81-20). Ou seja, após a falha de um dos componentes do freio, a recomendação de capacidade de frenagem é k ≥ 110%, e Sa ≥ 1.25.

A influência de múltiplos freios na desaceleração do elevador

A análise de perigo da desaceleração excessiva de múltiplos freios é apresentada na Tabela 2. A análise do nível de risco é apresentada na Tabela 3.

Resultado da Análise

• Para cima: Qualquer desaceleração do carro superior a 9.8 m/s² (32.2 pés/s²) não é aceitável.
• Descida: Qualquer desaceleração do veículo que exceda a desaceleração máxima acionada pelo mecanismo de segurança não é aceitável.
• Nas normas A17.1 e EN 81-20, existem requisitos de desaceleração apenas para cada freio atuando individualmente. Não há requisito de desaceleração quando vários freios (freio da máquina motriz, freio de emergência, freio elétrico e dispositivos de segurança) estão operando simultaneamente.

Freios múltiplos com ação descendente simultânea

Na atuação simultânea do freio mecânico, freio elétrico, freio de emergência e dispositivos de segurança para baixo (como na Figura 4), há duas situações a serem consideradas:

1) Para transmissão flexível, uma vez que o cabo de aço esteja relaxado, a força entre as duas extremidades do cabo não se sobrepõe.
2) Na transmissão por fricção, a força de transmissão é limitada pelo deslizamento por fricção.

Para a máquina:

M1 + M2 + M3 - M4 = J (3)

Para o carro:

F1 + T3 - gm1 = a1m1 (4)

Nas equações 3 e 4, M1 é o torque de frenagem da máquina; M2 é o torque do freio de emergência; M3 O torque de frenagem é gerado pela frenagem elétrica com vedação em estrela ou por outro tipo de freio elétrico; M4 = R(T₁ - T₂); é a aceleração angular da roda de tração;   J é o momento de inércia rotacional da máquina; F₁ é a força de frenagem dos dispositivos de segurança; R é o raio do círculo nodal da roda de tração; a₁ é a aceleração do carro; e m₁ é a massa do carro.

Se a desaceleração produzida pelo freio da máquina for maior do que a produzida pelos equipamentos de segurança, o cabo entre a máquina e o vagão ficará tensionado e a desaceleração se sobreporá. Felizmente, a possibilidade de tal situação não é muito grande, pois os freios geralmente produzem menos desaceleração do que os equipamentos de segurança. Além disso, mesmo que isso aconteça, este exemplo se refere a um torque de frenagem da máquina maior, que será limitado pelo atrito entre a roda de tração e o cabo. No entanto, devemos considerar o perigo da sobreposição de desacelerações. Especialmente nos últimos anos, a busca por condições de tração adequadas não exige deslizamento em situações de frenagem, o que aumenta a probabilidade de sobreposição de desacelerações.

Em circunstâncias especiais, ainda é possível que, quando os freios mecânicos, os freios elétricos, os freios de emergência e os dispositivos de segurança são acionados simultaneamente, o torque (força) de frenagem se sobreponha, assim como a desaceleração do veículo. Portanto, a desaceleração do veículo causada pela possível ação simultânea de vários freios deve atender aos seguintes requisitos:

• Para movimento ascendente, a desaceleração do carro não é superior a 9.8 m/s² (32.2 pés/s²).
• Para movimentos descendentes, a desaceleração do veículo não deve ser superior ao valor máximo de atuação do mecanismo de segurança. (É necessário considerar o mecanismo de segurança de Classe A.)

Ação ascendente simultânea de múltiplos freios

A Figura 5 ilustra a ação simultânea do freio da máquina, do freio elétrico, da trava de cabo (freio de emergência) e dos dispositivos de segurança do contrapeso durante a subida. A ação simultânea de múltiplos freios é semelhante na descida.

Conclusão

Para elevadores de passageiros, o autor recomenda o seguinte em relação à capacidade de frenagem:

• Relação de carga nominal: k ≥ 1.1: se um dos dois componentes de frenagem falhar, a capacidade de frenagem pode desacelerar, parar e manter 110% da carga nominal do veículo na velocidade nominal.
• Margem de segurança do torque de frenagem: Sa ≥ 1.25. Se um dos dois componentes de frenagem falhar, a margem de segurança do torque de frenagem Sa não é inferior a 1.25.

Devido à influência de múltiplos freios na desaceleração do elevador, em circunstâncias especiais, o torque de frenagem de múltiplos freios pode se sobrepor simultaneamente. Isso aumenta a desaceleração da cabine, podendo causar danos aos passageiros. Especialmente em elevadores com sistema de freios mecânicos (RMB) com trava de cabo, nem todas as forças de frenagem se sobrepõem. O mesmo ocorre quando o cabo de aço está frouxo. Além disso, o atrito de tração e o deslizamento também limitam a influência da força de frenagem da máquina sobre a cabine. Nesses casos, é necessário limitar a desaceleração da cabine. Para subidas, recomenda-se que a desaceleração da cabine não ultrapasse 9.8 m/s² (32.2 pés/s²). Para descidas, recomenda-se que a desaceleração da cabine não ultrapasse o valor máximo de atuação do mecanismo de segurança.

A capacidade de frenagem não deve ser necessariamente "quanto maior, melhor", nem "exatamente o ideal". Uma capacidade de frenagem insuficiente pode causar morte ou ferimentos graves. É necessária uma certa margem de segurança. Em alguns casos específicos, deve-se ter cuidado, pois múltiplas forças de frenagem podem se sobrepor. A questão da capacidade de frenagem precisa ser tratada com cautela.