Freios de elevador 1895-1927

Neste artigo de História, o autor apresenta brevemente os primeiros sistemas de freio.

A primeira edição do renomado livro de Frederick A. Annett sobre elevadores elétricos foi publicada em 1927. Annett dedicou dois capítulos aos freios: um sobre freios de corrente contínua e outro sobre freios de corrente alternada. O primeiro incluía uma introdução geral à tecnologia de freios:

“Em um elevador, o freio é uma das partes mais importantes do equipamento, pois seu funcionamento correto não só garante a segurança, como também a operação satisfatória da máquina. Se o freio falhar, o operador pode perder o controle da cabine, com consequências graves. Se o freio for acionado com muita força, a cabine parará com um solavanco desagradável para os passageiros e o equipamento será submetido a um esforço desnecessário. Quando o freio não é acionado com força suficiente, a cabine fica difícil de controlar e de fazer os andares.”

Annett também observou que: “Os freios de elevador foram fabricados em praticamente tantas formas quanto existem tipos e marcas de máquinas, de modo que tudo o que se pode fazer em qualquer artigo é indicar alguns dos diferentes tipos e como eles funcionam e são ajustados.”

Esses comentários introdutórios foram seguidos por uma discussão ilustrada de oito sistemas de freio de corrente contínua. Embora Annett tenha se referido explicitamente a alguns sistemas como representativos de tipos de freio "mais antigos", o leitor ficou com a impressão de que o autor estava, principalmente, discutindo tecnologias contemporâneas. No entanto, uma análise do conteúdo revela que, quando o livro foi publicado, muitos desses sistemas de freio tinham mais de 30 anos.

Em meados da década de 1890, a Elecktron Manufacturing Company desenvolveu um sistema de freio eletromecânico (Figura 1). As sapatas de freio eram compostas por dois braços ou faixas curvas que envolviam quase completamente a roda de freio. O projeto original empregava faixas de ferro fundido que suportavam sapatas de freio de madeira (por volta de 1910, estas foram substituídas por sapatas de couro).

As correias eram articuladas em um lado da roda e conectadas à alavanca de freio no outro. O acionamento da alavanca era controlado por um eletroímã e um amortecedor pneumático. Quando o eletroímã era energizado, ele empurrava um êmbolo para cima, que levantava a alavanca de freio e liberava os freios. Quando a energia era removida, o peso da alavanca fazia com que os freios se fechassem. O amortecedor controlava a velocidade dessas ações e era ajustado de forma que o freio não fosse acionado muito rapidamente, permitindo assim uma parada suave.

Durante esse mesmo período, a Otis desenvolveu um projeto eletromecânico que também apresentava sapatas de freio do tipo cinta (Figura 2). No entanto, com esse freio, seu uso normativo era inteiramente mecânico, com a ação do freio controlada por uma roda guia. O eletroímã era usado como dispositivo de segurança e era ativado somente nos casos em que o elevador ultrapassava seus limites superior ou inferior. Nesse caso, o eletroímã era desenergizado, liberando um peso que acionava o freio.

Os freios Elektron e Otis, com suas sapatas tipo cinta, eram essencialmente variações do sistema de freio mais comumente usado de 1860 a 1900, que empregava uma cinta contínua revestida de couro que circundava a roda de freio. No entanto, no final da primeira década do século XX, surgiu um novo projeto que estabeleceu as características básicas dos freios modernos.

Durante esse período, a Otis desenvolveu diversos sistemas de freio totalmente elétricos que empregavam sapatas de freio revestidas de couro, montadas em ambos os lados de uma roda de freio central. Cada sapata era conectada em seu centro a uma alavanca de freio, cujo acionamento era controlado por uma mola montada sobre o freio. A ação das molas era controlada por um eletroímã de núcleo duplo. Quando energizado, o eletroímã puxava as molas para dentro, liberando os freios.

Em um elevador, o freio é uma das partes mais importantes do equipamento, pois seu funcionamento correto depende não apenas da segurança, mas também da operação satisfatória da máquina.

Annett observou que esse projeto exigia apenas “um pequeno movimento das diversas partes durante a operação”. Além disso, como as sapatas de freio eram "articuladas no meio e afastadas da roda no diâmetro horizontal pelas alavancas, elas eram levantadas a uma distância igual da roda em todos os pontos". Isso representou uma melhoria em relação aos freios de cinta, nos quais as sapatas, quando liberadas, frequentemente ficavam a distâncias ligeiramente variáveis ​​da roda, o que ocasionalmente causava desgaste irregular nas sapatas.

Em 1911, o engenheiro da Otis, Frederick Hymans, forneceu uma descrição detalhada do funcionamento do novo sistema de freios da Otis quando usado em elevadores de tração de alta velocidade:

“Uma parte importante das máquinas de elevador deste tipo é o freio, pois o atrito mecânico muito pequeno da máquina torna necessário depender inteiramente do freio para manter a cabine no andar. O freio é essencialmente um freio de retenção, ou seja, as sapatas não são acionadas até que a máquina esteja praticamente parada pela frenagem dinâmica, o que representa um desenvolvimento interessante. Seria indesejável parar máquinas de elevador de alta velocidade deste tipo por frenagem mecânica, devido à grande variação nas distâncias de parada que resultaria se uma pressão de freio fixa fosse aplicada para parar elevadores com cargas em constante mudança. Além disso, o desgaste de tal freio exigiria ajustes contínuos. O freio é mantido acionado por molas e liberado por um eletroímã de freio, que possui um enrolamento de derivação de tais proporções que sua autoindução causa um atraso considerável entre o fechamento do circuito e a liberação das sapatas de freio. Assim, embora os circuitos da armadura e do freio estejam fechados praticamente ao mesmo tempo, transcorre tempo suficiente para que o torque total do motor seja atingido antes que o freio seja liberado. Quando a corrente é desligada, há novamente Há um atraso suficiente para permitir que o motor praticamente pare por meio da ação do freio dinâmico antes que o freio seja acionado. Juntamente com a vantagem de parar quase que inteiramente por frenagem dinâmica, está o fato de que o desgaste das sapatas de freio é mínimo e, uma vez acionado, o freio raramente requer ajustes adicionais.”

O uso da frenagem dinâmica, na verdade, já havia sido introduzido na década de 1890 e era uma característica dos sistemas Elektron e Otis anteriores.

Annett ilustrou dois exemplos de freios elétricos da Otis (Figuras 3 e 4). O primeiro foi descrito como um “freio para uso em um dos primeiros tipos de elevadores de alta velocidade” e o segundo foi descrito como projetado para uso em uma “máquina de tração direta de alta velocidade”. Uma comparação deste último com os manuais técnicos contemporâneos da Otis revela que este foi um dos poucos sistemas verdadeiramente “modernos” discutidos por Annett (Figura 5).

Esse fato, juntamente com o uso crescente de elevadores de tração de alta velocidade, pode explicar sua decisão de dedicar o terço final do capítulo sobre freios de corrente contínua a esse sistema.

Annett também aproveitou esta apresentação para discutir aspectos fundamentais do funcionamento dos freios. Ele começou descrevendo o impacto das diferentes cargas transportadas pelos elevadores no funcionamento dos freios, que variavam dos "extremos de carga máxima na subida e carga máxima na descida". Ele resumiu essa discussão lembrando ao leitor que “a energia de uma massa em movimento é proporcional ao seu peso multiplicado pelo quadrado de sua velocidade; portanto, a força de frenagem necessária aumenta com o peso e com o quadrado da velocidade. O dobro da massa requer o dobro da força de frenagem; o dobro da velocidade requer quatro vezes mais força de frenagem.”

Annett descreveu então os “três fatores distintos que determinam a parada de um elevador”. Estes foram identificados como:

1. A força da gravidade, devido à carga desequilibrada, auxilia ou se opõe à parada.
2. O motor funciona como gerador quando há um corte de energia.
3. O atrito das sapatas de freio na polia de freio.

Cada tópico foi discutido detalhadamente e incluiu as fórmulas apropriadas necessárias para entender seu impacto na operação dos freios.

Ele também forneceu dois diagramas de circuito, um que ilustrava o sistema de frenagem dinâmica e outro que ilustrava o enrolamento do freio (Figuras 6 e 7). Este último mostrava as quatro resistências empregadas pelo enrolamento: “BR, resistência de frenagem; ABR, resistência de frenagem auxiliar; PBR, resistência de frenagem paralela; (e) PBR', resistência de frenagem paralela auxiliar”. O ABR reduziu a corrente do enrolamento do freio após a liberação das sapatas de freio. Isso reduziu o aquecimento no eletroímã do freio, ao mesmo tempo que permitiu a liberação rápida do freio na partida. As resistências PBR e PBR' utilizavam a “energia armazenada no eletroímã do freio para proporcionar uma aplicação lenta das sapatas de freio na polia”.

Esta breve apresentação dos primeiros sistemas de freio, conforme encontrada no livro de Annett de 1927, oferece um panorama dessa tecnologia durante o primeiro quarto do século XX. De muitas maneiras, ela também aborda essa importante história em um ponto intermediário, já que as origens precisas dos sistemas de freio de cinta e de sapata não foram discutidas. Mais pesquisas são necessárias para compreender completamente a história dos sistemas de freio, e esse material será examinado em artigos futuros.

Outro tópico que merece ser investigado é a manutenção dos freios, assunto que Annett aborda em detalhes, como ilustra o exemplo a seguir:

“Antes que um freio possa funcionar corretamente, a superfície de suas lonas deve estar em boas condições. Existem três materiais comuns usados ​​para revestir sapatas de freio – couro, amianto e madeira – e a preferência por esses materiais segue aproximadamente a ordem mencionada. A superfície das lonas deve ser mantida livre de óleo e sujeira. O óleo pode escorrer pelo eixo sem-fim da caixa de engrenagens e atingir a roda de freio. Quando isso ocorrer, as sapatas devem ser removidas e o óleo e a sujeira raspados com vidro ou lavados com gasolina. Pode-se aplicar terra de Fuller para absorver o óleo, após o que ela pode ser raspada para deixar a superfície da lona limpa. As lonas de freio de couro às vezes ressecam e endurecem, caso em que devem ser tratadas com um bom condicionador de couro ou óleo de mocotó.”

Este tema também será abordado em artigos futuros, que provavelmente incluirão uma análise das atitudes em relação à segurança no trabalho, especialmente considerando orientações como a sugestão de usar gasolina – em um ambiente de trabalho fechado – como agente de limpeza.

Referências

Frederick A. Annett, “Elevadores Elétricos”, Nova York: McGraw-Hill Book Company (1927).

Frederick Hymans, “Elevadores elétricos de tração direta no Edifício Oliver, Pittsburgh”, Electric Journal, (junho de 1911).

Henry W. Ravenshaw, “Elevadores Elétricos VI: Elevadores Elétricos Elektron” The Electrical World (8 de maio de 1897).

Henry W. Ravenshaw, “Elevadores Elétricos VII: Elevadores Elétricos Otis”, The Electrical World (22 de maio de 1897).

Elevadores, International Textbook Company, Nova Iorque (1902).

William Baxter, Jr., “Elevadores Elétricos”, Power (11 de janeiro de 1910).

William Baxter, Jr., “O elevador elétrico: Sistema Elektron com controle mecânico”, Power (5 de julho de 1910).