Justificativa para o desenvolvimento de um testador de freios

Como a resolução de um acidente e a prevenção de futuros acidentes semelhantes resultaram em um monitor de freio genérico.

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

Este artigo foi apresentado pela primeira vez em 2019. Simpósio Internacional de Elevadores e Escadas Rolantes em Las Vegas.

Em maio de 2018, ocorreu um acidente fatal em Hong Kong devido à falha dos freios de um elevador. A vítima aguardava o elevador no sétimo andar, que subia do térreo. Por diversos motivos, os dois freios não conseguiram parar completamente a cabine. Quando as portas do sétimo andar foram abertas e a vítima entrou na cabine, o elevador continuou subindo. A vítima ficou presa entre a verga do patamar e a soleira da porta da cabine.

A vítima conseguiu escapar dos escombros, mas caiu no fosso e morreu. Em decorrência desse acidente, o sistema de freios de todos os modelos similares da mesma marca foi minuciosamente inspecionado, conforme exigido pela autoridade competente.

Para abordar as causas do acidente e desenvolver meios para prevenir acidentes semelhantes, a Universidade de Hong Kong começou a projetar um monitor de freio genérico para garantir o funcionamento adequado de um freio de elevador padrão e rastrear sua tendência de deterioração. A ocorrência do acidente, as causas da falha do freio e as cláusulas relevantes sobre os requisitos de freio no código de segurança de Hong Kong foram apresentadas pela primeira vez na IEES 2019.

Serão discutidas diversas funcionalidades do dispositivo para monitorar de perto os solenoides de freio, molas, braços de freio, pastilhas de freio e o desempenho dos freios. O projeto é genérico o suficiente para ser aplicável à maioria das instalações padrão em Hong Kong. Essas funcionalidades foram especialmente projetadas para lidar com as diversas causas de acidentes, que também são problemas comuns que levaram a movimentos involuntários de veículos (MIV) nos últimos anos. A eletrônica e a tecnologia da informação a serem empregadas para enviar dados brutos e processados ​​úteis para a nuvem para investigação de acidentes, caso necessário, também serão descritas. Os algoritmos para processar os dados brutos também serão destacados.

O Acidente Fatal — Justificativa para o Desenvolvimento do Monitor de Frenagem

A descrição do acidente, a seguir, baseia-se no Relatório de Investigação Técnica sobre o Incidente com o Elevador no Tribunal de Paris, elaborado pelo Departamento de Serviços Elétricos e Mecânicos (EMSD) do Governo da Região Administrativa Especial de Hong Kong (RAEHK).[2] Ao meio-dia de 11 de maio de 2018, ocorreu um acidente fatal em um edifício residencial de vários andares em Hong Kong. Um elevador vazio subiu do térreo até o sétimo andar em resposta a um chamado de chamada. No sétimo andar, as portas do andar e da cabine se abriram e a vítima, uma mulher idosa, entrou na cabine, mas o elevador continuou subindo com as duas portas ainda abertas. A vítima ficou presa entre a verga do andar e a soleira da porta da cabine. Ela tentou escapar, mas caiu no fosso do elevador e morreu. Finalmente, o elevador parou por volta do 12º andar.

O elevador era elétrico, com capacidade nominal de 1000 kg e velocidade nominal de 1.75 m/s, sistema de acionamento por cabos na proporção 1:1 e engrenagem sem-fim. O freio era do tipo antigo, ou seja, com mola de compressão simples. A última inspeção anual do elevador havia sido realizada em 2 de março de 2018, e a última manutenção de rotina, em 9 de maio de 2018. Após o acidente, a EMSD conduziu uma investigação completa e testes no local, e algumas das conclusões são discutidas a seguir.

Com base nas imagens do circuito fechado de TV (CFTV), o elevador subiu involuntariamente quatro vezes na mesma manhã, antes do acidente. Como não houve feridos, o problema não foi percebido e a empresa administradora não tinha conhecimento de nenhuma irregularidade. Conforme mencionado anteriormente, após a vítima entrar no elevador, ele continuou subindo com as duas portas abertas e finalmente parou no 12º andar.

Durante a investigação, foi realizada uma simulação pós-acidente na qual o elevador foi instruído a adotar o mesmo padrão de deslocamento registrado pelas câmeras de segurança imediatamente antes do acidente. Uma câmera termográfica foi utilizada para medir a temperatura do solenóide do freio e das pastilhas de freio. Após meia hora, os êmbolos do freio começaram a operar de forma assíncrona e lenta, com um atraso de cerca de 1 segundo. Aos 70 minutos do início da simulação, os êmbolos do freio pararam de se mover, o que significa que nenhum dos braços do freio podia mais ser acionado. Como o freio não podia ser acionado, as duas pastilhas de freio estavam em contato com o tambor de freio em rotação. Então, a temperatura das duas pastilhas começou a subir até atingir um valor estável de cerca de 220 °C. Três horas e meia após o início da simulação, o elevador se moveu enquanto as portas do andar ainda estavam abertas; ou seja, uma situação de UCM (Movimento de Controle de Incidentes).

Após a simulação, o sistema de freio foi desmontado e constatou-se que a carcaça do êmbolo não era lubrificada há muito tempo, pois havia lubrificante ressecado na superfície interna. Em uma das pastilhas, a cabeça de um dos 10 parafusos estava seriamente desgastada em cerca de 3 mm, enquanto outro parafuso estava faltando. Os parafusos da outra pastilha estavam intactos e em perfeitas condições. Dois arranhões visíveis, correspondentes às posições dos dois parafusos anormais, foram encontrados no tambor de freio. Posteriormente, foi realizado um experimento para medir o coeficiente de atrito (COF) da pastilha afetada, em comparação com o de uma pastilha nova. Constatou-se que o COF diminuiu em cerca de 40%. Um teste de compressão das pastilhas de freio também foi realizado, revelando que a força vertical necessária para manter uma compressão constante, digamos, de 0.5 mm, em uma pastilha superaquecida, era muito menor do que a de uma pastilha de freio em condições normais, em torno de 1 para 5.

O relatório concluiu que o acidente foi causado pelo travamento do êmbolo do freio, que não estava devidamente lubrificado dentro da caixa do solenoide. Isso levou a uma abertura incompleta dos braços do freio enquanto o elevador estava em movimento, resultando em uma situação de superaquecimento das pastilhas de freio, já que estas não estavam totalmente separadas do tambor de freio. O contato parcial contínuo entre a pastilha e o tambor produziu vibração que afrouxou os parafusos de fixação das pastilhas. Como os parafusos se projetaram para fora da pastilha, arranhões foram produzidos no tambor, reduzindo ainda mais a área de contato entre a pastilha e o tambor. Consequentemente, a força de frenagem foi insuficiente para parar o elevador no sétimo andar para atender ao chamado da vítima. Como havia apenas um passageiro dentro da cabine durante o acidente, o lado do contrapeso estava muito mais pesado e, portanto, o elevador continuou subindo.

Em virtude desse acidente, as autoridades passaram a dar muito mais atenção à segurança dos freios e consideraram que medidas adicionais poderiam ser necessárias para monitorar o desempenho dos mesmos. O Departamento de Engenharia Elétrica e Eletrônica da Universidade de Hong Kong foi incumbido de estudar o desenvolvimento de um testador de freios capaz de monitorar o desempenho dos mesmos 24 horas por dia, 7 dias por semana. Antes de analisarmos o desenvolvimento, é pertinente revisar as normas vigentes relacionadas a freios em Hong Kong.

Código de segurança em vigor em Hong Kong

No século passado, Hong Kong adotou as normas britânicas (BS) sobre requisitos técnicos para segurança de elevadores, primeiro a BS 2655, depois a BS 5655 e, finalmente, a EN 81 na década de 1980. Em 1993, a EMSD publicou o primeiro código de segurança local. Código de Práticas para o Projeto e Construção de Elevadores e Escadas Rolantes, que foi revisada em 2000 e 2010. Em 2018, a EMSD começou a considerar a adoção integral da norma.ew Europee versões EN 81-20 e -50. De acordo com a norma vigente, um freio de elevador moderno deve funcionar da seguinte forma:

1. Capaz de parar a máquina quando o carro estiver se deslocando para baixo na velocidade nominal e com 125% de carga.
2. A desaceleração média do veículo não deve exceder 9.81 m/s² e deve ser de pelo menos 1.96 m/s².
3. Cada um dos dois conjuntos de freios pode funcionar de forma independente.
4. Qualquer conjunto de freios pode frear o elevador de forma independente na velocidade nominal e com 100% de carga na descida, ou na velocidade nominal e com 0% de carga na subida.
5. A frenagem deverá entrar em vigor sem demora adicional após a abertura do circuito de liberação do freio.
6. O acionamento de um dispositivo de proteção contra sobrecarga e/ou sobrecorrente do freio deve iniciar a desenergização simultânea da máquina.
7. A corrente não deve ser aplicada ao freio até que o motor esteja energizado.

Com exceção dos itens 6 e 7, o monitor deverá ser capaz de verificar os parâmetros relevantes para confirmar o funcionamento adequado do freio.

Parâmetros a serem medidos

Os seguintes parâmetros são monitorados continuamente pela estrutura de hardware (que será discutida na próxima seção). Primeiramente, a corrente CC do solenóide de freio deve ser medida, pois qualquer alteração nela pode indicar algum problema com o solenóide. Geralmente, essa medição é feita utilizando um transdutor de corrente de efeito Hall, já que transformadores de corrente comuns não são adequados para circuitos CC.

Em segundo lugar, o movimento de cada braço do freio deve ser medido para verificar se a operação do braço está sincronizada com a condição de ativação/desativação da corrente do solenoide. Além disso, o movimento de cada braço também indica se a mola que atua sobre ele está deteriorada. Dois acelerômetros são usados, um próximo à parte superior do braço e outro próximo à parte inferior, para verificar se há algum obstáculo externo entre o tambor e o braço.

Em terceiro lugar, a temperatura da pastilha de freio deve ser monitorada, pois o contato parcial contínuo entre a pastilha e o tambor durante o funcionamento do motor certamente aumenta a temperatura, como mencionado no relatório do acidente. Pode ser tecnicamente um pouco difícil medir diretamente a temperatura da pastilha, mas é muito mais fácil medir a parte metálica do braço do freio. Não há como medir a temperatura com precisão, embora um alarme de superaquecimento possa ser suficiente.

Em quarto lugar, uma pastilha de freio nova é bastante espessa. No entanto, se o tambor girar de tempos em tempos enquanto a pastilha estiver em contato parcial com ele, a espessura será gradualmente reduzida, assim como ocorre com os freios de um veículo. É importante medir a espessura da pastilha, mas a precisão pode não ser muito alta, pois estamos falando de uma redução de apenas alguns milímetros.

Em quinto lugar, a posição instantânea, a velocidade, a direção de deslocamento, a aceleração e a desaceleração da cabine do elevador devem ser monitoradas como uma boa referência para comparar o desempenho do sistema de elevador com outros parâmetros sob monitoramento.

Sexto, a aceleração e a desaceleração da cabina do elevador devem ser monitoradas continuamente. A comparação desse valor com os valores de outros parâmetros pode nos fornecer mais informações sobre o estado de todo o sistema. Observe que os cabos de tração são elásticos e o deslizamento entre os cabos e as ranhuras da polia motriz é inevitável. É útil medir o movimento da cabina do elevador diretamente.

Por fim, vários contatos limpos para indicar o status do sistema do elevador devem ser monitorados (conforme discutido na próxima seção).

Estrutura de hardware do monitor de freio

As Figuras 1 e 2 mostram a localização dos sensores do monitor de freio nas proximidades do freio. Como pode ser visto de

Na ilustração, vemos uma versão antiga do freio, como evidenciado pela presença de apenas um solenóide independente. Este projeto é o mesmo utilizado no acidente. É fácil adicionar mais um transformador de corrente de efeito Hall para lidar com o projeto de freio moderno com dois solenóides independentes. O tacômetro está fixado em uma das extremidades do eixo do motor de acionamento, permitindo estimar a velocidade e a posição da cabine do elevador em tempo real por meio de cálculos.

De acordo com os requisitos do projeto, o monitor não deve interferir no funcionamento normal do elevador, nem comprometer qualquer padrão de segurança conforme as normas vigentes. Cinco relés que recebem o sinal do controlador devem ser fornecidos pela empresa de manutenção. O relé 1 indica o status do solenóide de freio; o relé 2 indica o status do regulador de velocidade; o relé 3 indica se a cabine do elevador está na posição mais baixa; o relé 4 indica se a cabine está parada ou em movimento; e o relé 5 indica a direção do movimento da cabine.

Dois acelerômetros estão instalados no teto da cabina, um à direita e outro à esquerda. O computador embutido no teto da cabina continua a comunicar com o computador dentro da sala de máquinas (Figura 1) através de um sinal Wi-Fi. A utilização do Wi-Fi é bastante adequada, uma vez que a distância máxima entre o teto da cabina e a sala de máquinas é de apenas algumas centenas de metros e não existe qualquer obstrução no poço entre os dois.

Ao verificar o momento exato em que a corrente é injetada ou removida do solenoide, e o momento exato em que cada braço do freio começa a se mover, podemos determinar se o acionamento do freio está ocorrendo no tempo correto. A duração do curso do braço do freio também pode nos indicar se a mola ou o solenoide estão em boas condições. É esperado que, quando houver fadiga na mola ou algum curto-circuito no solenoide, o braço do freio tenda a operar um pouco mais lentamente. Monitorando a temperatura do braço do freio, podemos verificar se há contato parcial entre a lona de freio e o tambor de freio durante a rotação. Medindo a distância entre um determinado ponto do braço do freio e a superfície do tambor, podemos avaliar se a espessura da lona de freio diminuiu devido ao envelhecimento e se o equilíbrio da força entre o solenoide e a mola está variando ligeiramente. Verificando o tacômetro, podemos verificar se a cabine do elevador está em movimento. Finalmente, utilizando os dois acelerômetros no teto da cabine para verificar o momento exato em que ocorre qualquer alteração na corrente do solenóide de freio e o momento em que a cabine do elevador começa a desacelerar, podemos determinar se a taxa de desaceleração da cabine está de acordo com os requisitos legais. Integrando os dados dos dois acelerômetros no teto da cabine, podemos estimar aproximadamente a distância percorrida durante a frenagem de emergência. (O tacômetro também pode fornecer algumas indicações sobre esse desempenho.)

Estrutura de Software do Monitor de Freio

A Figura 2 mostra um sistema eletrônico com três placas Arduino, cada uma conectada a alguns sensores por meio de portas I2C ou portas de entrada/saída (E/S). Essas três placas estão conectadas por cabos ao computador embarcado dentro da sala de máquinas, que se comunica continuamente com outro computador embarcado no teto do carro. O sistema operacional utilizado era o Windows 7, mas havia planos para atualizá-lo em breve para o Windows 10. A Figura 3 mostra o sistema eletrônico no teto do carro.

Da mesma forma, uma placa Arduino é usada para obter os sinais dos dois acelerômetros. Essa placa está conectada diretamente ao computador embarcado no teto do carro, que se comunica continuamente com o computador localizado na sala de máquinas.

Alguns dados brutos preliminares

Dentro da sala de máquinas, os sensores de vibração do braço do freio podem ser considerados os principais dispositivos de todo o sistema, pois monitoram o funcionamento normal e anormal de ambos os braços. É possível detectar problemas no funcionamento de cada lado do sistema de frenagem verificando os perfis de vibração. A Figura 4 mostra os dados brutos de três ciclos de operações de “abertura-fechamento” do freio. A taxa de amostragem foi de 200 Hz, revelando que cada operação durou apenas cerca de 20 pontos de dados; ou seja, 20 x (1/200) s = 0.1 s — uma operação realmente rápida. A visualização ampliada mostra uma operação de “fechamento” do primeiro ciclo. A equipe de pesquisa está analisando os detalhes das formas de onda para avaliar os dados revelados. No teto do carro, temos o seguinte formato de dados de todos os sensores, incluindo o registro de data e hora do Arduino, as vibrações nos três eixos dos dois acelerômetros (“L” para “esquerda” e “R” para “direita”), o sensor infravermelho e o tempo real adicionado pelo computador principal:
(Time_Stamp, AcXL, AcYL, AcZL, AcXR, AcYR, AcZR,
IR, Tempo Real):
(3205675876, -15536, -244, -4380, -8488, -13280, -3520, 1,
‘2019-09-03 00:16:43.626’).

Conclusão

Devido a um acidente fatal recente em Hong Kong, a autoridade reguladora do Governo da RAE de Hong Kong (Região Administrativa Especial de Hong Kong) decidiu aprimorar os procedimentos de monitoramento de freios para evitar novos acidentes. Para identificar e até mesmo prever falhas no sistema de freios que levaram ou poderiam levar a acidentes semelhantes, uma equipe de pesquisa da Universidade de Hong Kong foi formada para desenvolver um monitor de freios online, cujas características e estrutura são destacadas neste artigo. Alguns dados brutos preliminares também foram incluídos. Este projeto ainda está em andamento e mais resultados estarão disponíveis até o simpósio.

Reconhecimento

Este projeto ainda está em andamento e conta com o apoio financeiro do EMSD do Governo da RAE de Hong Kong. Mais resultados serão publicados em uma edição futura da ELEVATOR WORLD.

Referências

[1] EMSD. Código de Prática sobre o Projeto e Construção de Elevadores e Escadas Rolantes (1993).
[2] EMSD. Relatório de investigação técnica sobre o incidente do elevador no Paris Court, centro da cidade de Sheung Shui, Novos Territórios (2018)