Suspensão significa equalizar as cargas para prolongar sua vida útil.

Os sistemas hidráulicos de alinhamento de cabos reduzem substancialmente o desgaste dos cabos em qualquer sistema de elevador.

Este artigo foi apresentado em Berlim 2018, Congresso Internacional sobre Tecnologias de Transporte Vertical, e publicado pela primeira vez no livro da IAEE. Tecnologia de elevadores 22, editado por A. Lustig. É uma reimpressão com permissão da Associação Internacional de Engenheiros de Elevadores.  (www.elevcon.com).

Nos últimos anos, têm sido identificados problemas crescentes relacionados ao desgaste excessivo dos sistemas de suspensão em elevadores, particularmente em sistemas sem casa de máquinas (MRL). As causas são numerosas, mas a distribuição da carga dentro do conjunto de cabos é de grande importância. De acordo com os renomados estudos do Professor Klaus Feyrer na Universidade de Stuttgart, a vida útil de todo o conjunto de cabos pode ser reduzida em até 40% se um cabo apresentar uma variação de apenas 15% em relação ao valor médio da carga de todos os cabos do conjunto. Utilizando um princípio físico já conhecido, foi desenvolvido um dispositivo para instalação permanente que permite a compensação ideal das cargas nos cabos sem a necessidade de fornecimento externo de energia (mesmo durante o funcionamento do elevador), tanto em instalações novas quanto em existentes. Este artigo abordará o princípio de funcionamento, o projeto escolhido e os resultados obtidos em elevadores selecionados.

Introdução

Os avanços no mercado de elevadores fizeram com que os elevadores atuais perdessem a validade da estimativa tradicional de vida útil de um cabo, que era de 10 a 20 anos — uma vida útil que antes não era alcançada em casos de manutenção e/ou montagem inadequadas ou condições ambientais extremas.

A demanda por sistemas de elevadores com requisitos de espaço o mais compactos possível continua em alta, sendo as vantagens para arquitetos e proprietários de edifícios bastante evidentes. Esses sistemas, geralmente projetados como elevadores de tração sem casa de máquinas, possuem diversas características especiais em relação ao seu sistema de suspensão:

• Suspensão múltipla (2:1 ou superior)
• Diâmetros baixos das polias de tração
• Diâmetros de corda ou correias pequenos, que permitam raios de curvatura tão pequenos quanto possível.

Essas características, que foram produzidas de acordo com os desejos dos clientes, têm efeitos negativos na vida útil dos meios de suspensão, quando comparadas a sistemas de elevadores com suspensão direta, com diâmetros de cabo superiores a 8 mm e polias de tração de grandes dimensões.

O sistema de suspensão múltipla, no qual o acionamento é frequentemente posicionado diretamente no eixo para economizar espaço, exige mais roletes de deflexão. Isso significa mais pontos de flexão para os mecanismos de suspensão, geralmente também com contra-flexão, o que aumenta substancialmente o desgaste dos cabos de aço.

Para reduzir ainda mais o espaço de construção necessário, é, naturalmente, conveniente reduzir também os diâmetros da polia de tração e dos roletes de deflexão; ao mesmo tempo, isso permite a aplicação de acionamentos de baixo custo, que oferecem alta velocidade, mas torque relativamente baixo. Como o sistema de suspensão não permite raios de curvatura tão pequenos quanto os necessários — ou seja, a relação entre o diâmetro da polia de tração e o diâmetro do sistema de suspensão (D/dO diâmetro da corda não pode ser muito pequeno — os diâmetros dos meios de suspensão também precisam ser reduzidos. Portanto, diâmetros de corda de aproximadamente 6 mm podem ser encontrados frequentemente em elevadores sem casa de máquinas.

É óbvio que quanto menor o diâmetro da corda, menor será sua capacidade de carga, o que significa que serão necessárias várias cordas (aumentando substancialmente a capacidade de flexão) ou que cordas de maior resistência deverão ser usadas para que o número de cordas necessárias não se torne excessivo. Essas cordas de alta resistência exigem maior dureza das polias de tração para minimizar o desgaste tanto destas quanto das próprias cordas. Outra solução pode ser o uso de cordas revestidas de plástico, que, naturalmente, praticamente não causam desgaste nas polias de tração, mas acarretam outros problemas, como a dificuldade em determinar corretamente os critérios de descarte.

Sem pretender descrever em demasia as relações individuais entre os parâmetros, pode-se afirmar que é necessário encontrar um equilíbrio entre as condições de contorno que não aumente excessivamente o desgaste dos sistemas de suspensão, sempre que forem necessários sistemas de elevadores compactos sem casa de máquinas.

Formas de reduzir o desgaste da suspensão

As condições de projeto acima mencionadas para elevadores sem casa de máquinas causam um desgaste acentuado dos cabos, sem possibilidade de compensar a causa desse desgaste:

• Cada desvio nas cordas de suspensão aumenta seu desgaste.
• A contra-curvatura aumenta consideravelmente o desgaste das cordas.
• Se a proporção de diâmetros D/d A redução é linear, enquanto o desgaste da corda aumenta exponencialmente.
• Se o fator de segurança da corda diminui linearmente, o desgaste da corda também aumenta exponencialmente.

Para compensar os fatores que prejudicam a vida útil da corda e, ainda assim, manter um alto desempenho operacional, todas as demais condições ambientais do sistema de suspensão devem ser otimizadas durante a operação. Dessa forma, o número de ciclos de flexão pode ser aumentado novamente.

Manutenção de cordas

Quase todos os fabricantes de cabos oferecem um produto de cuidado adequado para seus cabos de aço, que reduz a corrosão e a abrasão. Os cabos vêm pré-lubrificados, mas poeira e abrasão podem obstruir o lubrificante, reduzindo continuamente seu efeito lubrificante.

A manutenção das cordas deve ser realizada de acordo com as recomendações do fabricante para evitar restrições desnecessárias à vida útil da corda também neste ponto.

Instalação de novas suspensões

Em parte, os fabricantes de cabos fornecem instruções detalhadas sobre como instalar cabos novos e o que deve ser sempre observado para prolongar a vida útil do cabo. Além de comentários bastante óbvios, como o de que os cabos não devem ser torcidos durante a instalação, alguns fabricantes também aplicam uma marcação nos cabos: a chamada linha de referência ou linha de superfície. Essa linha, aplicada na direção da suspensão, facilita a verificação de que os cabos não estão torcidos durante a instalação, um erro que pode ocorrer facilmente, pois os cabos começam a se torcer sozinhos. Se, apesar disso, os cabos forem instalados torcidos e fixados no contrapeso e na cabine ou na cabeça do poço de forma que não possam mais se desenrolar, isso terá efeitos negativos severos na vida útil, pois ocorrerá desgaste adicional e desnecessário no interior do cabo a cada movimento do elevador.

Distribuição de carga entre os meios de suspensão

A torção das cordas mencionada anteriormente também leva a diferenças na capacidade de carga das cordas durante o movimento do elevador, mas isso é apenas uma pequena parte do problema. Muito mais sério, é claro, é o ajuste das cordas entre si.

A distribuição da carga dentro do conjunto de cabos é um fator decisivo na vida útil dos cabos. Uma equação é apresentada na obra padrão sobre cabos de aço na construção de elevadores, do Dr. Klaus Feyrer.[1] Utilizando essa equação, a capacidade de flexão dos cabos de aço pode ser determinada em função da tensão aplicada. Se todos os parâmetros dessa equação (condições ambientais, parâmetros mecânicos do cabo, etc.) forem mantidos constantes, e apenas a diferença na tensão aplicada for considerada, efeitos surpreendentes da distribuição da carga na vida útil do cabo serão revelados. Isso também foi publicado pela Pfeifer Drako em um documento técnico de 23 de novembro de 2009, com base na fórmula apresentada por Feyrer:

• Uma redução de 5% na diferença de carga entre os cabos de suspensão aumenta a vida útil em 11%.
• Uma redução de 10% na diferença de carga entre os cabos de suspensão aumenta a vida útil em 23%.
• Uma redução de 15% na diferença de carga entre os cabos de suspensão aumenta a vida útil em 38%.

Dispositivos para medir a tensão das cordas estão disponíveis no mercado há alguns anos. Além do peso absoluto da cabine, o uso desses dispositivos permite determinar as cargas individuais nas cordas para ajustes. Isso é, sem dúvida, muito útil, mas ainda insuficiente, como será explicado.

Distribuição variável da carga durante a viagem

Naturalmente, o ajuste manual dos cabos só é possível com o elevador parado. Isso significa que é preciso definir a posição da cabine no poço e ajustar os cabos nessa posição. Geralmente, em um sistema suspenso 2:1 sem casa de máquinas, a cabine é posicionada no batente mais alto para que os terminais dos cabos fiquem acessíveis para o ajuste.

Dependendo do projeto dos dispositivos de medição de tensão dos cabos, pode ser possível medir antecipadamente a progressão das tensões individuais dos cabos durante o movimento do elevador, para determinar o ajuste ideal dos cabos para posterior regulagem. Isso é necessário, pois as tensões individuais dos cabos mudam constantemente durante o movimento do elevador, frequentemente de forma significativa. Diversos fatores podem causar essa variação: pequenos desvios entre as ranhuras e os cabos, irregularidades no assentamento das ranhuras das polias de tração, roletes de deflexão que não estejam perfeitamente alinhados horizontalmente, etc.

No caso de um sistema suspenso 2:1 com uma polia de tração de 240 mm de diâmetro e uma altura de percurso de 20 m, uma diferença de 1/10 mm no diâmetro da ranhura ou do cabo pode ser responsável por uma diferença de 17 mm no diâmetro dos cabos individuais durante o movimento ao longo de toda a altura de percurso. É, portanto, fácil imaginar quanta carga a mais um cabo 17 mm mais curto que os outros pode suportar. O resultado é um desgaste excessivo no cabo. Esse efeito pode ocorrer devido às causas mencionadas acima, mesmo em elevadores suspensos 2:1 novos. No entanto, isso não significa que ele seja encontrado na mesma proporção em sistemas suspensos 1:1.

O exemplo a seguir (Figura 1) mostra uma medição em um sistema suspenso na escala 1:1 que apresenta uma diferença de tensão nas cordas de até 200% durante o movimento do elevador. Também é possível observar claramente como as tensões individuais nas cordas se deslocam durante o movimento do elevador.

O ajuste correto da tensão dos cabos é essencial para um sistema de elevador como este, se o objetivo for aproveitar ao máximo a vida útil teórica dos cabos. O ajuste pontual dos cabos durante cada procedimento de manutenção é uma etapa inicial e importante, mas certamente não é suficiente, pois o ajuste só pode ser feito em pontos específicos, considerando tanto o tempo quanto a posição. Assim que o elevador começar a se mover após esse ajuste, o ajuste dos cabos se mostrará insuficiente para a nova posição no poço.

Hidráulico Equalização de tensão

Para minimizar o desgaste dos cabos devido às diferentes tensões entre eles, é necessário retensioná-los constantemente durante o movimento do elevador. Existem diversas soluções disponíveis para esse fim. Uma das mais simples foi patenteada nos EUA em março de 1872.

Utilizando este método, cilindros hidráulicos são incorporados à terminação do cabo, garantindo que os cabos se alinhem assim que as tensões começarem a variar. Esta solução hidráulica tem a grande vantagem de não exigir energia elétrica, sensores ou circuitos de controle adicionais, além de ser relativamente simples em termos de construção mecânica, produção e instalação.

Princípio Físico

A patente utiliza a física da incompressibilidade e da propagação uniforme da pressão em líquidos, um princípio já bastante empregado na hidráulica. Normalmente, a aplicação técnica inclui o chamado conversor de potência, que amplifica as forças.

De um lado, uma força (relativamente) fraca é exercida sobre um pistão com o menor diâmetro possível. Do outro lado do sistema hidráulico, encontra-se um segundo pistão com uma área de seção transversal (relativamente) grande. Como a pressão do pistão dentro do líquido é a mesma em todos os pontos, uma força é exercida sobre o pistão maior quando o pistão menor é pressionado, força essa que é amplificada pela razão entre as áreas dos pistões:

onde p é pressão, F₁ é a força no pistão menor, A₁ é a área do pistão menor, F₂ é a força no pistão maior, e A₂ é a área do pistão maior.

É claro que a conservação de energia continua a ser aplicada sem alterações: para levantar o pistão grande por uma distância s₂, é necessário mover o pistão menor por uma distância adequadamente maior. s₁O seguinte se aplica à equação mencionada acima:

onde s₁ é a distância percorrida pelo pistão menor e s₂ é a distância percorrida pelo pistão maior.

Este princípio também se aplica a qualquer número de cilindros hidráulicos interligados. Se todos esses cilindros fossem idênticos e, portanto, tivessem a mesma área (A₁ = A₂), fica imediatamente claro pelas fórmulas mencionadas acima que a força F₁ é sempre idêntica à força F₂ou a distância s₁ é sempre idêntica à distância s₂.

A patente citada utiliza exatamente esse fato: todas as cordas sempre se alinharão entre si se suas conexões terminais estiverem em cilindros hidráulicos interligados e com a mesma área. O alinhamento ocorre, teoricamente, até zero. Na realidade, é claro, sempre há atrito dentro dos cilindros, o que permite o alinhamento apenas até certo ponto. (No caso de uma construção inteligente e da seleção adequada de vedações, o alinhamento até 40 N por cilindro certamente é possível.)

Prática Implementação para elevadores

Para aplicar os princípios a novos sistemas, bem como a modernizações de elevadores de forma simples e econômica, as seguintes condições de contorno devem ser observadas durante a implementação dos princípios:

• Dimensões mínimas de construção — A placa de cabos não deve precisar ser alterada e, da mesma forma, nenhum espaço de construção deve ser perdido (principalmente para elevadores sem casa de máquinas).
• Sistema em cascata — Adapte facilmente elevadores com qualquer número de cabos, sem necessidade de comissionamento.
• Segurança — Os fechos das extremidades da corda não devem ser alterados.
• Longevidade — Vários milhões de ciclos de cilindro ou movimentos de elevador devem ser alcançáveis.

Considerando as condições estabelecidas, o seguinte projeto foi desenvolvido e implementado: como pode ser visto na representação isométrica, os cilindros individuais podem ser montados na placa de corda existente, desde que, como neste projeto, seus diâmetros externos não interfiram com o espaçamento da corda. Por esse motivo, os diâmetros foram selecionados de forma a estarem de acordo com os amortecedores ou molas espirais normalmente utilizados.

Compensação de tração diagonal

Para minimizar a construção do cilindro hidráulico — afinal, este é o pré-requisito para uma montagem simples sem medidas de conversão no sistema — é necessário um componente adicional: a chamada placa oscilante.

Em particular, no que diz respeito aos sistemas de elevadores suspensos com relação 2:1 projetados sem casa de máquinas, ocorre geralmente uma enorme tração diagonal de até um ângulo de 7° nos cabos finos no ponto de parada mais alto.

Essa força diagonal, naturalmente, se repete na haste roscada do sistema de suspensão, mas nunca deve afetar o cilindro hidráulico. Se o cilindro hidráulico estivesse posicionado diagonalmente sobre a placa de corda, o fluxo de força nos cilindros geraria forças transversais nos mesmos.

Para absorver tais forças transversais com baixo desgaste, os cilindros teriam que ser extremamente superdimensionados para a finalidade da aplicação. Isso impossibilitaria sua instalação na placa de cabos existente.

Placas oscilantes incorporadas entre o cilindro e a placa da corda garantem que o cilindro permaneça sempre alinhado paralelamente aos conectores das extremidades do sistema de suspensão e que nenhuma força transversal seja gerada.

Efeito on Individual Tensões de Suspensão

Os efeitos do alinhamento hidráulico dos cabos são substanciais e podem, por exemplo, ser visualizados utilizando o dispositivo de medição de tensão dos cabos mencionado anteriormente. Na Figura 4, a progressão da tensão dos cabos individuais, no caso de desalinhamento dos cabos, é apresentada no diagrama à esquerda. É evidente como os cabos individuais se "distanciam" ou até mesmo absorvem e transferem cargas em direções opostas. Isso faz com que alguns cabos suportem cargas muito maiores do que outros, reduzindo assim sua vida útil (e, consequentemente, a de todo o conjunto de cabos) e podendo danificar a polia de tração e os roletes de deflexão.

O diagrama à direita mostra as tensões individuais nas cordas em caso de alinhamento hidráulico ativo: a carga total se distribui de forma otimizada entre as cordas individuais. A progressão da carga em cada corda é paralela; nenhuma das cordas suporta uma carga desproporcionalmente maior ou menor que as outras. Ainda existem pequenas diferenças entre as cordas, causadas pelo fato de que o princípio físico não pode ser idealmente transposto para o mundo real e, portanto, existe atrito interno nos cilindros.

Resumo

O fator decisivo que contribui para a vida útil dos cabos de suspensão — após o dimensionamento correto e a eliminação de erros evitáveis ​​na instalação e manutenção dos cabos — é, acima de tudo, a tensão ideal do cabo em cada ponto do poço. A tendência de suspensões múltiplas também está impactando sistemas de elevadores relativamente pequenos. Antes, elas eram vistas apenas em elevadores de arranha-céus com altura de percurso de algumas centenas de metros: pequenas variações nas ranhuras das polias de tração e nos diâmetros dos cabos levam a grandes diferenças nas tensões individuais dos cabos, já que as pequenas polias de tração de elevadores sem casa de máquinas realizam uma quantidade semelhante de rotações às polias de tração em elevadores de arranha-céus.

Mesmo que as tensões individuais das cordas sejam ajustadas periodicamente usando tecnologia de medição de alta precisão, o desgaste da corda não pode ser evitado, pois tal ajuste só pode ser feito para uma posição da cabine dentro do poço.

Uma solução que minimize substancialmente o desgaste da corda deve, no entanto, ser aplicada em toda a altura de deslocamento e surtir efeito em todas as posições da cabine dentro do poço.

A solução apresentada neste artigo, na forma de um alinhamento hidráulico de cabos, reduzirá substancialmente o desgaste dos cabos em qualquer sistema de elevador, mesmo que seja instalada em um sistema já danificado, e tem a grande vantagem de não exigir eletricidade, sensores ou circuitos de controle adicionais, podendo ser instalada com muita facilidade sem a necessidade de adaptações.

Referências
[1] Feyrer, Prof. K. Drahtseile: Bemessung, Betrieb, Sicherheit. 2ª Ed. Springer Verlag, Berlim Heidelberg, Nova York (2000).
[2] Pfeifer Drako, Scheunemann, Dr. W. U091123_Seilspannung, Mühlheim ad Ruhr (2009).