O dispositivo de segurança mais importante para escadas rolantes

A evolução dos sistemas de frenagem de escadas rolantes e esteiras rolantes

Por Anthony Boom

Introdução

Desde a instalação da primeira escada rolante, os fabricantes e os comitês de normas de segurança têm trabalhado de forma proativa e reativa para tornar as escadas rolantes o mais seguras possível. Independentemente de terem agido de forma proativa ou reativa, com o passar do tempo, muitos novos dispositivos e regras de segurança foram implementados para tornar as escadas rolantes e esteiras rolantes mais seguras. 

Nos mais de 35 anos em que trabalho no ramo de escadas rolantes, presenciei a implementação de diversos novos dispositivos de segurança, como detectores de degraus ausentes, sensores de velocidade do corrimão, dispositivos de impacto tipo pente, dispositivos de nivelamento de degraus, dispositivos de sobrevelocidade e subvelocidade, entre outros. 

Muito poderia ser escrito sobre a adição e a evolução de todos os dispositivos de segurança das escadas rolantes, mas o foco deste artigo é a evolução do dispositivo de segurança mais importante das escadas rolantes — o freio da escada rolante.

O freio da escada rolante é o dispositivo de segurança mais importante, pois todos os outros dispositivos de segurança dependem do seu funcionamento. Sem o freio, qual seria a utilidade de instalar um botão de parada de emergência, um dispositivo de sobrevelocidade, um dispositivo de impacto tipo pente ou qualquer outro dispositivo de segurança? A resposta é: "nenhuma". Sem o freio, a escada rolante não pararia quando um dispositivo de segurança fosse acionado. Na melhor das hipóteses, o motor da escada rolante desligaria e ela continuaria se movendo até que o peso dos passageiros fosse insuficiente para vencer o atrito dos corrimãos e da esteira rolante. 

Freios e volantes de torque fixo

Os primeiros freios de escadas rolantes eram freios simples acionados por mola, agora chamados de freios de torque fixo. Molas de tração e molas de compressão eram utilizadas para acionar o freio da escada rolante quando necessário. As molas de tração caíram em desuso, pois a falha de uma mola de tração resultaria na completa ausência de freio, enquanto uma mola de compressão ainda poderia fornecer alguma força elástica mesmo se quebrasse. 

Algumas desvantagens de um freio de torque fixo:  

• O freio deve ser reajustado regularmente, pois as pastilhas se desgastam.
• Se o torque fixo do freio for ajustado de forma que seja suficiente para parar uma escada rolante carregada, então, quando a escada rolante estiver pouco carregada, ela poderá parar de forma indesejavelmente rápida.
• A distância de parada da escada rolante pode variar bastante dependendo da carga sobre o equipamento. Se a carga na escada rolante for grande, a distância de parada será longa. Por outro lado, se a carga na escada rolante for leve, a distância de parada será curta. 

Para minimizar as diferenças nas distâncias e velocidades de parada das escadas rolantes, os fabricantes adicionaram um volante de inércia de grandes dimensões ao motor. A adição do volante reduziu o impacto da carga sobre a escada rolante. Essencialmente, o freio trabalha mais para parar o volante do que para parar a carga sobre a escada rolante. Quanto maior o volante, mais consistente se torna a parada da escada rolante, desde situações sem carga até situações com carga pesada. 

A adição de um volante não só torna a parada da escada rolante mais consistente, como também garante uma taxa de parada mais uniforme em ambas as direções — subida e descida. Sem um volante instalado no motor da escada rolante, uma carga fará com que ela pare antes do tempo ideal se estiver subindo e depois do tempo ideal se estiver descendo. 

Pode parecer que o volante montado no eixo do motor da escada rolante resolveu a maioria dos problemas do freio de torque fixo. No entanto, a adição de um volante cria alguns novos problemas indesejáveis:

• A necessidade de um freio muito maior. Com um volante montado no eixo do motor, o freio deve ter torque de frenagem suficiente para parar o volante e a carga nominal total da escada rolante.
• Aumentar o tamanho do freio aumenta o custo do freio.
• É necessário mais espaço para montar o volante e o freio maior.
• É necessária uma grande corrente elétrica para iniciar a rotação do motor da escada rolante e do volante, e em seguida, acelerar até atingir a velocidade desejada. 

Os fabricantes de escadas rolantes conviveram com esses problemas por décadas para obter os benefícios proporcionados pela adição de um volante de inércia. No entanto, com o passar do tempo, os requisitos das normas de segurança tornaram-se mais rigorosos. A norma exigia uma distância mínima de parada de 11,4 cm (11,4 cm era calculada com base em uma taxa máxima de desaceleração de 0,9 m/s² para uma escada rolante operando a 27,4 m/min). Paradas mais rápidas que 0,9 m/s² eram consideradas desestabilizadoras para os passageiros. Contudo, a escada rolante deveria parar em uma distância não superior a cerca de 40,6 cm. Esses 40,6 cm eram determinados pela distância entre o interruptor da saia e os dentes do pente da escada rolante. Se o sapato de alguém ficasse preso entre a borda do degrau e a saia da escada rolante ao acionar o interruptor da saia, a escada rolante deveria parar antes que o pé dessa pessoa fosse arrastado para os dentes do pente. 

Para atender à faixa de distância de parada permitida pelas normas, de 4.5 a 16 polegadas, independentemente da carga viva na escada rolante, os fabricantes experimentaram aumentar o tamanho do volante do motor para minimizar o efeito da carga viva na escada rolante. Outros fabricantes exploraram a possibilidade de definir um torque de frenagem alto e, em seguida, atrasar a aplicação do freio para atender ao requisito mínimo de distância de parada de 4.5 polegadas.

Atrasar a aplicação do freio ajudou a atender ao requisito de distância mínima de parada, mas não conseguiu atender à taxa máxima de desaceleração de 3 pés/s². Portanto, o comitê de normas adicionou o requisito de acionar o freio sem demora para evitar uma taxa de desaceleração superior a 3 pés/s². 

Freios de torque fixo variável

Na década de 1980, a empresa para a qual eu trabalhava combinou um freio magnético permanente (PM) com um método inovador de aplicação de torque de frenagem fixo proporcional à carga na escada rolante. A vantagem do freio PM era, e ainda é, ser um dispositivo de torque variável. O freio PM produz um torque inversamente proporcional à corrente que flui através da bobina do freio PM. Se a carga na escada rolante fosse pesada, o controlador de freio poderia aumentar o torque de frenagem reduzindo a corrente na bobina do freio PM. Se a carga na escada rolante fosse leve, o controlador de freio poderia diminuir o torque de frenagem aumentando a corrente na bobina do freio PM.

Este controlador de freio determinava a carga na escada rolante medindo o ângulo de fase entre a tensão e a corrente do motor. Um ângulo de fase maior implica uma carga menor na escada rolante, enquanto um ângulo de fase menor implica uma carga maior. Se o ângulo de fase fosse pequeno, o controlador de freio reduziria a corrente na bobina do freio de ímã permanente para aplicar mais força de frenagem durante a parada da escada rolante. Quando o ângulo de fase fosse maior, o controlador aumentaria a corrente na bobina do freio de ímã permanente para diminuir o torque de frenagem.

A aplicação de torque de frenagem proporcional à carga na escada rolante eliminou a necessidade de um volante de inércia, atendendo aos requisitos de norma para taxa de desaceleração e distâncias de parada. No entanto, esse controlador de freio exigia uma configuração de controle bastante complexa, que variava de acordo com o tamanho e o fabricante do motor. Além disso, o torque de frenagem do motor de ímã permanente não era consistente entre os freios para uma determinada corrente na bobina de frenagem. Consequentemente, ajustes adicionais de configuração precisavam ser feitos periodicamente ou sempre que o freio era substituído por um novo.

Controle de frenagem com feedback de velocidade

Em 1988, a mesma empresa desenvolveu um novo controlador de freio mais simples de configurar e independente do tamanho do motor, do fabricante do motor e das variações no torque de frenagem para uma determinada corrente na bobina de freio. Esse novo método utilizava "feedback de velocidade" com o mesmo freio de ímã permanente. O controlador de freio com "feedback de velocidade" comparava uma rampa de tensão predefinida com a tensão de um tacômetro acionado pelo motor da escada rolante. O controlador de freio variava o torque de frenagem dependendo de como a tensão do tacômetro se comportava em relação à rampa de tensão predefinida. Se, durante a parada da escada rolante, a tensão do tacômetro fosse menor que a tensão da rampa de tensão predefinida, a escada rolante estava parando mais rápido do que o desejado. Portanto, o controlador de freio reduzia o torque de frenagem para diminuir a velocidade de parada da escada rolante. Por outro lado, se a tensão do tacômetro fosse maior que a tensão da rampa de tensão predefinida, a escada rolante estava parando mais lentamente do que o desejado. Assim, o controlador de freio aumentava o torque de frenagem para diminuir a velocidade de parada da escada rolante.

As vantagens do controle de frenagem com feedback de velocidade incluem:

• Procedimento de configuração simplificado
• Independentemente do tamanho do motor
• Independente da fabricação de motores
• Independente das variações no torque de frenagem para uma determinada corrente na bobina de freio.
• Eliminou a necessidade de um volante.

Desde que o freio conseguisse produzir torque suficiente para parar a carga nominal, o feedback de velocidade funcionava razoavelmente bem.

As desvantagens do controle de frenagem com feedback de velocidade incluíam:

• A necessidade de "sintonizar" o tacômetro com a rampa de tensão predefinida gerada pelo controlador de freio.
• À medida que a tensão do tacômetro se degradava com o tempo, era necessário "reajustá-lo" para a rampa de tensão predefinida gerada pelo controlador de freio.
• O controlador de freio possuía apenas uma rampa de tensão pré-programada, com a qual a tensão de feedback do tacômetro era comparada. Portanto, eram necessárias placas de controle de freio diferentes para cada velocidade que uma escada rolante ou esteira rolante automatizada fosse projetada para operar.

É importante observar que, para evitar situações de risco, o controlador da escada rolante não permitiria seu funcionamento caso a tensão no tacômetro estivesse muito baixa.

Controle de frenagem com feedback de desaceleração

Em 1993, a mesma empresa desenvolveu um novo controlador de freio que possuía todas as vantagens do controlador de freio com "feedback de velocidade", porém era ainda mais simples de configurar e não necessitava de ajustes. Este novo método utilizava "feedback de desaceleração" com o mesmo freio PM. Este controlador de freio utilizava um encoder em vez de um tacômetro para determinar a velocidade e calcular a desaceleração da escada rolante em tempo real. A taxa de desaceleração calculada em tempo real era então comparada a um ponto de ajuste de desaceleração desejado. O controlador de freio utilizava um controle PI (Proporcional e Integral) para variar o torque de frenagem dependendo da proximidade da taxa de desaceleração da escada rolante em tempo real ao ponto de ajuste desejado. Se, durante a parada da escada rolante, a taxa de desaceleração em tempo real fosse maior que o ponto de ajuste, a escada rolante pararia mais rapidamente do que o desejado. Portanto, o controlador de freio reduziria o torque de frenagem para diminuir a velocidade de parada da escada rolante. No entanto, se a taxa de desaceleração da escada rolante em tempo real fosse menor que o valor definido, a escada rolante pararia mais lentamente do que o desejado. Portanto, o controlador de freio aumentaria o torque de frenagem para aumentar a taxa de parada da escada rolante.

As vantagens do controle de frenagem com feedback de desaceleração incluem:

• Todas as vantagens do controlador de realimentação de velocidade
• Um procedimento de configuração ainda mais simples
• Sem necessidade de afinação ou reafinação
• O mesmo cartão de controle de freio pode ser utilizado em qualquer escada rolante ou esteira rolante automática.

Outras melhorias incorporadas ao novo controlador de freio com feedback de desaceleração incluem:

• A utilização de PWM (Modulação por Largura de Pulso) em vez de regulação linear para controlar a corrente de frenagem. O PWM proporciona um controle mais preciso e é mais eficiente em termos de energia do que o controle linear tradicional.
• Foi adicionado o uso do controle PI para regular a corrente de liberação da bobina de freio. Assim, à medida que a resistência da bobina de freio varia de freio para freio, ou conforme a resistência da bobina de freio varia devido a variações de temperatura, o controlador PI manteria a mesma corrente de liberação de freio ao longo do tempo.
• A lógica difusa para a qual recebi uma patente, aplicada ao controle de freios, estimava a carga na escada rolante de forma que o torque inicial de frenagem correspondesse com precisão ao torque de parada realmente necessário. O resultado dessa estimativa da carga na escada rolante antes da ativação do freio reduziu o tempo e a magnitude da oscilação, proporcionando uma frenagem mais suave.

Desde que o freio conseguisse produzir torque suficiente para parar a carga nominal, o feedback de desaceleração funcionava bem.

Uma das principais desvantagens do controle de frenagem com feedback de desaceleração ocorre em escadas rolantes em movimento ascendente. Uma escada rolante carregada em movimento ascendente sempre parará mais rapidamente do que o ponto de desaceleração desejado se não houver uma massa de volante montada no motor da escada rolante. No entanto, atualmente, o Código de Segurança de Escadas Rolantes não exige uma taxa máxima de desaceleração quando a escada rolante está em movimento ascendente. 

Frenagem dinâmica controlada por motor

No início de 2024, concluí os testes de um novo sistema de frenagem híbrido para escadas rolantes e esteiras rolantes. Este sistema híbrido incorpora o controle de frenagem com feedback de desaceleração a outro tipo de controle de freio recentemente permitido pelas normas ASME A17.1-2019 e pela Regra 6.1.5.3.4 do Código de Segurança de Escadas Rolantes de 2022. O Código de Segurança de Escadas Rolantes se refere a este novo sistema de frenagem como "Frenagem Dinâmica com Controlador Motorizado". A frenagem dinâmica com controlador motorizado exige que a alimentação do motor da escada rolante permaneça conectada durante o processo de frenagem, pois o motor está sendo utilizado para frear.

Na verdade, a frenagem dinâmica controlada por motor não é uma novidade, mas até recentemente não era permitida em escadas rolantes e esteiras rolantes, pois o Código de Segurança de Escadas Rolantes sempre exigiu a interrupção da energia do motor e do freio da máquina de acionamento sempre que um dispositivo de segurança fosse ativado. O Código de Segurança de Escadas Rolantes agora permite o uso da frenagem dinâmica controlada por motor, desde que várias outras regras sejam seguidas. 

As vantagens da frenagem dinâmica controlada por motor:

• Todas as vantagens do controlador de realimentação de desaceleração
• A escada rolante não acelera nem desacelera enquanto aguarda o acionamento do freio quando um dispositivo de segurança é ativado. Sem frenagem dinâmica, a escada rolante gira livremente durante o tempo necessário para que um freio normal passe da posição aberta para a engatada. Embora o tempo de acionamento do freio normal seja relativamente curto, a escada rolante acelera momentaneamente sob carga na direção descendente até que o freio seja acionado. Com a frenagem dinâmica, a rotação livre do motor é eliminada. Consequentemente, o processo de parada é aprimorado.
• Taxa de parada consistente, independentemente da carga na escada rolante ou da direção de deslocamento.
• Distâncias de parada consistentes, independentemente da carga na escada rolante ou da direção de deslocamento.
• Pode ser usado como um meio adicional de parar a escada rolante — Código obrigatório acima de 6 m
• Elimina a necessidade de um segundo freio de máquina quando um freio redundante é exigido por norma.
• O perfil de frenagem é suave como o de um freio de torque fixo. 

As desvantagens da frenagem dinâmica controlada por motor incluíam:

• O motor não consegue produzir torque suficiente para frenagem em caso de perda de energia.
• O Código de Segurança de Escadas Rolantes permite o uso de frenagem dinâmica controlada por motor para a maioria dos dispositivos de segurança, mas não para todos. A frenagem dinâmica NÃO é permitida para monitoramento de velocidade da escada rolante, dispositivo de corrente de transmissão, interruptores de poço, reversão de parada, dispositivo de segurança para motor desconectado, dispositivo de impacto de degrau em pente e vários outros.

Para superar as desvantagens da frenagem dinâmica controlada por motor, combinei a frenagem dinâmica com o controle de realimentação de desaceleração para formar um sistema híbrido. Na maioria dos dispositivos de segurança, utiliza-se a frenagem dinâmica controlada por motor. Nos casos em que a frenagem dinâmica controlada por motor não pode ser utilizada, o sistema híbrido emprega o controle de realimentação de desaceleração.

Tabela de comparação de frenagem

• A linha pontilhada superior representa a direção descendente da frenagem PM com carga máxima.
• A segunda linha tracejada de cima para baixo representa a frenagem PM sem carga na escada rolante em qualquer direção.
• A linha sólida do meio representa a frenagem dinâmica (regenerativa), em todas as condições: com carga, sem carga, para cima e para baixo.
• A linha tracejada inferior representa a direção de frenagem PM com carga máxima para cima.
• Qualquer freio acionado por mola ou magnetismo possui um tempo de aplicação. A tabela comparativa de frenagem mostra um tempo de aplicação de frenagem de 100 m/s e uma velocidade de deslocamento da escada rolante de 100 pés/min. A velocidade real da escada rolante depende da velocidade real da escada rolante sem carga, da direção de deslocamento e da carga sobre a escada. Uma escada rolante carregada subindo se moverá mais lentamente do que a velocidade real da escada rolante sem carga, e uma escada rolante carregada descendo se moverá mais rapidamente do que a velocidade real da escada rolante sem carga. 
• O gráfico de direção de frenagem PM em plena carga mostra que a velocidade da escada rolante aumentou a uma taxa de 2.5 pés/s.² A velocidade inicial aumentou de 100 pés/min para 115 pés/min e o veículo percorreu 2.15 polegadas antes do freio ser acionado. Em seguida, o controlador de freio PM controlou a taxa de desaceleração para 1.5 pés/s.² para mais 14.7 polegadas. O tempo total de parada é de cerca de 1.4 s, com uma distância total de parada de 16.8 polegadas. Se não houvesse tempo de aplicação e se houvesse torque de frenagem suficiente para parar a carga a 1.5 pés/s.², então a distância real de parada seria de 11.11 polegadas.
• O gráfico de frenagem PM sem carga mostra que a velocidade da escada rolante diminuiu a uma taxa de 0.5 pés/s.² de 100 pés/min para 97 pés/min e deslocou-se 1.97 polegadas antes do freio ser acionado. Em seguida, o controlador de freio PM controlou a taxa de desaceleração para 1.5 pés/min.^s2 por mais 10.45 polegadas. O tempo total de parada é de aproximadamente 1.2 s, com uma distância total de parada de 12.4 polegadas. Dependendo da inércia e do atrito do sistema mecânico, o tempo real, o tempo de parada e a distância podem variar. Se o tempo de aplicação fosse zero e houvesse inércia suficiente para superar o atrito do sistema, a distância real de parada seria de 11.11 polegadas.
• O gráfico de frenagem PM em carga máxima na direção ascendente mostra que a velocidade da escada rolante diminuiu a uma taxa de 4.2 pés/s.² A velocidade diminuiu de 100 pés/min para 74.8 pés/min e o veículo percorreu 1.75 polegadas antes de o freio ser acionado, continuando então a desacelerar a 4.2 pés/s.² Para um adicional de 2.22 polegadas (5,64 cm), o tempo total de parada é de aproximadamente 0.4 segundos, com uma distância total de parada de 3.97 polegadas (10,08 cm). Nesse caso, o controlador de freio PM aplicará uma força de frenagem mínima. O peso na escada rolante fará com que ela pare mais rapidamente do que a taxa programada pelo controlador de freio. O tempo total de parada é de aproximadamente 0.4 segundos, com uma distância de parada de 3.9 polegadas (9,9 cm). Dependendo do peso na escada rolante e da inércia e atrito do sistema mecânico, o tempo real, o tempo de parada e a distância podem variar.
• O gráfico de frenagem dinâmica (regenerativa) não mostra nenhum tempo de atraso na frenagem. Independentemente da carga na escada rolante e da direção de funcionamento, o gráfico mostra que a escada rolante desacelerou a 1.7 pés/s.² De 100 pés/min a 0 pés/min em 1.0 s, com uma distância total de parada de 9.8 polegadas. Nesse caso, o controlador de freio PM irá modular ou aplicar pouca força de frenagem durante a parada, visto que o inversor está desacelerando a escada rolante mais rapidamente do que o ponto de ajuste do controlador de freio. Na subida, o inversor irá "empurrar" a carga da escada rolante para manter a velocidade de 1.7 pés/s.² taxa de desaceleração. 

Conclusão

Desde a instalação da primeira escada rolante, os fabricantes e os comitês de normas de segurança têm trabalhado de forma proativa e reativa para tornar as escadas rolantes e esteiras rolantes o mais seguras possível, adicionando e aprimorando dispositivos de segurança.

O dispositivo de segurança mais importante em uma escada rolante é o freio. Todos os outros dispositivos de segurança dependem do freio para parar a escada rolante quando acionados. O freio não deve apenas parar a escada rolante ou a esteira rolante, mas também deve fazê-lo da maneira mais segura possível.

Como discutido anteriormente, os freios de escadas rolantes começaram como freios de torque fixo. Posteriormente, surgiram melhorias com a adição de volantes de inércia, freios de torque fixo variável, feedback de velocidade, feedback de desaceleração e, agora, frenagem dinâmica controlada por motor. 

O sistema de frenagem que terminei de testar recentemente é um sistema híbrido que combina frenagem dinâmica controlada por motor com frenagem de feedback de desaceleração para situações em que a frenagem dinâmica controlada por motor não pode ser utilizada.

Referências de código

ASME A17.1-2019/CSA B44:19 Regra 6.1.5.3 Freios

• 6.1.5.3.1 Freio da Máquina de Acionamento da Escada Rolante 
• 6.1.5.3.2 Frenagem do Eixo de Transmissão Principal
• 6.1.5.3.3 Os freios da máquina de acionamento da escada rolante e os sistemas de frenagem dinâmica controlados por motor devem ser certificados de acordo com os requisitos de 8.3.1 e 8.3.6.
• 6.1.5.3.4 Frenagem dinâmica controlada pelo motor da máquina de acionamento da escada rolante
• 6.1.5.3.5 Freio Auxiliar 
• ASME A17.1-2019/CSA B44:19 Regra 6.1.6.7 Monitor de Distância de Frenagem de Escada Rolante
• A norma ASME A17.1-2019/CSA B44:19, Regra 6.1.6.3, Dispositivos de Proteção Elétrica, itens 6.1.6.3.1 a 6.1.6.3.16, inclui a seguinte redação caso a frenagem dinâmica seja permitida para o dispositivo: “deve causar o início da frenagem dinâmica (6.1.5.3.4) ou a interrupção da alimentação elétrica do motor e freio da máquina de acionamento da escada rolante”. Caso a frenagem dinâmica não seja permitida, a seguinte redação será omitida: “deve causar o início da frenagem dinâmica”. Os dispositivos estão enumerados na seção Requisitos deste documento. 
• ASME A17.1-2019/CSA B44:19 Regra 6.1.6.10 Circuitos de Controle e Operação. O projeto e a instalação dos circuitos de controle e operação devem estar em conformidade com os itens 6.1.6.10.1 a 6.1.6.10.4.
• ASME A17.1-2019/CSA B44:19 Regra 8.3.1 Requisitos Gerais para Testes e Certificação
• ASME A17.1-2019/CSA B44:19 Regra 8.3.6 Testes de Tipo de Freio e Sistema de Frenagem de Escada Rolante