Manutenção da polia de tração

Como identificar e prevenir danos na polia de tração devido à tensão desigual da corda.

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Objetivos de aprendizagem

Após ler este artigo, você deverá ter aprendido sobre:

• O diâmetro do cabo de aço e a profundidade da ranhura de tração devem ser incluídos nas tarefas de manutenção, com verificação mínima anual.
• Quando qualquer sinal de partículas do solo for visível perto da polia motriz da máquina, o sistema deve ser testado quanto à equalização dos cabos, e os cabos devem ser equalizados para evitar danos.
• A tensão igual ocorre quando a diferença entre a tensão máxima e a tensão mínima da corda está dentro de 10% do valor inicial.
• Verifique se os dispositivos antirrotação dos cabos de aço estão incorporados no sistema de suspensão.
• Devem ser utilizadas ferramentas de registro para documentar a variação real da tensão nas cordas, a fim de determinar a causa.

O sistema de tração é crucial para o funcionamento do elevador. Seus dois componentes inter-relacionados, os elementos de suspensão e a polia de tração, apresentam implicações de segurança e custo significativas. A deterioração da relação entre a polia e o cabo pode ter consequências muito dispendiosas para os proprietários e é um item de manutenção essencial que deve ser corrigido antes que a substituição obrigatória da polia e dos cabos se torne necessária. A deterioração, se não verificada, causa o pior tipo de incidente: a perda de tração e, consequentemente, o movimento descontrolado da cabina. Uma vez rompido, o elevador/contrapeso desequilibrado pode acelerar descontroladamente até o terminal, o fim do percurso.

O Código de Segurança ASME A17.1/CSA B44 para Elevadores e Escadas Rolantes estabelece requisitos de projeto de tração, manutenção e testes de tração, sobrevelocidade e proteção contra sobrecarga (UCM) tanto na direção ascendente quanto na descendente, para garantir que essa relação permaneça estável e em conformidade.

O desgaste anormal, aliado à baixa frequência de manutenção adequada por mecânicos/técnicos, está aumentando. Isso é evidenciado pelo número de polias danificadas encontradas em campo. Em alguns setores da manutenção de transporte vertical, a dependência de sistemas eletrônicos de detecção de falhas, que fornecem alertas precoces de mau funcionamento ou falha, está se tornando a norma. Isso parece estar reduzindo o conhecimento técnico dos sistemas mecânicos por parte da equipe de manutenção, que se limita a responder a uma "luz de verificação do motor" que outra página em um manual descreverá como "o que fazer em caso de" ou simplesmente a escrever um bilhete para notificar um supervisor ou o escritório para obter mais instruções. Muitos desses sistemas de detecção de falhas não conseguem detectar a degradação do sistema de tração para evitar a perda do equipamento. Uma exceção é o WEARwatcher® da Henning GmbH & Co. KG.

Se os sinais de deterioração não forem detectados precocemente por pessoal de manutenção treinado e atuante, as polias e/ou cabos de suspensão do proprietário podem se deteriorar a ponto de precisarem ser substituídos muito antes do previsto. Isso geralmente ocorre por conta do proprietário.

Este artigo tem como objetivo ilustrar o que observamos em campo, como esse problema deve ser abordado por empresas de manutenção e proprietários, o que o código prevê e como a tecnologia pode ser usada para maximizar tanto a segurança quanto a vida útil dos equipamentos.

O Problema

A Figura 1 mostra o acúmulo de partículas magnéticas de aço no ponto de pinçamento do lado do contrapeso de uma máquina de tração com engrenagens. O elevador tem velocidade máxima de 1.75 m/s, 11 paradas, entrada apenas pela frente, opera em média 1,700 vezes por dia e tem apenas sete anos de uso. Ele faz parte de um conjunto de três unidades, porém as outras (com a mesma capacidade de serviço) não apresentam essa perda de material nas polias. Qual a diferença?

O proprietário foi avisado de que a polia precisava ser substituída, mas determinar quem é o responsável pelo dano (na ausência de uma causa exata da perda do material) é um desafio. A empresa de manutenção alega que os materiais são defeituosos; o fabricante alega que a responsabilidade é da empresa de manutenção. Descobrir a causa dessa ação destrutiva tornou-se o objetivo. Este artigo explica o que estava ocorrendo nessa situação e como impedi-la, quando possível.

Esta história começa com a tentativa de reduzir e eliminar os custos de manutenção mais fáceis de alcançar, como os chamados de retorno, utilizando o WEARwatcher como um sistema de telemetria para fornecer informações sobre o elevador que podem ser obtidas imediatamente via nuvem. Os chamados de retorno reduzem a eficiência do elevador e reduzem a necessidade de mão de obra para a manutenção. Nesse total, está embutida uma porcentagem de chamados de "Execução na Chegada" (ROA, na sigla em inglês). Esses são os chamados que desperdiçam tempo e dinheiro, nos quais, quando o técnico chega, a unidade está funcionando. Ela é testada, operada e documentada como ROA. Os ROAs representam 36% de todos os chamados de retorno em uma grande população de mais de 600 unidades mistas que utilizam o eMCP® como seu programa de controle de manutenção (MCP). Isso representa um grande uso ineficiente de mão de obra, despesas desnecessárias para o proprietário, tempo de manutenção perdido, etc.

Muitas empresas têm ideias sobre como reduzir essas ineficiências. O eMCP está incorporando dispositivos de telemetria para determinar a condição da unidade e, assim, decidir com segurança se o relatório de retorno indica uma possível ocorrência de problema ou se o retorno é realmente necessário. Uma avaliação cuidadosa dos perfis de condução e dos movimentos previsíveis fornece informações que, juntamente com o julgamento do mecânico, podem determinar se um retorno é realmente necessário. O eMCP integra o WEARwatcher para auxiliar na avaliação do retorno, mas outras informações também estão incluídas. Embora esteja fora do escopo deste artigo, essas informações adicionais lançam uma nova luz sobre o debate entre manutenção preditiva e preventiva.

O WEARwatcher incorpora medidores de tensão em cada cabo que proporcionam uma precisão de até 2.5%. Essa precisão iguala ou supera a de sistemas mecânicos. Um artigo anterior de um dos seus autores sobre testes alternativos (“Testes de segurança e amortecimento sem pesos”, ELEVATOR WORLD, setembro de 2010) utilizou a versão anterior dos mesmos medidores de tensão usados ​​neste artigo.

Ao ativarmos o sistema WEARwatcher, fomos imediatamente notificados de que havia uma “Diferença de tensão na corda. Verifique o tensionamento da corda”. Centenas de notificações foram enviadas por dia. Então, definimos o nível de erro do relatório para o máximo (40%) até conseguirmos tensionar as cordas corretamente, mas ainda recebemos algumas mensagens de erro. (Para contextualizar, a norma exige que as cordas sejam tensionadas com uma tolerância de 10%). Este é o mesmo elevador com acúmulo de material da polia de aço sob o ponto de pinçamento da polia. Nos perguntamos se esses problemas estavam relacionados.

Se os sinais de deterioração não forem tratados precocemente por pessoal de manutenção treinado e atuante, a polia e/ou os cabos de suspensão do proprietário podem se deteriorar a ponto de precisarem ser substituídos muito antes de sua vida útil projetada.

A ferramenta forneceu os dados.

O WEARwatcher mede as tensões dinâmicas da corda, que os autores consideraram o primeiro lugar a ser procurado para encontrar a resposta. A Figura 2 mostra o medidor de tensão de corda Henning LS-1 quando a análise do problema começou.

Existem cinco cabos no elevador, cada um com um medidor de tensão Henning LS aplicado. As leituras de 1 a 5 dos medidores de tensão são atribuídas a uma cor, e as cinco linhas coloridas representam graficamente a variação dinâmica da tensão durante um percurso (Figuras 3 a 5). A Figura 3 mostra graficamente as tensões dos cinco cabos ao longo de um percurso completo. As tensões variaram de 700 lb (317 kg) a 1,200 lb (544 kg) durante o deslocamento constante. A diferença de tensão é um problema: 1,200 – 700 lb = 500 lb entre as tensões mínima e máxima dos cabos. Os elementos de suspensão (cabos) estão igualmente tensionados quando a tensão máxima medida está dentro de 10% da tensão mínima medida. O requisito do código A17.1-2019/B44:19 é:

"8.6.4.1.3 Deve ser mantida a mesma tensão entre os elementos de suspensão individuais em cada conjunto. Considera-se que os elementos de suspensão estão igualmente tensionados quando a menor tensão medida estiver dentro de 10% da maior tensão medida. Quando a tensão dos elementos de suspensão for verificada ou ajustada, será permitido um dispositivo antirrotação em conformidade com os requisitos de 2.20.9.8.

Manual ASME A17.1/CSA B44 sobre Código de Segurança para Elevadores e Escadas Rolantes — 2016, uma coleção de textos que explicam a lógica por trás dos requisitos do código, detalha:

"8.6.4.1.3 Este requisito define "tensão igual" nos meios de suspensão como a tensão mais baixa dentro de 10% da tensão mais alta; 10% foi considerado prática padrão e alcançável. Este requisito permite a instalação de dispositivos antirrotação em conformidade com 2.20.9.8 quando a tensão da corda for verificada ou ajustada.

“Dispositivos antirrotação são um componente importante do sistema de suspensão. A necessidade deles não foi incluída no Código até a edição ASME A17.1-1993, que passou a exigir um laço único e contínuo de cabo de aço. No entanto, o tensionamento inadequado do cabo de aço pode causar o desalinhamento do conjunto manilha/cabo. Dispositivos antirrotação são permitidos como parte de uma substituição, desde que estejam em conformidade com o requisito 2.20.9.8. Este requisito também permite a incorporação de dispositivos antirrotação durante o retensionamento de cabos de suspensão.”

“A necessidade de manter uma tensão uniforme entre os elementos de suspensão é importante para garantir a máxima vida útil desses elementos e minimizar o desgaste das ranhuras das polias de acionamento. Vários instrumentos para verificar a tensão da corda foram desenvolvidos nos últimos anos para tornar o ajuste mais fácil e preciso.”

Partindo da posição parada, a tensão máxima é de 485 kg (1,070 lb); 10% dessa tensão é de 49 kg (107 lb). Essas cordas estavam com uma destensão de 151 kg (333 lb), aproximadamente 31%. Porém, durante a execução do teste, no instante “13.5”, a corda 1 apresentava uma tensão de 545 kg (1,200 lb) e a corda 5, de 309 kg (680 lb). Portanto, a diferença de tensão aumentou para 236 kg (520 lb), ou 43%. Consequentemente, o WEARwatcher estava enviando mensagens de erro constantes para equalizar as cordas.

Durante o teste, as diferenças de tensão mudaram: as cordas 1 e 2 aumentaram a tensão, enquanto as cordas 3, 4 e 5 diminuíram a tensão (Figura 3). Dois pontos importantes: a medição da tensão das cordas com o elevador parado na caixa do elevador não permite determinar as mudanças dinâmicas, o que provavelmente explica de forma mais clara por que, às vezes, é impossível equalizar a tensão das cordas em alguns trabalhos. Observar a variação da tensão das cordas representa um avanço significativo na manutenção de elevadores; algo que não conseguíamos ver antes.

A precisão dos medidores foi questionada devido às grandes variações nos valores. Para verificar se os medidores de tensão dos cabos LS não estavam enviando informações anômalas, a empresa de manutenção reposicionou todos os medidores LS em cabos diferentes e tentou equalizá-los. Após esse procedimento com o elevador no primeiro andar e o funcionamento da cabine, observou-se novamente tensões desiguais nos cabos (Figura 4). Os medidores de tensão dos cabos LS foram verificados; eles foram movidos para cabos com tensões diferentes, conforme indicado pelas mudanças de cor nos gráficos. Cada medidor recebeu uma cor, e sua movimentação para outro cabo alterava a cor do cabo. Na Figura 3, o medidor "marrom" estava no cabo 1 e, na Figura 4, foi movido para o cabo 5. Após comprovar que os medidores de tensão dos cabos LS não eram a causa do problema, o próximo passo foi concentrar os esforços na equalização dos cabos. Essa tentativa foi realizada, conforme mostrado na Figura 5.

Após a utilização de procedimentos tradicionais de equalização, as tensões resultantes ainda apresentavam grande divergência mesmo após o elevador subir e descer diversas vezes. Medir as tensões, ajustar as manilhas e, em seguida, operar a cabine, desequilibrava as cordas a cada vez. Observando mais atentamente a Figura 5, durante esse percurso, as cordas 1, 2 e 3 mostram um aumento na tensão, enquanto as cordas 4 e 5 mostram uma diminuição. Retomando as Figuras 3 e 4, também se observa que as tensões nas cordas aumentaram e diminuíram durante o percurso.

Após analisar os esforços para equalizar a tensão e observar os dados do gráfico do WEARwatcher, concluiu-se que as cordas não podiam ser tensionadas. Portanto, havia algo impedindo a equalização da tensão. Ficou claro que havia uma alteração na tensão da corda, possivelmente relacionada ao desgaste do material da ranhura.

Redução de Diâmetro

Dos dois componentes de tração, a redução no diâmetro de uma ranhura ou corda pode causar oscilações tão bruscas quanto as mostradas nas figuras. A quantidade de material perdido torna-se, então, a questão crucial: quanta perda de material é necessária para que o cliente precise substituir a polia? Por que isso ocorre e qual a sua causa?

Para entender essa questão, a pergunta que fiz foi: “O que acontece se um sulco ficar 0.010 pol. mais raso em diâmetro?” A conclusão óbvia é que a perda de material no sulco altera a distância circunferencial que a corda precisa percorrer. No entanto, um raio de 0.010 pol. faz diferença? Como o diâmetro é o dobro do raio, a Eq. (1) deriva a diferença circunferencial entre um sulco novo e um sulco desgastado:

(1)

onde dRopedpr é a distância da corda por revolução na polia, Circumferencesg é a circunferência com a ranhura padrão, Circumferencewg é a circunferência com a ranhura desgastada e Dsg é o diâmetro da ranhura padrão. A mesma equação é válida se o diâmetro da corda diminuir 0.010 pol.:

(2)

Para uma determinada combinação de corda e polia, a diferença de comprimento da corda por revolução da polia de tração, dado um diâmetro reduzido de 0.010 pol. (soma do diâmetro reduzido da polia e/ou do diâmetro reduzido da corda) é derivada na Eq. (3):

(3)

Para uma determinada altura de deslocamento, diâmetro da polia e relação de suspensão, podemos agora ter uma visão completa do que está acontecendo. Com os seguintes dados para o sistema de tração na Figura 1 (altura de deslocamento de 100 pés [1,200 polegadas], diâmetro da polia de 30 polegadas e relação de suspensão de 1:1), o deslizamento total da corda durante um percurso completo é a soma do deslizamento por revolução multiplicado pelo número de revoluções. Primeiro, vamos calcular o número de revoluções:

(4)

A diferença de deslizamento do comprimento da corda entre uma ranhura/corda sem redução de diâmetro e uma ranhura/corda com redução de diâmetro de 0.010 polegadas durante um percurso completo é:

(5)

Como seria de esperar, um diâmetro menor da ranhura de tração (ou diâmetro da corda) requer menos comprimento de corda por revolução da polia. Embora 0.8 polegadas não pareça muito para uma altura de deslocamento de 100 pés, vamos calcular o impacto disso em termos de força de deslizamento. Essa força faz com que a corda deslize sobre a ranhura de tração e desgaste o material.

As cordas se comportam como molas; elas possuem uma constante elástica, e seu comportamento na equalização de forças (devido às diferenças de tensão entre as cordas) é o que estamos considerando agora. Há uma força (tensão) em um lado da polia de tração que vai para o carro (T1) e outra força (tensão) que vai para o contrapeso (T2). Essa é a força que está sendo equalizada pelas características de uma mola. A diferença de força resultante pode ser usada para determinar a força que resulta do comprimento da corda devido às diferenças de diâmetro:

(6)

onde ∆Fslip é a variação da força que tende a fazer com que a corda deslize sobre a ranhura de tração, T1/T2; ∆l é a diferença no comprimento da corda; e c é a constante elástica da corda. A constante elástica da corda depende do seu comprimento real:

(7)

onde E é o módulo de alongamento da corda, A é a área da seção transversal metálica da corda e l é o comprimento real da corda.

A diferença de força resultante, combinando as equações em uma só, produz:

(8)

Quando o carro está no patamar superior, o comprimento do cabo entre a polia de tração e o carro (suspensão 1:1) é de aproximadamente 3.7 m (12 pés). Usando cabos de núcleo de fibra natural 8x19 de 15.8 mm (5/8 pol.), o módulo de alongamento do cabo, E, é de 16 x 10⁻⁵.⁶ psi (110 kN/mm²), sua área de seção transversal metálica, A, é 0.143 pol.2 (92.3 mm2), ∆l é a diferença de comprimento da corda derivada acima de 0.8 pol. (20.3 mm), e l é o comprimento real da corda de 12 pés (3.7 m) já mencionado.

(9)

A equação (9) calcula que 12,693 lbf (56 kN) de força são desenvolvidas em um lado da ranhura da polia na corda, em uma ranhura danificada ou com diâmetro reduzido. A tração (atrito) entre as cordas e a polia de tração é uma força muito menor, da ordem de 1,000 lbf (4.4 kN), portanto a corda desliza sobre a ranhura, já que a força de tração é consideravelmente menor que a força de deslizamento. (O deslizamento da corda é diferente do deslizamento lento da corda. O deslizamento ocorre quando a tração é perdida; o deslizamento lento da corda consiste em micromovimentos da corda que ocorrem normalmente durante o seu funcionamento.)

A norma A17.1/B44 define fluência como um ligeiro movimento incremental e natural dos elementos de suspensão ao longo do seu arco de contato com a polia motriz, devido à força de tração. Essa força de tração resulta de cargas de tração desiguais nos elementos de suspensão nos pontos de entrada e saída da polia motriz, da elasticidade à tração do elemento de suspensão e do trabalho de atrito que ocorre na direção de maior tensão. A fluência é independente do estado de movimento ou do sentido de rotação da polia motriz. Ela existe em todos os sistemas de tração e não representa perda de tração. Pode ocorrer com a polia motriz parada ou em rotação. Não causa desgaste do material da ranhura da polia.

Agora, vejamos o que acontece se a cabine estiver no andar inferior: usando novamente a Eq. (9), mas inserindo 100 pés para l (comprimento real da corda), que é a altura de percurso do elevador. Isso resulta em uma diferença de força de 1,523 lbf (6.8 kN), o que ainda indica uma diferença muito grande na força/tensão entre as cordas e está muito mais próximo das medições mostradas nas Figuras 3-5 (maior que a força de tração, portanto a corda desliza e a medição real da tensão é, consequentemente, menor) devido à menor profundidade do sulco. Disso se conclui que um comprimento de corda menor gera forças de deslizamento maiores. Essas condições ocorrem quando o elevador está próximo aos terminais.

Observar a variação da tensão dos cabos é um avanço significativo na manutenção de elevadores; algo que não conseguíamos ver antes.

(10)

Durante uma descida, o que acontece se uma ranhura ou cabo tiver um diâmetro muito menor que os demais? Apesar da presença de um dispositivo antirrotação (que impede que os cabos se desenrolem, aumentando seu comprimento), a cada rotação da polia de tração, esse cabo/ranhura danificado percorre uma distância menor que os outros. Isso resulta em um aumento da tensão no cabo, pois ele suporta mais carga que os demais, até que a força resultante seja suficiente para superar a força de tração.

Durante a subida, todas as outras cordas se movem mais por rotação da polia de tração do que a corda/ranhura danificada. As outras cordas agora suportam mais carga, e a corda/ranhura danificada perde tensão ("afunda"). À medida que a diferença entre a força de atrito da tração e a força da mola equalizadora excede um determinado valor, a corda desliza e "equaliza". Esse movimento desgasta o material da polia, como mostrado na Figura 1, porque a corda é muito mais dura do que a ranhura de tração. Ela está literalmente serrando (desgastando) a ranhura. Se não for corrigido, isso pode resultar na separação completa da própria polia.

Qualquer sinal de partículas metálicas deve desencadear imediatamente a tarefa de manutenção de equalização das cordas.

A Figura 6 mostra esse comportamento em um exemplo extremo. A corda destacada corresponde a duas gravações de elevadores diferentes. O aumento da tensão na descida está destacado à esquerda, e a diminuição da tensão na subida está destacada à direita. Essa variação de tensão causa o deslizamento da corda e faz com que o cabo de aço, muito mais rígido, desgaste o material da polia, como pode ser visto na Figura 1.

Verificação da redução do diâmetro de uma polia

No passado, a manutenção incluía o monitoramento da tensão das cordas. Com o tempo, as práticas mudaram e os danos causados ​​pela tensão desigual nas cordas aumentaram. O código adicionou a exigência de tensões iguais obrigatórias, com uma variação de no máximo 10%, para tornar esse procedimento de manutenção obrigatório. É evidente que esse não é um problema visível a olho nu. Portanto, os inspetores só podem observar partículas no solo para registrar uma infração. A medição da profundidade do sulco deve ser adicionada a todos os Planos de Manutenção Preventiva (PMPs) e à lista de verificação do inspetor. Essa é uma medição simples. 

A condição da profundidade relativa da ranhura da polia/diâmetro do cabo é determinada colocando-se uma régua sobre todos os cabos no topo da polia (máquina de acionamento superior) ou em qualquer ponto onde todos os cabos estejam totalmente encaixados nas ranhuras (Figura 7). Uma medição cuidadosa de qualquer variação na altura da coroa do cabo revelará uma diferença no diâmetro do cabo ou da ranhura. Quando a polia de tração tiver ranhuras mais profundas do que a borda externa da polia, coloque a régua e use calibradores de folga para verificar se as folgas sobre a coroa são equivalentes.

Ferramentas de equalização de corda

O mercado oferece ferramentas de equalização que podem facilitar a tarefa de equalizar a tensão em cabos. Essas ferramentas incorporam cilindros hidráulicos individuais para cada cabo, permitindo que o comprimento do cabo varie proporcionalmente à pressão de cada cilindro, ajustando as porcas dos grilhões em tempo real. Um exemplo desse sistema é o Rope Load Equalizer da Brugg Lifting. Além disso, o WEARwatcher exibe a tensão dos cabos, facilitando o ajuste.

Conclusão

Na Figura 1, as diferenças na tensão dos cabos deste elevador iniciaram um processo destrutivo quando o primeiro material começou a desgastar a ranhura da polia devido à tensão desigual dos cabos de aço. Isso foi causado pelo ajuste incorreto da fixação, redução do diâmetro do cabo e redução do diâmetro da ranhura de tração. Essa perda de material impede ainda mais a equalização das tensões dos cabos, danificando ainda mais a ranhura da polia. A causa inicial foi a tensão desigual dos cabos devido à inversão de tensão, seguida pela falta de verificação posterior e, pior ainda, pela constatação do acúmulo de partículas de material sob a máquina, sem que o problema fosse corrigido. A manutenção adequada deveria ter sido realizada anualmente para verificar 10% da tensão, ajustar as tensões dos cabos e medir a profundidade da ranhura.

A lição aqui é que qualquer sinal de partículas metálicas deve imediatamente acionar a tarefa de manutenção de equalização dos cabos. Se não for possível atingir uma equalização de 10% ou menos, deve-se examinar a profundidade do sulco e o diâmetro do cabo, e tomar as medidas apropriadas, como refazer o sulco (se possível) ou (na pior das hipóteses) substituir a polia. Não é que as propriedades do material tenham mudado, como alguns supuseram; o aço e os cabos de aço de hoje são os mesmos de 50 anos atrás. A equalização dos cabos e a medição do diâmetro do cabo e do sulco são tarefas de manutenção que devem ser realizadas regularmente para manter o sistema funcionando com segurança e garantir sua vida útil projetada.

Tim Ebeling Trabalha como chefe de desenvolvimento na Henning GmbH & Co. KG desde 2003. Nessa função, estabeleceu o centro de P&D em Braunschweig, Alemanha. Uma equipe de funcionários trabalha atualmente no desenvolvimento e na produção de componentes eletrônicos e de medição para elevadores. Desde 2012, também ocupa o cargo de diretor-geral. Sua especialização é em tecnologia de medição, área na qual possui vasta experiência no desenvolvimento de sistemas de medição de aceleração e carga em cabos.