Polia do elevador: tipos, perfis de ranhura, guia de inspeção e dicas de substituição

O que é uma polia de elevador e por que isso é importante?

Uma polia de elevador - também chamada de roldana na terminologia técnica - é uma roda ranhurada sobre a qual passam cabos de elevador ou correias de aço para transmitir movimento e suportar a carga da cabine do elevador e do contrapeso. Todo sistema de elevador de tração depende de polias para redirecionar o deslocamento do cabo, multiplicar a vantagem mecânica e transferir a força motriz da máquina de tração para o carro. Sem roldanas de elevador adequadamente projetadas, fabricadas e mantidas, os cabos se desgastariam rapidamente, a máquina de tração seria incapaz de mover o carro com eficiência e o risco de deslizamento do cabo ou falha mecânica aumentaria dramaticamente.

Os termos "polia de elevador" e "roldana de elevador" são usados ​​indistintamente na indústria, embora tecnicamente uma roldana se refira especificamente a uma polia ranhurada usada com corda ou cabo. Na engenharia de elevadores, a polia refere-se à própria roda ranhurada, enquanto a polia às vezes se refere ao conjunto completo, incluindo o eixo, os rolamentos e a carcaça. Independentemente da terminologia, esses componentes estão no centro de todo sistema mecânico de elevador de tração, e sua geometria, material, perfil de ranhura e condição determinam diretamente o desempenho do elevador, a vida útil do cabo e a segurança dos passageiros.

Este artigo aborda como funcionam as polias de elevador, os diferentes tipos usados ​​em sistemas de elevador, os materiais e padrões de fabricação envolvidos, como inspecioná-los e mantê-los e o que procurar ao especificar polias de substituição. Quer você seja um técnico de elevadores, um gerente de instalações prediais ou um engenheiro que projeta uma nova instalação, compreender detalhadamente as polias do elevador é fundamental para manter os sistemas de elevadores funcionando com segurança e eficiência.

Como funcionam as polias do elevador em um sistema de tração

Em um elevador de tração, a máquina de acionamento – um motor elétrico conectado a uma caixa de engrenagens ou um motor de acionamento direto sem engrenagem – gira uma roldana de tração. Cabos de aço ou correias de aço revestidas são colocados sobre a roldana de tração, com a cabine do elevador suspensa de um lado e o contrapeso do outro. O atrito entre a corda e as ranhuras da roldana de tração é o que move o carro para cima e para baixo – a máquina não puxa a corda como um guincho; ele o agarra por meio da tração. Esta distinção fundamental é a razão pela qual o perfil da ranhura, a relação entre o diâmetro do cabo e a roldana e o material da ranhura têm um impacto tão direto no desempenho do sistema.

Além da roldana de tração principal, um sistema de elevador completo utiliza diversas polias adicionais. As roldanas defletoras redirecionam o caminho do cabo da máquina de tração para o carro ou contrapeso quando a máquina não está posicionada diretamente acima do poço do elevador. As roldanas intermediárias mantêm a tensão do cabo e o alinhamento correto em todo o sistema. Em elevadores hidráulicos com cabos e em alguns sistemas de tração, múltiplas roldanas são dispostas em uma configuração de bloco de polias para obter vantagem mecânica - os arranjos de cabos 2:1 e 4:1 usados ​​em muitos sistemas de elevadores exigem roldanas defletoras e intermediárias para completar o caminho do cabo. Cada roldana no sistema contribui para a fadiga por flexão do cabo, de modo que o número de roldanas, seus diâmetros e os ângulos de flexão afetam a vida útil dos cabos.

Tipos de polias de elevador e suas funções específicas

Uma instalação completa de elevador utiliza vários tipos distintos de roldanas, cada uma projetada para uma função específica no sistema de cabos. Compreender o que cada tipo faz e onde está localizado ajuda a diagnosticar problemas e a especificar substituições corretas.

Polia de Tração (Roldana de Acionamento)

A roldana de tração é o principal elemento de acionamento do sistema de elevador. Ele é montado diretamente no eixo de saída da máquina de tração - seja por meio de uma caixa de engrenagens ou diretamente no eixo do motor sem engrenagens - e sua rotação aciona a cabine do elevador e o contrapeso por meio da fricção do cabo. As roldanas de tração são as polias mais carregadas do sistema, sujeitas tanto à tensão total do cabo quanto à fadiga por flexão dos cabos flexionando continuamente sobre a superfície da roldana. O perfil da ranhura deve corresponder precisamente ao diâmetro do cabo e o material da ranhura deve fornecer tração adequada sem causar desgaste excessivo do cabo. Os diâmetros das roldanas de tração variam de aproximadamente 320 mm em pequenos elevadores residenciais até mais de 800 mm em sistemas comerciais de alta velocidade.

Polia Defletora

Uma roldana defletora é usada para redirecionar o caminho do cabo da máquina de tração para o alinhamento vertical correto sobre o carro ou contrapeso quando a máquina não está posicionada diretamente acima da linha central do poço do elevador. Em instalações de elevadores sem casa de máquinas (MRL), onde a máquina de acionamento é montada no topo do poço do elevador, em vez de em uma sala de máquinas dedicada, as roldanas defletoras são particularmente importantes para estabelecer a geometria correta do cabo. As roldanas defletoras também são usadas em instalações suspensas em salas de máquinas, onde a máquina está deslocada do centro do poço do elevador. Eles suportam cargas significativas de tensão nos cabos e devem ser dimensionados e apoiados para suportar essas forças sem deflexão ou vibração.

Polia de carro e polia de contrapeso

Em configurações de corda 2:1 - onde o cabo viaja de um ponto de ancoragem fixo, desce em torno de uma roldana na estrutura do carro, volta para um defletor ou roldana suspensa e desce até o contrapeso - a roldana do carro e a roldana de contrapeso são montadas na estrutura do carro e na estrutura do contrapeso, respectivamente. Essas roldanas permitem que o carro e o contrapeso se desloquem à metade da velocidade do cabo de um sistema 1:1, o que reduz a velocidade necessária do cabo e permite que uma máquina de tração menor mova a mesma carga. As roldanas do carro devem ser projetadas com folga adequada para o cabo dentro da estrutura do carro, e seus rolamentos devem suportar a carga suspensa total do carro mais a carga nominal dividida entre as quedas do cabo.

Roldana Aérea (Roldana Secundária)

As roldanas suspensas são polias fixas montadas no topo do poço do elevador ou na estrutura suspensa da sala de máquinas que redirecionam os cabos entre a roldana de tração e o carro ou a roldana de contrapeso em configurações de cordas múltiplas ou complexas. Em sistemas de cordas 4:1 usados ​​em alguns elevadores de carga de baixa velocidade e alta capacidade, múltiplas roldanas suspensas completam o arranjo do bloco de polias. Essas roldanas são normalmente menores em diâmetro do que a roldana de tração e são projetadas principalmente para redirecionar o caminho do cabo em vez de fornecer tração.

Polia de compensação

Em edifícios altos onde o peso do cabo se torna significativo – normalmente em edifícios com mais de 30 metros de altura servida – cordas ou correntes de compensação são penduradas abaixo do carro e contrapeso para equilibrar o peso dos cabos de elevação enquanto o carro se desloca. Uma roldana de compensação é montada no poço do elevador para guiar os cabos de compensação e manter a tensão adequada. As roldanas de compensação são tensionadas pela gravidade e devem ser livres para se moverem verticalmente dentro dos limites para acomodar o alongamento e o movimento dinâmico do cabo durante a operação.

Perfis de ranhuras em roldanas de elevador e seus efeitos na vida útil do cabo

O perfil da ranhura de um polia do elevador é um dos aspectos tecnicamente mais críticos do projeto do elevador, afetando diretamente o desempenho da tração e a taxa de desgaste do cabo. Três perfis principais de ranhuras são usados ​​em roldanas de elevador, cada um representando uma compensação diferente entre tração, pressão do cabo e vida útil em fadiga do cabo.

Ranhura redonda (ranhura em U)

Uma ranhura redonda tem uma seção transversal circular com um raio ligeiramente maior que o raio do cabo – normalmente o raio da ranhura é 0,53–0,55 vezes o diâmetro do cabo. O cabo entra em contato com a ranhura em um grande arco (aproximadamente 120–150°), distribuindo a pressão de contato uniformemente por uma ampla área. Esta baixa pressão de contato produz deformação mínima do cabo e máxima vida útil em fadiga do cabo, tornando as roldanas com ranhura redonda a escolha preferida para todas as roldanas defletoras, roldanas de carro e roldanas suspensas onde a tração não é necessária. A limitação das ranhuras redondas nas roldanas de tração é que elas proporcionam menor tração (fricção) do que as ranhuras rebaixadas, o que pode ser insuficiente para sistemas com baixas relações de contrapeso ou altos requisitos de aceleração.

Ranhura em V com corte inferior

Uma ranhura rebaixada combina um formato de V com um corte inferior de pequeno raio na parte inferior. Os lados angulados da ranhura comprimem o cabo, gerando um efeito de cunha que aumenta significativamente a força normal entre o cabo e a ranhura — e, portanto, aumenta a tração disponível — em comparação com uma ranhura redonda sob a mesma tensão do cabo. O coeficiente de tração alcançável com uma ranhura recortada é normalmente 50-80% maior do que com uma ranhura redonda de ângulo de ranhura equivalente, razão pela qual as ranhuras recortadas são o perfil padrão para roldanas de tração na maioria das instalações de elevadores modernos. A desvantagem é uma maior pressão de contato nos arames do cabo nas bordas da ranhura, o que acelera o desgaste do cabo e reduz a vida útil do cabo. Os ângulos das ranhuras rebaixadas normalmente variam de 90° a 105°, com rebaixos mais profundos proporcionando maior tração ao custo de uma degradação mais rápida do cabo.

Ranhura em V (V completo)

Uma ranhura em V completa sem rebaixo gera tração máxima através de ação de cunha extrema, mas ao custo de pressões de contato muito altas que causam desgaste rápido do cabo. Ranhuras em V completas raramente são usadas em roldanas de tração de elevadores de passageiros modernos, mas podem ser encontradas em instalações mais antigas ou em algumas aplicações de elevadores de carga e de serviço. A alta pressão de contato cabo-ranhura em uma ranhura em V também causa desgaste rápido da ranhura, exigindo substituição mais frequente da polia de tração em comparação com projetos de ranhura rebaixada. Quando forem encontradas ranhuras em V completas em instalações existentes, sua condição deverá ser cuidadosamente avaliada durante as inspeções de manutenção.

Materiais e padrões de fabricação para polias de elevador

As roldanas do elevador são fabricadas com materiais selecionados para fornecer a combinação correta de dureza, tenacidade, usinabilidade e resistência ao desgaste para sua função no sistema. A tabela abaixo resume os principais materiais utilizados e suas características:

As roldanas do elevador devem estar em conformidade com os padrões de segurança relevantes, incluindo EN 81-20 e EN 81-50 na Europa, ASME A17.1 na América do Norte e GB 7588 na China. Esses padrões especificam relações mínimas de diâmetro entre roldana e cabo (normalmente D/d ≥ 40 para roldanas de tração onde D é o diâmetro primitivo da roldana e d é o diâmetro do cabo), tolerâncias de perfil de ranhura, requisitos de propriedades mecânicas do material e critérios de inspeção. A conformidade com esses padrões é obrigatória para a aprovação do tipo de elevador e é verificada durante a fabricação e durante as inspeções periódicas de segurança.

A relação D/d: por que o diâmetro da polia em relação ao diâmetro do cabo é crítico

A relação entre o diâmetro primitivo da roldana (D) e o diâmetro do cabo (d) - universalmente escrito como D/d - é um dos parâmetros mais importantes no projeto de cabos de elevador e sistemas de roldanas. Cada vez que uma corda se dobra sobre uma roldana, os fios externos da corda são esticados em tensão enquanto os fios internos são comprimidos. Quanto menor a roldana em relação ao cabo, mais severa será a tensão de flexão e mais rápido o cabo acumula danos por fadiga. Uma relação D/d de 40:1 — o mínimo normalmente exigido pelos padrões de segurança de elevadores para roldanas de tração — significa que, para um cabo de 13 mm, o diâmetro mínimo da roldana é de 520 mm.

Usar relações D/d maiores prolonga significativamente a vida útil do cabo. Dados de pesquisa e de campo mostram consistentemente que aumentar D/d de 40 para 60 pode mais que dobrar a vida útil do cabo sob carga equivalente. Sistemas de elevadores de alta velocidade e ciclos elevados — como aqueles em edifícios comerciais altos que fazem centenas de viagens por dia — geralmente especificam relações D/d de 60 a 80 ou mais para alcançar vidas úteis aceitáveis ​​dos cabos entre as substituições. A relação D/d deve ser mantida para todas as roldanas do sistema, não apenas para a roldana de tração, porque a fadiga por flexão do cabo é cumulativa em todas as roldanas com as quais o cabo entra em contato durante cada ciclo de manobra. As roldanas defletoras e as roldanas suspensas às vezes são especificadas com diâmetros menores que a roldana de tração, mas sua contribuição para a fadiga do cabo deve ser considerada no cálculo da vida útil geral do cabo.

Inspeção da polia do elevador: o que verificar e quando

A inspeção regular das roldanas do elevador é um elemento obrigatório da manutenção do elevador sob todas as principais normas de segurança. A inspeção das roldanas tem dois propósitos: identificar polias desgastadas ou danificadas antes que causem danos ao cabo ou falha do sistema e verificar se o sistema de polias continua a fornecer tração e vida útil adequadas do cabo. Os seguintes itens de inspeção devem ser incluídos em cada visita periódica de manutenção do elevador:

• Medição do desgaste da ranhura: Use um medidor de ranhura (um medidor de perfil passa/não passa correspondente ao perfil nominal da ranhura) para medir a profundidade e o perfil de cada ranhura. As ranhuras que apresentam desgaste além da tolerância do fabricante — normalmente mais de 10 a 15% de aumento no raio da ranhura ou achatamento visível de um perfil rebaixado — devem ser reusinadas ou a polia substituída. As ranhuras desgastadas reduzem a tração em uma roldana de tração e aumentam a pressão de contato do cabo nas roldanas defletoras, acelerando o desgaste do cabo.
• Condição da superfície da ranhura: Inspecione as superfícies da ranhura quanto a marcas, rachaduras, corrosão ou corrosão. A marcação – ranhuras longitudinais cortadas na ranhura da roldana por fios de cabo quebrados – cria concentrações de tensão no cabo e acelera dramaticamente a degradação do cabo. Qualquer roldana com ranhuras ranhuradas deve ser reusinada para restaurar uma superfície lisa da ranhura ou substituída se a profundidade da ranhura cair abaixo do mínimo após a reusinagem.
• Consistência da profundidade do sulco: Meça a profundidade da ranhura em todas as ranhuras em uma polia multiranhuras. Profundidades desiguais dos sulcos causam distribuição desigual de carga entre os cabos – o sulco mais raso carrega a carga mais alta, enquanto os cabos em sulcos mais profundos carregam menos tensão. Este desequilíbrio de carga acelera o desgaste do cabo sobrecarregado e reduz o fator geral de segurança do sistema. As ranhuras devem ser reusinadas se a variação de profundidade exceder 0,5 mm entre as ranhuras na mesma roldana.
• Condição do rolamento: Verifique os rolamentos da polia quanto a ruído, rugosidade ou folga excessiva girando a polia manualmente com os cabos removidos. Rolamentos ásperos, barulhentos ou soltos indicam falha na lubrificação ou desgaste do rolamento e devem ser substituídos imediatamente. Os rolamentos da polia com falha permitem o desalinhamento da polia, o que causa desgaste acelerado do cabo e carga anormal no eixo da polia e na estrutura de suporte.
• Alinhamento da polia: Verifique se a roldana está corretamente alinhada com o caminho do cabo – roldanas desalinhadas fazem com que o cabo corra em um ângulo através da ranhura, gerando forças laterais que desgastam o cabo e a ranhura de forma assimétrica e podem fazer com que o cabo salte pela ranhura em altas velocidades. O alinhamento é verificado usando uma régua ou ferramenta de alinhamento a laser nas faces da polia.
• Condição da proteção da polia: Verifique se todas as proteções das polias estão no lugar, sem danos e posicionadas corretamente para evitar o descarrilamento do cabo. Os padrões de segurança exigem proteções em todas as roldanas do elevador para reter o cabo na ranhura no caso de perda repentina de tensão.

Quando substituir uma polia do elevador

Decidir quando substituir uma polia de elevador em vez de continuar a operá-la ou reusinar as ranhuras é um julgamento que deve equilibrar segurança, vida útil do cabo e custo de manutenção. As condições a seguir exigem a substituição da polia ou a reusinagem da ranhura e devem ser tratadas como itens de ação obrigatórios quando identificadas durante a inspeção:

• Desgaste da ranhura além da tolerância: Quando as medições do medidor de desgaste da ranhura mostram que as ranhuras apresentam desgaste fora da tolerância especificada pelo fabricante para o raio da ranhura ou geometria do rebaixo, e quando resta material suficiente para permitir a reusinagem sem reduzir a base da ranhura abaixo da espessura mínima da parede, as ranhuras devem ser reusinadas. Se sobrar material insuficiente para reusinagem, substitua a polia.
• Rachadura ou fratura: Quaisquer rachaduras visíveis no corpo da polia, no cubo ou no aro exigem a substituição imediata da polia. Rachaduras em roldanas de ferro fundido se propagam rapidamente sob carregamento cíclico e podem resultar em fraturas catastróficas. Não tente reparar polias rachadas por soldagem ou outros meios.
• Marcação da ranhura do cabo que não pode ser usinada: Se a ranhura da ranhura for profunda o suficiente para que a reusinagem para remover as marcas da ranhura reduza a ranhura abaixo da profundidade mínima, a substituição será necessária.
• Danos por corrosão: Corrosões significativas nas superfícies das ranhuras ou no corpo da roldana em ambientes com alta umidade, exposição química ou maresia costeira podem exigir substituição quando a profundidade da corrosão comprometer a integridade estrutural da roldana ou a suavidade da superfície de contato do cabo.
• Desgaste da carcaça do rolamento: Se o furo do alojamento do rolamento estiver desgastado ou danificado de tal forma que a pista externa do rolamento não possa ser fixada com segurança, a polia deverá ser substituída – tentar usar rolamentos superdimensionados ou compostos de reparo adesivos em um alojamento desgastado não é uma prática de segurança aceitável em sistemas de elevadores.

Polias de elevador em MRL modernos e sistemas de alta velocidade

A tecnologia de elevadores sem casa de máquinas (MRL), que se tornou o tipo de instalação dominante para edifícios baixos a médios a partir do final da década de 1990, introduziu novos desafios e configurações para sistemas de roldanas de elevadores. Nas instalações MRL, a máquina de tração é montada dentro do poço do elevador - normalmente no topo - e a geometria do cabo deve ser estabelecida usando roldanas defletoras posicionadas dentro do espaço confinado da estrutura do poço do elevador. Isto impõe exigências muito maiores à precisão do posicionamento das roldanas, ao projeto do suporte estrutural e ao planejamento do acesso para manutenção do que as instalações convencionais da sala de máquinas. As roldanas defletoras MRL são frequentemente integradas no conjunto da placa da máquina ou montadas em suportes de aço dedicados, soldados ou aparafusados ​​à estrutura do poço.

Elevadores de alta velocidade que atendem edifícios altos – aqueles que viajam a 4 m/s ou mais – impõem demandas severas ao desempenho da roldana de tração. Em altas velocidades, a vibração do cabo, os efeitos aerodinâmicos e as forças de impacto dinâmicas nos pontos de entrada e saída da roldana do cabo aumentam substancialmente. As roldanas de tração de alta velocidade são invariavelmente de aço forjado ou ferro dúctil de alta resistência, balanceadas com precisão para minimizar a vibração, equipadas com rolamentos de alta precisão e projetadas com perfis de ranhura cuidadosamente otimizados que minimizam a fadiga do cabo enquanto mantêm a tração adequada. O surgimento de sistemas de correias de aço com revestimento plano (como Multibelt da Schindler e Gen2 da Otis) para velocidades de até 4 m/s introduziu roldanas revestidas de poliuretano como uma alternativa às roldanas de ferro ranhuradas, proporcionando operação mais silenciosa e maior vida útil da correia em aplicações de altura média, ao mesmo tempo que simplifica a fabricação de roldanas em comparação com roldanas de tração com ranhuras de precisão.