Thiết kế hệ thống cơ điện tử Thang máy dẫn động thanh răng

Thang máy là thiết bị để tải người, hàng hoá, thực phẩm,… từ tầng này đến tầng khác, từ thấp tới cao. Nó được dùng trong các cao ốc, siêu thị, khách sạn, nhà hàng, bệnh viện,... Hiện nay thang máy là thiết bị rất quan trọng, đặc biệt là nhà cao tầng, hệ thống thang máy giúp con người tiết kiệm sức lực và thời gian khi di chuyển trong các tòa nhà. Cùng với đó là việc sản xuất rộng rãi và giá thành ngày càng rẻ nên thang máy ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong việc di chuyển. Trên thị trường hiện nay có rất nhiều loại thang máy và được phân loại theo nhiều cách khác nhau. Như thang máy để chở người, thang máy chở hàng; theo tốc độ có thang máy từ tốc độ thấp tới thang máy siêu tốc; theo tải trọng của thang máy được chia thành nhiều loại từ tải trọng nhỏ tới thang máy có tải trọng lớn; theo nguyên lý làm việc thì có thang máy dẫn động dây cáp và thang máy dẫn động thanh răng,… Tuy nhiên trong báo cáo này, nhóm sẽ tập trung vào tìm hiểu, nghiên cứu và thiết kế một hệ thống thang máy dẫn động thanh răng với đầy đủ chức năng dùng cho tòa nhà 5 tầng.

Lời mở đầu

Thang máy là thiết bị để tải người, hàng hoá, thực phẩm,… từ tầng này đếntầng khác, từ thấp tới cao Nó được dùng trong các cao ốc, siêu thị, khách sạn,nhà hàng, bệnh viện, Hiện nay thang máy là thiết bị rất quan trọng, đặc biệt lànhà cao tầng, hệ thống thang máy giúp con người tiết kiệm sức lực và thời giankhi di chuyển trong các tòa nhà Cùng với đó là việc sản xuất rộng rãi và giáthành ngày càng rẻ nên thang máy ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong việc

di chuyển

Trên thị trường hiện nay có rất nhiều loại thang máy và được phân loại theonhiều cách khác nhau Như thang máy để chở người, thang máy chở hàng; theotốc độ có thang máy từ tốc độ thấp tới thang máy siêu tốc; theo tải trọng củathang máy được chia thành nhiều loại từ tải trọng nhỏ tới thang máy có tải trọnglớn; theo nguyên lý làm việc thì có thang máy dẫn động dây cáp và thang máydẫn động thanh răng,… Tuy nhiên trong báo cáo này, nhóm sẽ tập trung vào tìmhiểu, nghiên cứu và thiết kế một hệ thống thang máy dẫn động thanh răng vớiđầy đủ chức năng dùng cho tòa nhà 5 tầng

Với ưu điểm là vận hành đồng bộ với sai số thấp cùng với đó là sức tải lớn,

hệ thống thang máy dẫn động thanh răng được thiết kế bao gồm giếng thang,buồng thang, hệ thống ray dẫn, hệ thống truyền động, cửa thang máy, các hệthống cảm biến và hệ thống đảm bao an toàn Các thành phần trên kết hợp và hỗtrợ nhau trong hoạt động tạo nên một hệ thống thang máy an toàn và hoàn chỉnh

Để làm được như vậy đòi hỏi việc nghiên cứu và tính toán tỉ mỉ, cẩn thận Cácbước cụ thể của việc thiết kế hệ thống thang máy dẫn động thanh răng sẽ đượctrình bày trong phần tiếp theo của báo cáo

Phần 1 Nội dung thiết kếNội dung 1: Phân tích nhiệm vụ thiết kế

Trước khi bắt đầu phát triển sản phẩm, cần phải làm rõ được nhiệm vụ thiết

kế một cách chi tiết Việc phân tích nhiệm vụ thiết kế trải qua các bước cơ bảnsau:

Bước 1: Thiết lập danh sách yêu cầu

NHÓM 10 DANH SÁCH YÊU CẦU CHO THANG MÁY

ĐƠN 5 TẦNG DẪN ĐỘNG THANH RĂNG 4/4/2021

Tiết diện giếng:

Cửa kiểm tra:

- Chiều cao 1.4m

- Chiều rộng  0.6m

- Không được mở vào trong giếng thang

- Phải được mở bằng chìa khóa

Cửa cứu hộ:

- Chiều cao1.8m

- Chiều rộng0.6m

- Không được mở vào trong giếng thang

- Phải được mở bằng chìa khóa

Hệ thống thông gió:

- Có lỗ thông gió ở đỉnh giếng

- Tổng diện tích lớn hơn 1% tiết diện ngang giếng thang

- Vận tốc đóng cửa trung bình 0.3 ÷ 0.4 m/s

Đèn tín hiệu báo:

- Đèn tín hiệu báo “có cabin đỗ ”

- Đèn chỉ bật khi cabin sắp dừng hoặc đã dừng tại mức sàn mỗi cửa tầng

- Đèn tín hiệu luôn sáng trong suốt quá trình cabin đỗ

Khóa và kiểm soát đóng của tầng:

- Không thể mở của khi cabin không dừng hoặc không ở trong vùng mở cửa của tầng đó

- Thang máy không thể đi khi cửa tầng chưa đóng

- Khóa cửa phải chắc chắn, không bị mở khi tác động lực < 1000N

- Chỉ cho phép các lỗi cần thiết (cửa, các

lỗ thông gió, cửa cứu hộ)

- Sử dụng vật liệu thân thiện, chống cháy,chống biến dạng

- Đạt đủ độ bền cơ học khi vận hành cũngnhư trong trường hợp khẩn

- Trang bị tay vịn an toàn cao 0.9 ÷ 1.1m

- Diện tích sàn tương tứng tải trọng định mức

- Trang bị nóc thoát hiểm

Thành phần nhập liệu:

- Thiết kế dễ hiểu, dễ thao tác

- Đường kính các nút tối thiểu 1.5cm

- Chiều cao bộ nhập liệu từ 1 ÷ 1.2m

- Trang bị màn hình báo tầng và kết quả nhập liệu

- Cường độ rọi sáng ≥ 50 lux

- Đèn chiếu sáng rõ mặt sàn và các thiết

bị điều khiển

- Trang bị nguồn sáng dự phòng tự động

Sử dụng động cơ điện 3 pha

Nguồn đầu vào 380V

- Ngắt điện khi động cơ quá tải

- Có thiết bị chống đảo pha

Chiếu sáng, thông gió

- Dùng nguồn độc lập để cung cấp điện chiếu sáng, thông gió

Thiết bị báo động cứu hộ

- Trong cabin phải có thiết bị báo động ở

vị trí dễ thấy và thuận tiện cho người dùng

- Điện cung cấp cho thiết bị báo động phải lấy từ nguồn điện cứu hộ

- Lắp điện thoại nội bộ

Kiểm soát quá tải

- Có thiết bị hạn chế quá tải

- Ngăn thang máy hoạt động khi đang quá tải

- Báo quá tải khi vượt quá tải định mức 10%

- Tín hiệu ánh sáng, âm thanh khi quá tải

- Cửa thang máy luôn mở khi quá tải

- Mọi thao tác chuyển bị loại bỏ

Nguồn khẩn cấp:

- Khởi động tự động khi mất điện

- Phục vụ hệ thống chiếu sáng, thông gió

- Cung cấp điện cho thiết bị báo động

- Khả năng duy trì ít nhất 1h

Thiết bị an toàn

Bảo vệ khi cabin đi xuống:

- Phải có các thiết bị an toàn để ngăn không cho cabin rơi tự do, đi xuống với tốc độ quá lớn

Bộ hãm an toàn:

- Hoạt động trong chiều chuyển động đi xuống

- Hoạt động khi cabin rơi tự do

- Dừng cabin khi vượt quá tốc độ của bộ khống chế vượt tốc

- Phải giữ được cabin trên ray dẫn hướng

Bộ khống chế vượt tốc:

- Phát động cho bộ hãm an toàn hoạt động khi vượt quá 115% vận tốc định mức

- Dễ dàng tiếp cận để kiểm tra bảo dưỡngĐiều khiển điện:

- Ngắt điện dừng máy trước khi cabin đạt tới tốc độ giới hạn của bộ khống chế vượt tốc

Giảm chấn cabin

- Phải có giảm chấn cabin ở giới hạn dưới

và giới hạn trên của hành trình cabin

- Tương ứng với cửa cabin

- Cửa lùa ngang

- Độ hở khi đóng < 0,006m

Đóng mở tự động

Dẫn hướng cửa:

- Vận hành không bị kẹt, trật hướng, vượt quá hành trình

- Dẫn hướng trên, dưới

Bảo vệ cửa khi vận hành

- Ngắt điện khi động cơ quá tải

- Có thiết bị chống đảo pha

Thiết bị báo động cứu hộ

- Trong cabin phải có thiết bị báo động ở vị trí dễ thấy và thuận tiện cho người dùng

- Điện cung cấp cho thiết bị báo động phải lấy từ nguồn điện cứu hộ

- Lắp điện thoại nội bộ

Kiểm soát quá tải

- Có thiết bị hạn chế quá tải

- Ngăn thang máy hoạt động khi đang quá tải

- Báo quá tải khi vượt quá tải định mức 10%

- Tín hiệu ánh sáng, âm thanh khi quá tải

- Cửa thang máy luôn mở khi quá tải

- Mọi thao tác chuyển bị loại bỏ

Nguồn khẩn cấp:

- Khởi động tự động khi mất điện

- Phục vụ hệ thống chiếu sáng, thông gió

- Cung cấp điện cho thiết bị báo động

- Khả năng duy trì ít nhất 1h

Thiết bị an toàn

Bảo vệ khi cabin đi xuống:

- Phải có các thiết bị an toàn để ngăn không cho cabin rơi tự do, đi xuống với tốc độ quá lớn

Bộ hãm an toàn:

- Hoạt động trong chiều chuyển động đi xuống

- Hoạt động khi cabin rơi tự do

- Dừng cabin khi vượt quá tốc độ của bộ khống chế vượt tốc

- Phải giữ được cabin trên ray dẫn hướng

- Bộ khống chế vượt tốc:

- Phát động cho bộ hãm an toàn hoạt động khi vượt quá 115% vận tốc định mức

Điều khiển điện:

- Ngắt điện dừng máy trước khi cabin đạt tới tốc độ giới hạn của bộ khống chế vượt tốc

Thông gió, chiếu sáng

Điện thoại, nút báo khẩn cấp

Ray dẫn hướng

Ít nhất bằng 2 thanh ray

Bảo vệ động cơ và các thiết bị điện

Thiết bị báo động cứu hộ

Kiểm soát quá tải

Phải có giảm chấn cabin ở giới hạn dưới và giới hạn trên của hành trình cabin

Giai đoạn 3: Trong mức độ nhất định, khái quát lại kết quả bước trước

Thông gió, chiếu sáng

Điện thoại, nút báo khẩn cấp

Bảo vệ động cơ và các thiết bị điện

Thiết bị báo động cứu hộ

Kiểm soát quá tải

Giai đoạn 4: Hình thành vấn đề theo các thuật ngữ trung lập về giải pháp

Thiết kế thang máy đơn dẫn động bằng bánh răng-thanh răng cho tòa nhà 5tầng

Bước 3: Thiết lập cấu trúc chức năng

a) Chức năng tổng thể

- Khái quát chức năng tổng thể của thang máy

Tín hiệu điều khiển

Vận chuyển người

Tín hiệu điện

Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc chức năng tổng thể của thang máy.

Chuyển đổi Điện – Cơ

Xử lý và điều khiển

Chứa người

Kiểm soát

vị trí Biến áp

Người và vật liệu

Bảo vệ

hệ thống điện

Báo khẩn cấp

Kiểm soát quá tải

Khống chế tốc độ

Báo tín hiệu

Dẫn động

Kiểm soát đóng mở cửa tầng

Chiếu sáng

Kiểm tra và cứu hộ

Gọi thang

Hãm an toàn

Nguồn khẩn cấp

Giảm chấn cabin Chọn tầng

Điện năng

Tín hiệu

điều khiển

Tín hiệu hiển thị

Tín hiệu khẩn

Người và vật liệu

Thông gió

15

0

Chống ngắn mạch

Chống đảo pha

Truyền động

hướng

Truyền động

Nguồn phát động

Dẫn hướng cửa

Phát hiện vật cản

Đảo ngược hành trình cửa

Mở khóa cứu hộ

Hình 1.3 Sơ đồ cấu trúc chức năng bảo vệ hệ thống điện thang máy

Hình 1.4 Sơ đồ cấu trúc chức năng dẫn động thang máy

Hình 1.5 Sơ đồ cấu trúc chức năng kiểm soát đóng mở cửa thang máy

- Khống chế tốc độ

lực kéo thang Tốc độ

Xử lý và điểu khiển

Lực kéo thang

Hình 1.6 Sơ đồ cấu trúc chức năng kiểm soát vận tốc thang máy

- Hãm an toàn

Phanh an toàn Phát hiện

vượt tốc

Ngắt hệ dẫn động

Cabin Tốc độ

Nguồn phát động kéo thang

Đo vị trí

Đóng mở cửa

Hình 1.7 Sơ đồ cấu trúc chức năng hãm an toàn của thang máy

Hình 1.8 Sơ đồ cấu trúc chức năng kiểm soát vị trí thang máy

- Kiểm soát vị trí thang

- Kiểm soát quá tải cho thang

- Chức năng nhập liệu

20

Nguồn phát động kéo thang

Đo khối lượng

Lực kéo thang

Báo quá tải

Xử lý và điểu khiển

Tín hiệu

Hình 1.9 Sơ đồ cấu trúc chức năng kiểm soát quá tải cho thang máy

Máy biến áp một pha

3 Ngắt điện khi quá tải Cầu chì Aptomat Rơ-le

4 Chống đảo pha Mạch chống đảo pha Contactor

5 Khống Đo tốc độ Encoder Tốc kế điện tử

Khoang Cabin

Chiếu sáng + Thông gió

Đóng mở cửa Nhập liệu

Tín hiệu khẩn

Tín hiệu hiển thị

Hiển thị Chọn tầng

chế tốc

độ

6

Nguồn phát động kéo thang

Động cơ ba pha Động cơ điện

xoay chiều

Động cơ điệnmột chiều

7 Chuyển đổi điện cơ

Động cơ điện

ba pha

Động cơ điện xoay chiều

Động cơ điệnmột chiều

mở cửa

Đông cơ điện xoay chiều

Động điện một chiều

Pittong

1

3

Truyền động

1

4

Dẫn hướng cửa

Ray dẫn hướng Khe dẫn hướng

1

5

Đảo ngược hành trình

Cơ cấu đảo hành trình

Mạch đảo chiều động cơ1

6

Phát hiện vật cản

Công tắc hành trình

Cảm biến tiệm cận

Cảm biến lực

1

7

Mở khóa cứu hộ

Chìa khóa chữ T Chìa khóa tam

Cảm biến gia tốc

Bộ ly tâm

1

9

Phanh an toàn

Phanh sử dụng nam châm điện

2

0

Ngắt hệ dẫn động

Cơ cấu ngắt hệ dẫn động

Mạch tắt động cơ

Bộ ly hợp

2 Kiểm Đo vị trí Cảm biến tiệm Công tắc hành

Động cơ xoay chiều

Động cơ một chiều

Pittong

2

4

Nguồn phát động kéo thang

Động cơ điện

ba pha

Động cơ điện xoay chiều

Cảm biến tải trọng

Động cơ điện

ba pha

Động cơ điện xoay chiều

Mở một phía Mở hai phía

Nút ấn khẩn cấp Điện thoại

khẩn3

9 Kiểm tra và cứu hộ

Cửa cứu hộ Cửa kiểm tra

Giảm chấn thủy lực

Bảng 1.1 Nguyên tắc làm việc cho từng chức năng trong thang máy

Bước 5: Kết hợp các nguyên tắc làm việc

Các nguyên tắc làm việc được kết hợp thành các biến thể được biểu diễnnhư trong bảng 1.1 Cụ thể những nguyên tắc được đặt ký hiệu cùng màu sẽ tạothành một biến thể Theo bảng 1.1 ta có thể thấy có ba biến thể với ba màu khácnhau được chọn ra tương ứng màu đỏ (biến thể 1), vàng (biến thể 2) và xanh(biến thể 3) Từ đây ta xét tới tính khả thi của các biến thể vừa được tạo ra

Bước 6: Lựa chọn biến thể phù hợp

Sau khi kết hợp các nguyên tắc làm việc (biểu diễn trên bảng 1.1), ta được

ba biến thể tiêu biểu:

Biến thể 1: 1.1 2.3 3.2 4.1 5.2 6.1 7.1 8.3 9.1 10.2 11.1 12.1

-13.1 - 14.1 - 15.1 - 16.2 - 17.1 - 18.1 - 19.1 - 20.1 - 21.1 - 22.1 - 23.2

24.1 25.1 26.1 26.2 27.1 28.2 29.2 30.2 31.2 32.1 32.2 - 33.1 - 34.2 - 35.2 - 36.2 - 37.1 - 38.2 - 39.1 - 39.2 - 40.3 - 41.1

42.2;

Biến thể 2: 1.2 - 2.1 - 3.1 - 4.1 - 5.1 - 6.2 - 7.1 - 7.3 - 8.2 - 9.1 - 10.1 - 11.2 - 12.3

13.2 14.2 15.1 16.3 17.1 18.2 19.2 20.2 21.2 22.3 23.3 - 24.2 - 25.1 - 26.2- 27.2 - 28.3 - 29.2 - 30.3 - 31.2 - 32.2 - 33.2

34.2 35.3 36.1 37.1 38.1 39.1 40.1 41.2 42.1;

Biến thể 3: 1.1 - 1.2 - 2.2 - 3.2 - 4.2 - 5.1 - 6.1 - 7.1 - 7.3 - 8.1 - 9.1 - 10.1 - 11.1

12.2 13.3 14.2 15.2 16.1 17.1 18.2 19.3 20.3 21.2 22.1 - 23.2 - 24.1 - 25.1 - 26.3 - 27.1 - 28.1 - 29.1 - 30.1 - 31.1 - 32.1

33.1 34.1 35.1 36.2 37.2 38.1 38.2 39.1 39.2 40.2 41.1 - 42.2;

-Để lựa chọn ra được biến thể phù hợp nhất, ta tiến hành xây dựng các tiêuchí để đánh giá và so sánh các biến thể Tuy nhiên độ phức tạp và quan trọngcủa các tiêu chí để đánh giá là khác nhau, vì thế để có thể bao quát và thấy đượcmức độ quan trọng của các tiêu chí, ta xây dựng một cây mục tiêu

Trong cây mục tiêu bao gồm những tiêu chí đặt ra cho biến thể Trong cáctiêu chí lớn có những tiêu chí nhỏ hơn được đặt ra Số điểm bên trái (w) là độquan trọng của tiêu chí đó với tiêu chí lớn hơn, số điểm bên phải (wt) là độ quantrọng của tiêu chí đó với tổng thể hệ thống (hình 1.12).

Hình 1.12 Sơ đồ cây các tiêu chí đánh giá cho hệ thống thang máy( thang điểm 100)

Việc đánh giá chi tiết các biến thể trình bày ở bảng 1.2.

S

T

T Tiêu chí Thông số

Tỷ trọng đáp ứng (%)

Biến thể 1 Biến thể 2 Biến thể 3

Đánh giá

Tỷ trọng đáp ứng

Đánh giá

Tỷ trọng đáp ứng (%)

Đánh giá

Tỷ trọng đáp ứng (%)

1 Độ mài mòn

thấp Độ mài mòn 5.6

Trung bình 3 Cao 2.1

Trung bình 3.2Rung lắc

thấp Tần số rung 14 Thấp 9 Thấp 12 Cao 6

Ít nguồn gây

nhiễu

Số nguồn nhiễu 8.4 Nhiều 4 Nhiều 3.5 Ít 6.8Khả năng

chịu tải tốt

Phần trăm chịu quá tải 12

Trung bình 8 Cao 11

Trung bình 8Kết cấu cơ

Trung bình 5 Thấp 7

Số lượng

chi tiết nhỏ

Số lượng chi tiết 3

Trung bình 1.4 Cao 1

Trung bình 1.8Thiết kế chi

tiết đơn giản Độ phức tạp 1.2

Trung bình 0.6 Cao 0.4

Trung bình 0.8

Độ phổ

thông của

chi tiết

Độ phổ biến của chi tiết 1.8 Thấp 1.1 Thấp 1 Cao 1.5Lắp ráp đơn

giản

Mức độ đơn giản 4

Trung bình 2.5 Thấp 1.5 Cao 3.3

Dễ dàng bảo

Trung bình 3.8 Thấp 3 Cao 4.5

Trung bình 3.5

Bảng 1.2 Đánh giá các biến thể

Qua quá trình đánh giá ta thấy biến thể số 3 có số điểm đánh giá cáo nhất

và xếp hạng tổng thể tốt nhất Điều đó cơ bản chứng tỏ biến thể 3 được tối ưu tốtnhất đối với các tiêu chí đề ra Vì vậy biến thể 3 do đó đại diện cho một giảipháp nguyên tắc tốt để bắt đầu giai đoạn thiết kế cụ thể

Bước 7: Tính toán chi tiết

1 Bảo vệ hệ thống điện

a) Aptomat:

Aptomat được dùng như bộ phận ngắt mạch cho toàn bộ hệ thống, hoạtđộng khi dòng điện trong hệ thống vượt quá mức an toàn để giữ an toàn cho cácthiết bị được mắc sau nó Ưu điểm của Aptomat là đóng mở nhanh, tạo ít tia lửatrong quá trình đóng mở, có thể khôi phục trạng thái đóng cắt mà không mấtthời gian thay thế như cầu chì

b) Contactor chống đảo pha:

Với hệ thống thang máy sử dụng dòng điện ba pha, việc chống đảo pha làrất cần thiết Để tránh tình trạng đảo pha khiến động cơ đột ngột đảo chiều gâynguy hiểm cho người trong cabin và hệ thống, người ta sử dụng moduncontactor chống đảo pha làm thiết bị chống đảo pha cho động cơ kéo

Hình Aptomat ba pha

Contactor chống đảo pha là một cụm đóng ngắt tự động được mắc vàonguồn ba pha để giám sát hoạt động của nguồn Khi một pha bị mất hoặc xảy ra

hiện tượng đảo pha thì tiếp điểm mắc trên mạch nguồn sẽ mở để ngắt điện chomạch động lực

2 Dẫn động thang máy

a) Bộ giảm tốc

Bộ giảm tốc là một hệ bánh răng được lắp ghép với nhau theo quy tắc tăng

tỉ số truyền cùng với đó làm giảm tốc độ quay của trục dẫn động nhờ vào sựkhác nhau giữa đường kính và số răng giữa các cặp bánh răng ăn khớp trong bộgiảm tốc Hộp giảm tốc sử dụng trong thang máy là hộp giảm tốc bánh răng, trục

sơ cấp được nối với động cơ chính và trục thứ cấp của hộp giảm tốc được nốivới bộ truyền động của thang máy

30

Hình 1.13 Contactor chống đảo pha

b) Truyền động

Thang máy thanh răng, bánh răng sử dụng hệ truyền động bằng bánh răng

và thanh răng Bánh răng phát động được nối với đầu ra của bộ giảm tốc và tiếpxúc với thanh răng Thanh răng được cố định với giếng thang trong khi đó bánhrăng cùng bộ giảm tốc sẽ lắp cố định trên thân thang máy

c) Dẫn hướng

Ray dẫn hướng được lắp đặt dọc theo giếng thang có nhiệm vụ dẫn hướngcho cabin chuyển động dọc theo hố thang, đảm bảo cabin không bị dịch chuyểntheo phương ngang bằng cách giữ chúng luôn nằm ở vị trí thiết kế ban đầu trong

hố thang máy

3 Kiểm soát đóng mở cửa

Động cơ

Bộ giảm tốc