Tính toán lực cản phanh giảm tốc hệ thống thang thoát hiểm, mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng

K2t qu0 nghiên c:u KHCN<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> TÍNH TOÁN LỰC CẢN PHANH GIẢM TỐC<br /> CHO HỆ THỐNG THANG THOÁT HIỂM,<br /> MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG<br /> Nguy4n Ng6c H0i, Nguy4n Hoàng Trung Kiên<br /> Viện Khoa học An toàn Vệ sinh lao động Thành phố Hồ Chí Minh<br /> <br /> <br /> <br /> Tóm tắt<br /> Bài báo trình bày việc tính toán lực cản của cơ cấu phanh trong hệ thống thang thoát hiểm.<br /> Hệ thống thang thoát hiểm có bốn module, một module cố định, ba module di động và tự động<br /> lắp ghép vào nhau khi kích hoạt. Bài báo tính toán các thành phần lực của phanh để tạo ra lực<br /> cản cần thiết sao cho thang chuyển động lắp ghép với gia tốc mong muốn. Sau cùng là mô<br /> phỏng và thực nghiệm để kiểm chứng kết quả.<br /> T; khóa: Phanh giảm tốc, phanh an toàn, giảm gia tốc rơi tự do<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> H<br /> I. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> ệ thống thang thoát hiểm cho nhà phố Khi hệ thống thang thoát hiểm được kích hoạt<br /> là cơ cấu gồm bốn module lắp ghép các module sẽ lắp ghép tuần tự vào nhau theo<br /> với nhau tạo thành một thang liền thứ tự từ module (d) đến (a). Hệ thống hoạt động<br /> mạch. Khi chưa kích hoạt các thang được định bằng cơ và các cơ cấu di chuyển nhờ trọng lực.<br /> vị như trên Hình 1. Vấn đề đặt ra là khi các module di chuyển với gia<br /> tốc rơi tự do (9,8m/s2), vận tốc di chuyển của<br /> module lớn. Điều này sẽ gây nguy hiểm và đồng<br /> thời làm cơ cấu va chạm mạnh dẫn đến hư hại<br /> các bộ phận lắp ghép module. Vì vậy cần có một<br /> cơ cấu để hạn chế gia tốc chuyển động của<br /> module khi lắp ghép. Để giảm gia tốc rơi tự do<br /> của module cần tạo lực cản có chiều ngược với<br /> chiều chuyển động. Tạo lực cản có thể dùng đến<br /> đối trọng, phanh ma sát, phanh từ… Trong hệ<br /> thống thang thoát hiểm không gian thiết kế rất<br /> hạn chế, để tạo lực cản cho module cần cơ cấu<br /> nhỏ gọn, dễ chế tạo và hoạt động bằng cơ.<br /> Phanh là bộ phận không thể thiếu trong nhiều<br /> hệ thống cơ khí. Thường thấy nhất là hệ thống<br /> phanh xe máy, phanh an toàn thang máy, cầu<br /> Hình 1. Hệ thống thang thoát hiểm module<br /> trục… Trong thiết bị, phanh sẽ đóng vai trò hạn<br /> <br /> <br /> 108 Taïp chí Hoaït ñoäng KHCN An toaøn - Söùc khoûe & Moâi tröôøng lao ñoäng, Soá 1,2&3-2019<br />  K2t qu0 nghiên c:u KHCN<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> chế tốc độ hay dừng hẳn để đảm bảo an toàn.<br /> Mỗi loại phanh đều có những ưu, nhược điểm,<br /> đối với ứng dụng cụ thể mà chọn phanh phù<br /> hợp. Nhóm tác giả sẽ phân tích ưu, nhược điểm<br /> một số loại phanh thông dụng và đề xuất<br /> phương án phanh phù hợp với hệ thống thang<br /> thoát hiểm.<br /> 1.1. Phanh nêm (cơ) cho thang máy<br /> Hình 3a. Phanh má ngoài<br /> Hình 3b. Sơ đồ nguyên lý phanh má ngoài<br /> <br /> truyền động (1) và khung sườn (4). Khi có lực<br /> tác động vào bộ truyền động (1) lúc này hai má<br /> phanh (2) áp vào chuông phanh (3) sinh ma sát,<br /> tạo thành moment cản, có chiều ngược với<br /> chiều quay. Nhờ moment cản từ phanh, vận tốc<br /> quay của chuông (3) giảm xuống và cơ cấu<br /> Hình 2a. Phanh nêm thực tế chuyển động chậm lại. Hiệu suất của phanh cao<br /> Hình 2b. Sơ đồ nguyên lý của phanh nêm hay thấp phụ thuộc vào moment cản tạo ra từ<br /> má phanh. Moment cản phụ thuộc vào lực ép,<br /> Cabin thang máy di chuyển với vận tốc an hệ số ma sát giữa bố phanh và chuông phanh.<br /> toàn phanh sẽ không hoạt động. Khi cabin di Phanh này thường có kích thước khá lớn nên để<br /> chuyển với vận tốc lớn hơn vận tốc an toàn, lúc thu gọn người ta thường chọn vật liệu chuyên<br /> này phanh nêm hoạt động nhờ lực từ cơ cấu an dụng có hệ số ma sát cao, chịu mài mòn tốt và<br /> toàn Governor. Hai má phanh (3) di chuyển trong đặc biệt phải có hệ số ma sát ổn định ở nhiệt độ<br /> khung sườn phanh nêm (2) và ma sát với ray (1) cao. Hiện nay cơ cấu phanh má ngoài vẫn được<br /> để tạo ra lực cản, hướng di chuyển của má ứng dụng rất nhiều trong cuộc sống. Ưu điểm<br /> phanh theo hướng mũi tên trên Hình 2 và cabin của phanh má ngoài là không gây uốn trục, độ<br /> thang di chuyển chậm lại đến khi vận tốc bằng bền cao, dễ bảo trì, chi phí thấp. Nhược điểm<br /> không. Phanh nêm có ưu điểm hoạt động rất ổn của phanh là có kích thước lớn.<br /> định, độ an toàn cao, dễ chế tạo, hoạt động 1.3. Phanh đai ngoài<br /> không cần điện và giá thành rẻ. Đến nay hầu hết<br /> các loại thang máy đều vẫn còn được trang bị,<br /> nhưng có một số hệ thống thang máy sẽ dùng<br /> điện để kích hoạt thay vì dùng cơ.<br /> 1.2. Phanh má ngoài<br /> Phanh má ngoài có kết cấu đơn giản. Tùy<br /> theo những ứng dụng khác nhau sẽ có nguyên<br /> tắc hoạt động như thường đóng hay thường mở.<br /> Dẫn động cho phanh có thể bằng cơ, điện, thủy<br /> lực hoặc khí nén.<br /> Phanh má ngoài có cấu tạo gồm hai cụm má Hình 4a. Phanh đai ngoài thực tế<br /> phanh (2), chuông phanh (3), các chi tiết cơ khí Hình 4b. Sơ đồ nguyên lý phanh đai ngoài<br /> <br /> <br /> Taïp chí Hoaït ñoäng KHCN An toaøn - Söùc khoûe & Moâi tröôøng lao ñoäng, Soá 1,2&3-2019 109<br />  K2t qu0 nghiên c:u KHCN<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Phanh đai ngoài ra đời rất sớm và được trang - Chi phí chế tạo thấp;<br /> bị cho xe ô tô nhưng do nhiều khuyết điểm đã - Nguyên lý cơ hoạt động ổn định.<br /> dần đào thải. Hiện nay phanh đai vẫn được ứng<br /> dụng trên xe máy. Khuy2t đi3m:<br /> Phanh đai ngoài cấu tạo gồm trống phanh Hệ số ma sát không ổn định khi bị tạp chất<br /> (2), vòng đai ngoài (1) quấn quanh trống phanh bám vào phần trượt, má phanh.<br /> để tạo lực căng và các phần tử truyền động (3). Từ sơ đồ Hình 5 nhóm tác giả tiến hành tính<br /> Nguyên lý hoạt động của phanh đai ngoài tương toán các thông số lý thuyết, thiết kế 3D, mô<br /> tự với phanh má ngoài nhưng khác ở chỗ là phỏng chuyển động lắp ghép module và thực<br /> phanh đai ngoài tạo lực phanh bằng vòng đai. nghiệm. Vị trí cụm phanh của module mô tả trên<br /> Kết cấu loại phanh này khá đơn giản, gọn và dễ Hình 6.<br /> bố trí. Khuyết điểm phanh đai ngoài là độ tin cậy<br /> thấp. Nguyên nhân do nước, bụi dễ vào vòng đai Trong hệ thống thoát hiểm gồm bốn module<br /> và trống phanh làm giảm hệ số ma sát và vòng và mỗi module được trang bị một phanh giảm<br /> đai mau bị mài mòn. tốc riêng biệt. Tính toán cho từng phanh sẽ khác<br /> nhau, do hệ thống thang thoát hiểm sẽ lắp ghép<br /> Mỗi cơ cấu phanh đều có ưu, nhược điểm theo kiểu tuần tự từ module (d) vào (c), (c) vào<br /> riêng. Nhóm nghiên cứu kế thừa để thiết kế loại (b) và cuối cùng (b) vào (a), vị trí các thang mô<br /> phanh phù hợp với hệ thống thang thoát hiểm. tả Hình 1. Quá trình lắp ghép tuần tự sẽ làm tăng<br /> Phanh cần có thiết kế nhỏ gọn, kinh tế, dễ chế<br /> tạo, ổn định và hoạt động bằng cơ.<br /> 1.4. Đề xuất phanh cho hệ thống thoát hiểm 1 2 3 4<br /> <br /> Trong hệ thống thang thoát hiểm cơ cấu lắp<br /> ghép dạng trượt nên phương án phù hợp là cơ<br /> cấu phanh trượt. Cơ cấu phanh đề xuất cho hệ<br /> thống thang thoát hiểm được mô tả bằng sơ đồ<br /> Hình 5.<br /> Cụm phanh có cấu tạo gồm thanh trượt (1),<br /> má phanh (2), lò xo (3) và khung sườn (4). Bộ<br /> phận truyền động của phanh là lò xo nén. Thanh<br /> trượt là bộ phận để module di chuyển trong quá<br /> trình lắp ghép. Lò xo tạo lực ép cho má phanh,<br /> má phanh di chuyển có chiều như trên Hình 5. Hình 5. Sơ đồ nguyên lý cơ cấu phanh<br /> Khi má phanh ép sát vào thanh trượt sẽ tạo lực của hệ thống thang thoát hiểm<br /> cản cho module. Lực nén càng lớn thì ma sát<br /> càng cao và giúp module giảm vận tốc rơi khi lắp<br /> ghép. Hệ số nén lò xo được tính toán phù hợp<br /> với gia tốc của module khi lắp ghép, nhằm đảm<br /> bảo module di chuyển với vận tốc an toàn.<br /> .u đi3m:<br /> - Nguyên lý đơn giản giúp dễ dàng thiết kế,<br /> chế tạo; Hình 6. Vị trí phanh trên hệ thống<br /> - Linh hoạt, dễ bố trí trong không gian nhỏ; thang thoát hiểm<br /> <br /> <br /> 110 Taïp chí Hoaït ñoäng KHCN An toaøn - Söùc khoûe & Moâi tröôøng lao ñoäng, Soá 1,2&3-2019<br />  K2t qu0 nghiên c:u KHCN<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> khối lượng cho các cơ cấu lắp ghép phía sau ghép. Hành trình di chuyển của module (d)<br /> nên tính toán phanh sẽ thay đổi theo khối lượng. 3,028m. Các thông số, ký hiệu xem bảng phụ lục.<br /> Về nguyên lý hoạt động của phanh đều dùng<br /> chung cho cả hệ thống thang thoát hiểm. Trong II. XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ LÝ THUYẾT, MÔ<br /> bài báo chỉ trình bày tính toán, mô phỏng và thực PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM<br /> nghiệm cho lắp ghép đầu tiên (module (d) lắp 2.1. Lực ép phanh<br /> ghép module (c)).<br /> Từ những vấn đề nêu trên cần thực hiện việc Motion<br /> <br /> tính toán các thông số của phanh sao cho mod-<br /> 1 2 3 4<br /> <br /> <br /> <br /> ule (d) di chuyển đạt gia tốc là 3m/s2 (gia tốc<br /> 3m/s2 được chọn trong quá trình thử nghiệm hệ<br /> thống thang thoát hiểm, với gia tốc này module N<br /> lắp ghép không gây biến dạng). Gia tốc 3m/s2<br /> dùng làm đầu bài để tiến hành tính toán, mô<br /> phỏng cho hệ thống thang thoát hiểm. Bài báo<br /> sẽ thực hiện tính toán, mô phỏng và thực<br /> nghiệm. Sau cùng sẽ đưa ra so sánh, nhận xét<br /> kết quả. Tiếp theo tác giả sẽ trình bày việc xác Hình 8. Sơ đồ nguyên lý và phân tích<br /> định các thông số mô phỏng, thực nghiệm. Các lực cơ cấu phanh<br /> thông số gồm có lực ép phanh, gia tốc, vận tốc<br /> và chuyển vị của module (d) khi lắp ghép vào L i tr ng làm gi m v n t c di chuy n<br /> module (c). Các thông số của hệ thống được mô c a module (d) khi l p ghép. L i tr ng là<br /> tả như Hình 7.<br /> Fms Hình 8, P là tr ng l c c a module<br /> Trên hình mô tả vị trí hai thang khi chưa lắp (d). H s ma sát gi a phanh và t<br /> ch n là 0,25 (lo i b dán vào má phanh có h<br /> Thang Thang s ma sát 0,25). Kh ng c a module (d) là<br /> module (c) module (d)<br /> 18,6kg và hành trình di chuy n là 3,028m.<br /> L