Thiết kế thang máy

Cho mô hình thang máy nh sau:

Động cơ Hộp số
puli chủ động

Thanh dẫn
Đối trọng




puli bị động



Các số liệu cho nh sau:
Tốc độ : V = 2 m/s
Gia tốc : a = 1,5 m/s
2
Chiều cao mỗi tầng : h
0
= 4 m
Số tầng : n = 8 tầng
Trọng lợng Cabin : G
0
= 900 kg
Trọng lợng tải : G
đm
= 700 kg
Đờng kính puli : D = 0,4 m
nội dung thiết kế

1
Hình 1
chơng I: Mô tả công nghệ và yêu cầu truyền động
I. Mô tả chung về thang máy:
Thang máy là thiết bị vận tải dùng để chở ngời và hàng hoá theo
phơng thẳng đứng. Nó là một loại hình máy nâng chuyển đợc sử dụng rộng
rãi trong các ngành sản xuất của nền kinh tế quốc dân nh trong ngành khai
thác hầm mỏ, trong ngành xây dựng, luyện kim, công nghiệp nhẹ... ở những
nơi đó thang máy đợc sử dụng để vận chuyển hàng hoá, sản phẩm, đa công
nhân tới nơi làm việc có độ cao khác nhau... Nó đã thay thế cho sức lực của
con ngời và đã mang lại năng suất cao.
Trong sinh hoạt dân dụng, thang máy đợc sử dụng rộng rãi trong các toà
nhà cao tầng, cơ quan, khách sạn... Thang máy đã giúp cho con ngời tiết
kiệm đợc thời gian và sức lực...
ở Việt Nam từ trớc tới nay thang máy chỉ chủ yếu đợc sử dụng trong công
nghiệp để trở hàng và ít đợc phổ biến. Nhng trong giai đoạn hiện nay nền
kinh tế nớc ta đang có những bớc phát triển mạnh thì nhu cầu sử dụng thang
máy trong mọi lĩnh vực ngày càng tăng lên.
Có thể phân loại thang máy nh sau:
1.Phân loại theo chức năng:
a.Thang máy chở ng ời:
Gia tốc cho phép đợc quy định theo cảm giác của hành khách: a 1,5 m/g
2
+Dùng trong các toà nhà cao tầng: loại này có tốc độ trung bình hoặc
lớn, đòi hỏi vận hành êm, an toàn và có tính mỹ thuật...
+Dùng trong bệnh viện : Phải đảm bảo rất an toàn, sự tối u về độ êm
khi dịch chuyển, thời gian dịch chuyển, tính u tiên đúng theo các yêu cầu của
bệnh viện...
+Trong các hầm mỏ, xí nghiệp: đáp ứng đợc các điều kiện làm việc
nặng nề trong công nghiệp nh tác động của môi trờng làm việc: độ ẩm, nhiệt

độ; thời gian làm việc, sự ăn mòn...
b.Thang máy chở hàng:
Đợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, trong kinh doanh...Nó đòi hỏi cao
về việc dừng chính xác buồng thang máy đảm bảo cho việc vận chuyển hàng
hoá lên xuống thang máy đợc dễ dàng thuận lợi...
2.Phân loại theo tốc độ dịch chuyển:
Thang máy tốc độ chậm: V = 0,5 m/s
Thang máy tốc độ trung bình: V = 0,75 ữ 1,5 m/s
Thang máy tốc độ cao: V = 2,5 ữ 5 m/s
3.Phân loại theo tải trọng:
Thang máy loại nhỏ: Q
Tm
< 160 KG
Thang máy loại trung bình: Q
Tm
= 500 ữ 2000 KG
Thang máy loại lớn: Q
Tm
> 2000 KG
2
II.Đặc điểm phụ tải của thang máy và các yêu cầu
truyền động cho thang máy:
Phụ tải thang máy là phụ tải thế năng
Vị trí các điểm dừng của thang máy để đón, trả khách trên hố thang
là các vị trí cố định, đó chính là vị trí sàn các tầng nhà.
Động cơ truyền động thang máy làm việc với phụ tải ngắn hạn lặp
lại, mở máy và hãm máy nhiều.
Vì đây là thang máy chở ngời, nên đòi hỏi cao về độ chính xác khi
dừng máy: Khi G
tải trọng

= 2,5 G
đm
thì yêu cầu khi dừng, khoảng cách
từ sàn Cabin đến mặt sàn tầng nhà 2 cm.
Đảm bảo gia tốc Cabin khi khởi động và khi dừng nằm trong giới
hạn cho phép (vì không đợc để cho ngời trên thang có cảm giác bị
giật).
Biểu đồ phụ tải thang máy



3
s,v
O
v,m/s
a
a
t
v
s
a
mo may c.d on dinh
ham xuong
toc do thap
a,
a,m/s
,m/s
Vmin
s : vi tri
Ch ơng II : Phân tích - lựa chọn ph ơng án

Động cơ dùng để kéo pu li cáp trong thang máy là loại động cơ
có điều chỉnh tốc độ và có đảo chiều quay ( quá trình nâng, hạ của thang
máy).
Nh vậy, để thực hiện đợc truyền động trong thang máy chúng ta phải có 2 ph-
ơng án chính sau :
+ Dùng hệ truyền động chỉnh lu - triristo, động cơ 1 chiều có đảo chiều
quay.
+ Dùng hệ truyền động xoay chiều có điều chỉnh tốc độ
Sau đây chúng ta sẽ đi vào phân tích u nhợc điểm hai loại hệ truyền động này
để từ đó chọn ra 1 phơng án truyền động phù hợp nhất dùng trong thang máy.
II.1. Hệ Truyền Động Chỉnh L u - Triristo có đảo chiều quay .
Hệ Truyền Động T-Đ có đảo chiều quay đợc xây dựng trên hai
nguyên tắc cơ bản :
- Giữ nguyên chiều dòng điện phần ứng và đảo chiều dòng kích từ của động
cơ .
- Giữ nguyên chiều dòng kích từ và đảo chiều dòng điện phần ứng
Từ hai nguyên tắc cơ bản này ta có năm loại sơ đồ chính
Sơ đồ 1 : Truyền động dùng 1 bộ biến đổi cấp cho phần ứng và đảo chiều
quay bằng đảo chiều dòng kích từ.
Loại sơ đồ này dùng cho công suất lớn và rất ít đảo chiều .
Sơ đồ 2 : Truyền động dùng 1 bộ biến đổi cấp cho phần ứng và đảo chiều
quay bằng công tắc tơ chuyển mạch ở phần ứng ( từ thông giữ không đổi)
4
Hình 1
Loại này dùng cho công suất nhỏ, tần số đảo chiều thấp .
Sơ đồ 3 : Truyền động dùng hai bộ biến đổi cấp cho phần ứng điều khiển
riêng. Hệ này có u điểm là dùng cho mọi dải công suất, có tần số đảo chiều
lớn
Sơ đồ 4 : Truyền động dùng hai bộ biến đổi nối song song ngợc điều khiển
chung .Loại này dùng cho mọi dải công suất vừa và lớn, thực hiện đợc công

việc đảo chiều êm hơn.
5
Hình 2
Hình 3
Hình -4
Sơ đồ 5 : Truyền động dùng hai bộ biến đổi nối theo sơ đồ chéo điều khiển
chung. Sơ đồ dùng cho mọi dải công suất vừa và lớn thực hiện việc đảo chiều
êm
Tuy nhiên kích thớc cồng kềnh, vốn đầu t và tổn thất lớn.(Hình-5)
6
Hình 5
Mạch điều khiển của 5 loại sơ đồ này có thể chia làm hai loại chính :
a. Điều khiển riêng :
Nguyên tắc : Khoá các bộ biến đổi mạch phần ứng để cắt dòng, sau đó
tiến hành chuyển mạch, nh vậy khi điều khiển sẽ tồn tại một thời gian gián
đoạn, sơ đồ 1,2,3 đợc điều khiển theo nguyên tắc này .
Khi điều khiển riêng có hai bộ diều khiển làm việc riêng rẽ với nhau .
Tại một thời điểm thì chỉ có một bộ biến đổi có xung điều khiển còn bộ
biến đổi kia bị khoá do không có xung điều khiển. Trong một khoảng thời
gian thì BĐ1 bị khóa hoàn toàn và dòng phần ứng bị triệt tiêu, tuy nhiên suất
điện động phần ứng E vẫn còn dơng. Sau khoảng thời gian này thì phát xung

2
mở bộ biến đổi 2 đổi chiều dòng phần ứng động cơ đợc hãm tái sinh.
Hệ truyền động có van đảo chiều điều khiển riêng có u điểm là làm việc an
toàn không có dòng cân bằng chảy giữa các bộ biến đổi song cần có 1
khoảng thời gian trễ trong đó dòng điện động cơ bằng không .
b.Điều khiển chung :
Nguyên tắc : Tại một thời điểm thì cả hai bộ biến đổi BĐ1 và BĐ2 đều nhận
đợc xung mở nhng chỉ có một bộ biến đổi cấp dòng cho nghịch lu còn bộ

biến đổi kia làm việc ở chế độ đợi. Sơ đồ 4, 5 thực hiện theo nguyên tắc
này.Trong phơng pháp điều khiển chung mặc dù đảm bảo E
d2
=E
d1
tức
là không xuất hiện giá trị dòng cân bằng song giá trị tức thời của suất điện
động của các bộ chỉnh lu là e
d1
(t) và e
d2
(t) luôn khác nhau do đó vẫn xuất
hiện thành phần xoay chiều của dòng điện cân bằng và để hạn chế dòn.
II.2 Ph ơng pháp biến đổi tần số
Phơng pháp này điều chỉnh tốc độ động cơ dựa trên nguyên tắc điều chỉnh
tần số f
1
sang tần số f
2

Khi điều chỉnh tần số động cơ KĐB thờng kéo theo cả việc điều chỉnh điện
áp, dòng điện hoặc cả từ thông mạch stato.
Do vậy đây là một phơng pháp phức tạp phải dùng nhiều thiết bị .
Có hai loại biến tần :
Biến tần trực tiếp : Loại này có sơ đồ cấu trúc rất đơn giản

f
1
f
2

Điện áp vào xoay chiều U
1
(tần số f
1
) qua một mạch van là ra ngay tải với
tần số f
2
. Bộ biến tần này có hiệu suất biến đổi năng lợng cao tuy nhiên thực
tế sơ đồ mạch van khá phức tạp, có số lợng van lớn nhất với mạch 3 pha.
Việc thay đổi tần số ra f
2
khó khăn và phụ thuộc nhiều vào tần số f
1
7
Mạch van
Hình 6
* Biến tần gián tiếp : Có cấu trúc nh sau :
(xoay chiều) (một chiều) (xoay chiều)

U
1
U U U
2



f
1

f
2
Điện áp xoay chiều đợc biến thành một chiều nhờ bộ chỉnh lu, qua bộ lọc rồi
đợc biến đổi thành U
2
với tần số f
2
sau khi qua bộ nghịch lu độc lập.
Hiệu suất biến tần loại này thấp song cho phép thay đổi dễ dàng f
2
mà không
phụ thuộc f
1

Kết Luận : Qua phân tích hai loại hệ truyền động trên em chọn phơng án
dùng loại Hệ Truyền Động Chỉnh Lu Tiristo - Động Cơ Có Đảo Chiều
Quay vì:
+ Độ tác động của hệ này nhanh và cao, không gây ồn và dễ tự động hoá do
các van bán dẫn công suất có hệ số khuyếch đại công suất rất cao. Điều này
thuận tiện cho việc thiết lập hệ thống điều chỉnh tự động nhiều vòng để nâng
cao chất lợng các đặc tính tĩnh và đặc tính động của hệ thống.
+ Trong hệ truyền động một chiều này, em sẽ sử dụng mạch lực là sơ đồ ba
bởi vì loại này có u điểm là dùng cho mọi dải công suất, có tần số đảo chiều
lớn. Đồng thời hai bộ biến đổi cấp cho phần ứng điều khiển riêng hoạt động
đóng mở độc lập với nhau, làm việc an toàn và không có dòng chảy giữa các
bộ biến đổi.
+ Sử dụng hệ truyền động chỉnh lu Tiristo - Động cơ có đảo chiều quay sẽ
đạt đợc đồ thị tốc độ tối u (đối với loại truyền động xoay chiều thì chỉ đạt đ-
ợc dạng đồ thị gần giống mà thôi ).
Nh vậy, loại động cơ sử dụng trong hệ truyền động là loại động cơ một chiều

điện cân bằng này thờng dùng các cuộn kháng cân bằng L
cb
8
Hình 7
Chỉnh
lưu
Lọcc
c
Nghịch lưu
độc lập
Chơng iiI: Tính chọn các thiết bị điện
trong sơ đồ truyền động
III.1. Xây dựng biểu đồ phụ tải chính xác của thang máy
Chọn số tầng m
t
= 8 (8 tầng ) nên theo hình 3-3 Sách Trang Bị Điện
Tử dùng Cho Máy Công Nghiệp thì số lần dừng theo xác xuất là m
d
= 6
lần với 12 ngời trong buồng thang (E = 12)
Nh vậy số trọng lợng cho mỗi lần dừng là : 700 : 6 = 116,67 kg/1 lần
dừng. Do có 6 lần dừng thì quá trình dừng sẽ diễn ra nh sau :
+ Từ tầng 1 đến tầng 3 .
+ Từ tầng 3 đến tầng 4 .
+ Từ tầng 4 đến tầng 5 .
+ Từ tầng 5 đến tầng 6 .
+ Từ tầng 6 đến tầng 7 .
+ Từ tầng 7 đến tầng 8 .
Trọng lợng buồng thang : G
bt

=
900 kg
G
đm
=
700 kg
- Công suất tĩnh của động cơ khi nâng tải không dùng đối trọng :

( )

3
10...

+
=
gvGG
kP
bt
c

g m s= 9 81
2
, /

kwP
c
1,47
8,0
10.8,9.2.1600
2,1

3
==

- Khối lợng của đối trọng G
đt
= G
bt
+ . G ;
= 0,3 ữ 0,5
chọn = 0,4.
G
đt
= 900 + 0,4 . 700 = 1180 (kg)
- Công suất tĩnh của động cơ khi nâng tải có dùng đối trọng :
9

( )
P G G G k v g
cn bt dt
= +







. . . . . .
1
10

3


k : hệ số tính đến ma sát giữa thanh dẫn hớng và đối trọng .
k = 1,15 ữ 1,3 . Ta chọn k = 1,2 .

( )
kwP
cn
86,2410.8,9..2,1.2.8,0.1180
8,0
1
.700900
3
=






+=


- Công suất tĩnh của động cơ khi hạ tải có dùng đối trọng :

( )
P G G G k v g
ch bt dt
= + +

. . . . . .


1
10
3
P
ch
= 64,86 kw ;
Xây dựng biểu đồ phụ tải chính xác cho thang máy :
Số tầng m
t
= 8 (8 tầng ) , số lần dừng theo xác xuất là m
d
= 6 lần với 12
ngời trong buồng thang (E = 12)
III.2. Tính hệ số đóng điện t ơng đối
Xét khoảng thời gian 0 -> t
1
=
t
vd
d

2
1
2
->
a
v
ct
dt
d
1
1
. =+=

Giả sử tại gốc toạ độ v
0
= 0, a
0
= 0, t
0
= 0
a
1
= t
1
-> t
1
=
1,0
15
5,1

=
(s)
Chọn = 15 (m/s
3
)
v
1
=
2
2
1
t
-> v
1
= 0,075(m/s)
s
1
=
3
15
3
1,0
3
3
1
=
t

= 0,005 (m)
Xét đoạn thời gian t

2
-> t
3
Tại t
3
thì a
3
=0, do đó ta có
ct
dt
dv
d
v
t
d
+== .
2
2

vậy a
3
= -(t
3
t
2
) +a
2
a
2
= .( t

3
t
2
) -> t
3
t
2
= 0,1 (s)
10
v
3
v
2
= -
( )
+

2
23
2
tt
a
2
.(t
3
t
2
) -> v
2
=v

3
+
( )
2
23
2
tt

- a
2
(t
3
t
2
)
= 2 +15.
2
1,0
2
- 1,5. 0,1
=1,925 (m/s)
s
3
- s
2
= -
( ) ( )
2
23
6

23
2
2
3
tt
a
tt

+
+ v
2
.(t
3
t
2
)
0,198 (m)
Xét t
1
-> t
2
t
2
t
1
=
5,1
075,0.925,1
12
=

a
vv
=1,23 (s)
s
2
s
1
= a
( )
2
12
2
tt

+v
1
.(t
2
t
1
)
= 1,23 (m)
Thời gian khởi động t
kđ
= 0,1+1,23 +0,1 = 1,43 (s)
Giả sử thời gian khởi động bằng thời gian hãm -> t
kđ
= t
h

Giả sử thời gian hãm dừng 0,14 (s), quãng đờng đi đợc 0,07 (m)
Quãng đờng khởi động và hãm là nh nhau:
S
kđ
= S
h
= 1,23 + 0,198 + 0,005
= 1,43 (m)
Thời gian chạy ổn định tính từ tầng 3 trở lên là:
t
ođ1
=
535,0
2
07,02.43,14
=

(s)
Thời gian chạy ổn định tính từ tầng 1 đến tầng 3 là:
t
ođ2
=
2
07,02.43,12.4
= 2,535 (s)
Tổng thời gian làm việc khi nâng tải là t
lvn
= 2,535 + 5. 0,535 + 2.1,43.6
= 22,37 (s)

Tổng thời gian làm việc khi nâng tải bằng tổng thời gian hạ tải là t
lvn
=t
lvh
Giả sử cửa rộng dới 1000(m m), mở tự động mỗi lần đóng hay mở cần 1(s)
thời gian đóng và mở cửa là t
n1
=6.(1+1).2 = 24 (s)
11
Thang máy chở 12 ngời, mỗi tầng có 6 ngời vào và 6 ngời ra khi ta tính từ
tầng 3 -> tầng 7. Vậy thời gian nghỉ t
n2
= 5.12.2 = 120 (s)
Riêng tầng 1 và tầng 8 thì 12 ngời ra hết và 12 ngời vào nên thời gian nghỉ t
n3
= 24.2 = 48(s)
Khoảng thời gian chuẩn bị cho chu kỳ tiếp theo t

= 0,26 (s)
Chu kỳ làm việc của thang máy T
ck
= 2.22,37 + 24+ 120 +48 + 0,26
= 237 (s)
Hệ số đóng điện tơng đối % =
%9,18%100
237
37,22.2
%100.
1
==

=
T
t
ck
n
i
lv
III.3.Chọn động cơ điện:
Vì hệ truyền động thang máy làm việc với phụ tải ngắn hạn lặp lại, mở máy
và hãm máy nhiều, nên khi tính chọn công suất động cơ cần xét đến phụ tải
tĩnh và động. (Hình 2).
a.Xác định phụ tải tĩnh:
12
Hình 2
H
D
F
1
F
2
Puli chủ
động
Puli bị
động
Dây cáp
Cabin
Đối
trọng
Phụ tải tĩnh là phu tải do trọng lợng Cabin, trọng lợng tải trọng, trọng lợng

đối trọng, và trọng lợng của cáp, gây nên ở trạng thái tĩnh, thông qua puli,
hộp giảm tốc, tác dụng lên trục của động cơ.
Các lực tác động lên puli chủ động theo các nhánh cáp là:
F
1
= [G
0
+ G + g
c
(H - h
cb
)]g (N)
F
2
= [G
đt
+ g
c
(H - h
đt
)]g (N)
Lực tổng tác động lên puli chủ động khi nâng và hạ tải (lực gây mômen
quay) :
F
n
= F
1
- F
2
= (G

0
+ G -G
đt
)g + g
c
(h
đt
- h
cb
)g (N )
F
h
= F
2
- F
1
= (G
đt
- G
0
- G)g + g
c
(h
cb
- h
đt
)g (N)
Trong đó :
G
0

: khối lợng Cabin (kg)
G : khối lợng tải trọng (kg)
G
đt
: khối lợng đối trọng (kg)
g
c
: khối lợng một đơn vị dài dây cáp (kg/m)
h
đt
và h
cb
: chiều cao đối trọng và Cabin (m)
g : gia tốc trọng trờng (m/s
2
)
Để đơn giản, giả sử rằng h
đt
= h
cb
. Thay vào trên ta đợc:
F
n
= (G
0
+ G - G
đt
)g (N)
F
h

= (G
đt
- G
0
- G)g (N)
Mục đích của đối trọng là giảm phụ tải của cơ cấu, do đó giảm đợc công suất
động cơ truyền động. Điều kiện chọn đối trọng là tạo ra phụ tải tĩnh của động
cơ nhỏ nhất. Trọng lợng đối trọng đợc chọn theo công thức:
G
đt
= G
0
+ G
đm
Trong đó: G
đm
là tải định mức.
Với thang máy chở ngời thì = 0,35 ữ 0,4.
Chọn = 0,4.
Thay vào (1) ta đợc:
F
n
= (G - G
đm
)g (N) (2)
F
h
= (G
đm
- G)g (N) (3)

Khi tính toán công suất động cơ, ta xét động cơ luôn làm việc với tải định
mức. Tức là G = G
đm
. Thay vào (2) và (3):
F
n
= (G
đm
- G
đm
)g (N) F
n
> 0
13
(1)