Nghiên cứu thiết kế thang máy ở Việt Nam

Hiện nay, cùng với sự tăng trưởng mạnh mẽ của nền kinh tế quốc gia kéo theo nhu cầu về đô thị hóa tăng cao. Các dự án đầu tư lớn về cơ sở hạ tầng, khu đô thị mới, chung cư cao cấp, trung tâm thương mại được xây dựng ngày càng nhiều. Do vậy, nhu cầu tiêu thụ thang máy ở Việt Nam sẽ tăng lên rất nhanh trong những năm tới.

Để đáp ứng nhu cầu thị trường nội địa, vấn đề đặt ra là cần phải tăng cường năng lực trong nước để thiết kế lắp đặt các hệ thống thang máy do trong nước sản xuất với chất lượng tốt và giá thành hạ. Trước yêu cầu đó, nhóm nghiên cứu thuộc Trung tâm Nghiên cứu chuyển giao Công nghệ và Phân tích do TS. Lê Xuân Rao làm chủ nhiệm đã nghiên cứu – thiết kế thang máy ứng dụng công nghệ cao phục vụ nhà cao tầng – tăng tỷ lệ nội địa hóa”.

Theo khảo sát của công ty SGE Schindler năm 2004, thị trường Việt Nam có nhu cầu tiêu thụ khoảng 1000 đơn vị thang máy và thang cuốn mỗi năm. Đa số các thang máy đang được sử dụng có độ cao vào loại thấp nhất so với thế giới, phổ biến là dùng trong các tòa nhà từ 5 – 20 tầng. Tuy nhiên, theo dự báo nhu cầu sử dụng thang máy sẽ tăng lên khi các tòa nhà cao tầng mọc lên ngày càng nhiều theo sự phát triển của nền kinh tế nước ta. Cùng với việc cung cấp và lắp đặt các hệ thống thang máy ngoại nhập, các công ty thang máy trong nước đã và đang tích cực nghiên cứu để có thể tự thiết kế và sản xuất được các cấu kiện trong thang máy. Một điều đáng mừng là đến nay các công ty thang máy của ta đã sản xuất được 70% thiết bị chính (theo đánh giá của Bộ công nghiệp).

Nhìn chung các hãng trên thế giới sản xuất thang máy đều có các chỉ tiêu kỹ thuật về cơ khí như:

1. Kết cấu cơ khí thang máy phải đảm bảo vững trắc;
2. Hệ thống cơ khí phải đảm bảo thang máy chuyển động êm, an toàn;
3. Tháng máy được lựa chọn là loại có hệ thống tời kéo phía trên hố thang;
4. Hệ thống chân đế phải được thiết kế an toàn nhất;
5. Kết cấu ca bin, khung cửa phải được làm bằng vật liệu có chất lượng cao;
6. Số điểm dừng lấy theo số tầng cần phục vụ;
7. Loại thang thường dùng là loại có cửa lùa mở từ giữa về hai phía;
8. Hệ thống ray dẫn hướng cho ca bin và đối trọng phải là loại ray đặc chủng;
9. Hệ thống đối trọng dùng gang đúc có tỉ trọng cao;
10. Hệ thống cáp kéo phải đảm bảo hệ số an toàn;
11. Có hệ thống giảm chấn phù hợp với ca bin và đối trọng đặt ở dưới đáy giếng thang.

Trên cơ sở đó, thang máy được vận hành theo nguyên lý vào/ra và di chuyển: Tại mỗi cửa tầng đều bố trí các nút gọi thang máy. Khi nhận lệnh gọi của hành khách, thang máy sẽ di chuyển đến từng tầng có lệnh gọi theo một thứ tự nhất định và mở cửa buồng thang máy để hành khách bước vào. Thang máy sẽ tự động di chuyển tới tầng đã chọn đồng thời hiển thị vị trí hiện thời của buồng thang. Trong quá trình di chuyển nếu nhận được tín hiệu gọi của tầng tiếp theo thì thang máy sẽ tự động dừng lại ở tầng đó đón hành khách mới rồi mới tiếp tục di chuyển tiếp. Trong quá trình đi lên, thang máy sẽ không nhận lệnh gọi của các tầng thấp hơn vị trí hiện thời và ngược lại.

Khi di chuyển đến tầng hành khách đã chọn thì thang máy sẽ tự động giảm tốc độ từ từ và dừng hẳn khi đến đúng cửa tầng. Lúc này cửa thang máy sẽ mở ra cho hành khách bước ra đồng thời đón những hành khách mới. Như vậy, hệ thống điều khiển thang máy hiện nay là được thiết kế theo phương thức điều khiển có tín hiệu phản hồi. Các cảm biếm được sử dụng trong thang máy chủ yếu là: Cảm biến trọng lượng để chống quá tải thang máy; Cảm biến vị trí để xác định vị trí buồng thang trong quá trình chuyển động; Cảm biến gia tốc để hạn chế tốc độ và gia tốc di chuyển của buồng thang; và công tắc giới hạn hành trình để hạn chế hành trình di chuyển của buồng thang. Trong hệ thống truyền động tự động của thang máy, chất lượng truyền động thể hiện qua việc thang chuyển động nhanh, dừng êm và chính xác không gây cảm giác đột ngột cho người trong thang.

Vấn đề đảm bảo an toàn cho người sử dụng luôn là mục tiêu hàng đầu của các nhà sản xuất thang máy. Hệ thống các tín hiệu an toàn giúp việc lường trước được những tình huống có thể xảy ra khi vận hành, đồng thời có thể khắc phục sự cố một cách nhanh nhất. Nhóm nghiên cứu cũng chỉ ra rằng trong quá trình hãm của hệ thống khi vận hành thang thì quá trình hãm dừng buồng thang là rất quan trọng, nó không những ảnh hưởng tới năng suất mà còn liên quan tới mức độ an toàn của hệ thống. Do vậy, để đảm bảo quá trình phanh có mức độ êm dịu và độ dừng chính xác trong các thang máy chở người, trước khi phần cơ khí làm việc, người ta thường hạ tốc độ của động cơ xuống tốc độ quay nhỏ. Hệ thống an toàn và thiết bị bảo vệ sự cố đóng vai trò quan trọng cho chất lượng của thang máy hiện đại. Các thiết bị an toàn phải được tính toán chọn một cách hợp lý chính xác. Hệ thống an toàn cơ khí phải được kết hợp với hệ thống an toàn điện, điện tử để tạo nên độ tin cậy cao tránh xảy ra các sự cố đáng tiếc.

Với thang máy hiện đại ngày nay các thiết bị an toàn phải được trang bị đầy đủ, hiện đại, có độ tin cậy cao. Hệ truyền động cửa tầng thang được thực hiện chủ yếu là hệ biến tần động cơ và hệ truyền lực đai cuốn. Hệ thống này có nhiều ưu điểm trong điều khiển truyền động đóng mở cửa êm, chính xác và tác động nhanh. Việc bảo vệ các trường hợp sự cố được kiểm soát chặt chẽ và có các đầu ra điều khiển các thiết bị chấp hành khác. Kết quả nghiên cứu đã đưa ra một hệ truyền động hiện đại, có đầy đủ cả chế độ thực hiện khi mất điện và việc đóng cắt chuyển nguồn cho an toàn thiết bị. Nhờ có hệ thống chống mất nguồn đột ngột, hệ điều khiển không bị ảnh hưởng do được nuôi bằng một hệ chống mất nguồn công suất nhỏ, các cảm biến vị trí và các hệ đo lường cảnh báo khác vẫn làm việc bình thường.

Tuy nhiên, do nguồn bị mất, động cơ truyền động bị dừng lại trong thời gian tức thời. Lúc này, thiết bị điều khiển động cơ phải xả nguồn do các hệ lưu tích điện đang chứa và chuẩn bị đóng nguồn mới, cắt hệ nguồn cũ tránh có điện trở lại gây xung đột nguồn. Sau khi nguồn mới được cấp, chương trình điều khiển sẽ làm việc theo một chương trình mới dành cho sự cố mất điện, chương trình này sẽ điều khiển thang về tầng gần nhất sau đó mở cửa tầng để cho người đi ra, đồng thời từ chối tất cả các lệnh gọi khác, cảnh báo hệ thống bị mất điện. Lúc này hệ thống cho phép việc mở cửa cabin, các hệ thống chuông báo và liên lạc thực hiện. Sau đó truyền động công suất lớn khác sẽ không được thực hiện nhằm tiết kiệm điện năng có hạn của bộ lưu điện dự phòng. Khi hệ thống có điện trở lại, các rơle cảm nhận trạng thái mất điện sẽ có phản hồi cho biết nguồn điện đã có, hệ thống sẽ tự động thực hiện tuần tự các thao tác xả điện dư, đóng nguồn mới và thực hiện theo chu trình điều khiển bình thường. Hệ thống lưu điện được phục hồi dần công suất bằng hệ thống nạp tự động.

Như vậy, toàn bộ các hoạt động của thang máy được thực hiện theo sự điều khiển của phần mềm trung tâm như: phần mềm điều khiển cho modul thiết bị trung tâm; phần mềm cho vi xử lý thực hiện và truyền thông; phần mềm bảo vệ, cảnh báo và xử lý khi gặp sự cố; phần mềm điều khiển nâng hạ êm, chính xác buồng thang; phần mềm mô phỏng toàn bộ hoạt động của thang máy; … Các phần mềm đó một mặt giúp chúng ta hiểu sâu hơn về nguyên lý hoạt động của thang máy, cách vận hành và điều khiển động cơ, buồng thang, nguyên lý điều khiển kết hợp của thang máy… Mặt khác còn xử lý vấn đề quá tải đảm bảo tính an toàn và bảo vệ thiết bị cho thang cũng như người sử dụng thang máy.

Thang máy được thiết kế để di chuyển với một tốc độ nhất định. Tuy nhiên với mỗi loại thang máy có tốc độ khác nhau thì khi tiến hành thiết kế phần mềm điều khiển thang đều phải tính toán để cho hoạt động của thang máy được tối ưu nhất dựa trên hai chỉ tiêu: Thời gian chờ đợi của khách hàng là ngắn nhất, và quãng đường di chuyển của thang máy là ngắn nhất.

Qua 2 năm bắt tay thực hiện nghiên cứu, thiết kế (2004 – 2005), thang máy được tìm hiểu, nghiên cứu thiết kế từ phần cơ khí, điều khiển, hệ thống truyền nhận hiển thị tín hiệu gọi tầng…. và được tiến hành thử nghiệm. TS. Lê Xuân Rao – chủ nhiệm đề tài nghiên cứu cho biết: “Từ những kết quả đó, chúng tôi tin tưởng có thể áp dụng được kết quả của đề tài vào thực tiễn trong thời gian tới, góp phần tăng tỉ lệ nội địa hóa trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa.”