1. Giới thiệu: Đồ án tốt nghiệp tập trung vào nghiên cứu và thiết kế cửa chống ngập tự động sử dụng cơ cấu nâng. Đây là một giải pháp cần thiết để hạn chế thiệt hại do ngập lụt gây ra, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu và tình trạng ngập lụt ngày càng gia tăng ở Việt Nam. 2. Mục tiêu: • Thiết kế cửa chống ngập tự động hiệu quả, tiết kiệm diện tích và chi phí cho hộ gia đình. • Phân tích và tính toán các yếu tố cơ học, thủy tĩnh và điện tử liên quan đến thiết kế cửa chống ngập. • Xây dựng bản vẽ kỹ thuật chi tiết cho hệ thống cửa chống ngập, bao gồm bản vẽ lắp, bản vẽ nguyên lý, bản vẽ mạch điện và bản vẽ phối cảnh.
TỔNG QUAN VỀ CỪA CHỐNG NGẬP
Giới thiệu chung
1.1.1 Thực trạng và hậu quả của ngập lụt
Trong những năm gần đây, ngập lụt đã trở thành một vấn đề nhức nhối tại nhiều khu vực ở Việt Nam, ảnh hưởng nặng nề đến nhà cửa và cuộc sống của hàng triệu người dân Mùa mưa đến, khi những cơn bão nhiệt đới và lũ lụt ập đến, những trận mưa lớn cùng dòng nước lũ cuồn cuộn đã đặt ra thách thức lớn và đe dọa sự ổn định của nhiều khu vực đô thị và nông thôn. Để hiểu rõ hơn về vấn đề này, chúng ta cần tìm hiểu nguyên nhân dẫn đến ngập lụt và lý do tại sao cần phải có các giải pháp phòng chống ngập lụt hiệu quả Biến đổi khí hậu là nguyên nhân chính dẫn đến tình trạng ngập lụt ngày càng gia tăng.Vậy, biến đổi khí hậu là gì? Nguyên nhân và tác động của nó ra sao?
Biến đổi khí hậu là hiện tượng hệ thống khí hậu Trái Đất, bao gồm sinh quyển, khí quyển, thủy quyển và thạch quyển, đang thay đổi do tác động của con người Sự thay đổi này kết hợp với các yếu tố biến động tự nhiên, dẫn đến những biến đổi về khí hậu trong hiện tại và tương lai.
B Nguyên nhân của biến đổi khí hậu:
Biến đổi khí hậu toàn cầu là vấn đề cấp bách do hai nhóm nguyên nhân chính gây ra: nguyên nhân khách quan và nguyên nhân chủ quan.
Theo nghiên cứu của các nhà khoa học, nhóm nguyên nhân chủ quan xuất phát từ hoạt động của con người
Ngoài những yếu tố chủ quan, các yếu tố khách quan cũng dẫn đến sự thay đổi trong chính nội tại của tự nhiên Trong đó có thể kể đến sự thay đổi trong hoạt động mặt trời, sự thay đổi quỹ đạo của trái đất và sự dịch chuyển của các châu lục.
Hình 1.1 Triều cường tại một số tỉnh Việt Nam
(Nguồn: https://tphcm.chinhphu.vn)
C Một số tác động của biến đổi khí hậu: a) Mực nước biển đang dâng lên
• Trái đất nóng lên dẫn dến tan chảy các tảng băng
• Núi băng và sông băng co lại
• Các bờ biển đang biến mất
• Nguy cơ ngập lụt gia tăng: b) Bão, mưa lụt
• Số liệu thống kê cho thấy, chỉ trong vòng 30 năm gần đây, những cơn bão mạnh cấp 4 và cấp 5 đã tăng lên gấp đôi.
• Những vùng nước ấm đã làm tăng sức mạnh cho các cơn bão
• Nhiệt độ nước ở các biển và đại dương ấm lên là nhân tố tiếp thêm sức mạnh cho các cơn bão.
Hậu quả của ngập lụt
Ngập lụt là thảm họa thiên nhiên có thể dẫn đến những tác động tiêu cực to lớn với con người và môi trường Các tác động của ngập lụt bao gồm:
1.2.1 Mất mát về người và tài sản
Hình 1.2 Ngập lụt ở Hà Nội
Ngập lụt kéo dài gây lên những hệ lụy khôn lường cho con người, có thể ảnh hướng tới cuộc sống, đe dọa tính mạng và gây thương vong nghiêm trọng
Ngập lụt không chỉ tàn phá về mặt vật chất mà còn để lại hậu quả nặng nề về tâm lí và sức khỏe con người:
Lo âu, stress và ám ảnh tâm lí: Nạn nhân của lũ lut thường phải đối mặt với lo âu về sự an toàn của bản thân và gia đình, về sự mất mát của tài sản và tương lai
Nguy cơ mắc bệnh truyền nhiễm
Thiếu hụt nước sạch, nguồn nước sinh hoạt bị ô nhiễm hoặc khan hiếm.
Nguy cơ suy dinh dưỡng
1.2.2 Tác động đến nông nghiệp và các ngành công nghiệp khác:
Hình 1.3 Ngập lụt phá hoại hoa màu
• Hủy hoại môi trườn sống: ngập lụt làm ứ đọng nước gây thối, úng nước hoa màu
• Giảm năng suất: Làm đình trệ việc gieo trồng, chăm sốc và thu hoạch trở nên khó khăn, giảm năng suất rõ rệt, ảnh hưởng tới đới sống kinh tế.
- Đối với cơ sở hạ tầng:
• Gây hư hỏng: phá hủy đường sá, cầu cống, hệ thống điện…
1.2.3 Tác động đến môi trường tự nhiên:
Tác động tới hệ sinh thái
• Phá hủy môi trường sống
• Mất cân bằng sinh thái
1.2.4 Tác động đến kinh tế và xã hội:
Ngập lụt hủy hoại tới cơ sở hạ tầng quan trọng tác động sâu sắc gây thiệt hại cho hoạt động kinh tế và đời sống xã hội.
• Mất đi cơ sở hạ tầng thiết yếu
• Gây cô lập và thiếu hụt dịch vụ thiết yếu:
• Gây thiệt hại cho các hoạt động kinh tế
Sự cần thiết của cửa chống ngập
Cửa chống ngập, hay còn gọi là cổng kiểm soát nước, đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ các khu vực ven biển và đồng bằng sông lớn khỏi nguy cơ ngập lụt do nước dâng cao. Đặc biệt đối với những thành phố như Hồ Chí Minh và Hà Nội, thường xuyên phải đối mặt với tình trạng ngập lụt diện rộng do mưa lớn, cửa chống ngập càng trở nên thiết yếu
Lợi ích của cửa chống ngập:
Tăng cường khả năng phòng chống lũ lụt
Các phương pháp chống ngập
1.4.1 Sử dụng bao cát chống ngập
(Nguồn:cuachongngap.com) Ưu điểm:
• Sự khó khăn trong quản lí và di chuyển:
• Khả năng chống áp lực hạn chế:
• Yêu cầu nguồn nhân lực dồi dào:
Hình 1.5 Chống ngập bằng bao cát
1.4.2 Sử dụng chống ngập bằng bạt
Hình 1.6 Chống ngập bằng bạt tấm
• Linh hoạt và dễ dàng lắp đặt:
• Tích hợp công nghệ hiện đại:
• Bảo trì và sửa chữa đơn giản:
• Chống áp lực hạn chế.
• Tuổi thọ giảm theo thời gian sử dụng.
• Khả năng bị rách và xâm nước.
• Giới hạn về mức tiếp xúc nước cao.
1.4.3 Sử dụng cửa chống ngập bằng gỗ/thép/nhôm
Hình 1.7 Chống ngập bằn cửa gỗ
(Nguồn: https://cuatudonghanquoc.com) Ưu điểm:
- Chịu lực cao và độ bền vượt trội:
- Khả năng chống thấm nước hoàn hảo:
- Tính thẩm mỹ cao và dễ dàng tùy chỉnh:
- Khả năng thích ứng với môi trường:
- Dễ dàng bảo trì và sửa chữa:
• Kích thước và khối lượng lớn
• Yêu cầu kĩ thuật cao:
• Bị ăn mòn và rỉ sét:
• Yêu cầu bảo quản đặc biệt:
1.4.4 Cửa chống ngập tự động xử dụng pitong khí nén
Hình 1.8 Chống ngập bằng cửa tự động
• Chí phí đầu tư ca
• Yêu cầu kĩ thuật cao
• Yêu cầu nguồn năng lượng liên tục
• Khả năng chống ứng đối với thời tiết xấu:
• Phụ thuộc vào hạ tầng điện:
Hiệu quả kinh tế
- Bảo vệ tài sản an toàn:
- Ngăn chặn ô nhiễm - Tạo ra cơ hội kinh doanh mới:
- Không gây ảnh hưởng quá nhiều tới cấu trúc của ngôi nhà,tòa nhà.
Từ đây, hiệu quả kinh tế được thể hiện rõ rệt như sau:
Tiết kiệm được chi phí thiết kế cũng như thi công ngôi nhà,tòa nhà
Không làm ảnh hưởng đến cấu trúc ngôi nhà, việc sử dụng cửa chống ngập vẫn đem lại một hiệu quả rõ rệt với chi phí phải chăng.
Giải pháp thiết kế hệ thống cửa chống ngập tấm treo
Cửa chống ngập tự động là một trong những giải pháp chống ngập hiện đại và hiệu quả Tuy nhiên, không chỉ đảm bảo tính năng chống ngập, mà cửa chống ngập cũng cần đáp ứng yêu cầu về tính thẩm mỹ.
1.6.1.1 Yêu cầu về tính tương thích
- Hài hòa với tổng thể - Tăng giá trị thẩm mỹ:
- Lợi ích của sự tương thích:
Việc lựa chọn vật liệu phù hợp cần được cân nhắc kỹ lưỡng dựa trên các yếu tố như:
Vùng địa lý và điều kiện khí hậu ảnh hưởng đáng kể đến việc lựa chọn vật liệu cho cửa sổ Khu vực ven biển cần vật liệu chống gỉ tốt (thép không gỉ, nhôm biển) Vùng nóng ẩm nên dùng vật liệu nhẹ, chịu nhiệt, chống cong vênh (nhựa ABS, composite) Vùng lạnh cần vật liệu cách nhiệt tốt (gỗ, nhựa PVC) để đảm bảo hiệu quả sử dụng năng lượng.
Yêu cầu thẩm mỹ của lan can cầu thang tùy thuộc vào phong cách của ngôi nhà Phong cách hiện đại thường sử dụng vật liệu thép không gỉ, nhôm, kính cường lực; phong cách cổ điển thiên về gỗ tự nhiên, đồng thau; trong khi đó, phong cách tối giản ưu tiên nhựa ABS và composite.
Tài chính: o Thép không rỉ: Chi phí cao, độ bền cao. o Nhôm: Chi phí trung bình, độ bền tốt. o Nhựa: Chi phí thấp, độ bền phụ thuộc vào chất lượng.
1.6.1.3 Thiết kế mỏng và gọn nhẹ
Yêu cầu thiết yếu cho sự hài hòa:
Bên cạnh những yếu tố như tính năng, vật liệu hay màu sắc, thiết kế cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tạo nên tính thẩm mỹ cho cửa chống ngập tự động Một trong những yêu cầu không thể thiếu chính là thiết kế mỏng nhẹ, tinh tế.
Tạo cảm giác rộng rãi
1.6.1.4 Tính tiện nghi và khả năng tự động hoá
Tính thẩm mỹ của cửa chống ngập tự động không chỉ dừng lại ở vẻ ngoài đẹp mắt mà còn thể hiện qua sự tiện nghi trong quá trình sử dụng Cửa chống ngập tự động hiện đại cần được trang bị khả năng tự động mở và đóng một cách thông minh, hiệu quả.
Hệ thống tự động hóa thông minh đóng vai trò quan trọng trong vận hành cửa, mang đến trải nghiệm sử dụng thuận tiện Ngoài ra, khả năng tích hợp với các hệ thống cảnh báo ngập nước, cảm biến tự động và điều khiển từ xa cho phép người dùng kích hoạt cửa nhanh chóng, dễ dàng ngay cả khi không có mặt trực tiếp.
1.6.1.5 Bảo trì và làm sạch dễ dàng
Ngoài những chức năng vượt trội, tính thẩm mỹ của cửa chống ngập tự động cũng rất được chú trọng, đặc biệt là khi lắp đặt trong môi trường đô thị Một trong những yếu tố làm nên tính thẩm mỹ của cửa chống ngập chính là sự tiện lợi trong việc bảo trì và vệ sinh.
Cửa chống ngập tự động cần được thiết kế với cấu tạo đơn giản, sử dụng vật liệu không quá nhạy cảm với môi trường xung quanh Nhờ vậy, việc vệ sinh và bảo dưỡng cửa trở nên thuận tiện, giúp duy trì vẻ đẹp ban đầu và kéo dài tuổi thọ
1.6.2 Yêu cầu về chất lượng của cửa chống ngập
Cửa chống ngập là giải pháp thiết yếu để giảm thiểu thiệt hại do lũ lụt và ngập úng Đảm bảo tính hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống chống ngập đòi hỏi phải tuân thủ các yêu cầu chất lượng của cửa chống ngập Bài viết này sẽ phân tích những yêu cầu chất lượng cần thiết của hệ thống cửa chống ngập tự động.
1.6.2.1 Độ bền và độ ổn định
Yếu tố quan trọng đầu tiên là đảm bảo chất lượng cửa chống ngập là chính là độ bền và độ ổn định Cửa chống ngập cần được chế tạo từ vật liệu có tính kháng nước, chống ăn mòn, có khả năng chịu được tác động mạnh từ dòng nước, áp lực và sự biến đổi của nhiệt độ môi trường.
Một cửa chống ngập có độ bền và độ ổn định cao mang lại lợi ích cho người sử dụng Đảm bảo hoạt động hiệu quả và lâu dài, tiết kiệm chi phí sửa chữa và bảo dưỡng, tăng tính thẩm mĩ cho tòa nhà.
Khả năng chống nước tuyệt vời là yếu tố then chốt đảm bảo hiệu quả tối ưu của cửa chống ngập Với khả năng ngăn chặn hoàn toàn nước và dòng chảy, cửa chống ngập đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ không gian bên trong khỏi nguy cơ ngập lụt, tạo nên một lá chắn vững chắc trước những tác động khắc nghiệt của thiên tai.
Việc sử dụng cửa chống ngập không kín nước hoàn toàn có thể dẫn đến những hậu quả nghiêm trọng:
• Nguy cơ ngập úng: Nước có thể tràn vào nhà gây ra thiệt hại về tài sản và ảnh hưởng đến sức khỏe của người sử dụng.
• Nguy cơ hỏa hoạn: Hệ thống điện có thể bị chập cháy do nước tràn vào, gây nguy hiểm cho người và tài sản.
• Môi trường ẩm ướt: Nước ứ đọng trong nhà có thể tạo môi trường thuận lợi cho vi khuẩn và nấm mốc phát triển, ảnh hưởng đến sức khỏe của người sử dụng. Đảm bảo khả năng kín nước của cửa chống ngập, cần chú ý lựa chọn cửa chống ngập làm từ vật liệu có khả năng chống thấm nước tốt; Thiết kế cửa chống ngập với các chi tiết kín khít, bố trí gioăng cao su, khung cửa, bản lề cần được thiết kế và lắp đặt; Lắp đặt cửa chống ngập đúng kĩ thuật Tất cả yếu tố đó sẽ giúp cửa chống ngập kín nước tốt và cũng giúp bảo vệ tài sản tốt hơn.
1.6.2.3 Độ chính xác Độ chính xác là một yếu tố quan trọng khác quyết định chất lượng của cửa chống ngập Để đảm bảo hoạt động hiệu quả, cửa chống ngập cần được thiết kế, lắp đặt và điều khiển với độ chính xác cao.
1.6.2.4 Sử dụng năng lượng tiết kiệm và bền vững
Đề xuất cửa chống ngập tự động sử dụng cơ cấu nâng
Hình 1.9 cửa chống ngập sử dụng cơ cấu nâng 1.7.1 Mục đích nghiên cứu
Mô hình cửa chống ngập sử dụng cơ cấu nâng tự động là một mô hình khá mới ở thị trường trong nước nói riêng và áp dụng chưa được phổ biến ở nước ngoài nói chung
Giải pháp này đưa ra nhằm áp dụng cho các hộ dân có nhà tại các khu vực phố chịu tác động của ngập lụt do hệ thống thoát nước quá tải dẫn tới ngạp lụt diện rộng tại các thành phố lớn Bên cạnh đó, áp dụng cửa chống ngập dạng tấm treo áp dụng cho khu vực cửa nhỏ, cừa vừa, khó bố trí các cửa chống ngập ngầm dưới đất …
1.7.2 Đánh ra sơ bộ giải pháp cửa chống ngập tấm treo Ưu điểm:
- Khả năng tự động hóa: Cửu chống ngập tự động có khả năng hoạt động mà không cần sự can thiệp của con người, giảm thiểu thời gian và công sức trong quá trình ứng phó với ngập lụt.
- Tích hợp công nghệ: khả năng tích hợp công nghệ IoT vào việc điều khiển và tự động kiểm soát hệ thống máy tời thông qua smartphone
Phù hợp với không gian: Giải pháp treo giúp tối ưu hóa không gian cho người dùng, đặc biệt trong các không gian vừa và nhỏ, không ảnh hưởng đến diện tích di chuyển.
Thiết kế và lắp đặt nhà thông minh đòi hỏi kỹ thuật cao Đối với không gian nhỏ, cần đo đạc, thiết kế và đưa ra phương án phù hợp Quá trình này đòi hỏi kiến thức về xây dựng, cơ khí, điện và IoT Do đó, nhân viên thiết kế và lắp đặt cần có trình độ chuyên môn vững vàng.
- Chi phí khá cao: chi phí cho thiết bị khá cao bao gồm liên quan tới máy nâng, thiết bị điều khiển, cảm biến …
1.7.3 Ứng dụng của giải pháp vào đời sống:
- Hiệu quả chống ngập: áp dụng cho công trình vừa và nhỏ Khu vực nhà dân chịu ảnh hưởng của lụt tại thành phố - nơi cấp thoát nước quá tải và mất thời gian rất lâu để thoát nước.
- Giám sát mực nước: chiều cao mức nước ứng với tấm cừa có thể phản ánh tình trạng thoát nước ở khu vực Nếu hệ thống cấp thoát nước tốt thì nước rút sẽ nhanh và ngược lại Từ dố đưa ra phương án khắc phục cấp thoát nước…
- Đưa ra các dự đoán về hiện tượng tự nhiên:Các số liệu thu thập được có thể được sử dụng như cơ sở dữ liệu cho các nghiên cứu khoa học về hiện tượng tự nhiên, đo đạc thực nghiệm…
THIẾT BỊ - TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ
Thiết bị
2.1.1 Thiết bị điện 2.1.1.1 Máy tời điện
Hình 2.11 Tời điện tích hợp bộ điều khiển
Tời điện là một loại máy nâng được thiết kế để nâng hạ hoặc di chuyển hàng hóa, vật liệu và các tải trọng khác bằng cách sử dụng nguồn động cơ điện.
Thiết bị này hoạt động bằng cách cuốn hoặc thả dây xích hoặc cáp qua một hệ thống puly, bánh răng và bộ phận cuốn, tạo lực kéo hoặc đẩy tải trọng lên hoặc xuống.
Theo sức nâng Theo điện áp Theo cách lắp đặt
Dựa vào tải trọng nâng chúng ta chia làm 3 loại:
Tời điện có tải trọng nhỏ sức nâng dưới 500kg.
Tời điện có tải trọngtầm trung có sức nâng dưới 1200kg.
Tời điện có tải trọng lớn sức nâng lớn hơn 1200kg Tời điện
1 tấn được sử dụng nhiều.
Dựa theo nguồn điện áp sử dụng, người ta sẽ chia máy thành các loại như sau:
Sử dụng điện áp 1 pha 220V 50Hz là điện dân dụng phổ biến, bạn có thể đấu nối thiết bị tại bất kì đâu.
Sử dụng điện áp 3 pha 380V 50Hz đây là nguồn điện nhà máy, máy tời sử dụng nguồn điện này cho khả năng kéo khỏe hơn và ổn định hơn khi sử dụng nguồn điện 1 pha.
Tời ắc quy: Sử dụng điện 12V hoặc 24V lấy từ bình ắc quy Thường thì chỉ có tời kéo xe mới sử dụng nguồn điện này.
Tời điện treo: loại này thường được treo trên dầm bằng thiết bị quai treo hoặc móc treo hoặc bộ chạy tích hợp sẵn trên thiết bị.
Thiết bị chia ra thành hai loại nhỏ hơn là loại treo cố định và loại treo di động (có thể di chuyển dọc dầm bằng con chạy điện) Với những dòng tời treo bằng quai thì sẽ được lắp chặt với dầm bằng bulong, còn với tời treo bằng móc thì bạn chỉ cần móc tời vào dầm và có thể nhấc ra bất cứ lúc nào rất thuận tiện.
Tời điện kéo: Đây là loại máy tời được lắp đặt dưới mặt đất hay còn được biết đến với cái tên tời điện xây dựng.
Hình 2.12 Cấu tạo của tời điện
Cấu tạo của một máy tời điện đóng vai trò quan trọng trong việc thực hiện quá trình nâng hạ và di chuyển vật liệu Máy tời điện bao gồm các thành phần cơ bản sau:
2 Hộp giảm tốc 3 Mô-tơ di chuyển 4 Dây cáp hoặc xích:
5 Đĩa xích hoặc đĩa cáp 6 Khung và khung chứa
7 Các bộ phận an toàn
Hình 2.13 Nguyên lí hoạt động tời điện
Khi đạt được sự hoàn thiện và đảm bảo về an toàn, thiết bị tời điện sẽ hoạt động dựa trên nguyên tắc làm việc riêng biệt Dưới đây là mô tả cơ bản về nguyên tắc hoạt động:
Khi hệ thống được lắp đặt hoàn chỉnh và kết nối với nguồn điện, động cơ của tời điện truyền động lực cho hộp giảm tốc Lực từ động cơ sẽ tác động lên các bánh răng trong hộp giảm tốc, giúp giảm tốc độ quay và tăng mô men xoắn Kết quả là, sức nâng của tời điện được tăng lên đáng kể, cho phép tời có thể nâng được vật nặng hơn một cách hiệu quả và an toàn.
- Hộp giảm tốc có nhiệm vụ giảm tốc độ quay của động cơ và đồng thời tăng lực đẩy Sau đó, lực đẩy này sẽ được truyền tới tang cuốn Khi tang cuốn quay, nó sẽ cuốn dây cáp vào hoặc giải lỏng dây cáp ra, tùy thuộc vào chiều di chuyển của tang cuốn.
- Một khi dây cáp đã được cuốn vào tang cuốn, người điều khiển có thể sử dụng phụ kiện móc cẩu để kết nối với vật thể, khối hàng cần nâng hoặc hạ.
Bằng cách điều khiển động cơ của tời điện, người sử dụng có thể điều chỉnh tốc độ nâng hoặc hạ, đồng thời đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình vận hành.
- Qua nguyên tắc này, thiết bị tời điện giúp thực hiện các tác vụ nâng hạ và di chuyển vật liệu một cách dễ dàng và tiện lợi, đồng thời đảm bảo an toàn cho người sử dụng và hàng hóa.
Thiết bị tời điện có nhiều ưu điểm vượt trội khiến nó trở thành một công cụ quan trọng và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống và sản xuất con người Dưới đây là một số ứng dụng phổ biến của tời điện:
• Vận tải công nghiệp: Tời điện được sử dụng để nâng hạ và bốc xếp hàng hóa nặng tại các bến bãi, cảng biển và các kho hàng trung tâm Việc này giúp tăng năng suất và tiết kiệm thời gian trong quá trình vận chuyển.
• Xây dựng: Trong ngành xây dựng, tời điện được sử dụng để di chuyển và nâng hạ các vật liệu xây dựng như sắt, xi măng, gạch và các tấm kính. Điều này giúp đẩy nhanh tiến độ công trình và giảm sức lao động.
• Lĩnh vực sản xuất truyền thông: Tại các phim trường, tời điện thường kết hợp với các thiết bị khác để di chuyển và cân chỉnh các thiết bị quay phim, chiếu sáng và âm thanh, tạo ra các hiệu ứng động cho các cảnh quay.
Tính toán thiết kế và chọn các thành phần cơ khí hệ thống
- Bài toán tĩnh học chất lỏng.
- Bài toán cơ học chất điểm.
Trong hai bài toán trên, trọng tâm chính là giải quyết các vấn đề vật lý cơ bản liên quan đến hệ thống cơ học Các thông số tải trọng (Q), lực căng (T) tác động lên cáp được xác định rõ ràng Tiếp theo, các bước tính toán chi tiết được thực hiện để xác định các đặc tính của cơ cấu.
1 Thiết kế cửa tấm treo và khung chịu tải trọng của cơ cấu nâng.
2 Lựa chọn sơ đồ cơ cấu nâng và giải pháp về động học và kết cấu tương ứng với cửa tấm treo ở bước 1.
3 Căn cứ vào sơ đồ luồn cáp đã chọn ở bước 2, xác định thông số cáp, chọn cáp.
4 Xác định kích thước cơ bản của tang và puly.
5 Tính toán số vòng quay yêu cầu của tang để đảm bảo tốc độ nâng vật Vn 6 Tính chọn động cơ điện và kiểm tra động cơ ( công suất cản tĩnh, thời gian mở máy,….) 7 Từ các thông só công suất, tỷ số truyền động chung, số vòng quay trục vào, chế dộ làm việc tiến hành chọn hệ thống truyền động 8 Tính toán momen phanh, chọn phanh và kiêm tra gia tốc phanh 9 Tính toán chọn lựa các bộ phận chịu lực còn lại của hệ thống cửa chống ngập
2.2.1 Cơ sở tính toán cơ học và tĩnh học chất lỏng
Xuát phát từ cơ sở lí thuyết của bài toán tĩnh học chất lỏng và cơ học lí thuyết, việc xác định các thông số vật lí cơ bản là bước khởi đầu để xử lí các bài toán tính toán về sau.
Bảng 2.4 Thông số đầu vào bài toán thiết kế
Tải trọng Q 200-300Kg – tải trọng của cửa tấm treo
( bao gồm đi kèm các thiết bị cơ khí như puly, bulong…)
Chiều cao nâng H 2m so với mặt sàn nhà( nơi treo cửa tấm)
Tốc độ nâng Vn 5-6m/phút
Chế độ làm việc của cơ cấu cơ khí
Chế độ làm việc của hệ thống cửa: chế độ làm việc ngắn hạn liên tục với tải trọng không đổi trong chu kí làm việc.
A, Bài toán tĩnh học chất lỏng.
Cơ sở lí thuyết: sử dụng quy luật về cân bằng của chất lỏng ở trạng thái tĩnh Phân ra 2 trạng thái tĩnh: Tĩnh tuyệt đối: Chất lỏng không chuyển động so với hệ tọa độ cố dịnh( gắn với Trái Đất) và tĩnh tương đối: chất lỏng chuyển động so với hệ tọa độ cố định nhưng giữa chúng không có chuyển động tương đổi. Đối với hệ thống cửa chống ngập tấm treo, trường hợp này xét bài toán tĩnh tương đối coi hệ cơ học là một tấm chắn nước ở các mực nước khác nhau và xét bài toán tĩnh học tương đối để thực hiện tính toán. Áp suất thủy tĩnh của chất lỏng: là những ứng suất gây ra bởi các lực khối và lực mặt lên tác dụng lên chất lỏng của trạng thái tĩnh
Xét đến áp suất thủy tĩnh của chất lỏng có các đặc tính :
+ Áp suất thủy tĩnh luôn luôn tác dụng thẳng góc với hướng vào mặt tiếp xúc.
+ Áp suất thủy tĩnh tại mỗi điểm theo mọi phương là bằng nhau.
Một số công thức và chú ý:
• Zc là độ cao của mực chất lỏng
• S: diện tích mặt tiếp xúc chất lỏng
- Khối lượng riêng và trọng lượng riêng.
Khối lượng M của chất lỏng được đặc trưng bởi khối lượng của 1 đơn vị thể tích W gọi là khối lượng riêng hoặc khối lượng đơn vị: ρ=M
Tương tự, có trọng lượng riêng γ= W G ( N m 3 haykG m 3 )
Trọng lượng 1 vật có khối lượng 1kg có thể coi 9,8N 10N; 1kG
Trọng lượng riêng của nước: γ10 ( N m 3 )
Ta có mối liên hệ: γ= ρ ∗g với g=9.8 m s 2
Cơ sở tính toán: áp dụng những tính chất của đặc tính thủy tĩnh của chất lỏng, áp dụng vào bài toán thực tế
Bài toán trong trường hợp xây dựng mô hình ngăn nước như sau: Xác định tổng áp lực lên tường chắn phẳng hình chữ nhật có phần tường chìm xuống 5mm.Xác định tâm áp và lực nâng T cần thiết biết:
h2cm = 0.8m : mực lượng thượng lưu
vật liệu làm cửa là thép chống gỉ có trọng lượng riêng γx50 (N m 3 )
hệ số ma sát của cửa với khe rãnh là μ=0.3
- Sơ đồ phân bố chất lỏng:
Hình 2.34 Phân bố chất lỏng - Áp dụng phương pháp giải tích, ta được:
Hình 2.35 biểu đồ áp lực tác dụng lên cửa
• F là Áp lực tác dụng lên cánh cửa (N)
• γ là khối lượng riêng cửa nước (N/m 3 )
• h c là chiều cao từ đến điểm đạt lực (m)
• S là diện tích cửa hình chữ nhật ( m 2 )
- Trường hợp 1: Mực nước h1= 50cm Áp lực lên trường phằng theo công thức:
P1=γH2O∗h1∗S1 Áp suất khí trời ta không tính đến, vì nó tác động vào tường chắn về cả hai phía nên triệt tiêu nhau.
- Trường hợp 2: mực nước h2 cm – mực nước ngập thượng lưu
Tương tự như trường hợp 1:
=> P2=Pc2∗S210*0.8*2.5*0.8 2 x48(N) Áp dụng phương pháp đồ giải:
Hình 2.36 phương pháp đồ giải - Kiểm tra lại với trường hợp : h1Pcm và h2 cm
- Xác định tâm áp P: áp lực P đi qua tâm ΔABCABC -> tâm áp lực nằm ở 2/3h tính từ mặt thoáng ở mỗi trường hợp
- Ứng với trường hợp mực nước 80cm thì tâm áp ở vị 53.3 cm tính từ mặt thoáng.
Giả sử khối lượng của tấm cửa hình chữ nhật là m (kg), với hệ số ma sát f =0.3. Xác định lực nâng T theo phương trình (hcm)
- Tải trọng của cửa treo G:
Từ các thông số trên, ta có thể nhận định được lực tác động của nước ảnh hưởng tới cơ cấu hệ cơ khí và khoảng giá trị của lực nâng T có thể nằm trong khoảng từ m*9.8 N (0m) -> (9.8*m+2354,4) N ( 0.8m)
Theo định luật phản lực, để thiết kế cửa chống nước hiệu quả, lực phản tác dụng F' lên cửa phải lớn hơn áp lực nước tác động F Cụ thể, áp lực nước F được tính bằng tổng trọng lượng nước trên cửa (9,8 * m) và trọng lượng riêng của nước (2.354,4 N) Do đó, F' phải được thiết kế lớn hơn (9,8 * m + 2.354,4) N để chống lại áp lực nước và đảm bảo cửa không bị vỡ.
Thiết kế một cửa có phản lực F’, sao cho F’>F Ta phải chọn vật liệu làm cửa và thiết kể hình dạng cửa phù hợp để đảm bảo độ cứng, độ biến dạng và khả năng chống nước tốt.
B, Bài toán cơ học tính toán treo cửa
Cơ sở lí thuyết: Sử dụng phương pháp đặt lực để xét lực căng cáp T để treo vật nặng có tải trọng Q ở độ cao h(m) so với mặt sàn.
Một số công thức tính và lưu ý:
A là công của lực F (đơn vị là Jun);
F là lực tác dụng vào vật (đơn vị là N);
S là quãng đường vật dịch chuyển ( đơn vị là m); Đơn vị của công là jun (kí hiệu là J) 1 J = 1N.1m = 1Nm; 1kJ = 1000 J; Bội số của Jun là kilojun (kJ) Công thức công suất:
P là công suất (đơn vị là J/s hoặc W);
A là công thực hiên (đơn vị là N.m hoặc J);
t là thời gian thực hiện công (Đơn vị là s)
Cơ sở tính toán: Xét trường hợp vật ở trạng thái treo cân bằng ở độ cao 2m so với mặt sàn Phương trình lực theo phương đứng: (a=0 m/s 2 )
Tổng hợp lực theo phương thẳng đứng, ta được:
T=P=m*g0*9.872N Công thực hiện chuyển động kéo lên độ cao 2m: Ak=F*s= 1372*2'44(J) Công cản của ma sát trong quá trình di chuyển từ vị trị 0m lên độ cao 2m:
Về cơ sở tính toán cơ bản các đại lượng vật lí của một bài toán là tiền đề cho các bước tính toán chi tiết, tính chọn cho kết cấu cơ khí, tính chọn thiết bị tiếp sau.
2.2.2 Tính toán thiết kế hệ cửa treo -khung chịu tải 2.2.2.1 Tính toán thiết kế cửa tấm treo:
Thân cánh cửa có dạng hình chữ nhật.
Chiều cao cánh cửa: h = 800mm = 0,800m.
Chiều dài cánh cửa: b = 2500mm = 2,500m.
Bề dày cánh cửa d phụ thuộc vào khu vực lắp đặt cửa
Tổng khối lượng cánh cửa: m = 200kg 300kg
Vật liệu làm cửa: Thép mạ chống gỉ, chống ăn mòn.
Cánh cửa được thiết kế 2 lỗ mà có thể lắp với 2 puly ở phía trên.
Cửa được điều khiển tự động đóng/ mở nhờ hệ thống điện điều khiển
A Chọn vật liệu làm cửa
- Chịu áp lực tốt và có độ bền cao.
- Chống không gỉ và chống ăn mòn, oxy hóa tốt.
- Thông dụng và có giá cả phù hợp với dân dụng.
Hình 2.37 Cánh cửa tấm treo Đối với mặt trước và sau của cửa tấm treo, việc chọn loại vật liệu có thể phục vụ mục đích thiết kế sẽ giúp cửa có đáp ứng được mục đích thiết kế đặt ra.
Căn cứ vào yêu cầu thiết kế đặt ra thì thép tấm mạ kẽm SS400 là loại vật liệu phù hợp để thiết kế cửa.
Hình 2.38 Thép tấm mạ kẽm SS400
(Nguồn: https://tonthepsangchinh.vn/tin-tuc-thep-tam/)
- Thép tấm mạ kẽm: là tấm thép được cán nguội hoặc cán nóng với một lớp mạ kẽm để bảo đảm chống lại sự ăn mòn dưới tác động của môi trường.
- Được sử dụng ở nhiều trong các ngành công nghiệp có yêu cầu nghiêm ngặt về khả năng chống ăn mòn, độ bền, hình thức và khả năng tạo hình, dập, uốn các lớp phủ mạ kẽm khác nhau. Đặc điểm:
• Chống ăn mòn, oxy hóa: Lớp phủ kẽm bên ngoài như một lớp rào cản có tác dụng chống lại sự ăn mòn, oxy hóa của môi trường Cấu trúc thép bên trong được bảo vệ khỏi gỉ sét, ăn mòn.
So với các sản phẩm thép thường, thép tấm mạ kẽm sở hữu độ bền nổi trội nhờ đặc tính hóa học của kẽm Tính chất này giúp ngăn chặn hiệu quả các hiện tượng gỉ sét bề mặt, kéo dài đáng kể tuổi thọ thực tế của sản phẩm.
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN
Thiết kế mạch điều khiển
1 chế độ vận hành bằng tay qua nút nhấn
1 chế độ Auto hoạt đông dựa trên phao điện & công tắc hành trình tại 2 vị trí nâng và hạ.
Sử dụng tời điện PA600 – tời có phần động cơ 1 pha không đồng bộ 1 pha là loại động cơ có dây quấn stato là 1 cuộn dây pha Trong khi nguồn cấp cũng là 1 dây pha và 1 dây nguội ( được cung cấp thêm tụ điện để làm lệch pha) Đối với trường hợp chỉ có 1 cuộn dây pha thì động cơ sẽ không thể tự mở máy được vì khí đó từ trường 1 pha chính là từ trường đập mạch Để động cơ 1 pha có thể tự mở máy được thì cần dùng tụ thường trực.
Nguyên tắc khởi động động cơ dùng dụ thường trực nhự sau:
Dựa vào nguyên lí mắc nối tiếp của tụ điện với cuộn dây phụ Do đó, nó vừa tham gia vào quá trình khởi động và vừa tham gia vào quá trình làm việc.
- Nguyên lí đảo chiều động cơ 1 pha KĐB:
Để động cơ 2 chiều quay 1 pha có thể làm việc, stato của động cơ cần cung cấp dòng điện xoay chiều Dòng điện chạy qua dây quấn stato sẽ tạo ra từ trường quay, đạt được tốc độ: n`f/ p (vòng/ phút) Trong đó: f chính là tần số của nguồn điện, còn p chính là số đôi cực của dây quấn stato.
Trong quá trình quay, từ trường này sẽ tiến hành quét qua các thanh dẫn của rôto, từ đó làm xuất hiện ở đó 1 sức điện động cảm ứng Vì dây quấn rôto có đặc điểm là kín mạch nên sức điện động này sẽ tạo ra 1 dòng điện trong các thanh dẫn của rôto Các thanh dẫn này có dòng điện lại nằm bên trong từ trường, nên chúng sẽ tương tác với nhau, do đó tạo ra lực điện từ đặt vào trong các thanh dẫn.
Tổng hợp các lực trên đây sẽ tạo ra mô men quay đối với trục rôto, do đó sẽ làm cho rôto chuyển động quay theo chiều của từ trường Khi motor quay 2 chiều hoạt động, tốc độ của rôto (n) luôn luôn nhỏ hơn tốc độ đo được của từ trường (n1) Kết quả là rôto sẽ quay chậm lại, cho nên nó luôn nhỏ hơn n1 Cũng chính vì thế động cơ còn được gọi tên là động cơ không đồng bộ.
- Mạch đảo chiều động cơ:
Hình 3.87 Nguyên lí đảo chiều động cơ 1 pha
(Nguồn:minhmotor.com/dao-chieu-dong-co-1-pha.html)
Cách đấu mạch đảo chiều động cơ 1 pha:
Hình 3.88 Sơ đồ mạch điện khi đảo chiều motor 1 pha
Phương pháp đảo chiều động cơ KĐB 1 pha là đổi 2 dây cuộn đề để tiến hành đổi chiều động cơ điện Áp dụng cho tời điện có cuộn đề và cuộn chạy có số vòng xấp xỉ với nhau.
Đấu tụ vào giữa vị trí dây chạy và dây đề, để cho 1 dây nguồn cấp vào dây chung, còn dây nguồn còn lại thì cấp vào 1 trong 2 đầu tụ Khi đó,động cơ sẽ quay theo 2 chiều ngược nhau.
Hình 3.89 Sơ đồ mạch đảo chiều động cơ KDB 1 pha có 1 tụ thường trực
3.2.2 Mạch điều khiển 2 chế độ Auto & Manu
Yêu cầu thiết kế 2 chế độ điều khiển sử dụng 2 công tắc hành trình để giới hạn chiều cao nâng của cửa chống ngập.
Hình 3.90 mạch điều khiển 2 chế độ AUTO và MANU
Chế độ điều khiển MANU – điều khiển bằng nút bấm:
- Sử dụng các nút bấm NÂNG, HẠ, STOP để điều khiển nâng và hạ cửa chống ngập nâng hạ
- Chiều cao nâng cửa và chiều cao hạ cửa bị giới hạn bởi 2 công tắc hành trình được bố trí để giới hạn hành trình nâng hạ.
- Khi muốn đảo chiều nâng hoặc hạ cửa thì ấn 1 lần công tắc STOP để dừng động cơ để đảo chiều động cơ.
Chế độ điều khiển AUTO – hoạt động dựa trên phao điện NO-NC:
- Các chế độ nâng hạ hoạt động dựa trên phao điện tử NO-NC được đặt tại 1 vị trí rãnh có mức nước sát với mặt đường.
- Khi nước vào rãnh làm nâng phao điện, lúc này tiếp điểm được kích thích chuyển tín hiệu kích thích relay thời gian thường mở chậm, sau 1 thời gian 10s thì tín hiệu điện sẽ kích thích cuộn coil của KN khiến động cơ quay làm hạ cửa chống ngập xuống tới khi chạm công tắc hành trình ở vị trí hạ thì dừng động cơ.
- Khi nước rút ra khỏi rãnh khiến phao điện giật xuống, lúc này tiếp điểm sẽ đảo chiều kích thích relay thời gian thường mở chậm của chế độ nâng cửa, sau thời gian 10s thì tín hiệu điện sẽ kích thích cuộn coil KT khiến động cơ quay nâng cửa chống ngập lên vị trí đặt công tắc hành trình ở vị trí nâng Cửa chạm tới vị trí treo thì sẽ phanh treo cửa ở vị trí treo.
Chế độ báo quá tải động cơ – relay nhiệt:
- Khí động cơ bị kẹt hoặc bị quá nhiệt thì relay nhiệt ngắt phần tiếp nối giữa động cơ và bộ khởi động từ và dừng động cơ quay hệ thống phanh cơ sẽ hãm phanh dừng cửa lại vị trí treo Đèn báo quá tải sẽ liên tục nháy cho đến khi động cơ được xử lí và trở lại hoạt động bình thường.
MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ
Mô phỏng
Hình 4.91 Hoạt động nâng cửa theo chế độ nâng bằng điều khiển nút nhấn
Hạ cửa chống ngập – có đèn báo
Hình 4.92 Hoạt động hạ cửa theo chế độ nâng bằng điều khiển nút nhấn
Hình 4.93 Dừng máy tời điện bằng nút nhất stop
- Mô phỏng chế độ AUTO – hoạt động dựa trên phao điện và công tắc hành trình:
Nâng cửa khi không có nước đầy ở vị trí đặt phao điện
Hình 4.94 Nâng cửa tự động khi không có nước tràn vào vị trí đặt phao
Hình 4.95 Dừng nâng cửa khi chạm công tắc hành trình nâng
Hạ cửa khi nước dâng làm dâng phao điện ở vị trí lắp đặt:
Hình 4.96 Hạ cửa chống ngập khi nước làm dâng phao điện
Hình 4.97 Dừng hạ cửa khi chạm công tắc hành trình hạ
- Mô phỏng báo lỗi quá tải động cơ và dừng hoạt động:
Hình 4.98 Dừng động cơ khi quá tải và đèn báo tín hiệu
