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

Nội dung bài viết trình bày tính toán lực cản phanh giảm tốc hệ thống thang thoát hiểm, mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng. Để hiểu rõ hơn, mời các bạn tham khảo!

K t qu nghiên c u KHCN TÍNH TỐN LỰC CẢN PHANH GIẢM TỐC CHO HỆ THỐNG THANG THOÁT HIỂM, MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG Nguy n Ng c H i, Nguy n Hoàng Trung Kiên Viện Khoa học An toàn Vệ sinh lao động Thành phố Hồ Chí Minh Tóm tắt Bài báo trình bày việc tính toán lực cản cấu phanh hệ thống thang hiểm Hệ thống thang hiểm có bốn module, module cố định, ba module di động tự động lắp ghép vào kích hoạt Bài báo tính tốn thành phần lực phanh để tạo lực cản cần thiết cho thang chuyển động lắp ghép với gia tốc mong muốn Sau mô thực nghiệm để kiểm chứng kết T khóa: Phanh giảm tốc, phanh an tồn, giảm gia tốc rơi tự H I ĐẶT VẤN ĐỀ ệ thống thang thoát hiểm cho nhà phố cấu gồm bốn module lắp ghép với tạo thành thang liền mạch Khi chưa kích hoạt thang định vị Hình Hình Hệ thống thang thoát hiểm module 108 Khi hệ thống thang hiểm kích hoạt module lắp ghép vào theo thứ tự từ module (d) đến (a) Hệ thống hoạt động cấu di chuyển nhờ trọng lực Vấn đề đặt module di chuyển với gia tốc rơi tự (9,8m/s2), vận tốc di chuyển module lớn Điều gây nguy hiểm đồng thời làm cấu va chạm mạnh dẫn đến hư hại phận lắp ghép module Vì cần có cấu để hạn chế gia tốc chuyển động module lắp ghép Để giảm gia tốc rơi tự module cần tạo lực cản có chiều ngược với chiều chuyển động Tạo lực cản dùng đến đối trọng, phanh ma sát, phanh từ… Trong hệ thống thang hiểm khơng gian thiết kế hạn chế, để tạo lực cản cho module cần cấu nhỏ gọn, dễ chế tạo hoạt động Phanh phận thiếu nhiều hệ thống khí Thường thấy hệ thống phanh xe máy, phanh an toàn thang máy, cầu trục… Trong thiết bị, phanh đóng vai trị hạn Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2019 K t qu nghiên c u KHCN chế tốc độ hay dừng hẳn để đảm bảo an tồn Mỗi loại phanh có ưu, nhược điểm, ứng dụng cụ thể mà chọn phanh phù hợp Nhóm tác giả phân tích ưu, nhược điểm số loại phanh thông dụng đề xuất phương án phanh phù hợp với hệ thống thang thoát hiểm 1.1 Phanh nêm (cơ) cho thang máy Hình 2a Phanh nêm thực tế Hình 2b Sơ đồ nguyên lý phanh nêm Cabin thang máy di chuyển với vận tốc an tồn phanh khơng hoạt động Khi cabin di chuyển với vận tốc lớn vận tốc an toàn, lúc phanh nêm hoạt động nhờ lực từ cấu an toàn Governor Hai má phanh (3) di chuyển khung sườn phanh nêm (2) ma sát với ray (1) để tạo lực cản, hướng di chuyển má phanh theo hướng mũi tên Hình cabin thang di chuyển chậm lại đến vận tốc khơng Phanh nêm có ưu điểm hoạt động ổn định, độ an toàn cao, dễ chế tạo, hoạt động không cần điện giá thành rẻ Đến hầu hết loại thang máy cịn trang bị, có số hệ thống thang máy dùng điện để kích hoạt thay dùng Hình 3a Phanh má ngồi Hình 3b Sơ đồ nguyên lý phanh má truyền động (1) khung sườn (4) Khi có lực tác động vào truyền động (1) lúc hai má phanh (2) áp vào chuông phanh (3) sinh ma sát, tạo thành moment cản, có chiều ngược với chiều quay Nhờ moment cản từ phanh, vận tốc quay chuông (3) giảm xuống cấu chuyển động chậm lại Hiệu suất phanh cao hay thấp phụ thuộc vào moment cản tạo từ má phanh Moment cản phụ thuộc vào lực ép, hệ số ma sát bố phanh chng phanh Phanh thường có kích thước lớn nên để thu gọn người ta thường chọn vật liệu chuyên dụng có hệ số ma sát cao, chịu mài mịn tốt đặc biệt phải có hệ số ma sát ổn định nhiệt độ cao Hiện cấu phanh má ứng dụng nhiều sống Ưu điểm phanh má không gây uốn trục, độ bền cao, dễ bảo trì, chi phí thấp Nhược điểm phanh có kích thước lớn 1.3 Phanh đai ngồi 1.2 Phanh má ngồi Phanh má ngồi có kết cấu đơn giản Tùy theo ứng dụng khác có nguyên tắc hoạt động thường đóng hay thường mở Dẫn động cho phanh cơ, điện, thủy lực khí nén Phanh má ngồi có cấu tạo gồm hai cụm má phanh (2), chuông phanh (3), chi tiết khí Hình 4a Phanh đai ngồi thực tế Hình 4b Sơ đồ ngun lý phanh đai ngồi Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2019 109 K t qu nghiên c u KHCN Phanh đai đời sớm trang bị cho xe ô tô nhiều khuyết điểm dần đào thải Hiện phanh đai ứng dụng xe máy Phanh đai ngồi cấu tạo gồm trống phanh (2), vịng đai ngồi (1) quấn quanh trống phanh để tạo lực căng phần tử truyền động (3) Nguyên lý hoạt động phanh đai tương tự với phanh má khác chỗ phanh đai tạo lực phanh vòng đai Kết cấu loại phanh đơn giản, gọn dễ bố trí Khuyết điểm phanh đai độ tin cậy thấp Nguyên nhân nước, bụi dễ vào vòng đai trống phanh làm giảm hệ số ma sát vòng đai mau bị mài mịn Mỗi cấu phanh có ưu, nhược điểm riêng Nhóm nghiên cứu kế thừa để thiết kế loại phanh phù hợp với hệ thống thang thoát hiểm Phanh cần có thiết kế nhỏ gọn, kinh tế, dễ chế tạo, ổn định hoạt động 1.4 Đề xuất phanh cho hệ thống thoát hiểm Trong hệ thống thang thoát hiểm cấu lắp ghép dạng trượt nên phương án phù hợp cấu phanh trượt Cơ cấu phanh đề xuất cho hệ thống thang thoát hiểm mơ tả sơ đồ Hình Cụm phanh có cấu tạo gồm trượt (1), má phanh (2), lò xo (3) khung sườn (4) Bộ phận truyền động phanh lò xo nén Thanh trượt phận để module di chuyển trình lắp ghép Lò xo tạo lực ép cho má phanh, má phanh di chuyển có chiều Hình Khi má phanh ép sát vào trượt tạo lực cản cho module Lực nén lớn ma sát cao giúp module giảm vận tốc rơi lắp ghép Hệ số nén lị xo tính toán phù hợp với gia tốc module lắp ghép, nhằm đảm bảo module di chuyển với vận tốc an tồn - Chi phí chế tạo thấp; - Ngun lý hoạt động ổn định Khuy t m: Hệ số ma sát không ổn định bị tạp chất bám vào phần trượt, má phanh Từ sơ đồ Hình nhóm tác giả tiến hành tính tốn thông số lý thuyết, thiết kế 3D, mô chuyển động lắp ghép module thực nghiệm Vị trí cụm phanh module mơ tả Hình Trong hệ thống thoát hiểm gồm bốn module module trang bị phanh giảm tốc riêng biệt Tính tốn cho phanh khác nhau, hệ thống thang thoát hiểm lắp ghép theo kiểu từ module (d) vào (c), (c) vào (b) cuối (b) vào (a), vị trí thang mơ tả Hình Quá trình lắp ghép làm tăng Hình Sơ đồ nguyên lý cấu phanh hệ thống thang thoát hiểm
u m: - Nguyên lý đơn giản giúp dễ dàng thiết kế, chế tạo; - Linh hoạt, dễ bố trí khơng gian nhỏ; 110 Hình Vị trí phanh hệ thống thang hiểm Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2019 K t qu nghiên c u KHCN khối lượng cho cấu lắp ghép phía sau nên tính tốn phanh thay đổi theo khối lượng Về nguyên lý hoạt động phanh dùng chung cho hệ thống thang thoát hiểm Trong báo trình bày tính tốn, mơ thực nghiệm cho lắp ghép (module (d) lắp ghép module (c)) Từ vấn đề nêu cần thực việc tính tốn thơng số phanh cho module (d) di chuyển đạt gia tốc 3m/s2 (gia tốc 3m/s2 chọn trình thử nghiệm hệ thống thang thoát hiểm, với gia tốc module lắp ghép không gây biến dạng) Gia tốc 3m/s2 dùng làm đầu để tiến hành tính tốn, mơ cho hệ thống thang thoát hiểm Bài báo thực tính tốn, mơ thực nghiệm Sau đưa so sánh, nhận xét kết Tiếp theo tác giả trình bày việc xác định thơng số mơ phỏng, thực nghiệm Các thơng số gồm có lực ép phanh, gia tốc, vận tốc chuyển vị module (d) lắp ghép vào module (c) Các thơng số hệ thống mơ tả Hình Trên hình mơ tả vị trí hai thang chưa lắp Thang module (c) Thang module (d) phanh , ghép Hành trình di chuyển module (d) 3,028m Các thông số, ký hiệu xem bảng phụ lục II XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ LÝ THUYẾT, MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 2.1 Lực ép phanh Motion N Hình Sơ đồ ngun lý phân tích lực cấu phanh L i tr ng làm gi m v n t c di chuy n c a module (d) l p ghép L i tr ng Hình 8, P tr ng l c c a module (d) H s ma sát gi a phanh t ch n 0,25 (lo i b dán vào má phanh có h s ma sát 0,25) Kh ng c a module (d) 18,6kg hành trình di chuy n 3,028m Fms L c ép phanh: Fms N N Fms (1) Trong đó: Fms: lực ma sát phanh; µ: hệ số ma sát phanh trượt (Chọn =0,25); N: phản lực tạo từ phanh Theo định luật Newton ta có: P Fms Hình Mơ hình 2D thang hiểm Trong đó: ma (2) P: trọng lực module (d) (có độ lớn: P = mg = Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2019 111 K t qu nghiên c u KHCN 18,6 x 9,8 = 182,28 (N)); a: gia tốc module (d) có phanh (a = 3m/s2); Từ (2) → Fms = P - ma = (18,6 x 9,8) - (18,6 x 3) = 126,48 (N) T (1) N Fms 126, 48 0, 25 505 (N) Theo định luật Newton: N = Fnén = 505N (lực ép lò xo để module (d) di chuyển với gia tốc (m/s2)) Lực ép lò xo 505N, thực tế lò xo chọn đáp ứng gần giá trị tính tốn Lị xo chọn có thơng số sau: Kích th
c: ng kính dây ng kính ngồi S vịng Chi u dài lị xo 3mm 16mm vịng 40mm Thơng s l c nén: c ng lò xo T i nén lị xo v i hành trình 9,89mm 2.2.1 Tính tốn module (d) khơng phanh Thời gian module (d) di chuyển hết hành trình khơng phanh: g t12 S 52,2N/mm 516N - Tải nén lị xo với hành trình: 9,89mm; 516N Lực nén lị xo thực tế 516N Thơng số lị xo tính tốn phần mềm Acxesspring (Phần mềm cho phép chọn thơng số đầu vào đường kính dây, đường kính ngồi, số vịng chiều dài lị xo Kết sau phần mềm tính tốn cho giá trị độ cứng, lực nén, chiều dài biến dạng… Kết tính tốn thể phụ lục Phanh lò xo nén từ đầu lực nén lò xo tác động liên tục giúp thang di chuyển với gia tốc mong muốn 3m/s2 t1 2.S g 0,786 (giây) Trong đó: S (m): hành trình module (d) di chuyển đến biên (S = 3,028m); g (m/s2) : gia tốc rơi tự (g = 9,8m/s2); t1 (giây): thời gian module (d) di chuyển hết hành trình S Vận tốc lớn thời điểm (t1): V1 = g x t1 = 9,8 x 0,786 = 7,7m/s 2.2.2 Tính tốn module (d) có phanh Chuyển vị thời điểm t1: St1 - Độ cứng lị xo: 52,2N/mm 112 2.2 Thơng số module (d) di chuyển lắp ghép a t12 Trong đó: 3.0,7862 0,91 (m) t1 (giây): thời gian module (d) di chuyển hết hành trình S (khi có phanh); a (m/s2): gia tốc module (d) có phanh (a = 3m/s2); St1 (m): chuyển vị module (d) thời gian t1 (t1 = 0,786 giây) Vận tốc thời điểm t1: V2 = a x t1 = x 0,786 = 2,3m/s Trong đó: V2 (m/s): vận tốc module (d) thời điểm t1; a (m/s2): gia tốc module (d) có phanh (a = 3m/s2); t1 (giây): thời gian module (d) di chuyển hết hành trình S (khi có phanh) Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2019 K t qu nghiên c u KHCN Thời gian di chuyển hết hành trình: S a.t2 t2 2S g 2.3,028 1,42 (giây) Trong đó: Nh n xét: Module (d) không phanh: Giá trị mô không phanh so với giá trị tính tốn (mục 2.2.) có sai số thấp (sai số thời gian 0,06 giây, nhỏ 1%) Module (d) có phanh: gia tốc giảm gần với S (m): hành trình module (d) di chuyển đến biên (S = 3,028m); a (m/s2): gia tốc module (d) có phanh (a = 3m/s2); t2 (giây): thời gian module (d) di chuyển hết hành trình S (khi có phanh) Giá trị chuyển vị, vận tốc thời điểm t1 dùng để so sánh với kết mô từ phần mềm Solidworks Từ đánh giá sai số mơ giá trị tính tốn 3827 -706 -1206 -1706 -2206 -2706 -3206 -3706 -4206 -4706 -5206 -5706 -6206 -6706 -7206 -7706 Center of Mass Position4 (mm) 4156 3227 2927 2627 2327 2027 Velocity2 (mm/sec) 3527 1727 1427 1127 (mm/s2) (mm/s) (mm) 0.00 0.08 0.16 0.24 0.32 0.40 0.48 0.55 0.63 0.71 0.78 Time (sec) (giây) Hình 10 Kết mô chuyển động module (d) không phanh 4156 -2307 4026 -2507 -2607 -2707 -2807 -2907 3926 3826 3726 3626 3526 3426 -3007 3326 -3107 3226 (mm/s2) (mm) Velocity2 (mm/sec) -2407 -112 -262 -412 -562 -712 -862 -1012 -1162 -1312 -1462 -1612 -1762 -1912 -2062 -2212 -2362 (mm/s) 0.00 0,93m -2181 C enter of Mass Position (mm) Kết module (d) không phanh gia tốc 9,8m/s2, thời gian di chuyển từ kích hoạt đến hết hành trình 3,028m 0,78 giây, vận tốc lớn đạt 7,7m/s vị trí biên trước va chạm biên module (c) Như đầu đề cần module (d) di chuyển với gia tốc 3m/s2 Kết mô lực phanh 505N, gia tốc module (d) 3,001m/s2, chuyển vị 0,93m, vận tốc thời điểm t1 2,366m/s Acceleration5 (mm/sec**2) Module (d) sau kích hoạt, di chuyển theo trượt module (c) đến hết hành trình (S = 3,028m) Hành trình module (d) di chuyển lắp ghép vào module (c) ghi lại số liệu gia tốc, vị trí vận tốc module (d) Mô thực hai lần, lần đầu module (d) chưa có phanh lần hai có phanh Trên mơ bỏ qua ma sát lăn khớp trượt, thời gian mô lấy mốc thời gian module (d) di chuyển đến hết hành trình với gia tốc rơi tự 9,8m/s2 -6000 -6400 -6800 -7200 -7600 -8000 -8400 -8800 -9200 -9600 -10000 -10400 -10800 -11200 -11600 -12000 Acceleration5 (mm /sec**2 ) Mơ trình bày chuyển động lắp ghép module (d) (c), mơ hình 2D Hình 7, ngun lý phanh Hình Mơ hình 3D dựng phần mềm Solidworks Hình 3,028 m Hình Mơ hình 3D mô chuyển động module (d) 2.3 Mô chuyển động module (d) 0.08 0.16 0.24 0.32 0.40 0.48 0.55 0.63 0.71 0.78 (giây) Time (sec) Hình 11 Kết mơ chuyển động module (d) có phanh Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2019 113 K t qu nghiên c u KHCN giá trị mong muốn 3m/s2, chuyển vị 0,93m sai lệch so với giá trị tính toán 0,91m 0,02m (sai số 2%), sai lệch gia tốc đạt gần giá trị mong muốn, sai số gia tốc 0,001m/s2 (0,03%) 2.4 Thực nghiệm kiểm chứng Tiếp theo nhóm tác giả thực thử nghiệm để kiểm chứng lại kết tính tốn Thử nghiệm thực với thơng số tính tốn lý thuyết Hình 12 thử nghiệm module (d) lắp ghép vào module (c) Trong thử nghiệm tiến hành cho module (d) di chuyển khơng phanh có phanh Khi thử nghiệm ghi lại thời gian di chuyển module (d) để so sánh với giá trị tính tốn, mơ đưa nhận xét K t qu : Khi chưa có phanh: thời gian di chuyển module (d) 0,9 giây So sánh với thời gian tính tốn (t1 = 0,786 giây) sai lệch tính tốn thực nghiệm 0,114 giây (sai số 14%) Thời gian module (d) di chuyển thực tế lớn so với lý thuyết, mô mơ tính tốn bỏ qua lực ma sát cụm trượt Khi có phanh: thời gian di chuyển module (d) 1,6 giây So với thời gian tính tốn (t2 = 1,42 giây) sai lệch tính tốn thực nghiệm 0,18 giây (sai số 13%) Chuyển vị trí đo thời điểm t1 0,72m, gia tốc thực tế module 2,36m/s2 Giá trị sai số có phanh lớn so với thử nghiệm không phanh sai số tạo từ ma sát cụm trượt sai số lực nén lò xo ép phanh Nh n xét: Trong hai lần thử nghiệm, thời gian module (d) di chuyển thực tế lớn so với giá trị tính toán (sai lệch hai lần thử nghiệm nhỏ 14%) Nguyên nhân module (d) di chuyển chậm lực nén lò xo thực tế chọn lớn Hình 12 Thử nghiệm thực tế thang hiểm 114 Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2019 K t qu nghiên c u KHCN B ng th ng kê k t qu tính tốn, mơ ph ng th c nghi m: Tính tốn b ng cơng th c Th i gian di chuy n h t hành trình (giây) K t qu mô ph ng 3D Solidworks K t qu th c nghi m 0,786 0,78 0,9 V n t c V1 (m/s) 7,7 7,7 6,7 Gia t c (m/s2) 9,8 9,8 7,47 3,028 3,028 3,028 Hành trình di chuy n module (m) Tính tốn b ng cơng th c Khi có phanh M c th i gian t1 so sánh (giây) c ch K t qu mô ph ng 3D Solidworks K t qu th c nghi m 0,786 0,786 0,786 2,3 2,36 1,8 Gia t c (m/s2) 3,0 3,0 2,36 Hành trình di chuy n module th i gian t1 (m) 0,91 0,93 0,72 V n t c t i th m t1 (V2(m/s)) so với giá trị mơ (lực nén lị xo thực tế 516 N) Ngoài ra, module (d) di chuyển thực tế cịn có lực ma sát cấu trượt (khi mô bỏ qua lực ma sát này) Giá trị sai số thực tế mô lớn 0,2 giây, thời gian thực tế không đáng kể III KẾT LUẬN Bài báo trình bày tính tốn lực phanh cần thiết giúp giảm gia tốc rơi module (d) lắp ghép Giá trị mơ với tính tốn lý thuyết, so với giá trị thử nghiệm mơ có sai số nhỏ Sai số mơ giảm đưa thơng số đầu vào xác hơn, bổ sung ma sát cụm trượt Mô chuyển động phần mềm Solidworks giúp nhiều việc ước lượng, tính tốn phanh Nhiều hệ thống khí việc chế tạo thử nghiệm tốn nhiều kinh phí, thời gian nhiều rủi ro hệ thống khơng hoạt động Việc mô chuyển động 3D phần mềm Solidworks giúp người thiết kế hạn chế sai sót bản, điều giúp việc chế tạo sản phẩm tiết kiệm nhiều kinh phí thời gian Từ thử nghiệm cho thấy sai lệch định phần mô bỏ qua ma sát phần trượt lị xo chế tạo thực tế khơng đảm bảo độ xác Để việc mơ thực tế cần đưa vào yếu tố ảnh hưởng đến kết việc mơ phần mềm xác TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] William J Palm (2009), “System Dynamics”, Published by McGraw-Hill, p 52 [2] Rajagopalan C Sekhar (1985) “Re-windable fire escape”, United States Patent [3] Marinoff (1981), “Fire Escapedevice” United States Patent, p [4] Yet,s Meillet (2010), “Climbassist System”, United States Patent [5] Nguyễn Xuân Ngọc (2010), “Chi tiết máy” NXB Giáo dục Việt Nam, p 240-245 Taïp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2019 115 K t qu nghiên c u KHCN PHỤ LỤC Ký hiệu Ký hi u Ý ngh g m/s2 Gia t c tr t giây Th i gian di chuy n module (d) V m/s V n t c module (d) m Kg Kh N N Ph n l c P N Tr ng l c module (d) ng module (d) 18,6kg H s ng (g = 9,8m/s2) t, = (0,25) Gia t c module (d) có phanh (3m/s2) a m/s Fdt N L S m Hành trình di chuy n module (d) S = 3,028m i tr ng Kết tính tốn lị xo từ phần mềm Acxesspring 116 Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2019 ... phanh cho hệ thống thoát hiểm Trong hệ thống thang thoát hiểm cấu lắp ghép dạng trượt nên phương án phù hợp cấu phanh trượt Cơ cấu phanh đề xuất cho hệ thống thang hiểm mơ tả sơ đồ Hình Cụm phanh. .. tốc đạt gần giá trị mong muốn, sai số gia tốc 0,001m/s2 (0,03%) 2.4 Thực nghiệm kiểm chứng Tiếp theo nhóm tác giả thực thử nghiệm để kiểm chứng lại kết tính tốn Thử nghiệm thực với thơng số tính. .. 3D, mô chuyển động lắp ghép module thực nghiệm Vị trí cụm phanh module mơ tả Hình Trong hệ thống hiểm gồm bốn module module trang bị phanh giảm tốc riêng biệt Tính tốn cho phanh khác nhau, hệ thống