Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Tại các đô thị lớn ở Việt Nam như Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh, Đà Nẵng, Hải Phòng và Quảng Ninh, quỹ đất xây dựng ngày càng hạn hẹp dẫn đến sự phổ biến của loại hình nhà phố dạng ống cao tầng. Phần lớn các công trình này có đặc điểm cầu thang bộ với độ dốc lớn, gây cản trở nghiêm trọng đến việc di chuyển giữa các tầng đối với người cao tuổi, người mắc bệnh xương khớp, người khuyết tật và phụ nữ mang thai. Trong khi các quốc gia phát triển như Mỹ và Nhật Bản đã áp dụng rộng rãi thang máy gia đình hoặc thang nâng chuyên dụng gắn dọc lan can cầu thang (stairlift), thì tại Việt Nam, các giải pháp nhập khẩu có giá thành rất cao và khó tiếp cận đại trà.

Đồ án tốt nghiệp đại học ngành Kỹ thuật Công nghiệp tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh đặt ra mục tiêu nghiên cứu, tính toán thiết kế và chế tạo thực nghiệm mô hình hệ thống leo cầu thang nhằm hỗ trợ đối tượng suy giảm khả năng vận động di chuyển an toàn, tiện lợi với chi phí chế tạo phù hợp điều kiện trong nước.

Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài bao gồm năm nội dung:

  1. Khảo sát các cơ cấu nâng hạ cơ khí hiện hành có khả năng ứng dụng cho việc di chuyển người trên cầu thang bộ.
  2. Thiết kế tổng thể hệ thống di chuyển trên các phần mềm đồ họa kỹ thuật (AutoCAD, SolidWorks).
  3. Tính toán cơ học, lựa chọn vật liệu và kiểm nghiệm độ bền cho toàn bộ các chi tiết chịu lực chính (ray dẫn hướng, gối đỡ, trục liên kết, dây cáp kéo, then và cụm ổ lăn).
  4. Xây dựng sơ đồ mạch động lực, mạch điều khiển sử dụng biến tần, rơ-le khóa chéo và bộ hãm an toàn.
  5. Gia công, chế tạo mô hình thực tế và thực nghiệm chạy thử tải với các mức tải trọng quy định.

Đối tượng nghiên cứu là mô hình cơ điện hệ thống leo cầu thang trượt theo ray dẫn hướng thẳng; phạm vi nghiên cứu được giới hạn cho kiến trúc nhà ở ít tầng tại Việt Nam với góc nghiêng cầu thang tiêu chuẩn 35 độ, chiều dài hành trình thử nghiệm 2 m và bề rộng hệ thống 250 mm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình tính toán

Nghiên cứu vận dụng các nguyên lý cơ học và kỹ thuật điện cơ bản:

  • Lý thuyết chuyển động tịnh tiến trên mặt phẳng nghiêng: Thiết lập phương trình cân bằng lực của bài toán kéo vật thể có khối lượng $P$ trượt dọc theo góc nghiêng $\alpha = 35^\circ$ với vận tốc không đổi ($v = 0{,}1\text{ m/s}$, gia tốc $a = 0$), tính toán lực căng dây $T$, lực cản ma sát $F_{\text{ms}}$ và lực kéo cần thiết $F$ của động cơ.
  • Sức bền vật liệu và kiểm nghiệm độ bền chi tiết máy: Áp dụng điều kiện bền uốn thanh tiết diện vành khuyên cho đường ray, bền uốn trục chịu tải tập trung tại trung điểm gối đỡ, kiểm nghiệm ứng suất dập $[\sigma_d]$ và ứng suất cắt $[\tau_c]$ của mối ghép then truyền động, kiểm nghiệm tải trọng động $C_d$ và tải trọng tĩnh $Q_0$ của ổ lăn theo tiêu chuẩn tính toán hệ dẫn động cơ khí.
  • Lý thuyết truyền động điện và biến tần: Ứng dụng nguyên lý nghịch lưu điện áp xoay chiều thông qua phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) với bộ chuyển mạch IGBT trong biến tần, nhằm điều khiển vô cấp tần số và biên độ điện áp cấp cho động cơ xoay chiều 3 pha.

Phương pháp nghiên cứu thực tế

  • Phương pháp phân tích - so sánh giải pháp: Đối chiếu ba phương án dẫn động cơ khí (truyền động xích - đĩa xích, truyền động thanh răng - bánh răng, và truyền động bánh xe - dây cáp kéo) trên các tiêu chí: tính khả thi gia công trong nước, chi phí vật tư, độ êm dịu, mức độ an toàn và độ phức tạp khi bảo trì.
  • Phương pháp tính toán thiết kế máy: Sử dụng công thức giải tích từ giáo trình Chi tiết máy và Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí để xác định công suất động cơ, kích thước hình học chi tiết và hệ số an toàn phục vụ nâng người ($k = 6 \div 9$).
  • Phương pháp chế tạo cơ khí và thực nghiệm: Gia công kết cấu kim loại (cắt, hàn, tiện, khoan), lắp ráp tủ điện điều khiển, và vận hành thử nghiệm mô hình thực tế với tải trọng tĩnh và động tại xưởng.

Thiết kế và triển khai kỹ thuật

Kiến trúc cơ khí và hệ thống truyền động

Hệ thống gồm khung ray đỡ 3 ống thép tròn ghép thành tiết diện hình tam giác giúp triệt tiêu hiện tượng rung lắc và chống lật. Ghế ngồi bằng thép hộp liên kết với 4 cụm bánh xe ôm sát biên dạng ống ray. Chuyển động nâng - hạ được thực hiện nhờ cụm tời cáp thép kéo tịnh tiến dọc theo thân ray.

Hạng mục kết cấu Quy cách và thông số kỹ thuật Vật liệu / Mã hiệu Tiêu chuẩn / Kiểm nghiệm
Đường ray dẫn hướng 3 thanh ống tròn $\varnothing27\text{ mm}$, dày $2\text{ mm}$, dài $2\text{ m}$ Thép C45 ($[\sigma] = 610\text{ MPa}$) Momen chống uốn $W_x = 9{,}31 \cdot 10^{-7}\text{ m}^3$; đạt độ bền uốn với $k=6$
Gối đỡ và trục liên kết Trụ ống xẻ rãnh, thép chữ V đỡ ray, chiều cao chỉnh $100 \div 150\text{ mm}$ Thép C45, liên kết bulông M10 Momen chống uốn $W_x = 10^{-7}\text{ m}^3$; trục $\varnothing10\text{ mm}$ đạt bền uốn
Khung ghế ngồi Thép ống vuông $40 \times 40\text{ mm}$, tay vịn và đệm ngồi Thép hộp định hình hàn tổ hợp Đảm bảo liên kết 4 cụm bánh xe, chịu tải trọng phân bố $250\text{ N/cụm}$
Cụm ổ lăn bánh xe Ổ bi đỡ một dãy cỡ nặng; $d = 10\text{ mm}$, $D = 22\text{ mm}$, $B = 6\text{ mm}$ Ký hiệu ổ: 1000900 $C_d = 0{,}266\text{ kN} < C = 2{,}62\text{ kN}$; $Q_0 = 0{,}148\text{ kN} < C_0 = 1{,}38\text{ kN}$; kiểu lắp H7/k6
Dây cáp kéo Cáp thép bện đường kính $d = 8\text{ mm}$, góc kéo $35^\circ$ Cáp thép chịu lực Lực kéo đứt tối thiểu $3{,}63\text{ tấn}$ ($36.300\text{ N}$); hệ số an toàn nâng người $k=9$
Mối ghép then trục Then bằng; $b = 6\text{ mm}$, $h = 6\text{ mm}$, $l = 25\text{ mm}$, $t_1 = 3{,}5\text{ mm}$ Thép C45 $\sigma_d = 26{,}67\text{ MPa} < [\sigma_d] = 150\text{ MPa}$; $\tau_c = 20\text{ MPa} < [\tau_c] = 60\text{ MPa}$

Hệ thống điện và điều khiển tự động

Mạch điều khiển sử dụng nguồn điện lưới 220V qua bộ chuyển đổi 24V DC để nuôi mạch điều khiển và cuộn phanh hãm an toàn. Biến tần Siemens Micromaster 420 (0,37 kW) đóng vai trò điều khiển tốc độ và đảo chiều quay động cơ 3 pha 120W. Mạch bảo vệ gồm 2 rơ-le trung gian MY4 (24V, 14 chân, 4 tiếp điểm) mắc khóa chéo ngăn chặn xung đột lệnh lên/xuống, kết hợp 2 công tắc hành trình (SW1, SW2) bố trí ở hai đầu mút đường ray để tự động ngắt điện khi kết thúc hành trình.

Các tham số cài đặt chính trên biến tần Siemens MM420 được thiết lập như sau:

  • P0003 = 2: Mức truy cập thông số mở rộng.
  • P0010 = 1: Chế độ cài đặt thông số nhanh.
  • P0100 = 0: Tần số định mức lưới điện 50 Hz.
  • P0304 = 220: Điện áp định mức động cơ (220 V).
  • P0305 = 0,65: Dòng điện định mức động cơ (0,65 A).
  • P0307 = 0,12: Công suất định mức động cơ (0,12 kW).
  • P0310 = 50: Tần số định mức động cơ (50 Hz).
  • P0700 = 2: Chọn nguồn lệnh điều khiển từ cầu đấu (Terminal/Công tắc ngoài).
  • P0701 = 1: Ngõ vào số 1 chọn chức năng ON/OFF1 (chạy thuận/dừng).
  • P0702 = 2: Ngõ vào số 2 chọn chức năng ON đảo chiều/OFF1 (chạy nghịch/dừng).
  • P0703 = 9: Nhận biết và báo trạng thái lỗi.
  • P0704 = 0: Ngõ vào số không hoạt động.
  • P1080 = 10: Tần số hoạt động tối thiểu đặt ở 10 Hz.

Bảo vệ ngắn mạch và quá tải toàn hệ thống được đảm bảo bởi aptomat nhánh Schneider MCB C60A-2P-6A.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương mở đầu trình bày tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ thực trạng kiến trúc nhà ống dốc tại các đô thị Việt Nam và nhu cầu hỗ trợ người già, người khuyết tật di chuyển độc lập. Tác giả xác định rõ ý nghĩa khoa học, mục tiêu thiết kế mô hình hệ thống leo cầu thang dân dụng, phân định đối tượng nghiên cứu (mô hình cơ cấu nâng hạ trượt ray dẫn hướng) và giới hạn phạm vi nghiên cứu trong quy mô nhà ít tầng.

Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài

Nội dung chương tổng hợp các đặc tính, kết cấu cơ bản của thang nâng cầu thang. Tác giả phân tích các dạng ray dẫn hướng (ray tam giác chống rung lắc, ray nhôm định hình chi phí cao) và hệ thống bánh xe trượt. Chương này khảo sát hai dòng sản phẩm thương mại trên thị trường quốc tế là Brooks Stairlift và Flatform Lift Delta, chỉ ra việc các thiết bị này dùng cơ cấu thanh răng - bánh răng có độ chính xác cao nhưng chi phí đắt đỏ, khó gia công trong nước, từ đó định hình hướng tiếp cận cho đề tài.

Chương 3: Cơ sở lý thuyết

Trình bày các cơ sở lý thuyết phục vụ tính toán: phương trình động học và lực học chuyển động tịnh tiến trên mặt phẳng nghiêng; công thức kiểm nghiệm điều kiện bền của kết cấu cơ khí chịu uốn, cắt, dập; cấu tạo và đặc tính làm việc của động cơ điện xoay chiều 3 pha và động cơ một chiều; nguyên lý chuyển đổi năng lượng trong biến tần qua phương pháp PWM điều khiển linh kiện bán dẫn công suất IGBT.

Chương 4: Phương hướng và các giải pháp

Chương 4 đặt ra các yêu cầu kỹ thuật: tải trọng thiết kế 100 kg, vận tốc $0{,}1\text{ m/s}$, chuyển động êm, có phanh an toàn. Tác giả phân tích ưu - nhược điểm của 3 phương án dẫn động:

  1. Leo bằng xích và đĩa xích: Giá thành rẻ nhưng xích dài ($3 \div 5\text{ m}$) dễ chùng, dễ trượt tải, kém thẩm mỹ.
  2. Leo bằng thanh răng và bánh răng: Ổn định, tải dốc tốt, không ồn nhưng chi phí gia công rất cao, phụ thuộc linh kiện nhập khẩu.
  3. Leo bằng bánh xe và cáp kéo: Kết cấu đơn giản, chi phí thấp, linh kiện sẵn có trên thị trường, phù hợp hành trình thẳng.

Nhóm tác giả quyết định lựa chọn Phương án 3. Đồng thời, chương này xác định thông số cầu thang khảo sát (độ dốc $35^\circ$, bậc cao $175\text{ mm}$, rộng $250\text{ mm}$, chiều rộng thân thang $1\text{ m}$) và quy trình công nghệ chế tạo ray thép $\varnothing27\text{ mm}$, con đội gối đỡ, khung ghế thép hộp và mạch động lực.

Chương 5: Tính toán thiết kế

Đây là chương nội dung trọng tâm với các phép tính chi tiết:

  • Chọn động cơ: Với tải thiết kế $100\text{ kg}$ trên mặt nghiêng $35^\circ$, hiệu suất $\eta = 0{,}7$, vận tốc $v = 0{,}1\text{ m/s}$, công suất tính toán yêu cầu là $80\text{ W}$; nhóm chọn động cơ 3 pha kèm hộp giảm tốc công suất $120\text{ W}$ (nguồn 220V, momen kéo $F = 840\text{ N}$).
  • Chọn cáp kéo: Cáp thép đường kính $d = 8\text{ mm}$, tải đứt tối thiểu $3{,}63\text{ tấn}$ ($36.300\text{ N}$), đáp ứng hệ số an toàn $k = 9$.
  • Kiểm nghiệm ray và gối đỡ: Thép C45 chịu momen uốn lớn nhất tại trung điểm, ứng suất tính toán nhỏ hơn ứng suất cho phép $[\sigma] = 610\text{ MPa}$.
  • Tính toán cụm bánh xe và then: Kiểm nghiệm 4 bánh xe chịu tải trọng $250\text{ N/bánh}$, chọn ổ bi đỡ 1 dãy 1000900 thỏa mãn cả điều kiện tải động ($C_d = 0{,}266\text{ kN} < 2{,}62\text{ kN}$) và tải tĩnh ($Q_0 = 0{,}148\text{ kN} < 1{,}38\text{ kN}$). Then bằng trục động cơ kiểm nghiệm đạt độ bền dập ($26{,}67\text{ MPa} < 150\text{ MPa}$) và bền cắt ($20\text{ MPa} < 60\text{ MPa}$).
  • Thiết kế mạch điều khiển và bảo dưỡng: Sơ đồ nguyên lý đảo chiều động cơ qua biến tần Siemens MM420, rơ-le trung gian 24V, aptomat MCB Schneider và các hướng dẫn nhận biết hỏng hóc dây cáp (mòn mép puly, bung sợi, biến dạng đè bẹp).

Chương 6: Chế tạo thử nghiệm mô hình và thực nghiệm đánh giá

Trình bày kết quả lắp ráp mô hình thực nghiệm và quy trình chạy thử tải trọng qua hai mức kiểm tra: $P_1 = 30\text{ kg}$ và $P_2 = 50\text{ kg}$. Tác giả ghi nhận các thông số vận hành thực tế về độ êm, tính chính xác khi dừng hành trình và độ nhạy của bộ phanh hãm.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm

Mô hình thực nghiệm hoàn thiện và vận hành ổn định trên đoạn đường ray nghiêng $35^\circ$, dài $2\text{ m}$, bề rộng tổng thể $250\text{ mm}$. Kết quả kiểm tra tải trọng ghi nhận:

  • Khi thử nghiệm với tải trọng $P_1 = 30\text{ kg}$ và $P_2 = 50\text{ kg}$, hệ thống vận hành đúng vận tốc thiết kế $v = 0{,}1\text{ m/s}$.
  • Biến tần điều khiển tăng/giảm tốc êm dịu, không xảy ra hiện tượng giật cục khi khởi động hoặc dừng lại.
  • Hệ thống rơ-le khóa chéo ngăn chặn thành công việc kích hoạt đồng thời hai chiều di chuyển; công tắc hành trình tại hai đầu ray ngắt động cơ chính xác.
  • Bộ hãm điện từ 24V DC tự động khóa cứng vị trí ghế khi ngắt mạch hoặc xảy ra sự cố mất điện, đảm bảo an toàn chống trôi trượt.

Giải pháp và đóng góp của đề tài

  1. Đề xuất thành công phương án dẫn động bằng cáp kéo kết hợp ray dẫn hướng 3 ống thép tam giác, giúp giảm thiểu chi phí chế tạo so với hệ thống thanh răng nhập ngoại nhưng vẫn đảm bảo khả năng chống lật và chống rung lắc.
  2. Hoàn thiện quy trình tính toán thiết kế cơ khí hoàn chỉnh (từ động lực học, sức bền vật liệu đến lựa chọn ổ lăn, then, cáp) kết hợp mạch điều khiển tự động hóa bằng biến tần công nghiệp cho thiết bị hỗ trợ y tế - dân sinh.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên các ghi nhận thực tế trong quá trình thử nghiệm, nhóm tác giả nêu rõ các hạn chế và định hướng cải tiến:

  • Độ ổn định và thẩm mỹ: Độ ổn định động học của toàn hệ thống cần tiếp tục được nâng cao để triệt tiêu rung động nhỏ còn sót lại; các mối ghép hàn và chi tiết gia công cơ khí cần được xử lý tinh xảo, thẩm mỹ hơn để phù hợp không gian nội thất gia đình.
  • Hệ thống an toàn chuyên biệt: Cần bổ sung mạch an toàn cơ khí và điện khí độc lập hoàn toàn với mạch điều khiển chính nhằm phòng ngừa các sự cố hỏng hóc rơ-le hoặc lỗi phần mềm điều khiển.
  • Tích hợp tiện ích y tế: Cần nghiên cứu tích hợp thêm các thiết bị phụ trợ giám sát sức khỏe cho người cao tuổi như cảm biến đo nhịp tim, cảm biến tải trọng đo cân nặng trực tiếp trên ghế ngồi.
  • Phạm vi quỹ đạo: Mô hình hiện tại mới giới hạn ở quỹ đạo ray thẳng, chưa mở rộng cho các dạng cầu thang uốn cong hoặc gấp khúc phức tạp.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo cho sinh viên và kỹ sư các ngành Kỹ thuật Cơ khí, Kỹ thuật Công nghiệp, Cơ điện tử và Tự động hóa:

  • Phần tính toán cơ học (Chương 5): Cung cấp tài liệu mẫu về phương pháp kiểm nghiệm bền uốn trục ray, tính chọn cáp thép nâng người theo hệ số an toàn cao ($k=9$), và quy trình tra cứu, kiểm nghiệm tải trọng động/tĩnh của ổ bi đỡ theo giáo trình Chi tiết máy.
  • Phần thiết kế điều khiển (Chương 5): Giá trị ứng dụng thực tế cao ở sơ đồ phối ghép giữa biến tần Siemens Micromaster 420 với hệ rơ-le khóa chéo bảo vệ và công tắc hành trình đảo chiều quay động cơ 3 pha sử dụng nguồn điện dân dụng.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm nghiên cứu lựa chọn phương án dẫn động bằng cáp kéo thay vì cơ cấu thanh răng - bánh răng như các sản phẩm thương mại?

Phương án thanh răng - bánh răng tuy vận hành ổn định trên quỹ đạo cong nhưng đòi hỏi chi phí chế tạo rất cao, thanh răng chất lượng cao phải nhập khẩu và khó bảo trì tại Việt Nam. Phương án dẫn động bằng bánh xe và cáp kéo có kết cấu đơn giản, vật tư sẵn có trên thị trường, chi phí gia công thấp và đáp ứng tốt bài toán di chuyển tịnh tiến thẳng trong các hộ gia đình.

2. Cáp thép và động cơ của hệ thống được lựa chọn dựa trên những thông số kỹ thuật nào?

Động cơ được chọn là loại xoay chiều 3 pha $220\text{ V}$ kèm hộp giảm tốc công suất $120\text{ W}$, tốc độ kéo $0{,}1\text{ m/s}$ (công suất tính toán yêu cầu là $80\text{ W}$). Dây cáp được chọn là cáp thép đường kính $d = 8\text{ mm}$ có lực kéo đứt tối thiểu $3{,}63\text{ tấn}$ ($36.300\text{ N}$), đáp ứng hệ số an toàn nâng người $k = 9$ (lực căng tính toán $T = 840\text{ N}$, tích số $k \cdot T = 7.560\text{ N} < 36.300\text{ N}$).

3. Kết cấu đường ray dẫn hướng có cấu tạo như thế nào để chống lật và chống rung lắc?

Đường ray gồm 3 ống thép tròn C45 $\varnothing27\text{ mm}$ dày $2\text{ mm}$ được bố trí thành hình tam giác. Kết cấu này liên kết với các gối đỡ chữ V có thể điều chỉnh độ cao từ $100 \div 150\text{ mm}$ bắt bu-lông M10 xuống bậc thang, giúp phân bố đều lực uốn và tạo rãnh dẫn hướng để 4 cụm bánh xe ôm sát, ngăn ngừa hiện tượng lật ghế.

4. Cơ chế an toàn khi xảy ra sự cố mất điện đột ngột hoặc khi đến cuối hành trình hoạt động ra sao?

Hệ thống sử dụng bộ hãm điện từ 24V DC: khi có điện, cuộn hãm mở cho động cơ quay; khi mất điện hoặc ngắt nút bấm, lực hãm tự động khóa chặt trục để chống trôi tự do. Ở hai đầu mút đường ray, hai công tắc hành trình SW1 và SW2 sẽ tự động hở mạch điều khiển khi ghế chạm tới, ngắt dòng cấp cho động cơ và kích hoạt phanh dừng ghế chính xác.

5. Biến tần Siemens Micromaster 420 được thiết lập các thông số chính nào để vận hành hệ thống?

Biến tần được cài đặt thông số qua các mã lệnh: P0003=2 (truy cập nâng cao), P0100=0 và P0310=50 (tần số 50Hz), P0304=220 (điện áp 220V), P0305=0,65 (dòng định mức 0,65A), P0307=0,12 (công suất 0,12kW), P0700=2 (lệnh từ công tắc ngoài), P0701=1 (chạy thuận), P0702=2 (chạy nghịch đảo chiều) và P1080=10 (tần số sàn 10Hz).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống leo cầu thang" đã giải quyết thành công bài toán kỹ thuật nâng hạ người già và người khuyết tật trên cầu thang dốc $35^\circ$ thông qua cơ cấu dẫn động cáp kéo và ray 3 ống thép định hình. Hệ thống được tính toán đầy đủ về sức bền cơ học, tích hợp biến tần điều khiển tốc độ êm dịu và cơ chế phanh hãm an toàn khi mất điện. Kết quả thử nghiệm thực tế ở các mức tải $30\text{ kg}$ và $50\text{ kg}$ chứng minh tính khả thi, độ tin cậy và giá trị ứng dụng dân sinh cao của giải pháp trong điều kiện nhà ở dân dụng tại Việt Nam.