Ròng rọc thang máy: Các loại, Biên dạng rãnh, Hướng dẫn kiểm tra & Mẹo thay thế

Ròng rọc thang máy là gì và tại sao nó có vấn đề?

Ròng rọc thang máy - còn được gọi là ròng rọc trong thuật ngữ kỹ thuật - là một bánh xe có rãnh mà dây thang máy hoặc đai thép đi qua để truyền chuyển động và hỗ trợ tải trọng của cabin thang máy và đối trọng. Mọi hệ thống thang máy kéo đều phụ thuộc vào ròng rọc để chuyển hướng hành trình của dây, nhân lên lợi thế cơ học và truyền lực từ máy kéo sang ô tô. Nếu không thiết kế, sản xuất và bảo trì puly thang máy đúng cách, dây sẽ bị mòn nhanh chóng, máy kéo sẽ không thể di chuyển ô tô một cách hiệu quả và nguy cơ trượt dây hoặc hỏng hóc cơ học sẽ tăng lên đáng kể.

Các thuật ngữ "ròng rọc thang máy" và "ròng rọc thang máy" được sử dụng thay thế cho nhau trong ngành, mặc dù về mặt kỹ thuật, ròng rọc đề cập cụ thể đến ròng rọc có rãnh được sử dụng cùng với dây thừng hoặc cáp. Trong kỹ thuật thang máy, ròng rọc dùng để chỉ chính bánh xe có rãnh, trong khi ròng rọc đôi khi dùng để chỉ bộ phận lắp ráp hoàn chỉnh bao gồm trục, vòng bi và vỏ. Bất kể thuật ngữ nào, các bộ phận này đều nằm ở trung tâm của hệ thống cơ khí của mọi thang máy kéo và hình dạng, vật liệu, hình dạng rãnh và tình trạng của chúng trực tiếp xác định hiệu suất thang máy, tuổi thọ dây và sự an toàn của hành khách.

Bài viết này đề cập đến cách thức hoạt động của ròng rọc thang máy, các loại khác nhau được sử dụng trong hệ thống thang máy, vật liệu và tiêu chuẩn sản xuất liên quan, cách kiểm tra và bảo trì chúng cũng như những điều cần chú ý khi chỉ định puly thay thế. Cho dù bạn là kỹ thuật viên thang máy, người quản lý cơ sở tòa nhà hay kỹ sư thiết kế hệ thống lắp đặt mới, việc hiểu chi tiết về ròng rọc thang máy là điều cơ bản để giữ cho hệ thống thang máy hoạt động an toàn và hiệu quả.

Ròng rọc thang máy hoạt động như thế nào trong hệ thống lực kéo

Trong thang máy kéo, máy truyền động - một động cơ điện được kết nối với hộp số hoặc động cơ truyền động trực tiếp không hộp số - làm quay một puly kéo. Dây cáp thép hoặc đai thép tráng được quấn trên puly kéo, cabin thang máy được treo ở một bên và đối trọng ở bên kia. Ma sát giữa sợi dây và các rãnh của puly kéo là lực đẩy ô tô lên xuống - máy không kéo dây như tời; nó bám chặt nó thông qua lực kéo. Sự khác biệt cơ bản này là lý do tại sao biên dạng rãnh, tỷ lệ đường kính dây và puly và vật liệu rãnh đều có tác động trực tiếp đến hiệu suất của hệ thống.

Ngoài puly kéo chính, một hệ thống thang máy hoàn chỉnh còn sử dụng thêm một số ròng rọc. Rọc làm lệch hướng chuyển hướng đường dây từ máy kéo đến toa xe hoặc đối trọng khi máy không được đặt ngay phía trên vận thăng. Rọc chạy không tải duy trì độ căng của dây và căn chỉnh chính xác trong toàn bộ hệ thống. Trong thang máy thủy lực có dây và một số hệ thống lực kéo, nhiều puly được bố trí theo cấu hình khối ròng rọc để đạt được lợi thế về mặt cơ học - cách bố trí dây 2:1 và 4:1 được sử dụng trong nhiều hệ thống thang máy yêu cầu puly làm lệch hướng và puly chạy không tải để hoàn thiện đường đi của dây. Mỗi puly trong hệ thống góp phần gây ra hiện tượng mỏi do uốn dây, do đó số lượng puly, đường kính và góc uốn đều ảnh hưởng đến tuổi thọ của dây.

Các loại ròng rọc thang máy và vai trò cụ thể của chúng

Việc lắp đặt thang máy hoàn chỉnh sử dụng một số loại puly riêng biệt, mỗi loại được thiết kế cho một chức năng cụ thể trong hệ thống dây. Hiểu chức năng của từng loại và vị trí của nó sẽ giúp chẩn đoán sự cố và chỉ định các thiết bị thay thế chính xác.

Rọc kéo (Dòng truyền động)

Ròng kéo là bộ phận dẫn động chính của hệ thống thang máy. Nó được gắn trực tiếp trên trục đầu ra của máy kéo - thông qua hộp số hoặc trực tiếp trên trục động cơ không hộp số - và chuyển động quay của nó dẫn động cabin thang máy và đối trọng thông qua ma sát dây. Puly kéo là puly chịu tải nặng nhất trong hệ thống, chịu lực căng toàn phần của dây và độ mỏi do uốn do dây liên tục uốn cong trên bề mặt puly. Biên dạng rãnh của chúng phải khớp chính xác với đường kính dây và vật liệu rãnh phải cung cấp đủ lực kéo mà không gây mòn dây quá mức. Đường kính puly kéo dao động từ khoảng 320 mm trên thang máy dân dụng nhỏ đến hơn 800 mm trên hệ thống thương mại tốc độ cao.

Làm lệch hướng

Một ròng rọc làm lệch hướng được sử dụng để chuyển hướng đường dây từ máy kéo sang hướng thẳng đứng chính xác trên cabin hoặc đối trọng khi máy không được đặt ngay phía trên đường tâm của vận thăng. Trong hệ thống lắp đặt thang máy không phòng máy (MRL), trong đó máy truyền động được lắp ở phía trên cùng của vận thăng thay vì trong phòng máy chuyên dụng, puly làm lệch hướng đặc biệt quan trọng để thiết lập hình dạng dây chính xác. Các ròng rọc làm lệch hướng cũng được sử dụng trong lắp đặt phòng máy trên cao, nơi máy được đặt lệch khỏi tâm vận thăng. Chúng chịu lực căng dây đáng kể và phải có kích thước cũng như được hỗ trợ để xử lý các lực này mà không bị lệch hoặc rung.

Rọc ô tô và ròng rọc đối trọng

Trong cấu hình dây 2:1 — trong đó dây di chuyển từ một điểm neo cố định, xuống xung quanh puly trên khung ô tô, quay trở lại bộ phận làm lệch hướng hoặc ròng rọc phía trên và xuống đối trọng — puly ô tô và ròng rọc đối trọng lần lượt được gắn trên khung ô tô và khung đối trọng. Những ròng rọc này cho phép cabin và đối trọng di chuyển với tốc độ bằng một nửa tốc độ cáp của hệ thống 1:1, làm giảm tốc độ cáp cần thiết và cho phép máy kéo nhỏ hơn di chuyển cùng một tải trọng. Các ròng rọc ô tô phải được thiết kế với độ hở dây vừa đủ trong kết cấu khung ô tô và các ổ trục của chúng phải chịu được toàn bộ tải trọng treo của ô tô cộng với tải trọng định mức chia cho các lần rơi cáp.

Rọc trên cao (Rọc thứ cấp)

Ròng rọc phía trên là các ròng rọc cố định được gắn trên đỉnh của vận thăng hoặc trong cấu trúc phía trên phòng máy để chuyển hướng dây giữa ròng rọc kéo và cabin hoặc ròng rọc đối trọng ở dạng dây quấn nhiều lớp hoặc cấu hình dây phức tạp. Trong hệ thống dây 4:1 được sử dụng trong một số thang máy chở hàng tốc độ thấp, công suất cao, nhiều ròng rọc phía trên hoàn thiện việc sắp xếp khối ròng rọc. Những puly này thường có đường kính nhỏ hơn puly kéo và được thiết kế chủ yếu để chuyển hướng đường đi của dây hơn là để cung cấp lực kéo.

Ròng bù

Trong các tòa nhà cao tầng nơi trọng lượng của dây trở nên đáng kể - điển hình là trong các tòa nhà có chiều cao vượt quá 30 mét - dây hoặc xích bù được treo bên dưới ô tô và đối trọng để cân bằng trọng lượng của dây nâng khi ô tô di chuyển. Một ròng rọc bù được lắp trong hố thang máy để dẫn hướng dây bù và duy trì độ căng thích hợp. Puly bù được căng bằng trọng lực và phải có khả năng di chuyển tự do theo phương thẳng đứng trong giới hạn để phù hợp với độ giãn dài của dây và chuyển động động của dây trong quá trình vận hành.

Cấu hình rãnh puly thang máy và ảnh hưởng của chúng đến tuổi thọ dây

Biên dạng rãnh của một ròng rọc thang máy là một trong những khía cạnh quan trọng nhất về mặt kỹ thuật của thiết kế thang máy, ảnh hưởng trực tiếp đến cả hiệu suất lực kéo và tốc độ mòn dây. Ba biên dạng rãnh chính được sử dụng trong puly thang máy, mỗi biên dạng thể hiện sự cân bằng khác nhau giữa lực kéo, áp suất cáp và tuổi thọ mỏi của cáp.

Rãnh tròn (U-Groove)

Rãnh tròn có tiết diện tròn có bán kính lớn hơn bán kính dây một chút - thông thường bán kính rãnh bằng 0,53–0,55 lần đường kính dây. Dây tiếp xúc với rãnh theo một vòng cung lớn (khoảng 120–150°), phân bổ áp lực tiếp xúc đều trên một diện tích rộng. Áp suất tiếp xúc thấp này tạo ra sự biến dạng dây tối thiểu và tuổi thọ mỏi tối đa của dây, làm cho các puly rãnh tròn trở thành lựa chọn ưu tiên cho tất cả các puly làm lệch hướng, puly ô tô và puly trên cao khi không cần lực kéo. Hạn chế của các rãnh tròn trên puly kéo là chúng cung cấp lực kéo (ma sát) thấp hơn so với các rãnh cắt dưới, có thể không đủ cho các hệ thống có tỷ lệ đối trọng thấp hoặc yêu cầu gia tốc cao.

Rãnh chữ V Undercut

Rãnh undercut kết hợp hình chữ V với đường undercut có bán kính nhỏ ở phía dưới. Các cạnh góc của rãnh ép chặt dây, tạo ra hiệu ứng chèn ép làm tăng đáng kể lực pháp tuyến giữa dây và rãnh - và do đó làm tăng lực kéo sẵn có - so với rãnh tròn dưới cùng độ căng của dây. Hệ số lực kéo có thể đạt được với rãnh cắt rãnh thường cao hơn 50–80% so với rãnh tròn có góc rãnh tương đương, đó là lý do tại sao rãnh cắt rãnh là cấu hình tiêu chuẩn cho puly kéo trong hầu hết các hệ thống lắp đặt thang máy hiện đại. Sự đánh đổi là áp lực tiếp xúc cao hơn lên dây cáp ở các mép rãnh, làm tăng tốc độ mòn của dây và giảm tuổi thọ mỏi của dây. Các góc rãnh cắt thường nằm trong khoảng từ 90° đến 105°, với các rãnh cắt sâu hơn mang lại lực kéo cao hơn nhưng phải trả giá là dây bị xuống cấp nhanh hơn.

Rãnh chữ V (V đầy đủ)

Rãnh chữ V đầy đủ không có rãnh cắt tạo ra lực kéo tối đa thông qua tác động nêm cực mạnh nhưng phải trả giá bằng áp lực tiếp xúc rất cao khiến dây bị mòn nhanh. Các rãnh chữ V đầy đủ hiếm khi được sử dụng trong các puly kéo thang máy chở khách hiện đại nhưng có thể được tìm thấy trong các hệ thống lắp đặt cũ hơn hoặc trong một số ứng dụng thang máy vận chuyển hàng hóa và dịch vụ. Áp lực tiếp xúc giữa dây và rãnh cao trong rãnh chữ V cũng khiến rãnh bị mài mòn nhanh chóng, đòi hỏi phải thay puly kéo thường xuyên hơn so với thiết kế rãnh cắt xén. Khi gặp phải các rãnh chữ V đầy đủ trong hệ thống lắp đặt hiện có, tình trạng của chúng phải được đánh giá cẩn thận trong quá trình kiểm tra bảo trì.

Vật liệu và tiêu chuẩn sản xuất ròng rọc thang máy

Puly thang máy được sản xuất từ các vật liệu được lựa chọn để mang lại sự kết hợp chính xác giữa độ cứng, độ dẻo dai, khả năng gia công và khả năng chống mài mòn cho vai trò của chúng trong hệ thống. Bảng dưới đây tóm tắt các vật liệu chính được sử dụng và đặc điểm của chúng:

Ròng thang máy phải tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn liên quan bao gồm EN 81-20 và EN 81-50 ở Châu Âu, ASME A17.1 ở Bắc Mỹ và GB 7588 ở Trung Quốc. Các tiêu chuẩn này quy định tỷ lệ đường kính puly trên cáp tối thiểu (thường là D/d ≥ 40 đối với puly kéo trong đó D là đường kính bước puly và d là đường kính cáp), dung sai biên dạng rãnh, yêu cầu về đặc tính cơ học của vật liệu và tiêu chí kiểm tra. Việc tuân thủ các tiêu chuẩn này là bắt buộc để phê duyệt loại thang máy và được xác minh trong quá trình sản xuất cũng như kiểm tra an toàn định kỳ.

Tỷ lệ D/d: Tại sao đường kính puly so với đường kính dây lại quan trọng

Tỷ lệ giữa đường kính bước puly (D) và đường kính cáp (d) - thường được viết là D/d - là một trong những thông số quan trọng nhất trong thiết kế hệ thống puly và cáp thang máy. Mỗi khi một sợi dây uốn qua puly, các dây bên ngoài của dây sẽ bị kéo căng trong khi các dây bên trong bị nén. Puly càng nhỏ so với dây thì ứng suất uốn này càng nghiêm trọng và dây bị hư hại do mỏi tích tụ càng nhanh. Tỷ lệ D/d là 40:1 - mức tối thiểu thường được quy định bởi các tiêu chuẩn an toàn thang máy đối với puly kéo - có nghĩa là đối với dây 13 mm, đường kính bước puly tối thiểu là 520 mm.

Sử dụng tỷ lệ D/d lớn hơn sẽ kéo dài đáng kể tuổi thọ của dây. Dữ liệu nghiên cứu và thực địa cho thấy rằng việc tăng D/d từ 40 lên 60 có thể tăng gấp đôi tuổi thọ mỏi của cáp dưới tải trọng tương đương. Hệ thống thang máy tốc độ cao, chu kỳ cao - chẳng hạn như hệ thống thang máy trong các tòa nhà thương mại cao thực hiện hàng trăm chuyến mỗi ngày - thường chỉ định tỷ lệ D/d từ 60–80 hoặc cao hơn để đạt được tuổi thọ cáp chấp nhận được giữa các lần thay thế. Tỷ lệ D/d phải được duy trì cho tất cả puly trong hệ thống, không chỉ puly kéo, bởi vì độ mỏi uốn của cáp được tích lũy qua mỗi puly tiếp xúc với dây trong mỗi chu kỳ chuyến đi. Puly làm lệch hướng và puly phía trên đôi khi được quy định với đường kính nhỏ hơn puly kéo, nhưng sự góp phần của chúng vào độ mỏi của cáp phải được tính đến khi tính toán tuổi thọ tổng thể của cáp.

Kiểm tra ròng rọc thang máy: Cần kiểm tra cái gì và khi nào

Kiểm tra thường xuyên puly thang máy là một yếu tố bắt buộc trong quá trình bảo trì thang máy theo tất cả các tiêu chuẩn an toàn chính. Kiểm tra puly phục vụ hai mục đích: xác định puly bị mòn hoặc hư hỏng trước khi chúng gây hư hỏng cáp hoặc hỏng hệ thống và xác minh rằng hệ thống puly tiếp tục cung cấp đủ lực kéo và tuổi thọ của cáp. Các hạng mục kiểm tra sau đây cần được đưa vào mỗi lần bảo trì thang máy định kỳ:

• Đo độ mòn rãnh: Sử dụng thước đo rãnh (thước đo biên dạng đi/không đi phù hợp với biên dạng rãnh danh nghĩa) để đo độ sâu và biên dạng của từng rãnh. Các rãnh đã mòn vượt quá giới hạn cho phép của nhà sản xuất - thường là bán kính rãnh tăng hơn 10–15% hoặc đường cắt bên dưới bị xẹp rõ ràng - phải được gia công lại hoặc thay puly. Các rãnh bị mòn làm giảm lực kéo trong puly kéo và tăng áp lực tiếp xúc của dây trong puly làm lệch hướng, làm tăng tốc độ mòn của dây.
• Điều kiện bề mặt rãnh: Kiểm tra bề mặt rãnh xem có vết xước, nứt, rỗ hoặc ăn mòn không. Vết khía - các rãnh dọc được cắt vào rãnh puly do dây cáp bị đứt - tạo ra sự tập trung ứng suất trong dây và làm tăng tốc độ xuống cấp của dây một cách đáng kể. Bất kỳ puly nào có rãnh khía phải được gia công lại để khôi phục bề mặt rãnh nhẵn hoặc thay thế nếu độ sâu rãnh giảm xuống dưới mức tối thiểu sau khi gia công lại.
• Tính nhất quán của độ sâu rãnh: Đo độ sâu rãnh trên tất cả các rãnh trên puly nhiều rãnh. Độ sâu rãnh không bằng nhau gây ra sự phân bổ tải trọng không đồng đều trên dây - rãnh nông nhất chịu tải cao nhất, trong khi cáp ở các rãnh sâu hơn chịu lực căng ít hơn. Sự mất cân bằng tải trọng này làm tăng tốc độ mài mòn của dây quá tải và làm giảm hệ số an toàn tổng thể của hệ thống. Các rãnh nên được gia công lại nếu độ sâu thay đổi vượt quá 0,5 mm giữa các rãnh trên cùng một puly.
• Tình trạng ổ trục: Kiểm tra vòng bi puly xem có tiếng ồn, độ nhám hoặc độ ma sát quá mức bằng cách xoay puly bằng tay khi đã tháo dây. Vòng bi thô ráp, ồn ào hoặc lỏng lẻo cho thấy sự cố bôi trơn hoặc vòng bi bị mòn và phải được thay thế kịp thời. Vòng bi puly bị hỏng sẽ tạo ra sự lệch trục puly khiến cáp bị mòn nhanh hơn và tải trọng bất thường lên trục puly và kết cấu đỡ.
• Căn chỉnh ròng rọc: Xác minh rằng ròng rọc được căn chỉnh chính xác với đường đi của dây - puly bị lệch làm cho dây chạy theo một góc trên rãnh, tạo ra lực ngang làm mòn dây và rãnh không đối xứng và có thể khiến dây nhảy qua rãnh ở tốc độ cao. Việc căn chỉnh được kiểm tra bằng cách sử dụng công cụ căn chỉnh cạnh thẳng hoặc laser trên các mặt puly.
• Điều kiện bảo vệ ròng rọc: Xác minh rằng tất cả các bộ phận bảo vệ ròng rọc đều ở đúng vị trí, không bị hư hại và được đặt đúng vị trí để tránh dây bị trật bánh. Các tiêu chuẩn an toàn yêu cầu các bộ phận bảo vệ trên tất cả các ròng rọc thang máy phải giữ dây trong rãnh trong trường hợp mất lực căng đột ngột.

Khi nào cần thay thế ròng rọc thang máy

Quyết định khi nào nên thay puly thang máy thay vì tiếp tục vận hành hoặc gia công lại các rãnh là một quyết định phải cân bằng giữa độ an toàn, tuổi thọ của dây và chi phí bảo trì. Các điều kiện sau đây yêu cầu thay puly hoặc gia công lại rãnh và phải được coi là hạng mục hành động bắt buộc khi được xác định trong quá trình kiểm tra:

• Độ mòn rãnh vượt quá mức cho phép: Khi các phép đo của máy đo độ mòn rãnh cho thấy các rãnh đã bị mòn ngoài dung sai quy định của nhà sản xuất đối với bán kính rãnh hoặc hình dạng rãnh cắt và khi vẫn còn đủ vật liệu để cho phép gia công lại mà không làm giảm đế rãnh xuống dưới độ dày thành tối thiểu thì các rãnh phải được gia công lại. Nếu không đủ vật liệu để gia công lại, hãy thay puly.
• Nứt hoặc gãy: Bất kỳ vết nứt nào có thể nhìn thấy được trên thân puly, trục hoặc vành đều cần phải thay puly ngay lập tức. Các vết nứt trên các ròng rọc gang đúc lan truyền nhanh chóng dưới tải trọng theo chu kỳ và có thể dẫn đến gãy xương nghiêm trọng. Không cố gắng sửa chữa các puly bị nứt bằng cách hàn hoặc các phương tiện khác.
• Ghi điểm rãnh dây không thể gia công được: Nếu việc ghi rãnh đủ sâu để việc gia công lại để loại bỏ các vết khía sẽ làm giảm rãnh xuống dưới độ sâu tối thiểu thì cần phải thay thế.
• Thiệt hại ăn mòn: Các vết rỗ do ăn mòn đáng kể trên bề mặt rãnh hoặc trên thân puly trong môi trường có độ ẩm cao, tiếp xúc với hóa chất hoặc không khí mặn ven biển có thể cần phải thay thế khi độ sâu của vết rỗ làm ảnh hưởng đến tính nguyên vẹn về cấu trúc của puly hoặc độ nhẵn của bề mặt tiếp xúc cáp.
• Độ mòn vỏ ổ trục: Nếu lỗ của ổ trục bị mòn hoặc bị hư hỏng khiến vòng ngoài của ổ trục không thể được giữ chắc chắn thì phải thay puly - cố gắng sử dụng vòng bi quá khổ hoặc hợp chất sửa chữa kết dính trong vỏ bị mòn không phải là biện pháp an toàn được chấp nhận trong hệ thống thang máy.

Ròng rọc thang máy trong hệ thống MRL hiện đại và tốc độ cao

Công nghệ thang máy không phòng máy (MRL), đã trở thành kiểu lắp đặt chủ yếu cho các tòa nhà thấp đến trung tầng từ cuối những năm 1990 trở đi, đã đưa ra những thách thức và cấu hình mới cho hệ thống thang máy. Trong lắp đặt MRL, máy kéo được lắp trong vận thăng - thường ở trên cùng - và hình dạng của dây phải được thiết lập bằng cách sử dụng các puly làm lệch hướng được đặt trong không gian hạn chế của cấu trúc vận thăng. Điều này đặt ra yêu cầu lớn hơn nhiều về độ chính xác định vị puly, thiết kế hỗ trợ kết cấu và lập kế hoạch tiếp cận bảo trì so với việc lắp đặt phòng máy thông thường. Các puly làm lệch hướng MRL thường được tích hợp vào cụm bệ máy hoặc được gắn trên các giá đỡ bằng thép chuyên dụng được hàn hoặc bắt vít vào kết cấu vận thăng.

Thang máy tốc độ cao phục vụ các tòa nhà cao tầng - những thang máy di chuyển với tốc độ 4 m/s trở lên - đặt ra những yêu cầu nghiêm ngặt về hiệu suất lực kéo. Ở tốc độ cao, độ rung của dây, hiệu ứng khí động học và lực tác động động tại các điểm vào và ra của puly đều tăng đáng kể. Puly kéo tốc độ cao luôn được làm bằng thép rèn hoặc sắt dẻo cường độ cao, được cân bằng chính xác để giảm thiểu độ rung, được trang bị vòng bi có độ chính xác cao và được thiết kế với các biên dạng rãnh được tối ưu hóa cẩn thận giúp giảm thiểu mỏi dây trong khi vẫn duy trì lực kéo đầy đủ. Sự xuất hiện của các hệ thống đai thép phủ phẳng (chẳng hạn như Multibelt của Schindler và Otis' Gen2) với tốc độ lên tới 4 m/s đã giới thiệu các ròng rọc được lót bằng polyurethane như một giải pháp thay thế cho các ròng rọc sắt có rãnh, mang lại khả năng vận hành êm ái hơn và tuổi thọ dây đai dài hơn trong các ứng dụng cao tầng đồng thời đơn giản hóa việc sản xuất ròng rọc so với các ròng rọc kéo có rãnh chính xác.