TCTM – Dây cáp đường kính nhỏ (small-diameter rope – SDR) cho phép sử dụng các máy móc nhỏ không có hộp số và phát triển giải pháp không phòng máy nhỏ gọn (MRL). Ứng dụng này mang đến một giải pháp thang máy cáp kéo động cơ không phòng máy tối ưu cả về hiệu suất, tuổi thọ và tiết kiệm năng lượng cũng như chi phí.
Một trong những bài toán lớn nhất của thập niên 90 trong lĩnh vực thang máy là giải pháp thang máy sử dụng máy kéo không hộp số hay còn gọi là thang máy không phòng máy (machine-room-less – MRL) nhằm thích ứng với những công trình cải tạo, công trình xây mới nhưng không gian hạn chế.
Tham gia vào tìm đáp án cho bài toán lớn này, Orona đã phát triển nên dòng dây cáp cho thang máy cáp kéo với những ưu điểm vượt trội, cùng tìm hiểu hành trình thú vị từ quy trình chứng nhận cho đến những thử nghiệm đặc sắc của dây cáp đường kính nhỏ SDR.
Nhu cầu này đặc biệt lớn bởi hầu hết các ngôi nhà tư nhân 3-5 tầng tại châu Âu thời điểm này đều có mong muốn lắp đặt thang máy để gia tăng tiện nghi, nhưng những công trình này khó đáp ứng một không gian phòng máy rộng rãi để chứa máy kéo truyền thống. Thực tế là đã có máy kéo không hộp số từ nhiều năm trước nhưng chúng vẫn quá lớn và đắt để ứng dụng vào thang máy thông thường.
Hai cải tiến do công nghệ thúc đẩy đã giúp thúc đẩy mục tiêu này: máy kéo không hộp số nam châm vĩnh cửu (permanent-magnet – PM) và phương tiện treo cải tiến – chính là dây cáp có đường kính nhỏ hơn.
Máy kéo PM không sử dụng bánh răng, do đó cũng không có hệ số bánh răng giảm tốc và không cần bảo dưỡng máy kéo. Loại máy kéo này cũng tiết kiệm đến 40% năng lượng, tiết kiệm diện tích nhờ kích thước nhỏ gọn, tiện dụng cho lắp đặt. Đồng thời, đây cũng là loại máy kéo không gây tiếng ồn do tốc độ vòng quay của motor thấp hơn 10 lần so với máy kéo có hộp giảm tốc trục vít, giảm thiểu sự rung lắc về cơ khí và tiết kiệm chi phí dầu mỡ, thay bánh răng bởi không có dầu mỡ từ hộp số gây ra.
Máy kéo PM có thể lắp có phòng máy hoặc không phòng máy, khoảng OH và hố thang có thể thấp hơn, ưu điểm vượt trội nữa là độ an toàn cao với khả năng tự sản sinh ra năng lượng hãm làm tăng khả năng chống trượt cho cabin.
Còn dây cáp, dù cũng đã được nghiên cứu trong vài thập kỷ trước đó để giảm đường kính puli kéo và đáp ứng mẫu máy kéo nhỏ gọn nhưng hầu hết vẫn đang dùng các vật liệu tổng hợp phức tạp và đắt đỏ.
Dây cáp SDR ra đời từ bối cảnh này, cùng nhìn vào bảng phân tích các đặc điểm của dây cáp SDR dưới đây để thấy mức độ ưu việt của nó:
Thông qua việc cân bằng tốt giữa các ưu và nhược điểm, dây cáp SDR đã giải quyết toàn bộ yêu cầu cần thiết của loại dây cáp phù hợp với máy kéo PM.
Dù đã tìm ra được giải pháp tối ưu, loại dây cáp này của Orona gặp phải rào cản với quy trình thử nghiệm theo truyền thống của tiêu chuẩn EN 81 – tiêu chuẩn mang tính hài hòa chỉ đưa ra giả định về sự phù hợp. Những cải tiến với loại dây cáp SDR của Orona đòi hỏi phải có quy trình thử nghiệm chuyên sâu khác biệt nhằm phân tích rủi ro và quy trình thử nghiệm của Notified Body (NB) để được chứng nhận. Trong đó, NB là một tổ chức bên thứ ba độc lập được chỉ định nhằm đánh giá sự phù hợp của các thiết bị với các quy định có liên quan của châu Âu.
Những yêu cầu cho việc cải tiến dây cáp so với tiêu chuẩn của EN81-1
Các NB phải chứng nhận rằng loại dây cáp SDR của Orona đáp ứng mức độ an toàn tương đương với mức độ tuân thủ EN 81. Do đó, việc thử nghiệm để kiểm tra chứng nhận tổng thể thang máy và riêng dây cáp trong một số điều kiện vận hành thang máy đã được tiến hành.
Trọng tâm chính của chứng nhận là độ bền chịu mỏi khi uốn và khả năng kéo của dây cáp, nhưng các vấn đề về tiếng ồn và độ rung cũng được coi là quan trọng.
Ngoài ra, một số thử nghiệm đã được thiết kế để kiểm tra hiệu suất SDR trong các điều kiện khắc nghiệt và không thường xuyên như hỏa hoạn; mặt trời và bức xạ cực tím; gió; độ ẩm cao; khí quyển có muối, gỉ sét hoặc cát; tiếp xúc với dầu; nhiệt độ thấp; phá hoại,…
Dưới sự giám sát của Liftinstituut – một trong những tổ chức chứng nhận hàng đầu châu Âu về thang máy, hệ thống thang cuốn, hệ thống phụ và linh kiện, quá trình phân tích rủi ro đã được hoàn thành theo tiêu chuẩn ISO 14121-1 và ISO 14798.
Kết quả cho thấy:
– Khi so sánh với dây cáp thông thường, dây cáp đường kính nhỏ SDR có độ bền cao hơn, dây mỏng hơn có các sợi nhỏ hơn; dây cáp có đường kính giảm; và lớp phủ polyme để đảm bảo lực kéo và tránh mài mòn các dây bên ngoài mà không cần bôi trơn lại.
– Phần kim loại của dây cáp có đường kính nhỏ hơn 5mm và sử dụng dây thép có độ bền kéo lớn hơn 2.800 N/mm2. Toàn bộ dây cáp được phủ có đường kính 6,5mm và tải trọng đứt tối thiểu cao hơn khoảng 60% so với dây cáp thông thường có cùng đường kính.
– Lớp phủ polyme tạo ra hệ số ma sát cao cho phép sử dụng các rãnh hình bán nguyệt, tạo ra áp suất tiếp xúc thấp giữa dây cáp và puli, do đó làm giảm độ mài mòn của các dây bên trong.
– Áp suất giảm và không có tiếp xúc trực tiếp giữa kim loại và kim loại giúp cải thiện sự thoải mái trong cabin thang máy với tiếng ồn thấp hơn và độ rung giảm.
– Quá trình sản xuất dây cáp SDR tuân theo quy trình quấn dây cáp thông thường, trong đó lớp phủ ở giai đoạn sản xuất cuối cùng đảm bảo độ bám dính chính xác vào dây cáp kim loại bên trong.
Liftinstituut đã theo dõi số lượng lớn các cuộc thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và quy mô đầy đủ được thực hiện tại các cơ sở thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, tháp thử nghiệm và thang máy thực tế của Orona. Trong số tất cả các cuộc thử nghiệm đã hoàn thành, những cuộc thử nghiệm thú vị và quan trọng nhất được mô tả dưới đây.
Hiệu suất chống mỏi vượt trội của dây cáp SDR của Orona dựa trên độ linh hoạt uốn cong cao hơn của lõi kim loại có đường kính giảm. Các sợi bên trong hoạt động như trong các sợi dây thông thường, trong khi các sợi bên ngoài có tiếp xúc với vỏ nhựa sẽ tiếp xúc với áp suất tiếp xúc giảm và phân bổ đều hơn. Hơn nữa, nhờ có vỏ polyme, các sợi bên ngoài sẽ không bị mài mòn trên các rãnh puli kéo hoặc puli lệch. Một lượng nhỏ chất bôi trơn đặc biệt bên trong giúp giảm độ mài mòn bên trong và sự xuống cấp của các sợi lõi nhỏ hơn tiếp xúc với các sợi bên ngoài.
Tuy nhiên, các sợi mỏng có thể bị đứt do tiếp xúc với các sợi liền kề, dây và ròng rọc không thẳng hàng, va chạm mạnh, quá tải, độ căng của dây không cân bằng, xoắn dây và các điều kiện không mong muốn khác.
Dây cáp đứt thường tập trung trong vùng tiếp xúc giữa các sợi của lớp ngoài cùng của các sợi ngoài và dây lõi. Trong trường hợp này, các sợi đứt cuối cùng sẽ làm thủng lớp vỏ polyme. Đây cũng là một hiện tượng đã được ghi chép rõ ràng, với tiêu chí loại bỏ dựa trên các phương pháp kiểm tra thông thường và áp dụng hệ số an toàn nghiêm ngặt hơn nhiều so với các tiêu chuẩn hiện hành.
Tuy nhiên, kết cấu dây cáp SDR về bản chất ngăn ngừa việc đứt toàn bộ các sợi của dây vì các khu vực bị hư hỏng do ứng suất quá mức được chuẩn hóa (trong phân phối ứng suất đều) một vài chiều dài lớp từ khu vực bị hư hỏng. Điều này và việc kết nhiều sợi là những lý do nữa cho hiệu suất an toàn hơn của dây SDR.
Hiệu suất chịu mỏi của dây cáp SDR đã được kiểm tra bằng cách sử dụng các giàn uốn tăng tốc khác nhau. Một giàn thử nghiệm chịu mỏi uốn cong trên puli (bending-over-sheave – BoS) theo lý thuyết của Tiến sĩ Klaus Feyrer. Trong thử nghiệm này, sợi dây chịu lực kéo không đổi và được uốn cong trên một puli lệch. Đối với các thử nghiệm mở rộng, SDR phải chịu được hơn 4 x 106 chu kỳ uốn cong trên các puli có đường kính nhỏ hơn 160mm và chịu lực kéo với hệ số an toàn xấp xỉ 8.
Giàn thử nghiệp theo lý thuyết của Tiến sĩ Klaus Feyrer về hiệu suất chịu mỏi của dây cáp SDR
Các giàn thử nghiệm khác tái tạo các điều kiện làm việc chính xác của dây trong một lần nâng thực tế: dây đi qua một ròng rọc kéo và hai ròng rọc lệch mô phỏng những ròng rọc có ở phía xe hoặc đối trọng, dây di chuyển với cùng tốc độ như trong một lần nâng thực tế và tỷ lệ T1/T2 được mô phỏng. Giải pháp SDR hỗ trợ hơn 2 x 106 lần khởi động đảo chiều máy với hệ số an toàn xấp xỉ 12 và T1/T2 ≈ 1,6. Cuối cùng, dây được vận hành nhiều lần qua hơn 6 x 106 chu kỳ uốn.
Tiếp xúc vỏ polyme trên các puli rãnh gang thông thường cho thấy khả năng kéo cao trong những điều kiện khắc nghiệt nhất. Độ bám dính mạnh mẽ và chặt chẽ giữa polyme và bề mặt ngoài của phần kim loại của dây đạt được để tránh làm bong vỏ trong điều kiện ma sát hoặc trượt cao. Tuổi thọ ma sát của lớp vỏ polyme lớn hơn nhiều so với tuổi thọ của dây thừng. Ngay cả khi xảy ra trượt trong quá trình di chuyển của xe lên trên khi đối trọng nằm trên bộ đệm cũng không xảy ra hiện tượng mài mòn hoặc cháy lớp vỏ đáng kể.
Dây cáp SDR đáp ứng tất cả các điều kiện được nêu chi tiết trong điều khoản 9.3 của EN 81-1. Các điều kiện này cũng được kiểm tra trong các thang máy thực tế, vì các cân nhắc về thiết kế được nêu trong Phụ lục M của EN 81-1 không áp dụng cho SDR. Các thử nghiệm bổ sung đã được thực hiện để kiểm soát hệ số ma sát của dây cáp SDR chạy qua rãnh hình bán nguyệt và xác định độ trượt tương đối của puli kéo so với SDR đối với các giá trị tỷ lệ T1/T2 khác nhau.
Các thử nghiệm và tính toán khác cũng được thực hiện để cải thiện sự thoải mái của hành khách trong thang máy, trong đó bao gồm tiếng ồn và độ rung lắc. Đó là lý do tại sao tần số tự nhiên của SDR được tính toán cùng với các tần số tương ứng với các thành phần khác của hệ thống treo (máy, ròng rọc kéo và ròng rọc lệch) cho mọi điều kiện làm việc trong các thang máy khác nhau. Các tính toán này được so sánh với các phép đo được thực hiện trong thang máy thực tế.
Phân tích rủi ro mở rộng và chương trình thử nghiệm tổng thể tiếp theo đã dẫn đến việc Liftinstituut chứng nhận Orona sử dụng dây cáp SDR thông qua Kiểm tra loại EC cho bốn mẫu thang máy mới, có tải trọng từ 320-1600 kg và tốc độ từ 1-1,6 mps, như sau: NL 10-400-1002-035-20, NL 09-400-1002-035-21, NL 06-400-1002-032-14 và NL 04-400-1002-035-09.
Ngoài ra, bản thân cáp thép SDR đã được chứng nhận thông qua Chứng chỉ kiểm tra thiết kế EC (A11/99CL0067 do Hiệp hội Tiêu chuẩn hóa và Chứng nhận Tây Ban Nha AENOR cấp) để thay thế, hiện đại hóa hoặc tân trang thang máy. Các chứng chỉ này có giá trị đối với thang máy MRL cũng như các ứng dụng trên cao truyền thống.
Dây cáp SDR được hình thành và sản xuất ban đầu cách đây hơn một thập kỷ nhưng chỉ được đưa ra thị trường vào năm 2003 sau khi thử nghiệm kỹ lưỡng nhất để đảm bảo hiệu suất dây cáp tối ưu. Kể từ đó, dây cáp đã được cải tiến và thử nghiệm chuyên sâu trong hàng chục nghìn giờ trong phòng thí nghiệm và thang máy thực tế.
Hơn 5.000km dây cáp CTP® đã được sản xuất bởi Brugg Lifting. Hơn nữa, vì sản phẩm đã được lắp đặt tại hơn 20.000 thang máy trên toàn thế giới nên sản phẩm đã được quan sát ở nhiều địa điểm khác nhau theo thời gian.
Sự xuống cấp của dây cáp chủ yếu do sự tiếp xúc giữa các sợi dây liền kề nhau (hai sợi bên ngoài liền kề nhau hoặc giữa sợi bên ngoài và lõi). Do đó, sự xuống cấp này hầu như không nhìn thấy được ngoại trừ sự đổi màu (từ đỏ sang nâu rồi sang đen). Việc các cặp dây tiếp xúc với nhau và gây ra mài mòn, lưu lại các hạt bụi bám lên bề mặt của dây không liên quan đến quyết định thay thế dây cáp. Vì những lý do này, Orona đã đưa ra phiên bản cải tiến của SDR với vỏ không trong suốt, tránh hiểu nhầm sự thay đổi màu sắc là xuống cấp.
Thiết kế dây cáp bọc vỏ polyme của cáp SDR
Các thử nghiệm được chứng nhận bởi Liftinstituut cho thấy, ngay cả trong điều kiện tải cực độ, dây cáp SDR luôn chịu được mức tối thiểu của các chuyến đi ngược mà không bị giảm sức mạnh. Do đó, một tiêu chí loại bỏ đơn giản đã được thống nhất bao gồm số chu kỳ hoặc chuyến đi ngược tối đa.
Do đó, phương pháp đánh giá này dựa trên mức sử dụng, trong đó bộ điều khiển thang máy đưa ra cảnh báo khi giới hạn đã xác định đang đến gần và cuối cùng dừng thang máy nếu cảnh báo bị bỏ qua. Giới hạn sử dụng đã xác định mang lại cho dây cáp SDR tuổi thọ tương đương hoặc lớn hơn so với dây cáp thông thường.
Đối với dây cáp thông thường, việc chuyển đổi số chuyến đi thành thời gian (tính theo năm) không hề đơn giản. Kết quả phụ thuộc vào lưu lượng giao thông, cấu hình thang máy, số tầng được phục vụ, chiều cao di chuyển trung bình, kích thước xe, thời gian vận hành trung bình,… Trong mọi trường hợp, tất cả thông tin liên quan đến tiêu chí loại bỏ đều được thu thập chi tiết trong hướng dẫn bảo trì thang máy được cung cấp cùng với mỗi thang máy sử dụng hệ thống Orona SDR.
Hướng dẫn cũng lưu ý rằng SDR phải được kiểm tra thường xuyên để ngăn ngừa các tình huống như quá tải, sốc nghiêm trọng, độ căng của dây không cân bằng, dây và ròng rọc không thẳng hàng, dây xoắn, dây bị đứt hoặc hư hỏng.
Lợi ích chính của dây cáp SDR là tính an toàn, độ tin cậy, sự thoải mái khi di chuyển, tiếng ồn, độ chính xác khi dừng và bảo vệ môi trường. So với dây cáp thông thường, một lợi thế nữa là khả năng đưa bộ truyền động trực tiếp PM xuống kích thước và chi phí phù hợp với các giải pháp không hộp số MRL cạnh tranh trong hầu hết các ứng dụng, giúp giảm chi phí vận hành và lượng khí thải CO2. Sự kết hợp này giúp có ít hạn chế hơn và nhiều khả năng ứng dụng hơn. Dây thừng nhẹ hơn giúp lắp ráp nhanh hơn, tránh các phương tiện bù trọng lượng dây thừng và giảm mức tiêu thụ năng lượng bằng cách giảm quán tính toàn bộ hệ thống.
Dây cáp SDR phủ tránh tiếp xúc kim loại trực tiếp kim loại, mang lại hành trình di chuyển êm ái và nhẹ nhàng, và giải pháp bôi trơn của SDR mang lại môi trường sạch hơn và sinh thái hơn với tuổi thọ dài hơn so với dây kim loại thông thường. Ngoài ra, không có sự mài mòn trên các ròng rọc hoặc puli lệch, giúp loại bỏ nhu cầu bảo dưỡng các thành phần này.
Dây cáp SDR là một giải pháp thay thế cạnh tranh cho dây cáp thang máy, với cách tiếp cận an toàn hơn dựa trên cả khả năng chống lại việc đứt toàn bộ các kết cấu cáp thép xoắn và hệ thống dây thừng nhiều lớp.
Mặc dù SDR khác với các loại dây cáp thông thường về cơ chế xuống cấp của nó, nhưng không cần hệ thống giám sát xuống cấp tinh vi để xác định trạng thái xuống cấp của nó.
Cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng, SDR có đường kính nhỏ, tiết diện tròn cung cấp tính linh hoạt và khả năng thích ứng cao hơn với hình dạng trục trong các cấu hình nâng khác nhau, cho phép hệ thống dây thừng chính xác hơn cho các ứng dụng dự kiến và giúp đảm bảo điều kiện tải tối ưu. Chính cải tiến về dây cáp này đã mang đến một giải pháp thang máy cáp kéo máy kéo không phòng máy tối ưu cả về hiệu suất, tuổi thọ và tiết kiệm năng lượng cũng như chi phí.
