Công thức tính lực căng cáp của thang máy trong các trạng thái khác nhau

Không trọng lượng là gì?

Chúng ta cảm nhận được trọng lượng của mình do phản lực tạo ra bởi mặt đất. Nhưng, khi không có phản lực tác động, chúng ta không cảm nhận được trọng lượng của mình. Trường hợp này xảy ra khi thang máy chạy ở tốc độ cao hoặc trong trường hợp xấu nhất là khi dây cáp của thang máy bị đứt. Các ví dụ khác về trường hợp không trọng lượng có thể kể đến như khi phi hành gia trên mặt trăng, nhảy dù,…

Lực căng cáp của thang máy

Lực căng cáp là lực kéo tác dụng theo chiều dọc theo trục của cáp ngược với phương của lực tác dụng. Trong thang máy, lực kéo của cáp được cung cấp bởi trọng lượng tổng hợp của cabin thang máy và người đi bên trong nó. Vì vậy, lý tưởng nhất, lực căng của dây cáp phải bằng trọng lượng của thang máy ở trạng thái nghỉ. Hầu hết các thang máy hiện đại đều sử dụng dây cáp thép composite để chịu lực tốt hơn.

Công thức tính lực căng cáp không phải lúc nào cũng bằng trọng lượng của thang máy. Nó phụ thuộc vào việc thang máy có chuyển động hay không, và nếu nó chuyển động thì theo hướng nào?

Công thức tính lực căng dây cáp của thang máy khi ở trạng thái nghỉ

Công thức tính lực căng cáp khi thang máy ở trạng thái nghỉ

Khi thang máy ở trạng thái nghỉ, trọng lượng của thang máy cộng với hành khách bên trong nó được chịu bởi lực căng của cáp. Công thức tính lực căng sẽ đơn giản: T = m x g

Công thức tính lực căng cáp của thang máy khi chuyển động lên trên

Công thức tính lực căng khi thang máy chuyển động lên trên

Khi thang máy chuyển động đi lên, nó sẽ chuyển động ngược lại hướng của trọng lực, do đó cần phải có một lực lớn hơn để kéo thang máy đi lên. Các lực tác dụng lên thang máy là lực căng và trọng lượng của thang máy cộng với trọng lượng của hành khách. Lực tổng hợp (m x a) phải bằng tổng các lực tác dụng lên thang máy.

T – mg = ma

T = mg + ma = m (g + a)

Do đó, từ công thức, chúng ta có thể thấy giá trị lực căng sẽ lớn hơn so với khi ở trạng thái nghỉ.

Công thức tính lực căng cáp của thang máy khi chuyển động xuống dưới

Công thức tính lực căng khi thang máy chuyển động xuống dưới

Khi thang máy chuyển động xuống dưới, nó đang chuyển động cùng hướng tác dụng của trọng lực, do đó cần tác dụng một lực nhỏ hơn so với trạng thái nghỉ. Các lực tác dụng lên thang máy là lực căng và trọng lượng của thang máy cộng với trọng lượng của hành khách. Lực tổng hợp (m x a) phải bằng hiệu các lực tác dụng lên thang máy.

mg – T = ma

T = mg – ma = m (g – a)

Do đó, từ công thức, chúng ta có thể thấy rằng giá trị lực căng sẽ nhỏ hơn so với khi ở trạng thái nghỉ.

Các vấn đề trong công thức tính lực căng cáp thang máy

Một thang máy có khối lượng 110 kg đang chở 2 người nặng lần lượt là 40 kg và 50 kg. Tính lực căng trong dây cáp của thang máy lúc

a) nghỉ

b) chuyển động đi lên với gia tốc 5 m/s²

t) chuyển động xuống dưới với gia tốc 5 m/s²

a) Khi thang máy dừng lại: T = mg

Tổng trọng lượng = 110 + 40 +50 = 200 kg

Lực căng = 200 x 9,8 = 1960 N

b) Khi thang máy chuyển động hướng lên: T = mg + ma

Tổng trọng lượng = 110 + 40 +50 = 200 kg

Lực căng = 200 x 9,8 + 200 x 5 = 2960 N

c) Khi thang máy chuyển động xuống dưới: T = mg – ma

Tổng trọng lượng = 110 + 40 +50 = 200 kg

Lực căng = 200 x 9,8 – 200 x 5 = 1196 N

Điều gì xảy ra khi gia tốc (a) bằng gia tốc trọng trường (g)?

Khi gia tốc (a) bằng gia tốc trọng trường (g) thì nó trở thành trường hợp rơi tự do. Điều này có thể là do đứt cáp. Trong trường hợp này, theo công thức trên T = mg – ma, giá trị của lực căng bằng không.

Điều gì xảy ra khi gia tốc (a) lớn hơn gia tốc trọng trường (g)?

Trường hợp như vậy là không thể xảy ra trong điều kiện bình thường. Trong trường hợp này, theo công thức trên T = mg – ma, giá trị của lực căng trở thành âm. Điều đó có nghĩa là một ngoại lực đang tác dụng lên thang máy theo  chiều hướng xuống.

Hiểu rõ về lực căng cáp sẽ giải quyết được bảo trì hiệu quả

Căng cáp là yếu tố quan trọng nhất khi bảo trì. Việc lắp đặt cáp chuẩn xác sẽ kéo dài tuổi thọ cho cáp, puly, giúp thang chạy êm ái hơn, đáp ứng tiêu chuẩn an toàn và tiết kiệm chi phí hơn.

Khi lắp đặt cáp, cần phải điều chỉnh sao cho mỗi sợi cáp chịu một phần tải trọng bằng nhau. Nếu các sợi cáp hoạt động bị áp dụng lực căng khác nhau, sẽ không đạt được tuổi thọ tối ưu vì lúc đó một số cáp hoạt động nhiều hơn các cáp khác. Cáp chịu tải trọng lớn hơn thường sẽ hỏng đầu tiên do xét đến tỷ số tải trọng / mỏi.

Căng cáp không đúng không chỉ làm giảm tuổi thọ, nhưng cũng tạo ra sự mài mòn không đồng đều ở puly. Lực căng không đều khiến một số rãnh puly bị mài mòn sâu hơn những rãnh khác, dẫn đến tình trạng không thể khắc phục được và bắt buộc phải thay thế thiết bị mới.

Nếu không thể xử lí kịp thời có thể còn gây hỏng bộ cáp mới. Điều quan trọng cần lưu ý là trước khi lắp đặt cáp, cần phải đảm bảo các rãnh puly đáp ứng các thông số kỹ thuật. Nếu không thì cáp và puly sẽ dần hỏng và chi phí sẽ ngày càng tăng.

Tác hại của việc căng cáp không đúng cách

Hình 1 cho thấy tác động khác nhau trên sáu sợi cáp chịu lực căng khác nhau

Các sợi cáp 2, 4 và 6 có mô-men xoắn và tải trọng tương tự nhau. Cáp 1 và 5 có mô-men xoắn và tải trọng lớn nhất. Cáp 3 có mô-men xoắn và tải trọng nhỏ nhất.

Hình 1

Rãnh mòn không đều và hiện tượng trượt cáp

Mỗi cáp phải chịu một phần tải trọng bằng nhau. Lực căng không đúng không chỉ khiến cáp giảm tuổi thọ mà còn gây ra sự mài mòn không đồng đều trong các rãnh puly, dẫn đến sự khác biệt ở độ sâu rãnh. Điều này làm cho các sợi cáp di chuyển ở tốc độ khác nhau hoặc độ sâu rãnh khác nhau.

Hình 2 cho thấy ảnh hưởng của việc kéo căng không đều trên puly. Khi lực căng cáp quá lớn dẫn đến việc cáp nhanh chóng giảm đường kính, đặt áp lực quá mức lên puly. Nếu tình huống này không được xử lí kịp thời, các dây cáp sẽ trượt qua rãnh để điều chỉnh những sợi dây đang mang tải, dẫn đến hiện tượng mài mòn cực độ hoặc hiệu ứng cưa khi dây cáp trượt trên rãnh, như thể hiện trong Hình 3. Điều này cũng làm hỏng rãnh puly. Trong Hình 1, cáp 1 và 5 chịu khoảng 42% tải trọng, nếu cáp được điều chỉnh thích hợp thì chỉ chịu 33% tải trọng. Sau một thời gian hoạt động, các sợi cáp sẽ chuyển tải nhiều hơn sang cho hai cáp chịu tải trọng lớn hơn, dẫn đến tiếp tục hiện tượng trượt cáp và tăng chiều sâu rãnh.

Hình 2: Mài mòn không đều do cáp không được điều chỉnh chính xác

Tuổi thọ cáp ngắn

Các sợi cáp đi qua một puly với nhiều rãnh với độ sâu và cấu tạo khác nhau không bao giờ có thể được căng cáp đúng cách. Cáp mới hoặc cáp thay thế sẽ chỉ kéo dài một phần nhỏ tuổi thọ sử dụng. Mỗi bộ cáp sẽ có tuổi thọ ngắn dần do các rãnh khác nhau. Hình 3 cho thấy bốn cáp đã được gỡ bỏ sau một năm sử dụng. Cáp bị hư hỏng là do quá trình căng cáp không được thực hiện đúng. Hai sợi cáp cho thấy độ mòn và đứt dây bị lỏng. Nếu cáp mới được lắp đặt trên một puly bị mòn khác nhau, các sợi cáp sẽ tiếp tục bị cưa vào các rãnh và tuổi thọ dây có thể ngắn hơn đáng kể.

Hình 3: Sự mòn dây do việc căng cáp không đúng cách gây ra

Thang rung lắc

Do tải trọng của cáp quá lớn hoặc đường kính giảm, hiện tượng mòn cáp và puly ban đầu xảy ra ở những sợi cáp chịu tải trọng cao. Các sợi cáp sẽ không giảm đường kính với cùng một tốc độ. Điều này là do sự khác biệt của lực căng giữa những sợi cáp chịu tải lớn và nhỏ. Các sợi cáp chịu tải lớn sẽ ăn sâu vào rãnh, gây mài mòn nhẹ. Tại thời điểm này, việc căng cáp đúng cách vẫn có thể xử lí được các vấn đề. Tuy nhiên, sau khoảng thời gian điều chỉnh này, cáp lỏng sẽ bắt đầu trượt qua các rãnh để cân bằng với cáp căng hơn. Điều này dẫn đến cáp lỏng dễ bị mòn hơn. Khi điều này xảy ra thì không thể xử lí được bằng cách căng lại cáp nữa./.