Trả lời trực tiếp: Pa lăng đổi lực nhỏ đi quãng đường dài thành lực lớn đi quãng đường ngắn. Số nhánh cáp cùng đỡ tải quyết định mức lợi lực, nhưng lợi bao nhiêu thì quãng đường kéo dài ra bấy nhiêu — và phần hiệu suất mất đi nằm ở ma sát của từng puly.
Nội dung thuộc chuyên trang Máy & thiết bị của cokhi.net, cụm Thiết bị xưởng — ở góc nguyên lý cơ học. Việc kiểm định, tải cho phép và vận hành thiết bị nâng theo quy định hiện hành, bài này không thay thế các quy định đó.
Bội suất đến từ đâu?
Khi một vật được treo bằng nhiều nhánh cáp cùng đi lên, trọng lượng của nó chia cho số nhánh đó. Lực trong mỗi nhánh nhỏ đi, và vì đầu cáp tự do cũng chỉ chịu lực của một nhánh nên người kéo chỉ cần một phần lực so với việc kéo trực tiếp.
Cái phải trả lại nằm ở quãng đường: muốn tải lên một đoạn thì mỗi nhánh phải ngắn lại đúng đoạn ấy, nên tổng chiều dài cáp phải kéo qua bằng đoạn nâng nhân với số nhánh. Đây là dạng cụ thể của nguyên lý chung trong cơ học: cơ cấu đổi được tỷ lệ giữa lực và quãng đường, nhưng không tạo thêm công. Cùng nguyên lý đó chi phối vít – đai ốc, xem bài vít – đai ốc truyền lực, và các cơ cấu phẳng cơ bản nêu ở bài cơ cấu cam và cơ cấu 4 khâu.
Hệ quả thực hành ít được nhắc: bội suất cao thì nâng chậm. Với cùng tốc độ kéo cáp, tải lên chậm hơn đúng theo bội suất — nên tăng bội suất là đánh đổi tốc độ lấy lực, chứ không phải cải tiến thuần túy.
Vì sao hiệu suất thật luôn thấp hơn tính toán?
Lý thuyết chia đều lực cho các nhánh chỉ đúng khi puly quay không ma sát. Thực tế mỗi puly có ma sát ở ổ và có ma sát do cáp phải uốn cong rồi duỗi ra khi đi qua rãnh puly.
Hai điều đáng chú ý:
- Tổn thất cộng dồn theo số puly. Mỗi puly ăn đi một phần lực, nên bội suất càng cao thì phần trăm mất mát càng lớn. Có một điểm mà thêm puly nữa gần như không còn lợi.
- Ma sát trong cáp thường lớn hơn ma sát ở ổ. Cáp uốn quanh puly bán kính nhỏ vừa tổn hao năng lượng vừa mòn nhanh, vì các sợi trong cáp trượt lên nhau mỗi lần uốn. Đây là lý do đường kính puly là thông số thiết kế chứ không phải chi tiết phụ.
Phần năng lượng mất đi thành nhiệt tại ổ puly, nên bôi trơn ổ puly ảnh hưởng trực tiếp tới lực phải kéo — điều kiện hình thành màng dầu trình bày ở bài bôi trơn ổ và màng dầu.
Ba nhóm cơ cấu nâng và cái mỗi nhóm giải
| Nhóm | Cách tạo lực nâng | Điểm mạnh | Chỗ phải cẩn thận |
|---|---|---|---|
| Pa lăng cáp / xích kéo tay | Bội suất puly, người kéo trực tiếp | Đơn giản, không cần nguồn năng lượng | Nâng chậm; hiệu suất giảm theo số puly |
| Pa lăng xích kéo tay có bộ giảm tốc | Bội suất cộng bộ truyền có tỷ số lớn | Lực tay rất nhỏ; nhiều loại tự hãm | Tự hãm dựa vào ma sát nên không thay được phanh |
| Tời và pa lăng điện | Động cơ qua bộ giảm tốc quấn cáp lên tang | Nhanh, điều khiển được từ xa | Phải có phanh giữ tải khi mất điện |
Bảng nêu quan hệ cách tạo lực – điểm mạnh – rủi ro cần xử; bảng không nêu trị số tải nâng, bội suất hay hiệu suất, vì các trị số này thuộc tài liệu và hồ sơ kiểm định của từng thiết bị.
Vì sao phanh giữ tải phải hoạt động khi MẤT điện?
Với cơ cấu nâng chạy điện, câu hỏi an toàn quyết định không phải "phanh khỏe tới đâu" mà là phanh hành xử ra sao khi mất điện. Loại phanh chỉ giữ được khi có điện sẽ nhả ra đúng lúc sự cố xảy ra — mà sự cố thì hay đi kèm mất điện.
Vì vậy nguyên tắc là dùng loại lò xo siết sẵn, điện chỉ để nhả: mất điện thì lò xo tự siết và tải đứng yên. Hai chế độ này và hậu quả khi chọn nhầm trình bày đầy đủ ở bài ly hợp và phanh điện từ.
Cùng lý do đó, tự hãm của bộ truyền không được coi là phanh: nó là đặc tính phụ thuộc ma sát, thay đổi theo bôi trơn và rung động, như đã nêu ở bài trục vít – bánh vít. Phanh là chi tiết có chức năng rõ ràng và kiểm tra được; tự hãm thì không.
Câu hỏi thường gặp
Tăng bội suất có phải cách rẻ nhất để nâng tải nặng hơn không? Chỉ đúng về phía lực kéo. Đổi lại, tốc độ nâng giảm theo đúng bội suất, hiệu suất giảm vì thêm puly, và cáp phải chịu số lần uốn nhiều hơn nên mòn nhanh hơn. Ngoài ra tải cho phép của cả cụm còn bị chặn bởi kết cấu treo, không chỉ bởi cáp.
Cáp mòn ở một đoạn cố định là do đâu? Thường vì đoạn đó luôn nằm đúng chỗ uốn quanh puly ở tư thế làm việc thường dùng. Đây là mòn tập trung theo vị trí, cùng lớp hiện tượng với vết mòn cố định trên ống mềm thủy lực khi ống cọ vào kết cấu.
Vì sao không nên kéo xiên khi nâng? Vì lực trong cáp khi đó lớn hơn trọng lượng tải, và tải còn bị đẩy ngang khi vừa rời mặt đất. Cơ cấu được thiết kế cho lực thẳng đứng; kéo xiên đưa vào một thành phần lực mà kết cấu treo và puly không được tính cho.