Thang máy

Thang máy là thiết bị di chuyển theo chiều thẳng đứng dùng để chuyển người và hàng hóa giữa các tầng của công trình, tòa nhà hoặc các cấu trúc khác. Có nhiều loại thang máy như thang máy vận chuyển hàng hóa, thang máy gia đình, thang máy chở khách, thang máy bệnh viện, thang máy tải thực phẩm... Thang máy thường sử dụng động cơ điện để kéo cáp và hệ thống đối trọng, hoặc máy bơm thủy lực để nâng piston hình trụ.

Trong lĩnh vực nông nghiệp và sản xuất, thang máy được coi là bất kỳ thiết bị băng tải nào dùng để nâng vật liệu liên tục vào các thùng hoặc silo. Có nhiều loại thang máy khác nhau, chẳng hạn như thang máy xích và gầu, băng tải vít sử dụng nguyên lý của trục vít Archimedes, hoặc thang máy với xích và cánh khuấy dùng để vận chuyển cỏ khô. Các ngôn ngữ khác ngoài tiếng Anh có thể sử dụng từ mượn dựa trên elevator/lift. Theo quy định về xe lăn, thang máy thường là yêu cầu pháp lý đối với các tòa nhà nhiều tầng mới, đặc biệt là những nơi không thể lắp đặt đường dốc cho xe lăn.

Ngoài việc di chuyển theo chiều dọc, một số thang máy còn có khả năng di chuyển theo chiều ngang.

Lịch sử

Thời kỳ trước công nghiệp

Tài liệu tham khảo sớm nhất về thang máy có thể được tìm thấy trong các công trình của kiến trúc sư La Mã Vitruvius, người đã ghi chép rằng Archimedes (khoảng năm 287 trước Công nguyên - khoảng năm 212 trước Công nguyên) đã chế tạo thang máy đầu tiên vào khoảng năm 236 trước Công nguyên. Một số tài liệu từ các thời kỳ sau này mô tả thang máy như là một chiếc thùng di chuyển trên sợi dây gai dầu, được kéo bằng tay hoặc động vật.

Vào năm 1000, Cuốn sách Bí mật của al-Muradi ở Tây Ban Nha Hồi giáo đã mô tả một thiết bị nâng tương tự như thang máy, dùng để nâng một con tàu lớn phá hủy pháo đài. Đến thế kỷ 17, các nguyên mẫu thang máy đã được lắp đặt trong các cung điện ở Anh và Pháp. Vào năm 1743, Louis XV của Pháp đã chế tạo một thiết bị gọi là 'ghế bay' cho một trong những tình nhân của ông tại lâu đài Chateau de Versailles.

Thang máy thời kỳ cổ đại và trung cổ thường sử dụng hệ thống truyền động bằng palăng hoặc kính chắn gió. Sự phát minh ra hệ thống trục vít có lẽ là bước đột phá quan trọng nhất trong công nghệ thang máy từ thời cổ đại, dẫn đến sự phát triển của thang máy tải khách hiện đại. Thang máy trục vít đầu tiên được xây dựng bởi Ivan Kulibin và được lắp đặt trong Cung điện Mùa đông vào năm 1793, mặc dù Leonardo da Vinci có thể đã thiết kế một phiên bản trước đó. Vài năm sau, một thang máy khác của Kulibin được lắp đặt tại Arkhangelskoye gần Moscow.

Kỷ nguyên công nghiệp

Sự phát triển của thang máy chủ yếu được thúc đẩy bởi nhu cầu di chuyển nguyên liệu thô như than và gỗ từ các sườn đồi. Công nghệ này, kết hợp với sự phát triển của kết cấu dầm thép, đã dẫn đến việc ra đời của thang máy chở khách và thang máy hiện đại mà chúng ta sử dụng ngày nay.

Vào giữa thế kỷ 19, thang máy được vận hành bằng năng lượng hơi nước bắt đầu từ các mỏ than và được sử dụng để vận chuyển hàng hóa số lượng lớn trong các hầm mỏ và nhà máy. Những thiết bị điều khiển bằng hơi nước này nhanh chóng được ứng dụng cho nhiều mục đích khác nhau. Vào năm 1823, hai kiến trúc sư ở London, Burton và Hormer, đã xây dựng và vận hành một điểm thu hút du khách mới, được gọi là 'phòng đi lên', giúp khách hàng trả tiền lên một độ cao đáng kể ở trung tâm London để thưởng thức cảnh quan toàn cảnh tuyệt đẹp của thành phố.

Các thang máy hơi nước sơ khai đã được cải tiến trong thập kỷ tiếp theo; vào năm 1835, công ty Frost and Stutt ở Anh phát triển một loại thang máy mới gọi là 'Teagle'. Thang máy này được dẫn động bằng dây đai và sử dụng đối trọng để tăng cường sức mạnh nâng.

Henry Waterman tại New York được công nhận là người phát minh ra hệ thống 'điều khiển dây đứng' cho thang máy vào năm 1850.

Vào năm 1845, kiến trúc sư người Neapolitan Gaetano Genovese đã lắp đặt 'Ghế bay' tại Cung điện Hoàng gia Caserta. Đây là một chiếc thang máy tiên tiến cho thời đại đó, với lớp vỏ bên ngoài bằng gỗ hạt dẻ và bên trong bằng gỗ phong. Nó trang bị một đèn chiếu sáng, hai ghế dài và một tín hiệu điều khiển bằng tay, có thể được kích hoạt từ bên ngoài mà không cần sự can thiệp của người ngồi bên trong. Lực kéo được điều khiển bởi một thợ cơ khí sử dụng hệ thống bánh răng, với một hệ thống an toàn được thiết kế để hoạt động nếu dây bị đứt, bao gồm một chùm được đẩy ra ngoài nhờ lò xo thép.

Vào năm 1852, Elisha Otis đã ra mắt thang máy an toàn, thiết bị ngăn chặn sự rơi tự do của cabin nếu dây cáp bị đứt. Ông đã chứng minh tính năng này tại triển lãm ở New York, Crystal Palace, với một màn trình diễn đầy kịch tính vào năm 1854, bất chấp nguy hiểm. Thang máy chở khách đầu tiên sử dụng công nghệ này được lắp đặt tại 488 Broadway, Thành phố New York vào ngày 23 tháng 3 năm 1857.

Trục thang máy đầu tiên đã được lên kế hoạch trước khi thang máy được phát minh 4 năm. Công trình xây dựng tòa nhà Cooper Union Foundation của Peter Cooper ở New York bắt đầu vào năm 1853. Trục thang máy đã được đưa vào thiết kế vì Cooper tin rằng thang máy chở khách an toàn sẽ sớm được phát minh. Trục có hình trụ vì Cooper cho rằng đây là thiết kế hiệu quả nhất. Sau đó, Otis đã thiết kế một thang máy đặc biệt cho tòa nhà này.

Tòa nhà Equitable Life, hoàn thành vào năm 1870 tại Thành phố New York, được xem là tòa nhà văn phòng đầu tiên trang bị thang máy chở khách. Tuy nhiên, Peter Ellis, một kiến trúc sư người Anh, đã lắp đặt những chiếc thang máy đầu tiên có thể gọi là thang máy paternoster tại Oriel Chambers ở Liverpool vào năm 1868.

Thang máy điện đầu tiên được chế tạo bởi Werner von Siemens vào năm 1880 tại Đức. Nhà phát minh Anton Freissler đã phát triển các ý tưởng của von Siemens và xây dựng một doanh nghiệp thành công ở Áo-Hungary. Frank Sprague đã cải tiến đáng kể độ an toàn và tốc độ của thang máy điện, thêm vào hệ thống kiểm soát tầng, thang máy tự động, kiểm soát gia tốc và tính an toàn. Thang máy của ông nhanh hơn và có tải trọng lớn hơn so với thang máy thủy lực hoặc hơi nước. Trước khi bán công ty của mình cho Công ty Thang máy Otis vào năm 1895, Sprague đã lắp đặt 584 thang máy điện và phát triển công nghệ cho nhiều thang máy trong một trục duy nhất.

Vào năm 1882, khi công nghệ thủy lực đã được khẳng định, công ty sau này trở thành Công ty Điện thủy lực London được thành lập bởi Edward B. Ellington và cộng sự. Công ty này xây dựng một mạng lưới ống áp suất cao dọc theo cả hai bờ sông Thames, kéo dài tới 184 dặm và hỗ trợ khoảng 8.000 thiết bị, chủ yếu là thang máy và cần cẩu.

Vào năm 1883, Schuyler Wheeler đã được cấp bằng sáng chế cho thiết kế thang máy điện của mình.

Năm 1874, JW Meaker được cấp bằng sáng chế cho phương pháp cho phép cửa thang máy đóng và mở một cách an toàn. Sau đó, vào năm 1887, nhà phát minh người Mỹ Alexander Miles ở Duluth, Minnesota đã được cấp bằng sáng chế cho thang máy với cửa tự động đóng.

Thang máy đầu tiên ở Ấn Độ được lắp đặt bởi Otis tại Raj Bhavan ở Calcutta (hiện nay là Kolkata) vào năm 1892.

Đến năm 1900, thang máy hoàn toàn tự động đã được ra mắt, nhưng hành khách vẫn cảm thấy e ngại khi sử dụng. Đã có một cuộc đình công của các nhân viên điều khiển thang máy ở thành phố New York vào năm 1945, dẫn đến việc áp dụng các tính năng như nút dừng khẩn cấp, điện thoại khẩn cấp và hỗ trợ tự động bằng giọng nói để giải thích quy trình sử dụng một cách nhẹ nhàng.

Vào năm 2000, thang máy chân không đầu tiên đã được giới thiệu ra thị trường hàng loạt tại Argentina.

Thiết kế

Nhiều người cho rằng thang máy bắt nguồn từ những thiết kế đơn giản như sợi dây thừng hoặc dây chuyền tời (xem thang máy kéo dưới đây). Về cơ bản, thang máy là một nền tảng được kéo hoặc đẩy lên bằng các cơ cấu cơ học. Hiện nay, thang máy bao gồm một cabin (còn được gọi là 'lồng', 'toa') gắn trên một bệ trong một không gian kín gọi là trục hoặc đôi khi là 'vận thăng'. Trước đây, các hệ thống dẫn động thang máy thường sử dụng piston thủy lực hoạt động bằng hơi nước hoặc cơ cấu kéo bằng tay. Trong thang máy 'lực kéo', lồng được nâng lên bằng cách cuộn dây thép qua một ròng rọc có rãnh sâu, thường được gọi là puly trong ngành. Trọng lượng của lồng được cân bằng bởi một đối trọng. Đôi khi, hai thang máy được chế tạo để chúng luôn chuyển động đồng bộ theo hướng ngược nhau và làm đối trọng cho nhau.

Ma sát giữa các sợi dây và ròng rọc tạo ra lực kéo, từ đó loại thang máy này có tên gọi.

Thang máy thủy lực sử dụng các nguyên tắc thủy lực để tạo áp lực cho một piston trên mặt đất hoặc dưới mặt đất để nâng và hạ cabin (xem Thang máy thủy lực bên dưới). Thang máy thủy lực có dây sử dụng kết hợp giữa dây thừng và trợ lực thủy lực để nâng và hạ lồng. Những cải tiến gần đây bao gồm động cơ nam châm vĩnh cửu, máy không hộp số gắn trên đường ray không cần phòng máy và bộ điều khiển vi xử lý.

Công nghệ được áp dụng trong lắp đặt thang máy mới phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Thang máy thủy lực có chi phí thấp hơn, nhưng việc lắp đặt các xi lanh dài hơn đến một giới hạn nhất định trở nên không khả thi đối với những thang máy rất cao. Đối với các tòa nhà vượt quá bảy tầng, thang máy kéo thường được sử dụng thay thế. Thang máy thủy lực cũng thường chậm hơn so với thang máy dùng sức kéo.

Thang máy có thể được tùy chỉnh hàng loạt. Việc sản xuất hàng loạt các thành phần mang lại hiệu quả kinh tế, nhưng mỗi tòa nhà lại có yêu cầu riêng biệt như số tầng, kích thước giếng thang và mật độ sử dụng khác nhau.

Cửa

Cửa thang máy có chức năng ngăn người dùng rơi vào hoặc làm rối loạn không gian trong trục thang. Cấu hình phổ biến nhất là hai tấm cửa gặp nhau ở giữa và trượt mở sang hai bên. Trong thiết kế cửa kính thiên văn xếp tầng (cho phép lối vào rộng hơn trong không gian hạn chế), các cánh cửa lăn trên các rãnh độc lập, khi mở, chúng chồng lên nhau, và khi đóng, chúng tạo thành các lớp xếp tầng ở một bên. Thiết kế này có thể được điều chỉnh để hai bộ cửa xếp tầng hoạt động giống như cửa mở trung tâm, cho phép một cabin thang máy rộng lớn. Trong các lắp đặt ít tốn kém hơn, thang máy có thể sử dụng cửa 'phiến' lớn, tức là một tấm cửa duy nhất mở ra bên trái hoặc bên phải. Một số tòa nhà có thang máy với cửa đơn trên trục và cửa xếp đôi trên cabin.

Thang máy không phòng máy (MRL)

Thang máy không phòng máy được thiết kế để hầu hết các bộ phận nằm gọn trong trục chứa cabin thang máy, với một tủ nhỏ để đặt bộ điều khiển thang máy. Khác với các hệ thống máy móc truyền thống trong thang máy, thiết bị này tương tự như thang máy thủy lực với lực kéo thông thường hoặc không có lỗ. Thang máy không phòng máy đầu tiên trên thế giới, Kone MonoSpace, được Kone giới thiệu vào năm 1996. Những lợi ích của loại thang máy này bao gồm:

• tăng cường không gian sử dụng
• tiết kiệm năng lượng (giảm đến 70–80% so với thang máy thủy lực truyền thống)
• không sử dụng dầu (đối với thang máy kéo)
• tất cả các thành phần đều nằm trên mặt đất, tương tự như thang máy thủy lực có dây (loại bỏ mối quan tâm về môi trường từ xi lanh thủy lực được lưu trữ dưới lòng đất)
• chi phí thấp hơn một chút so với các loại thang máy khác; sự tiết kiệm đáng kể đối với thang máy MRL thủy lực
• hoạt động với tốc độ nhanh hơn thang máy thủy lực nhưng không phải là loại thang máy kéo truyền thống.

Nhược điểm: Thiết bị có thể khó bảo trì và bảo dưỡng, đồng thời nguy hiểm hơn khi thực hiện công việc bảo trì và bảo dưỡng.

• Độ ồn thường dao động từ 50 đến 55 dBA (decibel trọng số A), có thể thấp hơn so với một số loại thang máy nhưng không phải tất cả.
• Thích hợp cho các tòa nhà từ thấp đến trung bình cao tầng.
• Cơ cấu động cơ được tích hợp ngay trong chính vận thăng.
• Thang máy MRL đã bị chậm chấp nhận tại Hoa Kỳ do các quy định mã hóa.
• Bộ luật xây dựng quốc gia và địa phương chưa bao gồm thang máy không phòng máy. Thang máy MRL dân dụng vẫn chưa được phép sử dụng theo mã ASME A17 tại Mỹ. Tuy nhiên, thang máy MRL đã được công nhận trong bản bổ sung năm 2005 cho Bộ luật thang máy A17.1 2004.
• Hiện nay, một số thang máy thủy lực không phòng máy của Otis và ThyssenKrupp đã được phát triển; chúng không còn sử dụng pít-tông dưới lòng đất hoặc trong phòng máy, giảm thiểu các lo ngại về môi trường; tuy nhiên, các mã quy định vẫn chưa chấp nhận chúng ở tất cả các khu vực tại Hoa Kỳ.

Thang máy hai tầng

Thang máy hai tầng là loại thang máy kéo có hai cabin, một ở tầng trên và một ở tầng dưới. Cả hai cabin có thể phục vụ cùng một tầng đồng thời và thường được vận hành bởi một động cơ chung. Hệ thống này giúp nâng cao hiệu quả sử dụng trong các tòa nhà cao tầng và tiết kiệm không gian, loại bỏ nhu cầu bổ sung trục và cabin.

Năm 2003, ThyssenKrupp đã phát triển một hệ thống gọi là TWIN, trong đó hai cabin thang máy hoạt động độc lập trong cùng một trục.

• Thang bộ

Liên kết ngoài

• Thang máy trong Từ điển bách khoa Việt Nam
• Thông tin về thang máy (vận chuyển đứng) tại Encyclopædia Britannica (tiếng Anh)