Устройство и принцип работы полиспаста

Полиспасты

Необходимость поднимать и передвигать грузы возникла еще в глубокой древности по всему миру при возведении Колизея, Великой Китайской стены и т. д. Наши предки изобрели механизм под названием «полиспаст», основной принцип работы которого до сих пор актуален. Он состоит из множества блоков, их затягивают тросом. Практически у всех полиспастов назначение и устройство одинаково. По потребностям сборку рассчитывают на том, чтобы усилить показатели в силе и скорости.

Устройство полиспаста и условия его работы

Основная область применения полиспастов – стреловые механизмы кранов. Всё многообразие полиспастов может быть сведено к двум требованиям: либо увеличить силу (силовые полиспасты), либо поднять скорость (скоростные полиспасты). В подъёмных кранах чаще используются первые, а подъёмниках – вторые. Таким образом, схемы скоростных и силовых полиспастов взаимно обратные.

В состав полиспаста входят следующие составляющие:

1. Блоки с неподвижными осями
2. Блоки с подвижными осями.
3. Обводные блоки.
4. Обводочные барабаны.

Все вышеперечисленные элементы располагаются преимущественно в вертикальной компоновке, причём место размещения барабана зависит от наличия обводных блоков: сверху, если такие блоки отсутствуют, и снизу – если присутствуют.

Количество блоков с неподвижными осями всегда на один меньше, чем с подвижными. При этом общее количество блоков определяет (для силовых полиспастов) кратность увеличения суммарного усилия на механизме. Количество обводных блоков определяется размерами узла: с увеличением числа таких блоков усилие также увеличивается.

Силовые полиспасты, назначение и устройство которых характеризуется несколькими параметрами, важнейшим из которых является нагрузка, развиваемая в подъёмном механизме. Она увеличивается с увеличением расчётной грузоподъёмности крана, кратности устройства (количества ветвей каната, на которых подвешен груз) и КПД блока. КПД учитывает потери на трение в осевых опорах, а также потери, определяемые жёсткостью каната или цепи.

Полиспастов может быть несколько, тогда суммарная нагрузка на блок пропорционально уменьшается. Одинарные полиспасты конструктивно проще, но и наименее эффективны. В них один конец неподвижно закрепляется на неподвижном элементе, а второй – на барабане. При этом угол отклонения весьма ограничен из-за опасности схода каната с блока. Наличие обводного блока существенно улучшает условия работы механизма: нагрузка становится симметричной, что снижает износ каната, и увеличивает допустимую скорость вращения блоков. Устойчивость действия полиспаста зависит также от расстояния между обводным и основными блоками. С увеличением этого параметра надёжность полиспаста как функционального узла возрастает, хотя одновременно увеличивается (из-за наличия соединительной оси) и его сложность.
Другими схемами полиспастов, применяемых на практике, являются:

• Сдвоенные трёхкратные, когда в схеме присутствует три рабочих блока и два обводных;
• Сдвоенные трёхкратные, снабжённые уравнительной траверсой. Вариант используется в грузоподъёмной технике, которая эксплуатируется в тяжёлых и особо тяжёлых условиях.

Что такое запасовка, как она делается и какой бывает?

Запасовкой называют изменение положения блоков и расстояния между ними. Ее проводят, чтобы изменить скорость или высоту подъема тяжести.

Схемы запасовки бывают:

1. Однократная: крюк вешают за 1 канат, который затем проводится последовательно через каждый неподвижный блок и наматывается на барабан.
2. Двукратная. Для балочных кранов 1 конец веревки крепят на корне стрелы, а второй конец пускают через обводной барабан, все блоки, после чего крепят к лебедке. Для подъемных кранов канат крепится к лебедке, а неподвижные блоки находятся на головке стрелы.
3. Четырехкратная. Используется сочетание схем, перечисленных выше, для каждого блока крюковой подвески.
4. Переменная. Подвижные ролики дополняются 1 или 2 подвижными обоймами.

Расчет полиспаста

Расчетные операции для определения усилий, действующих на элементы системы в ходе работы, нужно начинать с определения параметров и сил, воздействующих на блок:

• сила воздействия груза (Sн);
• тяговая сила мотора (Sc);
• α – угол отклонения;
• D – диаметр блока (ручья);
• d – диаметр втулки.

Стоит сразу отметить, что современные устройства такого типа фактически не имеют углов отклонения. Поэтому (ввиду отсутствия практического смысла) ими можно пренебречь, а в дальнейших расчетах принять синус этого угла за единицу.

Для блока уравнение моментов сил выглядит так:

Sс*R = Sн*R + q*Sн*R + N*f*d/2

• SнR – это момент силы, с которой на систему воздействует груз;
• q – это коэффициент, определяющий жесткость троса при огибании ролика (определяется экспериментально), он учитывает силы, обусловленные структурой витков самого троса или каната;
• N – нагрузка на ось блока;
• f – коэффициент, определяющий силу трения втулки блока.

Для реального практического расчета показатель q не имеет значения. Точнее, его показатель настолько мал в сравнении с силой трения во втулке, что его можно не учитывать. В таком случае формула выглядит так:

Находим нагрузку N. Она определяется разницей в нагрузках на трос с разных сторон блока:

А поскольку мы опускаем углы, упрощаем формулу до:

Объединив все получим формулу определения КПД подъемного устройства:

Убрав незначительные параметры, формула упрощается до:

Эта формула показывает, что для КПД системы самое важное значение имеет качество применяемых в ней блоков и их материалов. Чем ниже их сила трения, тем выше показатель КПД.

Как правило, в расчетах применяются такие уровни коэффициэнта полезного действия блочной системы:

• 97% – принимаемое среднее, если в элементах используются бронзовые втулки и подшипники качения;
• 95% – применяются подшипники скольжения;
• 93% и ниже – запыленные места, агрессивные природные условия работы механизма, высокая температура.

Теперь расчет сил на один блок нужно применить на соответствующее их количество в системе.

S2 = S1*ηп = S0* ηп * ηп = S0*( ηп)2

Сумма усилий с формулой преобразования геометрической прогрессии позволит получить показатель S0 в прямой зависимости от веса поднимаемого груза (Р).

S0 = P*(1 — ηп)/(1 — (ηп)n+1

Кроме того, в зависимости от конструкции системы вероятно придется учитывать нагрузки на остальные обводные ролики, КПД работы каких также стоит учитывать при расчете.

Классификация

Полиспасты, назначение и устройство которых не изменилось за прошедшие века, могут быть силовыми и скоростными. Первые применяются на грузоподъёмных механизмах, а вторыми оборудуются подъёмники. По исполнению они изготовляются:

1. Простые схемы, состоящие из линейной последовательности блоков. Они соединяются между собой и с грузом общим канатом.
2. Сложные. Это система, в которой последовательно соединены не отдельные блоки, а несколько самостоятельных механизмов. Такое решение позволяет создавать схемы полиспастов с большой кратностью при малом количестве блоков. Например, соединение полиспастов, обладающих кратностью 2:1 и 3:1, даст выигрыш в 6 раз при использовании всего трёх блоков. За счёт меньших потерь на трении реальный результат будет более высоким, нежели у простой конструкции с аналогичными параметрами.
3. Комплексные полиспасты занимают отдельное место. Это система полиспастов из простых и сложных механизмов, соединённых таким образом, что блоки при подъёме движутся навстречу нагрузке.

Классификация

Полиспасты, назначение и устройство которых не изменилось за прошедшие века, могут быть силовыми и скоростными. Первые применяются на грузоподъёмных механизмах, а вторыми оборудуются подъёмники. По исполнению они изготовляются:

1. Простые схемы, состоящие из линейной последовательности блоков. Они соединяются между собой и с грузом общим канатом.
2. Сложные. Это система, в которой последовательно соединены не отдельные блоки, а несколько самостоятельных механизмов. Такое решение позволяет создавать схемы полиспастов с большой кратностью при малом количестве блоков. Например, соединение полиспастов, обладающих кратностью 2:1 и 3:1, даст выигрыш в 6 раз при использовании всего трёх блоков. За счёт меньших потерь на трении реальный результат будет более высоким, нежели у простой конструкции с аналогичными параметрами.
3. Комплексные полиспасты занимают отдельное место. Это система полиспастов из простых и сложных механизмов, соединённых таким образом, что блоки при подъёме движутся навстречу нагрузке.

Система блоков – теория

Изобретение полиспаста дало огромный толчок развитию цивилизаций. Система блоков помогла построить огромные сооружения, многие из которых сохранились по сей день и вызывают недоумение у современных строителей. Также совершенствовалось судостроение, люди смогли путешествовать на огромные расстояния. Пора разобраться, что это такое – полиспаст и выяснить, где можно найти ему применение сегодня.

Простота и эффективность механизма

Строение грузоподъемного механизма

Классический полиспаст представляет собой механизм, который состоит из двух основных элементов:

• шкив;
• гибкая связь.

Простейшая схема: 1 – подвижный блок, 2 – неподвижный, 3– канат

Шкив – это металлическое колесо, которое по внешнему краю имеет специальный желоб для троса. В качестве гибкой связи может применяться обычный трос или канат. Если груз будет достаточно тяжелый, используют тросы из синтетических волокон или стальные канаты и даже цепи. Для того чтобы шкив вращался легко, без скачков и заедания, используют роликовые подшипники. Все элементы, которые движутся, смазывают.

Один шкив называют блоком. Полиспаст – это система блоков для подъема грузов. Блоки в составе подъемного механизма могут быть неподвижными (жестко закрепленными) и подвижными (когда ось в процессе работы меняет положение). Одна часть полиспаста крепится к неподвижной опоре, другая – к грузу. Подвижные ролики располагаются на стороне груза.

Роль неподвижного блока – изменение направления движения каната и действия прикладываемой силы. Роль подвижных – получение выигрыша в силе.

Принцип работы – в чем секрет

Принцип работы полиспаста подобен рычагу: усилие, которое необходимо приложить, становится меньше в несколько раз, при этом работа выполняется в том же объеме. Роль рычага играет трос. В работе полиспаста важен выигрыш в силе, поэтому возникающий проигрыш в расстоянии не принимается во внимание.

В зависимости от конструкции полиспаста, выигрыш в силе может быть разным. Простейший механизм из двух шкивов дает примерно двукратный выигрыш, из трех – трехкратный и так далее. По тому же принципу рассчитывается и увеличение расстояния. Для работы простого полиспаста нужен трос в два раза длиннее высоты подъема, а если используют комплекс из четырех блоков – то и длина троса увеличивается прямо пропорционально в четыре раза.

Принцип работы системы блоков

В каких областях применяется система блоков

Полиспаст – верный помощник на складе, на производстве, в транспортной сфере. Его используют везде, где нужно применять силу для перемещения всевозможных грузов. Система широко применяется в строительстве.

Несмотря на то что большую часть тяжелой работы выполняет строительная техника (подъемный кран), полиспасту нашлось место в конструкции грузозахватных механизмов. Система блоков (полиспаст) является составляющей таких подъемных механизмов, как лебедка, таль, строительная техника (краны разных типов, бульдозер, экскаватор).

Помимо строительной отрасли, полиспасты получили широкое применение в организации спасательных работ. Принцип работы остается прежним, но конструкция немного видоизменяется. Спасательное оборудование изготавливается из прочного троса, используются карабины. Для устройств такого назначения важно, чтобы вся система быстро собиралась и не требовала дополнительных механизмов.

Полиспаст в составе крюка подъемного крана

Как работает простая конструкция блоков?

Рассмотрим для начала простой монтажный полиспаст. Его можно получить при добавлении блоков на опору и груз. Чтобы получить нечётный механизм, необходимо закрепить конец верёвки на подвижной точке груза, а чтобы получить чётный, то крепим веревку на опоре. При добавлении блока получаем +2 к силе, а подвижная точка дает +1, соответственно. Например, чтобы получить полиспаст для лебедки с кратностью 2, необходимо закрепить конец верёвки на опоре и использовать один блок, который крепится на грузе. И у нас будет чётный вид приспособления.

Принцип работы полиспаста с кратностью 3 выглядит по-другому. Здесь конец веревки крепится на грузе, и используются два ролика, один из них мы крепим на опоре, а другой – на грузе. Такой тип механизма дает выигрыш в силе в 3 раза, это нечётный вариант. Чтобы понять, каков выигрыш в силе получится, можно воспользоваться простым правилом: сколько веревок идет от груза, таков наш выигрыш в силе. Используются обычно полиспасты с крюком, на котором, собственно говоря, и крепится груз, ошибочно думать, что это только блок и веревка.

Подъемник с в домашних условиях

Порой в быту появляется нужда в поднятии тяжелого груза, но не у всех людей есть возможность подогнать к порогу строительный кран, от чего приходится выкручиваться. И тут на помощь как раз сможет прийти система блоков. Полиспасты, назначение и устройство которых может показаться довольно сложной в конструировании, но при должной подготовки, создание такой конструкции в домашних условиях не составит проблем. Все производится в четыре этапа:

• Расчеты. Они производятся с учетом ваших целей и задач, а именно, параметры рабочего помещение, наличие в нем ограничений, вес груза и расстояние на которое нужно произвести транспортировку. Нужно зафиксировать все эти данный для составления чертежа и выбора конструкции.

• Создание чертежа. Если в этом деле нет опыта, то лучше обратится к человеку с опытом и инженерным образованием, который сможет сократить время на создание модели на бумаге. Если помощи взять неоткуда, то лучше обратится в интернет и посмотреть рабочие чертежи базовых конструкций. Каждая из типов будет эффективна в определённых условиях, замеры которых вы сделаете ранее.

• Подбор материалов. Подбор стоит начинать уже на первых этапах, а именно отталкиваться от уже имеющих вещей и тех, что можно приобрести. От вашего чертежа и расчетов зависит, какие детали будут нужны и какой материал лучше использовать. Покупайте в силу своего бюджета и с заделом на дальнейшее использование. Сильно экономить не стоит, иначе конструкция может подвести в самый ответственный момент.

• Конструирование. Этот шаг самый простой из всех, потому что здесь нужно лишь соблюдать план и делать на совесть.

При определённой сноровке и подготовленности может получится очень добротная рабочая модель, которая не будет уступать строительным аналогам. Но если задачи не слишком амбициозные, то сильных затрат это не потребует. Для надежности можно в создании использовать уже готовый части из строительных полиспастов.