Як працуюць моставыя краны - рычагі, шківы, гідрацыліндр і механічныя перавагі

Вы калі-небудзь здзіўляліся сучасным тэхналогіям? Нягледзячы на тое, што многія сучасныя тэхналогіі і машыны, насамрэч, вельмі складаныя, некаторыя з іх насамрэч вельмі разумныя, як толькі вы адсеяце навароты.
Такой машынай з'яўляецца, напрыклад, будаўнічы кран. У кране звычайна працуюць толькі тры простыя машыны. Рычаг, шкіў і гідрацыліндр.

Рычаг

У гэтым артыкуле мы коратка разгледзім вельмі важны механізм у будаўнічым кране: рычаг. Аднак тры наступныя артыкулы будуць даследаваць ролю шківа, гідрацыліндру і канцэпцыі механічных пераваг, адпаведна, у будаўнічых кранах.

Такім чынам, як працуе моставы кран? У большай ці меншай ступені большасць кранаў выкарыстоўваюць рычаг для пад'ёму выключна вялікіх грузаў. Амаль усе навясныя краны і многія збалансаваныя краны максымізуюць грузападымальнасць з дапамогай рычага.

Гэтыя краны выкарыстоўваюць рычагі або механічныя рукі, якія павялічваюць яго трываласць. Хоць складаная сістэма вяровак, ланцугоў і шківаў звычайна суправаджае механічную руку, сам рычаг - гэта простая машына.

Старажытныя здаўна выкарыстоўвалі рычаг на практыцы для будаўніцтва вялікіх храмаў, помнікаў і ўмацаванняў. На самай справе, навукоўцы сцвярджаюць, што егіпцяне, хутчэй за ўсё, выкарыстоўвалі рычагі для пабудовы Вялікіх пірамід.

Аднак большасць гісторыкаў звязваюць развіццё геаметрычнай тэорыі за рычагом Архімеду. Архімед, матэматык і філосаф, жыў у Старажытнай Грэцыі прыкладна ў трэцім стагоддзі да нашай эры. Мяркуецца, што аднойчы ён жартаўліва сказаў: «Дайце мне месца, каб стаяць, і я буду рухаць Зямлю з дапамогай рычага».

Сам рычаг ўяўляе сабой устойлівы брус, які абапіраецца на кропку павароту, або кропку апоры. Вы можаце націснуць на адзін канец з некаторым "насіленнем", каб стварыць некаторую выніковую "працоўную" сілу на іншым канцы. Рабочая сіла звычайна пераносіць або трымае падымаецца прадмет.

Навукоўцы падзяляюць усе рычагі на тры розныя групы. У класе адзін рычагі, кропка апоры знаходзіцца паміж намаганнямі і працоўнымі сіламі, як у качалях або ломах. Рычагі класа два - гэта рычагі, у якіх рабочая сіла знаходзіцца паміж кропкай апоры і сілай намаганняў, як тачка. А ў рычагах трэцяга класа сіла намаганняў прымяняецца паміж кропкай апоры і рабочай сілай, як у пінцэце.

Але, зноў жа, як працуе моставы кран? Як мы ўбачым з шківам і гідрацыліндрам, рычаг маніпулюе канцэпцыяй, вядомай як крутоўны момант. Крутоўны момант вымярае адлегласць, на якое прыкладзена сіла, або крутоўны момант роўны сіле на адлегласць.

Як зразумеў Архімед, маніпуляванне крутоўным момантам забяспечвае вялікую грузападымальнасць. Напрыклад, разгледзім простыя качэлі на дзіцячай пляцоўцы. Качалка ў дзесяць футаў у даўжыню, і яна паварочваецца на бруску прама ў цэнтры дошкі качанняў. На адным баку сядзіць 200-кілаграмовы дзіця, а на супрацьлеглым баку сядзіць худы дзіця вагой 100 фунтаў.

Тоўсты дзіця, безумоўна, штурхне бокам качалок на зямлю, а хударлявы падымецца ўверх. Для меншага дзіцяці трэба прыкласці дадатковыя 100 фунтаў сілы, каб проста збалансаваць качанне!

Але што, калі ў яго былі магічныя здольнасці, якія дазволілі яму падоўжыць бок качалок яшчэ на 5 футаў. Яго 10-футавы бок качалкі, супастаўляючыся з яго 100-фунтовым вагой, дазволіла б яму ўраўнаважыць качалку. І, тэарэтычна, калі б ён выцягнуў свой бок на даўжыню больш за 10 футаў, яго бок будзе павольна паўзці па зямлі, падымаючы таўсцейшага дзіцяці з зямлі.

Зноў жа, як працуе моставы кран? Рычаг, збольшага, маніпулюе крутоўным момантам, дазваляе кранам падымаць вельмі цяжкія грузы. Чым больш вы размяркоўваеце высілак на большыя адлегласці, тым менш «высілак» спатрэбіцца, каб зрабіць пад'ём. Рычагі дапамагаюць не толькі худым дзецям, але і сотням інжынераў, архітэктараў і будаўнікоў, якія кожны дзень падымаюць гіганцкія грузы!
Сачыце за навінамі наступнага сегмента нашай серыі "Як працуе моставы кран?", дзе мы разгледзім ролю шківа. Затым мы пяройдзем да гідрацыліндру і канцэпцыі механічнай перавагі.

Кампанія Barnhart Crane and Rigging Company заўсёды падымае планку ў індустрыі кранаў. Калі вам патрэбен кран або хочаце даведацца больш, наведайце старонкі абслугоўвання кранаў і перамяшчэння машын на вэб-сайце Barnhart Crane.

Маніпуляцыя шківам крутоўнага моманту

У мінулым артыкуле я задаў пытанне: як працуюць моставыя краны? Каб разгадаць гэтую загадку, я спачатку даследаваў значную ролю рычага ў будаўніцтве кранаў. Сёння мы ўбачым, што маніпуляцыя шківам крутоўнага моманту, як і рычаг, павялічвае здольнасць крана падымаць цяжкія грузы. У наступных артыкулах мы разгледзім гідрацыліндры і канцэпцыю механічных пераваг.

Як і ў выпадку з рычагом, навукоўцы адносяць Архімеда да самай ранняй тэарэтычнай распрацоўкі шківа. Па словах Плутарха, грэчаскага гісторыка, Архімед сцвярджаў, што мог бы зрушыць свет, калі б у яго было дастаткова шківаў, што вельмі падобна да яго прапановы аб перамяшчэнні Зямлі з дапамогай рычага. Гісторыя працягваецца, калі цар Сіракуз Гіерон просіць Архімеда перамясціць вялікі карабель у флоце Гіерана. У прызначаны дзень Архімед наладзіў сваю сістэму шківаў, цар загрузіў карабель, поўны пасажыраў і грузу, а затым Архімед сеў здалёк і нацягнуў вяроўку. Вынік? Плутарх тлумачыць, што груз рухаўся «так гладка і раўнамерна, як калі б яна была ў моры».

Для старажытных гэта было проста навіной, але сёння гэта фундаментальная навука. Каб растлумачыць гэта груба, шківы размяркоўваюць вагу праз розныя сегменты вяроўкі, каб лягчэй падымаць цяжкія прадметы. Скажам, у каго-небудзь ёсць вялікі прадмет, які ён хоча падняць. Ён цягнецца ўніз і спрабуе падняць яго сваімі сіламі, але не можа гэтага зрабіць. Каб зрабіць гэта прасцей, ён прымацоўвае да вялікага грузу шкіў. Затым ён прымацоўвае вяроўку да столі і цягне гэтую вяроўку праз шкіў. Далей ён падымаецца на вяроўцы і, нарэшце, падымае прадмет. Можна зрабіць гэта, таму што вяроўка на столі забяспечвае палову сілы, неабходнай для ўздыму аб'екта, у той час як адзін прыкладае другую палову.

Але чаму так адбываецца? Шкіў размяркоўвае вагу паміж двума сегментамі вяроўкі, бокам вяроўкі ад столі да шківа і іншым бокам вяроўкі ад шківа да пад'ёмніка. Гэта размеркаванне з'яўляецца маніпуляцыяй крутоўнага моманту, так як пад'ёмнік распаўсюджвае сілу на вялікую адлегласць. Столь, хочаце не верыць, дапамагае падымаць аб'ект, збольшага таму, што мы выкарыстоўваем грузападымальнасць потолочной канструкцыі, якая ўтрымлівае столь, што дазваляе пад'ёмніку выконваць толькі палову працы. Можна і далей палегчыць пад'ём, дадаўшы больш шківаў і ў розныя месцы, але матэматыка становіцца крыху больш складанай. Аднак агульнае правіла наступнае: чым больш шківаў, тым больш магутнасць.

Розныя канфігурацыі шківаў, у выніку, палягчаюць пад'ём. Існуюць тры тыпу канфігурацый або тыпаў шківаў. Фіксаваны шкіў апісвае сістэму шківа, дзе вось або кола нерухомыя або нерухомыя. Другі тып - рухомы шкіў, у якім вось або кола могуць свабодна перамяшчацца. І трэці тып - гэта камбінаваны шкіў, у якім выкарыстоўваюцца як нерухомыя, так і рухомыя шківы. Фіксаваныя шківы дазваляюць лягчэй канфігураваць, але рухомыя шківы павялічваюць прыкладаемую сілу, што палягчае працу. Розныя сітуацыі патрабуюць розных тыпаў шківаў, як гэта было ў выпадку з рычагом.

Але як гэта адносіцца да кранаў? Амаль усе краны выкарыстоўваюць шківы, але найбольш частае прымяненне шківаў у кранах сустракаецца ў стреловых кранах. Стрэлавыя краны маюць драты, якія абвіваюць шківы і груз. Чым больш вы абматаеце правадоў праз два, тым вышэй грузападымальнасць.

У наступным сегменце Як працуюць краны? «Я акрэслю важнасць гідрацыліндру, пасля чаго завяршу наступную і заключную артыкул аб ролі механічнай перавагі.

Гідраўлічны цыліндр і механічныя перавагі

Зараз да трэцяй часткі нашай серыі аб навуцы, якая стаіць за будаўнічымі кранамі, у якой мы разгледзім ролю гідрацыліндру. Першыя дзве часткі коратка апісвалі, як рычагі і шківы, адпаведна, спрыяюць пад'ёмнай сілы ў кранах. У наступным і заключным артыкуле будзе разгледжаны, бадай, самы важны навуковы прынцып у максімальнай пад'ёмнай сілы: механічнае перавага.

Такім чынам, што такое гідрацыліндр? Просты адказ - гэта герметычны цыліндр або круглая прызма, якая цалкам запоўненая нейкай вадкасцю, звычайна алеем, з двума адтулінамі для двух поршняў. Поршні могуць быць злучаныя з цыліндрам у розных канфігурацыях.

Калі выказаць здагадку, што поршні аднолькавага памеру ў гідрацыліндры і не існуе трэння, калі адзін поршань націснуць уніз, другі падымецца ўверх з аднолькавай сілай, хуткасцю і аднолькавай адлегласць. Такім чынам, калі адзін сціскае поршань на два сантыметры ўніз, другі поршань павінен ціснуць уверх на два сантыметры.
Перавага гэтай сістэмы дазваляе лёгка перанакіраваць сілы. Поршань, замацаваны гарызантальна, можа перамяшчаць іншы поршань, прымацаваны вертыкальна, у той час як іншыя машыны не дапускаюць такога лёгкага перакладу напрамку, як мы бачылі з дапамогай шківаў і рычагоў. З рычагамі і шківамі сіла ўніз прывядзе да таго, што некаторая сіла рухаецца ўверх, і наадварот, а сіла ўправа прывядзе да сілы ўлева і наадварот. Гідраўлічны цыліндр можа дазволіць перанос сілы ў адным кірунку ў любым магчымым кірунку, уверх, уніз, наперад, назад, направа ці налева.

З іншага боку, гідрацыліндр можа памнажаць сілы, максімізуючы крутоўны момант, як мы бачылі з рычагом і шківам. Калі адзін поршань мае плошчу 6 квадратных адзінак, а іншы поршань мае 2 квадратныя адзінкі, то сіла, якая штурхае меншы поршань, будзе ў 3 разы большай на большы поршень. Напрыклад, калі штурхнуць поршань 2-квадратнай адзінкі ўніз з сілай 500 фунтаў, то поршань 6-квадратнай адзінкі атрымае штуршок з сілай 1500 фунтаў. Аднак адлегласць, на якое перамяшчаецца большы поршань, будзе ў 3 разы менш, чым адлегласць, на якое пераехаў меншы поршань, каб стварыць 1500 фунтаў сілы.

Таксама падобна на рычаг і шкіў, амаль усе краны выкарыстоўваюць гідрацыліндр у той ці іншай форме або спосабе. Кран можа выкарыстоўваць гідраўлічны цыліндр для непасрэднага пад'ёму грузу, але гідраўлічны можа быць выкарыстаны для паслаблення рычага крана або перамяшчэння стрелы або бэлькі, якія нясуць пад'ёмны механізм.

У заключэнне можна сказаць, што гідрацыліндр вельмі падобны на шкіў і рычаг для яго частага выкарыстання ў кранах і маніпуляцыі крутоўным момантам. Аднак гідрацыліндр вылучаецца з-за яго здольнасці перанакіроўваць сілы ў розныя плоскасці. Тым не менш, усе тры, рычаг, шкіў і гідрацыліндр, разам максімізуюць механічную перавагу пры ўздыме вялікіх прадметаў. У наступнай частцы мы разгледзім, што такое механічныя перавагі і як яны прымяняюцца да кранаў.