Hvordan fungerer traverskran – håndtag, remskiver, hydraulisk cylinder og mekanisk fordel
Har du nogensinde undret dig over moderne teknologi? Selvom masser af moderne teknologi og maskiner i virkeligheden er meget komplicerede, er nogle faktisk meget fornuftige, når først man luger væk fra klokker og fløjter.
Byggekranen er for eksempel sådan en maskine. Kranen anvender generelt kun tre simple maskiner. Håndtaget, remskiven og den hydrauliske cylinder.
Håndtag
I denne artikel vil vi kort undersøge en meget vigtig mekanisme i byggekranen: håndtaget. Tre efterfølgende artikler vil dog undersøge, hvilken rolle henholdsvis remskiven, den hydrauliske cylinder og begrebet mekanisk fordel spiller i byggekraner.
Så hvordan fungerer traverskranen? I større eller mindre grad bruger de fleste kraner håndtaget til at løfte usædvanligt store byrder. Næsten alle monterede kraner og mange balancerede kraner maksimerer løftekapaciteten med håndtaget.
Disse kraner bruger håndtag eller mekaniske arme, der øger dens styrke. Selvom et komplekst system af reb, kæder og remskiver normalt ledsager den mekaniske arm, er selve håndtaget blot en simpel maskine.
De gamle har længe brugt håndtaget i praksis til at bygge store templer, monumenter og fæstningsværker. Faktisk hævder forskere, at egypterne højst sandsynligt brugte løftestænger til at konstruere de store pyramider.
Imidlertid tilskriver de fleste historikere Arkimedes udviklingen af den geometriske teori bag løftestangen. Arkimedes, en matematiker og filosof, boede i det antikke Grækenland omkring det tredje århundrede fvt. Efter sigende sagde han engang: "Giv mig et sted at stå, og jeg skal flytte jorden med en løftestang."
Selve håndtaget er en stabil stang, der hviler på et omdrejningspunkt eller omdrejningspunkt. Du kan trykke ned på den ene ende med en vis "indsats" kraft for at producere noget resulterende "arbejdskraft" i den anden ende. Arbejdsstyrken bærer eller holder normalt den genstand, der løftes.
Forsker klassificerer alle håndtag i tre forskellige grupper. I klasse 1-håndtag sidder omdrejningspunktet mellem indsatsen og arbejdskraften, som i en vippe eller koben. Klasse to håndtag er håndtag, hvor arbejdskraften sidder mellem omdrejningspunktet og indsatskraften, som en trillebør. Og i klasse tre håndtag påføres indsatskraften mellem omdrejningspunktet og arbejdsstyrken, som i en pincet.
Men igen, hvordan fungerer traverskranen? Som vi vil se med remskiven og den hydrauliske cylinder, manipulerer håndtaget et koncept kendt som drejningsmoment. Moment måler den afstand, som en kraft påføres, eller moment er lig med kraft gange afstand.
Som Archimedes indså, giver manipulation af drejningsmoment større løftekapacitet. Overvej for eksempel en simpel vippe på en legeplads. Vippen er ti fod lang, og den drejer på en stang direkte i midten af vippebrættet. En på siden sidder en 200 punds kid, og på den modsatte side sidder en scrawnier 100 pund kid.
Den federe knægt vil helt sikkert skubbe sin side af vippen ned til jorden, mens den magre knægt rejser sig. For det mindre barn skal de bruge 100 pund ekstra kraft for blot at balancere vippen!
Men hvad nu hvis han havde magiske evner, der gjorde det muligt for ham at forlænge sin side af vippen med 5 fod mere. Hans ti fods side af vippen, matchet med hans 100 pund vægt, ville give ham mulighed for at balancere vippen. Og teoretisk set, hvis han forlængede sin side til en længde på mere end 10 fod, ville hans side langsomt krybe jorden og løfte den federe knægt fra jorden.
Men igen, hvordan fungerer traverskranen? Håndtaget manipulerer til dels drejningsmomentet, så kranerne kan løfte meget tunge byrder. Jo mere du spreder anstrengelseskraften over større afstande, jo mindre "anstrengelses" kraft vil der kræves for at udføre løftet. Håndtag hjælper ikke kun magre børn, men også hundredvis af ingeniører, arkitekter og bygningsarbejdere, der løfter gigantiske byrder hver dag!
Følg med i næste segment i vores serie "Hvordan arbejder traverskraner?", hvor vi vil udforske remskivens rolle. Derefter vil vi gå videre til den hydrauliske cylinder og begrebet mekanisk fordel.
Barnhart Crane and Rigging Company hæver altid barren i kranindustrien. Hvis du har brug for en kran eller ønsker at lære mere, kan du besøge kranservice- og maskinflytningssiderne på Barnhart Cranes hjemmeside.
Remskivens manipulation af drejningsmoment
I min sidste artikel stillede jeg spørgsmålet: hvordan fungerer traverskraner? For at løse denne gåde undersøgte jeg først den væsentlige rolle, som løftestangen har i byggekraner. I dag vil vi se, at remskivens manipulation af drejningsmoment, ligesom håndtaget, øger en krans evne til at løfte tunge byrder. I de følgende artikler vil vi udforske hydrauliske cylindre og begrebet mekanisk fordel.
Som med løftestangen tilskriver forskere Archimedes den tidligste teoretiske udvikling af remskiven. Ifølge Plutarch, en græsk historiker, hævdede Arkimedes, at han kunne flytte verden, hvis han havde nok remskiver, en udtalelse, der ligner hans forslag om at flytte Jorden med en løftestang. Historien fortsætter, da kong Hieron af Syracuse beder Archimedes om at flytte et stort skib i Hierons flåde. På den fastsatte dag satte Arkimedes sit system af remskiver op, kongen læssede skibet fuld af passagerer og last, og så sad Arkimedes på afstand og trak i rebet. Resultatet? Plutarch forklarer, at den afsendte flyttede sig "så jævnt og jævnt, som om hun havde været i havet."
For de gamle var dette blot en nyhed, men i dag er dette grundlæggende videnskab. For at forklare det groft, fordeler remskiver vægt gennem forskellige segmenter af reb for at gøre det lettere at løfte tunge genstande. Lad os sige, at man har en stor genstand, han ønsker at løfte. Han rækker ned og forsøger at løfte den med sin egen styrke, men han kan ikke gøre det. For at gøre dette lettere sætter han en remskive på den store last. Så fastgør han et reb til loftet og trækker det reb gennem remskiven. Dernæst løfter han op på rebet og løfter til sidst genstanden. Man kan gøre dette, fordi rebet på loftet leverer halvdelen af den kraft, der skal til for at løfte genstanden, mens man påfører den anden halvdel.
Men hvorfor sker dette? Remskiven fordeler vægten over to rebsegmenter, siden af rebet fra loftet til remskiven og den anden side af rebet fra remskiven til løfteren. Denne fordeling er en manipulation af drejningsmomentet, da løfteren spreder kraften over en længere afstand. Loftet, tro det eller ej, hjælper en med at løfte genstanden, blandt andet fordi vi udnytter løftekapaciteten af loftskonstruktionen, der holder loftet oppe, og dermed tillader løfteren kun at udføre halvdelen af arbejdet. Man kan fortsætte med at gøre løftet lettere ved at tilføje flere remskiver og til forskellige steder, men regnestykket bliver lidt mere kompliceret. Den generelle regel er dog som følger: Jo flere remskiver, jo mere kraft.
Forskellige konfigurationer af remskiver gør derfor løft lettere. Der findes tre typer konfigurationer eller typer af remskiver. En fast remskive beskriver et remskivesystem, hvor akslen eller hjulet er fastgjort eller ubevægeligt. Den anden type er en bevægelig remskive, hvor akslen eller hjulet kan bevæge sig frit. Og den tredje type er en kombineret remskive, hvori både faste og bevægelige remskiver bruges. Faste remskiver giver mulighed for lettere konfiguration, men bevægelige remskiver multiplicerer den påførte kraft, hvilket gør arbejdet lettere. Forskellige situationer kræver forskellige typer af remskiver, som det var tilfældet med håndtaget.
Men hvordan gælder det for kraner? Nå, næsten alle kraner bruger remskiver, men den mest almindelige anvendelse af remskiver i kraner forekommer i svingkraner. Jib-kraner har wirer, der vikler sig om remskiver og lasten. Jo mere du vikler ledningerne gennem de to, jo højere løftekapacitet.
I det næste segment af How Cranes Work? ?Jeg vil skitsere vigtigheden af den hydrauliske cylinder, hvorefter jeg vil afslutte med en efterfølgende og afsluttende artikel om den mekaniske fordels rolle.
Hydraulisk cylinder og mekanisk fordel
Nu til del tre i vores serie om videnskaben bag byggekraner, hvor vi vil overveje den hydrauliske cylinders rolle. De to første dele beskrev kort, hvordan henholdsvis håndtag og remskiver bidrager til løftekraften i kraner. Den efterfølgende og sidste artikel vil overveje det måske vigtigste videnskabelige princip for at maksimere løftekraften: mekanisk fordel.
Så hvad er en hydraulisk cylinder? Det enkle svar er en forseglet cylinder eller et cirkulært prisme, der er fuldt fyldt med en slags væske, normalt en olie, med to åbninger til to stempler. Stemplerne kan være forbundet til cylinderen i forskellige konfigurationer.
Hvis vi antager, at stemplerne har samme størrelse i en hydraulisk cylinder, og der ikke eksisterer nogen friktion, når det ene stempel presses nedad, vil det andet stige opad med samme kraft, hastighed og afstand. Så hvis man komprimerer et stempel to centimeter nedad, skal det andet stempel trykke to centimeter opad.
Fordelen ved dette system giver dig mulighed for nemt at omdirigere styrker. Et stempel, der er fastgjort vandret, kan flytte et andet stempel, der er fastgjort lodret, hvorimod andre maskiner ikke tillader en så let oversættelse af retningen, som vi så med remskiver og håndtag. Med håndtag og remskiver vil en kraft ned resultere i, at en kraft bevæger sig opad og omvendt, og en kraft til højre vil resultere i en kraft til venstre og omvendt. Den hydrauliske cylinder kan tillade, at en kraft i én retning overføres til enhver mulig retning, op, ned, fremad, bagud, højre eller venstre.
På den anden side kan den hydrauliske cylinder multiplicere kræfterne ved at maksimere drejningsmomentet, som vi så med håndtaget og remskiven. Hvis et stempel har et areal på 6 kvadratenheder, og et andet stempel har 2 kvadratenheder, så vil kraften, der trykker ned på det mindre stempel, virke 3 gange større på det større stempel. For eksempel, hvis man skubber 2-kvadrat-enhedsstemplet ned med en kraft på 500 pund, så modtager 6-kvadrat-enhedsstemplet et tryk med en kraft på 1500 pund. Imidlertid vil afstanden, det større stempel bevæger sig, være 3 gange mindre end afstanden, det mindre stempel flyttede for at skabe 1500 pund kraft.
Ligesom håndtaget og remskiven, bruger næsten alle kraner den hydrauliske cylinder på en eller anden måde. Kranen kan bruge en hydraulisk cylinder til direkte at løfte lasten, men en hydraulik kan bruges til at dæmpe en kranarm eller flytte en udligger eller bjælke, der bærer løftemekanismen.
Som konklusion er den hydrauliske cylinder meget som remskiven og håndtaget for dens hyppige brug i kraner og dens manipulation af drejningsmoment. Den hydrauliske cylinder adskiller sig dog på grund af dens evne til at omdirigere kræfter til forskellige planer. Men alle tre, håndtaget, remskiven og den hydrauliske cylinder, maksimerer tilsammen den mekaniske fordel ved at løfte store genstande. I den næste del vil vi undersøge præcis, hvad mekanisk fordel er, og hvordan den anvendes på kraner.
Zora Zhao
Ekspert i løftekran/portalkran/armkran/krandeleløsninger
Med mere end 10 års erfaring i den oversøiske kraneksportindustri hjalp 10.000+ kunder med deres spørgsmål og bekymringer før salg, hvis du har relaterede behov, er du velkommen til at kontakte mig!