Hoe werken rolbruggen - hefbomen, katrollen, hydraulische cilinders en mechanisch voordeel
Heeft u zich ooit verbaasd over moderne technologie? Hoewel veel moderne technologie en machines in feite zeer gecompliceerd zijn, zijn sommige eigenlijk heel zinvol, als je de toeters en bellen eruit haalt.
De bouwkraan, bijvoorbeeld, is zo'n machine. De kraan maakt over het algemeen gebruik van slechts drie eenvoudige machines. De hefboom, de katrol, en de hydraulische cilinder.
Hendel
In dit artikel zullen we kort ingaan op een zeer belangrijk mechanisme in de bouwkraan: de hefboom. In drie volgende artikelen zal echter worden ingegaan op de rol van respectievelijk de katrol, de hydraulische cilinder en het concept van mechanisch voordeel in bouwkranen.
Dus, hoe werken rolbruggen? In meer of mindere mate maken de meeste kranen gebruik van de hefboom om uitzonderlijk grote lasten te hijsen. Bijna alle bovenloopkranen en veel gebalanceerde kranen maximaliseren het hefvermogen met de hefboom.
Deze kranen maken gebruik van hefbomen, of mechanische armen, die de kracht vergroten. Hoewel de mechanische arm gewoonlijk vergezeld gaat van een complex systeem van touwen, kettingen en katrollen, is de hefboom zelf niet meer dan een eenvoudige machine.
De ouden hebben de hefboom lang in de praktijk gebruikt om grote tempels, monumenten en vestingwerken te bouwen. Wetenschappers beweren zelfs dat de Egyptenaren hoogstwaarschijnlijk hefbomen gebruikten om de Grote Piramiden te bouwen.
De meeste historici schrijven de ontwikkeling van de geometrische theorie achter de hefboom echter toe aan Archimedes. Archimedes, een wiskundige en filosoof, leefde rond de derde eeuw voor Christus in het oude Griekenland. Naar verluidt grapte hij ooit: ‘Geef mij een plek om te staan, en ik zal de aarde bewegen met een hefboom.’
De hendel zelf is een stabiele staaf die op een draaipunt of steunpunt rust. Je kunt het ene uiteinde met enige “inspanningskracht” naar beneden drukken om aan het andere uiteinde een resulterende “arbeidskracht” te produceren. Het personeel draagt of houdt gewoonlijk het voorwerp dat wordt opgetild, vast.
Wetenschappers delen alle hefbomen in drie verschillende groepen in. Bij hefbomen van klasse één zit het draaipunt tussen de kracht van de inspanning en de werkkracht, zoals bij een wip of een koevoet. Klasse twee hefbomen zijn hefbomen waarbij de werkkracht tussen het steunpunt en de spankracht zit, zoals bij een kruiwagen. En bij hefbomen van klasse drie wordt de inspanningskracht uitgeoefend tussen het steunpunt en de werkkracht, zoals bij een pincet.
Maar, nogmaals, hoe werkt een rolbrug? Zoals we zullen zien met de katrol en de hydraulische cilinder, manipuleert de hefboom een concept dat bekend staat als koppel. Koppel meet de afstand waarover een kracht wordt uitgeoefend, of koppel is gelijk aan kracht maal afstand.
Zoals Archimedes zich realiseerde, biedt het manipuleren van het koppel een groter hefvermogen. Neem bijvoorbeeld een eenvoudige wip op een speelplaats. De wip is drie meter lang en draait op een stang in het midden van de wip. Aan de ene kant zit een kind van 200 pond, en aan de andere kant zit een schraper van 100 pond.
Het dikkere kind zal zijn kant van de wip zeker naar de grond duwen, terwijl het magere kind omhoog gaat. Het kleinere kind moet nog eens 100 pond extra kracht zetten om de wip in evenwicht te houden!
Maar wat als hij magische krachten had die hem in staat stelden zijn kant van de wip te verlengen met 5 voet. Zijn kant van de wip van 3 meter, gecombineerd met zijn gewicht van 3 kilo, zou hem in staat stellen de wip in evenwicht te houden. En, theoretisch, als hij zijn kant zou verlengen tot een lengte van meer dan 3 meter, zou zijn kant langzaam de grond kruipen en het dikkere kind van de grond tillen.
Maar nogmaals, hoe werken bovenloopkranen? De hendel manipuleert gedeeltelijk het koppel, waardoor kranen zeer zware lasten kunnen tillen. Hoe meer je de inspanning over grotere afstanden verdeelt, hoe minder "inspanning" er nodig is om de lift te maken. Hefbomen helpen niet alleen magere kinderen, maar ook honderden ingenieurs, architecten en bouwvakkers die elke dag gigantische lasten tillen!
Houd ons in de gaten voor het volgende segment in onze serie “Hoe werkt een bovenloopkraan?”, waarin we de rol van de katrol zullen onderzoeken. Daarna gaan we verder met de hydraulische cilinder en het concept van mechanisch voordeel.
Barnhart Crane and Rigging Company is altijd bezig de lat hoger te leggen in de kraanindustrie. Als u een kraan nodig hebt of meer wilt weten, bezoek dan de pagina's Kranenservice en Machineverplaatsing op de website van Barnhart Crane.
De manipulatie van het koppel door de katrol
In mijn laatste artikel stelde ik de vraag: hoe werken bovenloopkranen? Om dit raadsel op te lossen, heb ik eerst de belangrijke rol van de hefboom in bouwkranen onderzocht. Vandaag zullen we zien dat de manipulatie van het koppel door de katrol, net als de hendel, het vermogen van een kraan om zware lasten te tillen vergroot. In de volgende artikelen zullen we hydraulische cilinders en het concept van mechanisch voordeel onderzoeken.
Net als bij de hefboom beschouwen geleerden Archimedes als de vroegste theoretische ontwikkeling van de katrol. Volgens Plutarchus, een Griekse historicus, beweerde Archimedes dat hij de wereld zou kunnen bewegen als hij genoeg katrollen had, een uitspraak die sterk lijkt op zijn voorstel over het verplaatsen van de aarde met een hefboom. Het verhaal gaat verder wanneer koning Hieron van Syracuse Archimedes vraagt een groot schip van de marine van Hieron te verplaatsen. Op de afgesproken dag zette Archimedes zijn systeem van katrollen op, de koning laadde het schip vol met passagiers en vracht, en vervolgens ging Archimedes op afstand zitten en trok aan het touw. Het resultaat? Plutarchus legt uit dat de schepen “zo soepel en gelijkmatig bewogen alsof ze in zee waren geweest.”
Voor de Ouden was dit slechts een nieuwigheid, maar vandaag de dag is dit fundamentele wetenschap. Om het grof uit te leggen: katrollen verdelen het gewicht over verschillende touwsegmenten om het tillen van zware voorwerpen gemakkelijker te maken. Laten we zeggen dat iemand een groot voorwerp heeft dat hij wil optillen. Hij reikt naar beneden en probeert het op eigen kracht op te tillen, maar het lukt hem niet. Om dit gemakkelijker te maken, bevestigt hij een katrol aan de grote last. Vervolgens bevestigt hij een touw aan het plafond en trekt dat touw door de katrol. Vervolgens tilt hij het touw op en tilt uiteindelijk het voorwerp op. Dit kun je doen omdat het touw aan het plafond de helft van de kracht levert die nodig is om het voorwerp op te tillen, terwijl je de andere helft uitoefent.
Maar waarom gebeurt dit? De katrol verdeelt het gewicht over twee touwsegmenten, de kant van het touw van het plafond naar de katrol en de andere kant van het touw van de katrol naar de lifter. Deze verdeling is een manipulatie van de torsie, aangezien de lifter de kracht over een langere afstand verdeelt. Het plafond, geloof het of niet, helpt bij het tillen van het voorwerp, gedeeltelijk omdat we gebruik maken van de hefcapaciteit van de plafondconstructie die het plafond omhoog houdt, waardoor de lifter slechts de helft van het werk hoeft te doen. Men kan de lift verder vergemakkelijken door meer katrollen en op verschillende plaatsen toe te voegen, maar de wiskunde wordt dan iets ingewikkelder. De algemene regel is echter als volgt: hoe meer katrollen, hoe meer kracht.
Verschillende configuraties van katrollen vergemakkelijken bijgevolg het heffen. Er bestaan drie soorten configuraties, of typen, van katrollen. Een vaste katrol beschrijft een katrolsysteem waarbij de as of het wiel vast, of onbeweeglijk, is. Het tweede type is een beweegbare katrol, waarbij de as of het wiel vrij kan bewegen. En het derde type is een gecombineerde katrol, waarbij zowel vaste als beweegbare katrollen worden gebruikt. Vaste katrollen kunnen gemakkelijker worden geconfigureerd, maar beweegbare katrollen vermenigvuldigen de uitgeoefende kracht, wat het werk vergemakkelijkt. Verschillende situaties vereisen verschillende soorten katrollen, zoals het geval was met de hefboom.
Maar hoe is dit van toepassing op kranen? Vrijwel alle kranen maken gebruik van katrollen, maar de meest voorkomende toepassing van katrollen in kranen komt voor in zwenkkranen. Zwenkkranen hebben draden die zich rond katrollen en de last wikkelen. Hoe meer je de draden door de twee wikkelt, hoe hoger de hefcapaciteit.
In het volgende deel van Hoe werken kranen? zal ik het belang van de hydraulische cilinder schetsen, waarna ik zal afsluiten met een volgend en laatste artikel over de rol van mechanisch voordeel.
Hydraulische cilinder en mechanisch voordeel
Dan nu deel drie in onze serie over de wetenschap achter bouwkranen, waarin we ingaan op de rol van de hydraulische cilinder. In de eerste twee delen werd kort beschreven hoe respectievelijk hefbomen en katrollen bijdragen tot de hefkracht in kranen. In het volgende en laatste artikel zal worden ingegaan op misschien wel het belangrijkste wetenschappelijke principe bij het maximaliseren van de hefkracht: mechanisch voordeel.
Wat is een hydraulische cilinder? Het eenvoudige antwoord is een afgesloten cilinder, of een rond prisma, die volledig is gevuld met een soort vloeistof, gewoonlijk een olie, met twee openingen voor twee zuigers. De zuigers kunnen in verschillende configuraties met de cilinder zijn verbonden.
Als we aannemen dat de zuigers in een hydraulische cilinder even groot zijn en er geen wrijving is, zal, wanneer een zuiger omlaag wordt gedrukt, de andere met een gelijke kracht, snelheid en afstand omhoog gaan. Dus, als men een zuiger twee centimeter naar beneden drukt, moet de andere zuiger twee centimeter naar boven drukken.
Het voordeel van dit systeem is dat krachten gemakkelijk kunnen worden omgeleid. Een zuiger die horizontaal is bevestigd kan een andere zuiger die verticaal is bevestigd in beweging brengen, terwijl andere machines niet zo'n gemakkelijke omkering van richting toestaan, zoals we hebben gezien met de katrollen en hefbomen. Bij hefbomen en katrollen zal een kracht naar beneden leiden tot een kracht naar boven, en omgekeerd, en een kracht naar rechts zal leiden tot een kracht naar links, en omgekeerd. Met de hydraulische cilinder kan een kracht in één richting worden overgebracht naar elke mogelijke richting, naar boven, naar beneden, naar voren, naar achteren, naar rechts of naar links.
Anderzijds kan de hydraulische cilinder krachten vermenigvuldigen door het koppel te maximaliseren, zoals we zagen bij de hefboom en de poelie. Als een zuiger een oppervlakte heeft van 6 vierkante eenheden, en een andere zuiger heeft een oppervlakte van 2 vierkante eenheden, dan zal de kracht die op de kleinere zuiger wordt uitgeoefend 3 keer zo groot lijken op de grotere zuiger. Bijvoorbeeld, als men de zuiger met een oppervlakte van 2 vierkanten naar beneden duwt met een kracht van 500 pond, dan krijgt de zuiger met een oppervlakte van 6 vierkanten een duw met een kracht van 1500 pond. De afstand die de grotere zuiger aflegt zal echter 3 keer kleiner zijn dan de afstand die de kleinere zuiger heeft afgelegd om een kracht van 1500 pond te creëren.
Ook vergelijkbaar met de hefboom en katrol, maken bijna alle kranen gebruik van de hydraulische cilinder in een of andere vorm of manier. De kraan kan een hydraulische cilinder gebruiken om de last direct op te tillen, maar een hydraulische cilinder kan ook worden gebruikt om een kraanarm te verlengen of een giek of balk te bewegen die het hijsmechanisme draagt.
Kortom, de hydraulische cilinder lijkt veel op de katrol en de hefboom vanwege het veelvuldige gebruik ervan in kranen en de manipulatie van koppel. De hydraulische cilinder onderscheidt zich echter door zijn vermogen om krachten naar verschillende vlakken te leiden. Alle drie, de hefboom, de katrol en de hydraulische cilinder, maximaliseren echter gezamenlijk het mechanische voordeel bij het tillen van grote voorwerpen. In de volgende aflevering onderzoeken we precies wat mechanisch voordeel is en hoe dit wordt toegepast op kranen.
Zora Zhao
Expert in oplossingen voor bovenloopkranen/portaalkranen/zwenkkranen/kraanonderdelen
Met meer dan 10 jaar ervaring in de Crane Overseas Export Industry, heb ik meer dan 10.000 klanten geholpen met hun pre-sales vragen en zorgen. Als u gerelateerde behoeften heeft, neem dan gerust contact met mij op!