Как работает мостовой кран - рычаги, шкивы, гидроцилиндр и механическое преимущество

Вы когда-нибудь удивлялись современным технологиям? Хотя многие современные технологии и машины, по сути, очень сложны, некоторые из них на самом деле очень разумны, если отбросить все "колокола и свистки".
Строительный кран, например, является такой машиной. В кране обычно используются всего три простые машины. Рычаг, шкив и гидравлический цилиндр.

Рычаг

В этой статье мы кратко рассмотрим очень важный механизм в строительном кране: рычаг. Однако в трех последующих статьях будет рассмотрена роль шкива, гидравлического цилиндра и концепции механического преимущества, соответственно, в строительных кранах.

Итак, как работают мостовые краны? В большей или меньшей степени большинство кранов используют рычаг для подъема исключительно больших грузов. Почти все мостовые краны и многие балансирные краны максимально увеличивают грузоподъемность с помощью рычага.

В этих кранах используются рычаги, или механические руки, которые увеличивают его силу. Хотя механический рычаг обычно сопровождается сложной системой тросов, цепей и шкивов, сам рычаг представляет собой простую машину.

Древние издавна использовали рычаг на практике для строительства больших храмов, памятников и укреплений. На самом деле, ученые утверждают, что египтяне, скорее всего, использовали рычаги для строительства Великих пирамид.

Однако большинство историков приписывают разработку геометрической теории рычага Архимеду. Архимед, математик и философ, жил в Древней Греции около третьего века до н. э. Предположительно, он однажды пошутил: «Дайте мне точку опоры, и я переверну Землю рычагом».

Сам рычаг представляет собой устойчивую планку, которая опирается на точку поворота или опору. Вы можете нажать на один конец с некоторой силой «усилие», чтобы получить некоторую результирующую силу «работа» на другом конце. Рабочая сила обычно переносит или удерживает поднимаемый объект.

Ученые классифицируют все рычаги на три различные группы. В рычагах первого класса точка опоры находится между силой усилия и силой работы, как в качелях или ломе. Рычаги второго класса - это рычаги, в которых рабочая сила находится между точкой опоры и силой усилия, как в тачке. А в рычагах третьего класса сила усилия прикладывается между точкой опоры и рабочей силой, как в пинцете.

Но, опять же, как работает мостовой кран? Как мы увидим на примере шкива и гидроцилиндра, рычаг манипулирует понятием, известным как крутящий момент. Крутящий момент измеряет расстояние, на которое действует сила, или крутящий момент равен отношению силы к расстоянию.

Как понял Архимед, манипулирование крутящим моментом обеспечивает большую грузоподъемность. Например, рассмотрим простую качели на детской площадке. Качели длиной десять футов вращаются на перекладине, расположенной прямо в центре доски качелей. На одной стороне сидит ребенок весом 200 фунтов, а на противоположной стороне - более тощий ребенок весом 100 фунтов.

Более толстый ребенок будет толкать свою сторону качелей вниз к земле, в то время как тощий ребенок будет подниматься вверх. Для того чтобы уравновесить качели, маленький ребенок должен приложить дополнительные 100 фунтов силы!

Но что, если бы он обладал магическими способностями, позволяющими ему удлинить свою сторону качелей еще на 5 футов. Его десятифутовая сторона качелей в сочетании с его 100-фунтовым весом позволила бы ему уравновесить качели. И, теоретически, если бы он растянул свою сторону на длину более 10 футов, его сторона медленно поползла бы по земле, поднимая с земли более толстого ребенка.

Но, опять же, как работают мостовые краны? Рычаг, в частности, управляет крутящим моментом, позволяя кранам поднимать очень тяжелые грузы. Чем больше вы распределяете усилие на большее расстояние, тем меньше силы «усилие» потребуется для подъема. Рычаги помогают не только тощим детям, но и сотням инженеров, архитекторов и строителей, которые поднимают гигантские грузы каждый день!
Оставайтесь с нами для следующего сегмента в нашей серии «Как работают мостовые краны?», где мы рассмотрим роль шкива. Затем мы перейдем к гидравлическому цилиндру и концепции механического преимущества.

Компания Barnhart Crane and Rigging Company постоянно повышает планку в крановой отрасли. Если вам нужен кран или вы хотите узнать больше, посетите страницы "Крановое обслуживание" и "Перемещение оборудования" на сайте Barnhart Crane.

Манипулирование крутящим моментом с помощью шкива

В своей последней статье я задал вопрос: как работают мостовые краны? Чтобы решить эту загадку, я сначала исследовал важную роль рычага в строительных кранах. Сегодня мы увидим, что манипуляция крутящим моментом шкива, как и рычага, увеличивает способность крана поднимать тяжелые грузы. В следующих статьях мы рассмотрим гидравлические цилиндры и концепцию механического преимущества.

Как и в случае с рычагом, ученые приписывают Архимеду самую раннюю теоретическую разработку шкива. По словам Плутарха, греческого историка, Архимед утверждал, что он мог бы перевернуть мир, если бы у него было достаточно шкивов, что очень похоже на его предложение о перемещении Земли с помощью рычага. История продолжается, когда царь Гиерон из Сиракуз просит Архимеда переместить большой корабль во флоте Гиерона. В назначенный день Архимед установил свою систему шкивов, царь наполнил корабль пассажирами и грузом, а затем Архимед сидел поодаль и тянул за канат. Каков результат? Плутарх объясняет, что корабль двигался «так же плавно и ровно, как если бы он находился в море».

Для древних это было просто новинкой, но сегодня это базовая наука. Если объяснить это грубо, блоки распределяют вес по разным сегментам веревки, чтобы облегчить подъем тяжелых предметов. Допустим, у кого-то есть большой предмет, который он хочет поднять. Он наклоняется и пытается поднять его собственной силой, но не может этого сделать. Чтобы облегчить задачу, он прикрепляет блок к большому грузу. Затем он прикрепляет веревку к потолку и протягивает эту веревку через блок. Затем он поднимает веревку и, наконец, поднимает предмет. Это можно сделать, потому что веревка на потолке обеспечивает половину силы, необходимой для подъема предмета, в то время как человек прикладывает другую половину.

Но почему это происходит? Шкив распределяет вес по двум отрезкам каната: по стороне каната от потолка до шкива и по другой стороне каната от шкива до атлета. Такое распределение является манипуляцией крутящим моментом, поскольку атлет распределяет усилие на большее расстояние. Потолок, хотите верьте, хотите нет, помогает поднять предмет, отчасти потому, что мы используем подъемную силу потолочной конструкции, которая удерживает потолок вверху, позволяя подъемнику сделать только половину работы. Можно продолжать облегчать подъем, добавляя больше шкивов и в разных местах, но математика становится немного сложнее. Однако общее правило таково: чем больше шкивов, тем больше сила.

Различные конфигурации шкивов, как следствие, облегчают подъем. Существует три типа конфигураций, или вида, шкивов. Неподвижный шкив описывает систему шкивов, в которой ось или колесо неподвижны. Второй тип - подвижный шкив, в котором ось или колесо могут свободно перемещаться. И третий тип - комбинированный шкив, в котором используются как неподвижные, так и подвижные шкивы. Неподвижные шкивы позволяют упростить конфигурацию, а подвижные шкивы умножают прилагаемую силу, что облегчает работу. В разных ситуациях требуются разные типы шкивов, как в случае с рычагом.

Но как это относится к кранам? Почти во всех кранах используются шкивы, но наиболее часто шкивы применяются в стреловых кранах. В стреловых кранах есть тросы, которые обвиваются вокруг шкивов и груза. Чем больше проводов намотано на два шкива, тем выше грузоподъемность.

В следующей части статьи "Как работают краны? ?я расскажу о важности гидравлического цилиндра, после чего завершу последующую и последнюю статью о роли механического преимущества.

Гидравлический цилиндр и механическое преимущество

Переходим к третьей части нашей серии статей о науке, лежащей в основе строительных кранов, в которой мы рассмотрим роль гидравлического цилиндра. В первых двух частях мы кратко описали, как рычаги и шкивы, соответственно, способствуют созданию подъемной силы в кранах. В следующей, заключительной статье будет рассмотрен, пожалуй, самый важный научный принцип максимизации подъемной силы: механическое преимущество.

Так что же такое гидравлический цилиндр? Простой ответ - это герметичный цилиндр или круглая призма, полностью заполненная каким-либо видом жидкости, обычно маслом, с двумя отверстиями для двух поршней. Поршни могут быть соединены с цилиндром в различных конфигурациях.

Если предположить, что поршни в гидравлическом цилиндре одинакового размера и отсутствует трение, то при нажатии на один поршень вниз, другой будет подниматься вверх с одинаковой силой, скоростью и расстоянием. Так, если сжать поршень вниз на два сантиметра, то другой поршень должен опуститься вверх на два сантиметра.
Преимущество этой системы позволяет легко перенаправлять силы. Поршень, закрепленный горизонтально, может двигать другой поршень, закрепленный вертикально, в то время как другие машины не позволяют так легко переводить направление, как мы видели на примере шкивов и рычагов. При использовании рычагов и шкивов сила, направленная вниз, приводит к перемещению некоторой силы вверх, и наоборот, а сила, направленная вправо, приводит к перемещению силы влево, и наоборот. Гидравлический цилиндр позволяет передавать усилие в одном направлении в любом возможном направлении - вверх, вниз, вперед, назад, вправо или влево.

С другой стороны, гидравлический цилиндр может умножать силы, максимизируя крутящий момент, как мы видели на примере рычага и шкива. Если один поршень имеет площадь 6 квадратных единиц, а другой - 2 квадратных единицы, то сила, давящая на меньший поршень, окажется в 3 раза больше на большем поршне. Например, если толкнуть поршень площадью 2 квадратных единицы вниз с силой 500 фунтов, то поршень площадью 6 квадратных единиц получит толчок с силой 1500 фунтов. Однако расстояние, на которое переместится больший поршень, будет в 3 раза меньше, чем расстояние, на которое переместился меньший поршень для создания силы в 1500 фунтов.

Также подобно рычагу и шкиву, почти все краны используют гидравлический цилиндр в той или иной форме. Кран может использовать гидроцилиндр для непосредственного подъема груза, но гидроцилиндр может использоваться для удлинения стрелы крана или перемещения стрелы или балки, несущей подъемный механизм.

В заключение, гидравлический цилиндр очень похож на шкив и рычаг из-за его частого использования в кранах и его манипуляции крутящим моментом. Однако гидравлический цилиндр выделяется из-за своей способности перенаправлять силы в разные плоскости. Однако все три, рычаг, шкив и гидравлический цилиндр, совместно максимизируют механическое преимущество при подъеме крупных объектов. В следующей части мы рассмотрим, что именно представляет собой механическое преимущество и как оно применяется к кранам.

Зора Чжао

Эксперт в области мостовых кранов/козловых кранов/консольных кранов/запчастей для кранов

Имея более чем 10-летний опыт работы в сфере экспорта кранов за границу, мы помогли более чем 10 000 клиентам решить их предпродажные вопросы и проблемы. Если у вас есть какие-либо соответствующие потребности, пожалуйста, свяжитесь со мной!

Ватсап: +86 158 3611 5029

Электронная почта: zorazhao@dgcrane.com