Hur fungerar traverser – spakar, remskivor, hydraulcylinder och mekanisk fördel
Har du någonsin förundrats över modern teknik? Även om massor av modern teknik och maskiner i själva verket är väldigt komplicerade, är vissa faktiskt väldigt förnuftiga, när man väl rensar bort klockorna och visselpiporna.
Byggkranen är till exempel en sådan maskin. Kranen använder i allmänhet bara tre enkla maskiner. Spaken, remskivan och hydraulcylindern.
Spak
I den här artikeln kommer vi kort att undersöka en mycket viktig mekanism i byggkranen: spaken. Tre efterföljande artiklar kommer dock att undersöka rollen för remskivan, den hydrauliska cylindern respektive begreppet mekanisk fördel i byggkranar.
Så, hur fungerar traverskranar? I större eller mindre utsträckning använder de flesta kranar spaken för att lyfta exceptionellt stora laster. Nästan alla monterade kranar och många balanserade kranar maximerar lyftkapaciteten med spaken.
Dessa kranar använder spakar, eller mekaniska armar, som ökar dess styrka. Även om ett komplext system av rep, kedjor och remskivor vanligtvis följer med den mekaniska armen, är själva spaken bara en enkel maskin.
De gamla har länge använt spaken i praktiken för att bygga stora tempel, monument och befästningar. Faktum är att forskare hävdar att egyptierna troligen använde spakar för att konstruera de stora pyramiderna.
Men de flesta historiker tillskriver utvecklingen av den geometriska teorin bakom spaken till Arkimedes. Arkimedes, en matematiker och filosof, levde i antikens Grekland runt 300-talet f.Kr. Han sa en gång en gång, "Ge mig en plats att stå, så ska jag flytta jorden med en spak."
Själva spaken är en stabil stång som vilar på en pivotpunkt, eller stödpunkt. Du kan trycka ner på ena änden med en viss "ansträngning" kraft för att producera någon resulterande "arbetskraft" i den andra änden. Arbetsstyrkan bär eller håller vanligtvis föremålet som lyfts.
Forskare klassificerar alla spakar i tre olika grupper. I klass ett spakar sitter stödpunkten mellan ansträngning och arbetskraft, som i en gungbräda eller kofot. Klass två spakar är spakar där arbetskraften sitter mellan stödpunkten och ansträngningskraften, som en skottkärra. Och i klass tre spakar appliceras kraften mellan stödpunkten och arbetskraften, som i pincett.
Men återigen, hur fungerar en travers? Som vi kommer att se med remskivan och hydraulcylindern, manipulerar spaken ett koncept som kallas vridmoment. Vridmoment mäter avståndet över vilket en kraft appliceras, eller vridmoment är lika med kraft gånger avstånd.
Som Archimedes insåg ger manipulering av vridmoment större lyftkapacitet. Tänk till exempel en enkel gungbräda på en lekplats. Gungbrädan är tio fot lång, och den svänger på en stång direkt i mitten av gungbrädan. En på sidan sitter en 200 pund unge, och på den motsatta sidan sitter en scrawnier 100 pund unge.
Den fetare ungen kommer säkert att trycka ner sin sida av gungbrädan till marken, medan den magra ungen reser sig. För det mindre barnet måste man använda ytterligare 100 pund kraft för att bara balansera gungbrädan!
Men tänk om han hade magiska förmågor som gjorde att han kunde förlänga sin sida av gungbrädan med 5 fot till. Hans tio fots sida av gungbrädan, matchad med hans vikt på 100 pund, skulle tillåta honom att balansera gungbrädan. Och teoretiskt sett, om han sträckte ut sin sida till en längd större än 10 fot, skulle hans sida sakta krypa ner mot marken och lyfta den fetare ungen från marken.
Återigen, hur fungerar en travers? Spaken manipulerar delvis vridmomentet gör att kranar kan lyfta mycket tunga laster. Ju mer du sprider ansträngningskraften över större avstånd, desto mindre kraft kommer att krävas för att göra lyftet. Spakar hjälper inte bara magra barn utan också hundratals ingenjörer, arkitekter och byggnadsarbetare som lyfter gigantiska laster varje dag!
Håll utkik efter nästa segment i vår serie "Hur fungerar traverskranar?", då vi ska utforska remskivans roll. Sedan går vi vidare till den hydrauliska cylindern och begreppet mekanisk fördel.
Barnhart Crane and Rigging Company höjer alltid ribban inom kranbranschen. Om du behöver en kran eller vill veta mer, vänligen besök kranservice- och maskinflyttsidorna på Barnhart Cranes webbplats.
Remskivans manipulation av vridmoment
I min förra artikel ställde jag frågan: hur fungerar traverser? För att lösa denna gåta undersökte jag först spakens betydelsefulla roll i byggkranar. Idag kommer vi att se att remskivans manipulering av vridmoment, liksom spaken, ökar en krans förmåga att lyfta tunga laster. I följande artiklar kommer vi att utforska hydraulcylindrar och begreppet mekanisk fördel.
Precis som med spaken tillskriver forskare Arkimedes den tidigaste teoretiska utvecklingen av remskivan. Enligt Plutarchus, en grekisk historiker, hävdade Arkimedes att han kunde flytta världen om han hade tillräckligt med remskivor, ett mycket liknande uttalande som hans förslag om att flytta jorden med en spak. Historien fortsätter när kung Hieron av Syrakusa ber Arkimedes att flytta ett stort skepp i Hierons flotta. På den bestämda dagen satte Arkimedes upp sitt system av remskivor, kungen lastade skeppet fullt med passagerare och last, och sedan satt Arkimedes på avstånd och drog i repet. Resultatet? Plutarch förklarar att skeppet rörde sig "lika smidigt och jämnt som om hon hade varit i havet."
För de gamla var detta bara en nyhet, men idag är detta grundläggande vetenskap. För att förklara det grovt fördelar remskivor vikt genom olika segment av rep för att göra det lättare att lyfta tunga föremål. Låt oss säga att man har ett stort föremål han vill lyfta. Han sträcker sig ner och försöker lyfta den med sin egen kraft, men han kan inte göra det. För att underlätta detta fäster han en remskiva på den stora lasten. Sedan fäster han ett rep i taket och drar det repet genom remskivan. Därefter lyfter han upp på repet och lyfter slutligen föremålet. Man kan göra detta eftersom repet i taket ger hälften av den kraft som behövs för att lyfta föremålet medan man applicerar den andra halvan.
Men varför händer detta? Remskivan fördelar vikten över två repsegment, sidan av repet från taket till remskivan och den andra sidan av repet från remskivan till lyftaren. Denna fördelning är en manipulation av vridmoment, eftersom lyftaren sprider kraften över en längre sträcka. Taket, tro det eller ej, hjälper en att lyfta föremålet, delvis för att vi drar nytta av lyftkapaciteten hos takkonstruktionen som håller taket uppe, vilket gör att lyftaren bara kan utföra hälften av arbetet. Man kan fortsätta att underlätta lyftet genom att lägga till fler remskivor och på olika ställen, men matematiken blir lite mer komplicerad. Den allmänna regeln är dock följande: ju fler remskivor, desto mer kraft.
Olika konfigurationer av remskivor gör det lättare att lyfta. Det finns tre typer av konfigurationer, eller typer, av remskivor. En fast remskiva beskriver ett remskivasystem där axeln eller hjulet är fixerat eller orörligt. Den andra typen är en rörlig remskiva, där axeln eller hjulet kan röra sig fritt. Och den tredje typen är en kombinerad remskiva, där både fasta och rörliga remskivor används. Fasta remskivor möjliggör enklare konfiguration, men rörliga remskivor multiplicerar den applicerade kraften, vilket gör arbetet lättare. Olika situationer kräver olika typer av remskivor, vilket var fallet med spaken.
Men hur gäller detta för kranar? Väl nästan alla kranar använder remskivor, men den vanligaste användningen av remskivor i kranar förekommer i svängkranar. Jibbkranar har vajrar som virar runt remskivor och lasten. Ju mer du lindar vajrarna genom de två, desto högre lyftkapacitet.
I nästa avsnitt av How Cranes Work? ?Jag kommer att beskriva vikten av den hydrauliska cylindern, varefter jag avslutar med en efterföljande och sista artikel om den mekaniska fördelens roll.
Hydraulcylinder och mekanisk fördel
Nu till del tre i vår serie om vetenskapen bakom byggkranar, där vi kommer att överväga den hydrauliska cylinderns roll. De två första delarna beskrev kort hur spakar respektive remskivor bidrar till lyftkraften i kranar. Den efterföljande och sista artikeln kommer att överväga den kanske viktigaste vetenskapliga principen för att maximera lyftkraften: mekanisk fördel.
Så vad är en hydraulcylinder? Det enkla svaret är en förseglad cylinder, eller ett cirkulärt prisma, som är helt fylld med någon typ av vätska, vanligtvis en olja, med två öppningar för två kolvar. Kolvarna kan vara anslutna till cylindern i olika konfigurationer.
Om vi antar att kolvarna är lika stora i en hydraulcylinder och att det inte finns någon friktion, när en kolv trycks nedåt, kommer den andra att stiga uppåt med samma kraft, hastighet och avstånd. Så om man trycker ihop en kolv två centimeter nedåt, ska den andra kolven trycka upp två centimeter.
Fördelen med detta system gör att du enkelt kan omdirigera krafter. En kolv som är fäst horisontellt kan flytta en annan kolv som är fäst vertikalt, medan andra maskiner inte tillåter en så enkel översättning av riktningen, som vi såg med remskivor och spakar. Med spakar och remskivor kommer en kraft ned att resultera i att viss kraft rör sig uppåt och vice versa, och en kraft åt höger kommer att resultera i en kraft åt vänster och vice versa. Hydraulcylindern kan tillåta att en kraft i en riktning överförs till vilken riktning som helst, upp, ner, framåt, bakåt, höger eller vänster.
Å andra sidan kan hydraulcylindern multiplicera krafterna genom att maximera vridmomentet, som vi såg med spaken och remskivan. Om en kolv har en area på 6 kvadratenheter och en annan kolv har 2 kvadratenheter, kommer kraften som trycker ner på den mindre kolven att verka 3 gånger större på den större kolven. Till exempel, om man trycker ned kolven med 2 kvadratenheter med en kraft på 500 pund, får kolven med 6 kvadratenheter ett tryck med en kraft på 1500 pund. Avståndet som den större kolven rör sig kommer dock att vara 3 gånger mindre än avståndet som den mindre kolven flyttade för att skapa 1500 pund kraft.
Liknar även spaken och remskivan, nästan alla kranar använder den hydrauliska cylindern på någon form eller sätt. Kranen kan använda en hydraulisk cylinder för att direkt lyfta lasten, men en hydraulik kan användas för att sänka en kranarm eller flytta en jibb eller balk som bär lyftmekanismen.
Sammanfattningsvis är den hydrauliska cylindern mycket lik remskivan och spaken för dess frekventa användning i kranar och dess manipulering av vridmoment. Den hydrauliska cylindern skiljer sig dock på grund av sin förmåga att omdirigera krafter till olika plan. Men alla tre, spaken, remskivan och hydraulcylindern, maximerar tillsammans den mekaniska fördelen vid lyft av stora föremål. I nästa avsnitt kommer vi att undersöka exakt vad den mekaniska fördelen är och hur den tillämpas på kranar.
Zora Zhao
Expert på traverskran/portalkran/fockkran/krandelarlösningar
Med 10+ års erfarenhet inom kranens utomeuropeiska exportindustri, hjälpte 10 000+ kunder med deras frågor och funderingar före försäljning, om du har några relaterade behov, var god kontakta mig!