Як працює мостовий кран – важелі, шківи, гідравлічний циліндр і механічні переваги
Ви коли-небудь дивувалися сучасним технологіям? Хоча багато сучасних технологій і техніки насправді дуже складні, деякі з них насправді дуже розумні, як тільки ви відсієте всі навороти.
Такою машиною є, наприклад, будівельний кран. Зазвичай кран використовує лише три прості машини. Важіль, шків і гідравлічний циліндр.
Важіль
У цій статті ми коротко розглянемо дуже важливий механізм у будівельному крані: важіль. Проте три наступні статті будуть досліджувати роль шківа, гідравлічного циліндра та концепції механічної переваги, відповідно, у будівельних кранах.
Отже, як працює мостовий кран? Більшою чи меншою мірою більшість кранів використовують важіль для підйому виключно великих вантажів. Майже всі навісні крани та багато збалансованих кранів максимізують вантажопідйомність за допомогою важеля.
Ці крани використовують важелі або механічні важелі, які збільшують його міцність. Хоча складна система канатів, ланцюгів і шківів зазвичай супроводжує механічну руку, сам важіль є простою машиною.
Стародавні здавна використовували важіль на практиці для будівництва великих храмів, пам’ятників і укріплень. Насправді, вчені стверджують, що єгиптяни, швидше за все, використовували важелі для будівництва Великих пірамід.
Однак більшість істориків приписують розробку геометричної теорії важеля Архімеду. Архімед, математик і філософ, жив у Стародавній Греції приблизно в третьому столітті до нашої ери. Імовірно, він одного разу пожартував: «Дайте мені місце, щоб стояти, і я пересуну Землю за допомогою важеля».
Сам важіль — це стійка штанга, яка спирається на точку опори. Ви можете натиснути на один кінець із деякою силою «зусилля», щоб створити певну «робочу» силу на іншому кінці. Робоча сила зазвичай переносить або утримує об’єкт, що піднімається.
Вчені класифікують всі важелі на три різні групи. У важелях першого класу точка опори знаходиться між зусиллям і робочою силою, як у гойдалках або ломах. Важелі другого класу - це важелі, в яких робоча сила знаходиться між точкою опори і зусиллям зусилля, як тачка. А в важелях третього класу зусилля зусилля прикладається між точкою опори і робочою силою, як у пінцета.
Але, знову ж таки, як працює мостовий кран? Як ми побачимо зі шківом і гідравлічним циліндром, важіль керує концепцією, відомою як крутний момент. Крутний момент вимірює відстань, на яку прикладена сила, або крутний момент дорівнює сили на відстань.
Як зрозумів Архімед, маніпулювання крутним моментом забезпечує більшу вантажопідйомність. Наприклад, розглянемо прості гойдалки на дитячому майданчику. Гойдалка в десять футів завдовжки, і вона обертається на брусі прямо в центрі дошки гойдалки. На одному збоку сидить 200-фунтове дитя, а на протилежному боці сидить більш худий 100-фунтовий малюк.
Товста дитина неодмінно штовхне свою сторону гойдалки до землі, а худша дитина піднімається вгору. Для меншої дитини необхідно застосувати додаткові 100 фунтів сили, щоб просто збалансувати гойдалку!
Але що, якби він мав магічні здібності, які дозволили йому розширити свою сторону гойдалки ще на 5 футів. Його десятифутова сторона гойдалки, порівняна з його вагою в 100 фунтів, дозволила б йому врівноважити гойдалку. І, теоретично, якщо він витягнув свій бік на довжину більше 10 футів, його бік повільно повзає по землі, піднімаючи товсту дитину від землі.
І знову ж таки, як працює мостовий кран? Важіль, зокрема, маніпулює крутним моментом, що дозволяє кранам піднімати дуже важкі вантажі. Чим більше ви розподіляєте силу зусилля на більшу відстань, тим менше сили «зусилля» буде потрібно для виконання підйому. Важелі допомагають не тільки худим дітям, а й сотням інженерів, архітекторів і будівельників, які щодня піднімають гігантські вантажі!
Чекайте на наступний сегмент нашої серії «Як працює мостовий кран?», коли ми досліджуватимемо роль шківа. Потім ми перейдемо до гідравлічного циліндра та концепції механічної переваги.
Barnhart Crane and Rigging Company завжди піднімає планку в галузі кранів. Якщо вам потрібен кран або ви хочете дізнатися більше, відвідайте сторінки з обслуговуванням кранів та переміщенням техніки на веб-сайті Barnhart Crane.
Маніпуляція обертовим моментом шківа
У своїй останній статті я поставив питання: як працюють мостові крани? Щоб вирішити цю загадку, я спочатку дослідив важливу роль важеля в будівельних кранах. Сьогодні ми побачимо, що маніпуляції обертовим моментом шківа, як і важеля, збільшують здатність крана піднімати важкі вантажі. У наступних статтях ми розглянемо гідравлічні циліндри та концепцію механічної переваги.
Як і у випадку з важелем, вчені приписують Архімеду першу теоретичну розробку шківа. Згідно з Плутархом, грецьким істориком, Архімед стверджував, що він може рухати світ, якщо матиме достатньо шківів, що дуже схоже на його пропозицію про рух Землі за допомогою важеля. Історія продовжується, коли король Сіракуз Гієрон просить Архімеда перемістити великий корабель із флоту Гієрона. У призначений день Архімед встановив свою систему блоків, цар навантажив корабель пасажирами та вантажем, а потім Архімед сів здалеку й тягнув канат. Результат? Плутарх пояснює, що корабель рухався «так плавно й рівномірно, наче він був у морі».
Для стародавніх це було просто новинкою, але сьогодні це фундаментальна наука. Щоб пояснити це грубо, шківи розподіляють вагу через різні сегменти мотузки, щоб полегшити підняття важких предметів. Скажімо, у когось є великий предмет, який він хоче підняти. Він тягнеться вниз і намагається підняти його своїми силами, але йому це не вдається. Щоб полегшити це, він прикріплює до великого вантажу шків. Потім він прикріплює мотузку до стелі і тягне цю мотузку через шків. Потім він піднімає мотузку і, нарешті, піднімає предмет. Це можна зробити, оскільки мотузка на стелі забезпечує половину сили, необхідної для підняття об’єкта, тоді як один прикладає іншу половину.
Але чому це відбувається? Шків розподіляє вагу між двома сегментами мотузки: стороною каната від стелі до шківа та іншою стороною каната від шківа до підйомника. Цей розподіл є маніпуляцією з крутним моментом, оскільки підйомник розподіляє силу на більшу відстань. Стеля, вірите чи ні, допомагає підняти об’єкт, частково тому, що ми використовуємо підйомну здатність стельової конструкції, яка утримує стелю, таким чином дозволяючи підйомнику виконувати лише половину роботи. Можна продовжувати полегшувати підйом, додаючи більше шківів і в різних місцях, але математика стає трохи складнішою. Однак загальне правило таке: чим більше шківів, тим більше потужність.
Різні конфігурації шківів, як наслідок, полегшують підйом. Існує три типи конфігурацій або типів шківів. Фіксований шків описує систему шківів, де вісь або колесо є нерухомими або нерухомими. Другий тип - це рухомий шків, де вісь або колесо можуть вільно переміщатися. І третій тип — комбінований шків, в якому використовуються як нерухомі, так і рухомі шківи. Фіксовані шківи полегшують конфігурацію, але рухомі шківи збільшують прикладену силу, що полегшує роботу. У різних ситуаціях потрібні різні типи шківів, як це було у випадку з важелем.
Але як це стосується кранів? Майже всі крани використовують шківи, але найчастіше шківи в кранах застосовуються в стрілових кранах. У стрілових кранів є дроти, які обертаються навколо шківів і вантажу. Чим більше ви обмотаєте дроти крізь обидва, тим вище підйомна здатність.
У наступному сегменті Як працюють крани? «Я окреслю важливість гідравлічного циліндра, після чого я закінчу наступною і заключною статтею про роль механічної переваги.
Гідравлічний циліндр і механічні переваги
Тепер до третьої частини нашої серії про науку про будівництво кранів, в якій ми розглянемо роль гідравлічного циліндра. У перших двох частинах коротко описано, як важелі та шківи, відповідно, впливають на підйомну силу в кранах. У наступній і заключній статті буде розглянуто, мабуть, найважливіший науковий принцип максимізації підйомної сили: механічна перевага.
Отже, що таке гідравлічний циліндр? Проста відповідь - це герметичний циліндр або кругла призма, яка повністю заповнена рідиною, зазвичай маслом, з двома отворами для двох поршнів. Поршні можуть бути з'єднані з циліндром в різних конфігураціях.
Якщо припустити, що поршні в гідравлічному циліндрі мають однаковий розмір і не існує тертя, коли один поршень натиснутий вниз, другий підніметься вгору з однаковою силою, швидкістю та відстанню. Отже, якщо один стискає поршень вниз на два сантиметри, інший поршень повинен тиснути вгору на два сантиметри.
Перевага цієї системи дозволяє легко перенаправляти сили. Поршень, закріплений горизонтально, може переміщати інший поршень, прикріплений вертикально, тоді як інші машини не дозволяють так легко переспрямовувати напрямок, як ми бачили зі шківами та важелями. За допомогою важелів і шківів сила вниз призведе до того, що деяка сила рухатиметься вгору, і навпаки, а сила вправо призведе до сили вліво, і навпаки. Гідравлічний циліндр дозволяє передавати зусилля в одному напрямку в будь-який можливий напрямок: вгору, вниз, вперед, назад, вправо або вліво.
З іншого боку, гідравлічний циліндр може примножувати зусилля, максимізуючи крутний момент, як ми бачили з важелем і шківом. Якщо один поршень має площу 6 квадратних одиниць, а інший поршень має 2 квадратних одиниці, то сила, що штовхає менший поршень, виявиться в 3 рази більшою на більшому. Наприклад, якщо поршень з 2 квадратними одиницями штовхнути вниз із силою 500 фунтів, то поршень з 6 квадратами отримає поштовх із силою 1500 фунтів. Однак відстань, на яку переміщається більший поршень, буде в 3 рази меншою, ніж відстань, на яку перемістився менший поршень, щоб створити 1500 фунтів сили.
Також подібно до важеля та шківа, майже всі крани використовують гідравлічний циліндр у тій чи іншій формі чи способі. Кран може використовувати гідравлічний циліндр для безпосереднього підйому вантажу, але гідравлічний може використовуватися для розтягування стріли крана або переміщення стріли або балки, що несуть підйомний механізм.
Підсумовуючи, гідравлічний циліндр дуже схожий на шків і важіль, оскільки його часто використовують у кранах і маніпулюють крутним моментом. Однак гідроциліндр виділяється своєю здатністю перенаправляти сили в різні площини. Однак усі три, важіль, шків і гідравлічний циліндр, разом забезпечують максимальну механічну перевагу підйому великих об’єктів. У наступній частині ми точно розглянемо, що таке механічні переваги та як вони застосовуються до кранів.
Зора Чжао
Експерт із рішень мостових/козлових кранів/стрілових кранів/кранів
Маючи понад 10 років досвіду роботи в крановій галузі експорту за кордоном, ми допомогли 10 000+ клієнтам із їхніми передпродажними запитаннями та проблемами, якщо у вас є якісь пов’язані потреби, будь ласка, зв’яжіться зі мною!