Полиспасты для спасательных работ

Эксплуатационные характеристики полиспастов и их выбор

На эффективность, которой обладают полиспасты, на их назначение и устройство в конкретном механизме влияние оказывают следующие факторы:

  1. Грузоподъёмность основного механизма, в составе которого работают данные узлы.
  2. Количество обводных блоков: с ростом их числа потери на трение возрастают.
  3. Углы отклонения канатов от средней плоскости барабана.
  4. Диаметры блоков.
  5. Диаметр каната/высота цепи.
  6. Материал каната.
  7. Характер опор (в подшипниках качения или скольжения).
  8. Условия смазки всех осей полиспаста.
  9. Скорость вращения блоков или перемещения тяговых канатов (в зависимости от назначения устройства).

Наибольшие потери в полиспастах связаны с условиями трения. В частности, КПД рассматриваемых механизмов, которые работают в подшипниках скольжения, в зависимости от условий их эксплуатации, составляет:

  • При неудовлетворительной смазке и при повышенных температурах — 0,94…0,54;
  • При редкой смазке – 0,95…0,60;
  • При периодической смазке — 0,96…0,67;
  • При автоматической смазке – 0,97…0,74.

Меньшие значения соответствуют полиспастам с максимально возможной кратностью. Потери на трение для узлов, которые работают в подшипниках качения, гораздо ниже, и составляют:

  • При недостаточной смазке и высоких температурах эксплуатации – 0,99…0,83;
  • При нормальных рабочих температурах и смазке – 1,0…0,92.


Таким образом, применяя современные антифрикционные покрытия контактной поверхности блоков, можно практически исключать потери на трение. Углы отклонения каната, располагающегося на блоке/блоках полиспаста, определяют не только износ канатов и блоков, но и безопасность производственного персонала грузоподъёмного устройства. Объясняется это тем, что при превышении допустимых показателей сход каната с блока чреват производственной аварией. На данный параметр влияют материал канатов, профиль канавки барабана, а также направление навивки. Материалами канатов чаще всего служат типы ТЛК-О по ГОСТ 3079, ЛК-Р по ГОСТ 2688 и ТК по ГОСТ 3071. Третий тип имеет наименьшую жёсткость (не более 1,7), что положительно сказывается на предельно допустимом угле отклонения каната на полиспасте. Соответственно для канатов двух первых типов жёсткость достигает 2.

Нормальными углами отклонения от оси полиспаста считаются углы 7,5…2,50 (меньшие значения принимаются для максимальных соотношений диаметра блока к диаметру каната). Вообще при проектировании данных устройств это соотношение всегда стараются выбирать в диапазоне значений 12…40. Допустимый угол отклонения канатов из маложёстких материалов меньше: до 6,5…20.

ГОСТ допускает увеличение предельного отклонения, по сравнению с рекомендуемым не более, чем на 10…20% (зависит от режима работы грузоподъёмной техники). На уравнительном блоке допустимые углы отклонения могут увеличиваться, но не более, чем в 1,5 раза.

Для снижения углов отклонения на барабанах полиспастов изготавливают профильные канавки, причём угол их направления зависит от направления навивки. Поэтому барабаны в механизмах современной конструкции всегда выполняют с крестовым профилем, пригодным под оба типа навивки.

Как сделать полиспаст самостоятельно

В домашнем хозяйстве нет необходимости ежедневно поднимать тяжести, поэтому для разовых работ можно сделать подъёмное устройство своими руками. Всё, что потребуется для этого найдётся в мастерской запасливого хозяина:

  • стальные шпильки с резьбой;
  • подшипники;
  • ролики;
  • верёвка;
  • крюк.

Подшипник вставляют в ролик и насаживают на шпильку. Накручивают гайку и стопорят её, чтобы не тратить зря усилий на прокручивание получившегося вала. К шпильке крепится крюк или стропы. Один конец верёвки, пропущенной через сделанный блок, закрепляют на неподвижной опоре, а за другой тянут вверх при подъёме груза. Получился простейший полиспаст кратностью 2:1.

Поскольку работать с таким механизмом неудобно следует сделать ещё один блок и, закрепив, пропустить через него верёвку. Теперь её можно будет тянуть вниз и даже соединить с лебёдкой. Кроме улучшения условий работы, это обеспечит возможность, при необходимости, фиксации груза в любом промежуточном положении.

Для полиспаста, сделанного своими руками, лучше использовать верёвку, а не стальной трос. Её преимуществом является то, что она позволяет быстро собрать или разобрать конструкцию. Выбирать следует статические виды, которые не растягиваются. Динамические типы «съедают» часть выигрыша в силе.

Классификация

Полиспасты делятся на две большие группы: силовые и скоростные. Зачастую на практике используются силовые аналоги, позволяющие значительно снизить натяжение троса. Кстати, это усилие можно вычислить достаточно просто. Для этого потребуется разделить массу груза на имеющуюся кратность полиспаста. Возникает вопрос: что же такое кратность? Ответ: кратность — отношение количества ветвей органа, на котором расположился груз, к числовому значению ветвей, которые наматываются уже на барабан. Такое определение применимо к силовым полиспастам. Что касается скоростных полиспастов, то здесь кратностью является значение, получаемое от деления скорости ведущего конца каната на скорость ведомого.

В скоростных полиспастах рабочее усилие прилагается к подвижной обойме, груз же, в свою очередь, закрепляют на свободном конце троса. Выигрыш в скорости во время эксплуатации полиспаста такого типа возникает благодаря наращиванию расстояния подъема предмета.

Устройство

Таким образом, мы видим схему простейшего устройства полиспаста:


Барабан привода изображен при помощи большого круга, небольшие круги обозначают шкивы системы. На схеме указаны два вида запасовки троса/ цепи:

  • Схема полиспаста слева отображает фиксацию одного конца каната/цепи на неподвижном шкивы, а второго — на барабане привода.
  • Схема справа отображает фиксацию троса/цепи на тяговом механизме, а также на оси подвижного элемента.

Более продвинутые системы полиспаста состоят из трех и более подвижных и неподвижных частей, которые затягиваются канатом при определенной последовательности. Усложненная схема полиспаста выглядит следующим образом:

Работает полиспаст при помощи двух неподвижных шкивов, которые закреплены на поверхности, и два — подвижных. Два его шкива неподвижно закреплены к поверхности, другие — движутся. Подобная схема примерно в четыре раза сокращает давление, оказываемое на привод при тяговом усилии на трос. Точность этой примерно разницы составляет 93-97%, изменяясь в зависимости от качества использованных элементов и точности исполнения конструктивных решений.

Если потребуются определить точный КПД действия полиспаста или рассчитать схему подъема сложного механизма, нужно обратиться к точным формулам. К тому же, без них нельзя обойтись из-за того, что создать идеальные условия в обычной жизни практически невозможно и потому что на конструкцию также действует сила трения, которая создается при движении шкивов по канату/цепи в процессе вращения ролика вне зависимости от используемых подшипников. К негативным факторам дополнительно относится отсутствие на стройплощадке и в комплекте стройтехники гибкого и податливого каната

Жесткость стальных тросов и цепей вынуждает прикладывать дополнительные усилия для перемещения груза, что также важно учитывать

Существует уравнение моментов сил для полиспастов:

Элементы формулы расшифровываются подобным образом:

  • Sс– сила движения сбегающего веревки/цепи.
  • Sн – сила движения набегающего веревки/цепи.
  • q*Sн– усилие, которое нужно приложить для сгибания или разгибания веревки/цепи с учетом жесткости этого каната равному q.
  • N*f – сила трения, учитывая коэффициент трения в блоке равному f.

Если необходимо определить момент, все силы нужно умножить на плечо, которое равняется радиусу шкива R.Сила, с которой набегает и сбегает веревка/цепь образуется, когда нити веревки/цепи начинают взаимодействовать и создают трение. Учитывая тот факт, что усилие, которое нужно приложить для сгибания или разгибания веревки/цепи оказывается ниже вышеперечисленных, регулярно пренебрегают расчетом воздействия на ось блока:
Это уравнение расшифровывается следующим образом:N – уровень воздействия на ось блока.Sн – сила движения набегающего веревки/цепи (можно использовать значение принимается примерно равным Sс).sin(a) – градус угла. с которым отклоняется веревка/цепь от оси.

Далее получаем формулу расчета КПД блока полиспаста:

Расчет полиспаста

Для сгибания и разгибания каната к его сбегающей ветви необходимо приложить дополнительную силу W, которая зависит от размеров и конструкции каната и блока, а также от натяжения каната. Ее можно определить из уравнения моментов сил относительно оси блока без учета сил трения в опоре блока:

где R = D/2 — радиус ручья блока; q — коэффициент жесткости (его значение определяют экспериментально). Уравнение моментов всех действующих сил относительно оси блока (рис. 1, а) имеет вид:

где N — нагрузка на ось блока, равная геометрической сумме сил Sнаб и Sсбег; do — диаметр оси блока; f — коэффициент трения в опоре блока.

При определении величины N с некоторым допущением можно принять Sнаб≈Sсбег и тогда при угле обхвата блока канатом 2α:

Подставив это соотношение в выше приведенное уравнение моментов, получим:

КПД блока

Коэффициент полезного действия блока (КПД блока) — это отношение полезной работы Sнабh при подъеме груза весом Gгр на высоту h к полной работе, совершенной при этом силой Sсбег на том же пути h с учетом преодоления потерь на трение и жесткости каната.

КПД неподвижного блока

Поэтому для неподвижного блока, у которого перемещение набегающей и сбегающей ветвей каната одинаково, КПД неподвижного блока выражается формулой:

Анализ этой формулы показывает, что чем больше угол обхвата блока канатом и чем больше жесткость каната и трение в опоре блока, тем меньше значение КПД блока и тем больше дополнительная сила, которую необходимо приложить к канату, чтобы обеспечить равномерное движение груза. На КПД блока наиболее существенное влияние оказывают потери на трение в опоре блока, зависящие от конструкции и состояния опоры, поэтому при практических расчетах с достаточной степенью точности КПД блока принимают независящим от диаметра и конструкции каната, от размеров блока и от угла обхвата его канатом. Для блоков с опорой на подшипниках скольжения η = 0,95÷0,96; для блоков на подшипниках качения η = 0,97÷0,98. Меньшие значения принимают для блоков, работающих при повышенной температуре или в запыленной или загазованной среде. Тогда натяжение ветви тягового органа, набегающей на блок:

При обегании канатом неподвижного блока скорости движения набегающей и сбегающей ветви равны между собой (рис. 1, в). Если же набегающая ветвь каната со скоростью υ1 (рис. 1, г) набегает на подвижный блок, ось которого перемещается со скоростью υо, то скорость сбегающей ветви каната равна υ1 + 2υо.

Силовой полиспаст

Рис. 2

Развернутая схема обегания канатом блоков одинарного (простого) силового полиспаста приведена на рисунке 2. Если пренебречь сопротивлением в полиспасте, то есть когда система является неподвижной, сила в любой точке каната полиспаста:

где Gгр — вес груза; a — число перерезов каната, на которых подвешен груз (в сечении К-К на рис. 2); для одинарного полиспаста это число называется кратность полиспаста.

При подъеме или опускании груза, если учитывать силы сопротивления от жесткости каната и от трения в опорах блоков, натяжение отдельных ветвей каната различно. Обозначим через S1 натяжение ветви каната, идущей на обводной блок А1, S2 — натяжение следующей ветви и т. д. В общем случае при кратности полиспаста а натяжение последней неподвижно закрепленной ветви каната равно Sа. Отсюда следует равенство:

Если ветви каната в полиспасте расположены под углом к направлению силы тяжести, то надо брать проекции сил натяжения на вертикальную ось.

Соотношение между натяжениями отдельных ветвей каната при подъеме груза:

где η — КПД блока.

Используя эти соотношения, получаем:

Вычислив сумму геометрической прогрессии (выражение в скобках), определим соотношение между весом груза Gгр и натяжением каната S1 при параллельном расположении ветвей полиспаста без учета динамических нагрузок:

Натяжение Sбар каната, подводимого к барабану Б (рис. 2), больше натяжения S1, поскольку необходимо преодолевать сопротивление в обводных блоках А1, А2, А3. Если число обводных блоков равно t, максимальное натяжение каната при подъеме груза:

При опускании груза максимальное натяжение Sа будет в последней ветви, оно равно:

КПД полиспаста

КПД полиспаста, имеющего кратность а, в целом определяется как отношение полезной работы при подъеме груза Gгр на высоту h к затраченной при этом работе Sбарah, то есть:

При этом максимальное натяжение в системе полиспаста при подъеме груза может быть определено по зависимости:

Подъемник для кладки газобетонных блоков

За границей, при строительстве частных домов, часто используют краны и разнообразные подъёмники. Так строительство идёт быстрее, а значит, «коробка» обходится дешевле, т.к. выгоднее использовать средства малой механизации, чем нанимать чернорабочих. У нас застройщик надеется сам на себя и часто строит дом «в одну каску». Поэтому остро стоит вопрос, как физически не надорваться, делая кладку стены из газобетонных блоков весом в 35-40 кг.

Интересен вариант необычного самодельного «помощника» пользователя FORUMHOUSE с ником Крестик. Сначала покажем то, что он взял за основу.

Немецкий мини-кран с выдвижной центральной стойкой

Особенность подъёмника — оригинальная складывающаяся «рука-стрела», с помощью которой кран, передвигаясь на колёсах, может дотянуться до двух противоположных стен.

Крестик

Я самостоятельно строю дом и, чтобы иметь возможность класть газобетонные блоки, построил подъёмник по вышеуказанному образцу. Кран сделал полностью разборным, кроме основания. Максимальную нагрузку на крюке не мерил, но меня (вес 95 кг) он спокойно поднимает.

Технические характеристики подъёмника:

  • ширина – 2200 мм;
  • высота – 4200 мм;
  • вылет стрелы – 4200 мм;
  • грузоподъёмность электрической тали – до 800 кг;
  • полный вес крана с балластом – примерно 650 кг;
  • вес подъёмника без балласта – около 300 кг;
  • максимальная высота подъёма блока для кладки – 3500 мм.

Рабочая высота подъёма блоков регулируется в двух диапазонах. Первый – 1750 мм. Второй – 3.5 м, для чего конструкция поднимается, скользя по опорным «ногам» вверх с помощью гидравлического домкрата с подкладкой проставок из ГБ блоков.

Для изготовления подъёмника пользователю потребовалось:

  • поворотные колёса;
  • профильные трубы для мачты, «ног» и стрелы сечением 12х12 см, 12х6 см, стенка 6 мм;
  • трубы-укосины – 63х3 мм;
  • мощные петли от ворот;
  • поворотный механизм стрелы сделан из стали СТ45 и «205-х» подшипников.

В процессе эксплуатации конструкцию доработали. Например, пользователь проложил кабель для лебёдки в гофротрубе и удлинил кабель пульта управления.

Крестик

У конструкции есть ряд недостатков, которые я хотел бы исправить. Например, думаю сделать беспроводное управление, заменить петли от ворот на подшипники. Увеличить кол-во «суставов» в стреле при том же вылете. Вместо временного противовеса — мешков с пескобетоном, залить балласт из бетона.

Важный нюанс: чтобы подъёмник мог передвигаться по строительной площадке или, например, по бетонной плите перекрытия второго этажа, нужно поддерживать рабочее место в чистоте, т.к. осколки ГБ, мусор мешают перестановке крана.

Конструкция необычного подъёмника заинтересовала пользователей портала.

Константин Я. Участник FORUMHOUSE

С таким подъёмником, думаю, как делают в Германии, нужно делать кладку из блоков крупнее, чем стандартные. Длиной и высотой в 2-3 раза больше от обычного ГБ. Запаса грузоподъёмности у крана хватит, а скорость кладки увеличится в разы.

По словам Крестика, он слышал, что на портале кто-то уже пытался заказать у производителя газосиликата блоки формата 1х0.4х0.6 м. Но оказалось, что это — невыгодно заводу, т.к. нужно перенастраивать линию по выпуску ГБ, а ради небольшого объёма (на обычный частный дом) этого делать не будут.

Vegaroma Участник FORUMHOUSE

Мне вот интересно: упростилась ли работа на площадке при использовании крана? Какие работы с ним можно сделать, а какие – нет?

Крестик

Отпадает необходимость ставить леса при кладке стен из ГБ. Подъёмник можно собрать и разобрать. Бетонные перемычки над окнами я заливал по старинке, из вёдер, т.к. объём небольшой, и проще это сделать с одним помощником.

Общий итог: мини-кран получился удачный, а при некоторых доработках его конструкции подъёмник можно запустить в мелкосерийное производство.

3 Трудная система блоков – как высчитать выигрыш в силе?

Сейчас выясним, как работает полиспаст трудного типа. Под этим наименованием имеется в виду механизм, где соединены в одну систему несколько обычных вариантов данного грузового устройства, они тянут друг друга. Выигрыш в силе подобных конструкций рассчитывается путем умножения их кратностей. К примеру, мы тянем один механизм с кратностью 4, а иной с кратностью 2, тогда теоретический выигрыш в силе у нас будет равным 8. Все указанные выше расчеты имеют место быть только у замечательных систем, у которых нет силы трения, как показала практика же обстоят дела иначе.

В любом из блоков выполняется невелика потеря в мощности из-за трения, так как она еще тратится как раз на преодоление силы трения. Для того чтобы сделать меньше трение, нужно не забыть: чем больше у нас радиус перегиба веревки, тем меньше будет сила трения. Целесообразно применять ролики с большим радиусом там, где это реально. При эксплуатации карабинов необходимо делать блок из похожих вариантов, но ролики намного эффектнее карабинов, так как на них у нас потеря составляет 5-30 %, а вот на карабинах же до 50 %. Также не лишним будет знать, что наиболее эффектный блок нужно располагать ближе к грузу для получения самого большого эффекта.

Как же нам высчитать настоящий выигрыш в силе? Нам для этого важно знать КПД используемых блоков. КПД выражается числами от 0 до 1, и если мы применяем веревку крупного диаметра или через чур жёсткую, то результативность от блоков будет намного меньше, чем указана изготовителем. А это означает, нужно это предусмотреть и подкорректировать КПД блоков

Чтобы высчитать настоящий выигрыш в силе обычного типа грузоподъемного механизма, нужно высчитать нагрузку на каждую ветвь веревки и сложить их. Для расчета выигрыша в силе трудных видов нужно перемножить настоящие силы обычных, из которых он состоит.

Особенности силовых полиспастов

Ключевой характеристикой подобных систем остается максимальна нагрузка, которая может быть развита. В общем случае, она зависит от следующих факторов:

  • грузоподъемность крана, где полиспасты устанавливаются;
  • кратность устройства (общее число ветвей каната, удерживающих груз);
  • КПД блока, который определяют потери на преодоление силы трения, а также зависящие от жесткости цепи либо каната.

На механизме по подъему и передвижению груза может быть одновременно установлено несколько полиспастов, то позволяет равномерно распределить нагрузку и уменьшить толщину веревки либо каната. Одновременно одинарные полиспасты наиболее просты технически (у них один конец закреплен, а второй находится на барабане). Одновременно у последних очень ограничен угол отклонения из-за риска схода подъемного каната с блока. Вместе с этим наличие дополнительного блока усложняет и удорожает всю систему, но дает сразу несколько преимуществ:

  • возможность повышения скорости вращения блоков;
  • снижение износа каната;
  • более симметричное расположение нагрузки.

Наиболее широко используют на практике следующие схемы полиспастов:

  • сдвоенные трехкратные с наличием в схеме расположения двух обводных и трех рабочих блоков;
  • сдвоенные трехкратные, имеющие уравнительную траверсу, которая позволит использовать грузоподъемную технику в тяжелых условиях.

Классификация моделей по разным характеристикам ↑

Существует множество исполнений одной задумки – системы блоков, объединенных канатом. Их дифференцируют в зависимости от способа применения и конструктивных особенностей. Познакомьтесь с разными типами подъемников, выясните, в чем заключается их назначение и чем отличается устройство.

Классификация в зависимости от сложности механизма ↑

В зависимости от сложности механизма выделяют

  • простые;
  • сложные;
  • комплексные полиспасты.


Пример четных моделей

Простой полиспаст представляет собой систему последовательно соединенных роликов. Все подвижные и неподвижные блоки, а также сам груз объединяются одним тросом. Дифференцируют четные и нечетные простые полиспасты.

Четными называют те грузоподъемные механизмы, чей конец троса крепится к неподвижной опоре – станции. Все комбинации в таком случае будут считаться четными. А если конец веревки прикреплен непосредственно к грузу или месту прикладывания усилия, эта конструкция и все производные от нее будут называться нечетными.


Схема нечетного полиспаста

Сложный полиспаст можно называть системой полиспастов. В этом случае последовательно соединяются не отдельные блоки, а целые комбинации, которые вполне могут использоваться сами по себе. Грубо говоря, в этом случае один механизм приводит в движение другой подобный.

Комплексный полиспаст не относится ни к одному, ни к другому виду. Его отличительная черта – ролики, движущиеся навстречу грузу. В состав комплексной модели могут входить как простые, так и сложные полиспасты.


Объединение двукратного и шестикратного простого полиспаста дает сложный шестикратный вариант

Классификация по назначению подъемника ↑

В зависимости от того, что хотят получить при использовании полиспаста, их подразделяют на:

  • силовые;
  • скоростные.


А – силовой вариант, Б — скоростной

Силовой вариант используется чаще. Как следует из названия, его задача – обеспечить выигрыш в силе. Так как для значительного выигрыша нужны столь же значительные потери в расстоянии, неизбежны и потери в скорости. К примеру, для системы 4:1 при поднятии груза на один метр нужно натянуть 4 метра троса, что замедляет работу.

Скоростной полиспаст по своему принципу представляет собой обратную силовому конструкцию. Он не дает выигрыша в силе, его цель – скорость. Применяется для ускорения работы в ущерб прикладываемому усилию.

Кратность – основная характеристика ↑

Основной показатель, на который обращают внимание при организации подъема грузов –кратность полиспаста. Этот параметр условно обозначает, во сколько раз механизм позволяет выиграть в силе

Фактически, кратность показывает, на сколько ветвей каната распределен вес груза.


Кинематическая кратность

Кратность подразделяют на кинематическую (равную количеству перегибов каната) и силовую, которая рассчитывается с учетом преодоления тросом силы трения и неидеальным КПД роликов. В справочниках приведены таблицы, которые отображают зависимость силовой кратности от кинематической при разных КПД блоков.

Как видно из таблицы, силовая кратность существенно отличается от кинематической. При низком КПД ролика (94%) фактический выигрыш в силе полиспаста 7:1 будет меньше выигрыша шестикратного полиспаста с КПД блоков 96%.


Схемы полиспастов разной кратности

4 Веревка и ее роль в работе полиспаста

Необходимо помнить так же и о трении веревки, так как ветви ее могут перекручиваться между собой, а ролики от высоких нагрузок могут собираться и зажимать веревку. Дабы этого не случалось, следует разнести блоки по отношению друг к другу, к примеру, можно между ними применять монтажную плату. Необходимо также покупать только статические канаты, не растягивающиеся, так как динамические дают серьёзный провал в силе. Для сбора механизма может применяться как отдельная, так и грузовая веревка, присоединенная к грузу независимо от устройства подъема.

Плюсы применения индивидуальной веревки заключается в том, что вы можете быстро собрать или подготовить заблаговременно грузоподъемную конструкцию. Вы также можете применять всю ее длину, это также делает легче проход узлов. Из минусов можно вспомнить то, что отсутствует возможность автоматической фиксации поднимаемого груза. Плюсы грузовой веревки в том, что вероятна автофиксация поднимаемого объекта, и Отсутствует необходимость в индивидуальной веревке. Из недостатков главное то, что во время работы тяжело идти узлы, а еще доводится тратить грузовую веревку на сам механизм.

Побеседуем об обратном ходе, который неизбежен, так как он может появиться при прихватывании веревки, либо же в момент снятия груза, или при остановке на отдых. Чтобы обратного хода не появилось, нужно применять блоки, которые пропускают веревку исключительно в одну сторону. При этом организовываем конструкцию так, что блокирующий ролик фиксируется первым от поднимаемого объекта. За счёт этого, мы не только избегаем обратного хода, но еще позволяем зафиксировать груз на определенный период времени разгрузки либо же просто перестановки блоков.

Если вы применяете отдельную веревку, то блокирующий ролик фиксируется заключительным от поднимаемого груза, при этом фиксирующий ролик должен владеть большой эффективностью.