Шкив

Блок шкива - это машина, которая определяет величину прилагаемой силы, например Б. для движущихся грузов уменьшен. Система шкивов состоит из неподвижных и свободных шкивов и троса . В случае сложных блоков шкивов ролики объединяются в блок с помощью «ножниц».

Греко-римский триспаст (« трехроликовый поезд»), простейший древний тип крана (нагрузка 1800 Н с усилием 150 Н).

Возведение обелиска на площади Святого Петра с помощью 50 шкивов

Шкив на строительном кране

«Блок» (бутылка) металлического блока шкива
и стального троса (справа на картинке)

сказка

Уменьшение силы посредством применения закона рычагов было известно еще в древности . Изобретатель блока шкива неизвестен (возможно, Archytas ), но изобретение составного блока шкива приписывается Архимеду . Первое графическое изображение комбинации веревки и простого шкива можно найти на ассирийском рельефе около 970 г. до н.э. Chr.

Землеройные краны, закрепленные веревками, проходящими через три («Триспастос») или пять шкивов («Пентаспастос»), существуют примерно с 750 г. до н.э. Известный.

Для истории подъемного крана см. Историю кранов .

Витрувия , римский архитектор, инженер, и архитектурный теоретик в первом веке до н.э. До н.э. , подробно описал в своей 10-й книге по машиностроению Триспаст, Пентаспаст и Полиспаст. Однако в то время было практически невозможно изготавливать канаты для блоков шкивов с большим количеством шкивов необходимой длины и грузоподъемности, либо их было практически недоступно.

Греческий математик и инженер Герон Александрийский, вероятно, жил в I веке и тоже имел дело с блоком шкива. В ходе оживленной строительной деятельности римских императоров , то строительный кран был незаменим для возведения арены . Благодаря различным шкивам операционные бригады могли поднимать каменные блоки весом до семи тонн. В 6 веке, примерно в 530 году, монолит из песчано-известняка весом 230 тонн использовался в качестве замкового камня купольной крыши мавзолея Теодориха недалеко от Равенны с помощью сложных шкивов, выполненных 700 рабочими на высоту 16 метров. Даже Леонардо да Винчи в своих изобретениях (например, в Атлантическом кодексе , Кодексе Форстеров II и III) использовал преимущество блока.

Во время Ренессанса , шкив система нашла свое наиболее эффектный применение в транспорте и возведение обелиска на площади Святого Петра в Риме с 30 апреля по 16 сентября 1586 года инженером Доменико Фонтана . 907 рабочих и 75 лошадей повернули 40 кабестанов , используя шкивы на тросах длиной до 220 метров, чтобы вытащить 40 блоков шкивов, свисающих с гигантской деревянной рамы, чтобы поставить 330-тонный обелиск длиной 25,31 метра в вертикальное положение.

Система шкивов и их использование оставались в основном неизменными до 1861 года. Повышение эффективности было достигнуто только с помощью дифференциала и подъемника , впервые примененного в Лондоне. Сегодня блоки шкивов в основном используются в кранах или натяжных устройствах (системах натяжения колес) для контактных проводов .

Принцип работы и детали шкива

Шкив, содержащий по меньшей мере один свободный ролик ( шкив ) и трос. Принцип действия показан на рисунке слева (пояснение системы шкивов). В A груз массой m подтягивается вверх, при этом верхний ролик только отклоняет силу, и, таким образом, груз поднимается точно на расстояние, на которое натянута веревка (синяя отметка и синяя стрелка). В B показан простой блок шкива с веревкой, прикрепленной к верхней балке, и грузом, подвешенным на шкиве в петле веревки. Если натянуть веревку той же длины, что и в A, вес увеличивается только вдвое. Части троса слева от тянутого участка троса должны быть короче на общую длину тяги, которая, однако, распределяется по двум секциям троса. Таким образом, требуемое усилие уменьшается вдвое, а веревку нужно тянуть вдвое дольше, чем в А, чтобы поднять груз на определенную высоту. В C показана конструкция, в которой вес распределяется по четырем участкам каната и, следовательно, требуется только четверть силы. Показанная конструкция не экономит место, и ролики можно сдвинуть вместе (D). Очень компактная конструкция (E) получается, если ролики еще больше сдвинуты вместе, а верхний и нижний ролики находятся на одной оси. Если повернуть верхние ролики, получится обычная конструкция (F).

Пояснение к шкиву

Бутылки

Бутылки назывались держателями рулонов и обычно изготавливались в виде блока (mhd. Plock, ploch «большой» или «связный кусок») из куска твердой древесины ( ясень , вяз ). Сегодня плоские части называются ножницами с обеих сторон по краю ( щека , щека ) и между валиками ( дамба ) . В игре Seemannssprache снасть будет обозначена как снасть .

Круглые или полукруглые стабильные деревянные диски с несколькими отверстиями, которые не содержат каких - либо роликов и были использованы, например, для натяжения бортика , обычно упоминаются в качестве дев .

рулон

Шкивы системы шкивов в прошлом также назывались бутылками или «дисками». Этот термин возник примерно в 18 веке: в ткацких станках , особенно в ткацких станках , натяжные ролики, которые удерживают нити основы всегда в натянутом состоянии, называются бутылками .
Предпочтительно использовать ролики на шарикоподшипниках, чтобы достичь более благоприятного передаточного числа при небольшой силе мускулов. Альпинисты также используют простые карабины для аварийных ситуаций ( спасение трещин ), которые, однако, затрудняют работу по вытягиванию из-за трения скольжения.

веревка

Скакалка должна быть статической , чтобы избежать ненужного растяжения или растяжения, которое может увеличить длину хода. Стальные тросы используются для экстремальных нагрузок . Линии натяжения , которые натянуты на шкив Эллингтона, предпочтительно имеют плоский или трубчатый ремень вместо троса . Этот шкив Эллингтона , названный в честь своего изобретателя , необычен и впечатляет своей простотой. Способ, которым канат проходит по шкивам и ввинчивается, называется запасанием .

Дизайн

Факторный шкив

Шкивы с различными коэффициентами (n = 1, 2, 3 или 4)

Роли в системе шкивов могут быть расположены по-разному. Количество несущих канатов, на которые распределяется нагрузка , всегда имеет решающее значение для силы натяжения . В базовой форме системы шкивов, показанной справа, сила одинакова во всех точках каната. Вес массы , таким образом , равномерно распределяется на несущие тросах между нижними и верхними валками. Сила натяжения рассчитывается с ускорением свободного падения следующим образом: ${\ displaystyle n}$${\ displaystyle F_ {L}}$${\ displaystyle m}$ ${\ displaystyle g}$

${\ displaystyle F _ {\ mathrm {Z}} = {\ frac {F _ {\ mathrm {L}}} {n}} = {\ frac {m \ cdot g} {n}}}$.

Согласно золотому правилу механики , по мере увеличения количества несущих канатов крюк должен перемещаться на все большее расстояние , чтобы добиться такого же изменения высоты: ${\ displaystyle s}$${\ displaystyle h}$

${\ displaystyle s = n \ cdot h}$.

Можно показать, что энергия, необходимая для освещения , независима: ${\ displaystyle E}$${\ displaystyle n}$

${\ Displaystyle E = F _ {\ mathrm {Z}} \ cdot s = {\ frac {F _ {\ mathrm {L}}} {n}} \ cdot n \ cdot h = F _ {\ mathrm {L}} \ cdot h = m \ cdot g \ cdot h}$.

Нагрузка на потолочный крюк ( ) складывается из силы растяжения и веса . ${\ displaystyle F_ {H}}$${\ displaystyle F_ {Z}}$${\ displaystyle F_ {L}}$

${\ Displaystyle F _ {\ mathrm {H}} = F _ {\ mathrm {Z}} + {F _ {\ mathrm {L}}}}$

Нагрузка на потолочный крюк уменьшается с каждым дополнительным рулоном.

Изменение направления притяжения и точки атаки

Блоки шкивов того же коэффициента (как показано на рисунке выше)
с измененным направлением тяги и, таким образом, измененным соотношением с тем же весом и тем же расстоянием тяги

На следующем рисунке показано, насколько важно расположение точек атаки (фиксированная точка, точка притяжения и направление притяжения).

• Смена направления

Если направление тяги направлено против веса, нагрузка на потолочный крюк ( ) уменьшается, и это также приводит к другому передаточному отношению.${\ displaystyle F_ {H}}$

Противоположное ( a uf w ärtsgerichtete) растягивающее усилие ( ) рассчитывается из веса ( ), деленного на количество несущих прядей каната = .${\ Displaystyle F _ {\ mathrm {ZAw}}}$${\ displaystyle F_ {L}}$${\ displaystyle {n (поддержка)}}$

${\ displaystyle F _ {\ mathrm {ZAw}} = {\ frac {F _ {\ mathrm {L}}} {n (поддержка)}}}$

Нагрузка на потолочный крюк ( ) складывается из силы веса за вычетом противодействующей растягивающей силы ( ). Сила увеличивается с каждым последующим броском .${\ displaystyle F_ {H}}$${\ Displaystyle F _ {\ mathrm {ZAw}}}$${\ displaystyle F_ {H}}$

${\ displaystyle F _ {\ mathrm {H}} = {F _ {\ mathrm {L}}} - F _ {\ mathrm {ZAw}}}$

«Фиксированная роль» на изображении выше становится (отражается) «свободной ролью»; отношение растягивающего усилия ( ) к весу ( ) изменяется от 1: 1 до 1: 2. Растягивающее усилие на потолке (или потолочной ч уменьшается вдвое Aken), маршрут поезда удваивается.${\ Displaystyle F _ {\ mathrm {ZAw}}}$${\ displaystyle F_ {L}}$

Соотношение 1: 2 для простой системы шкивов становится 1: 3.

Соответственно, соотношение для системы с тремя шкивами составляет от 1: 3 до 1: 4.

• Смена точки атаки

Например, в технике лазания по деревьям с помощью веревки вышеупомянутые блоки шкивов фактора также используются с переставленными местами фиксированных точек. Это позволяет использовать другую точку атаки при переключении с .${\ displaystyle F_ {H}}$${\ displaystyle F_ {L}}$

Шкив мощности

• 

  Шкив мощности 1: 4

• 

  Сравнение с силовым шкивом:
  два идентичных комбинированных блока шкивов 1:16 (F _H = сила натяжения на крюке)

• 

  Те же два шкива блоков из - за модифицированную установку , но теперь 1:12
  (с в другом направлении вытягивания)

В системе силовых шкивов экономия энергии достигается исключительно за счет незакрепленных шкивов: трос каждого шкива прикреплен к опоре и к следующему шкиву. В то время как полная сила веса все еще действует на нижний шкив, она уже уменьшена вдвое на нижнем канате, так что только половина силы прилагается к верхнему шкиву. Силы снова уменьшены вдвое. Наконец, растягивающая сила действует на трос последнего шкива, который отклоняется вниз неподвижным шкивом. Это увеличивает эффект с количеством свободных ролей: ${\ displaystyle n}$

${\ displaystyle F _ {\ mathrm {Z}} = {\ frac {F _ {\ mathrm {L}}} {2 ^ {n}}}}$.

Блок шкивов дифференциала

Блок шкивов дифференциала

Дифференциальная лебедка по тому же принципу

Блок шкивов дифференциала состоит из двух неподвижных роликов, которые жестко соединены между собой и имеют разный диаметр . Груз висит на незакрепленном шкиве. В системе шкивов этого типа используется непрерывный (т. Е. Соединенный на концах) трос, в котором натяжение не везде одинаково. Канат возвращается от большего шкива к нагрузке, а с другой стороны - через меньший шкив. Когда вы тянете его вверх, веревка наматывается на больший рулон и снимается с него. За один оборот длина тросовой петли, к которой прикреплен груз, будет меньше на разницу между двумя окружностями шкива. Из-за петли вес поднимается только на половину этого расстояния по принципу шкива. Кроме того, сила, необходимая для одного оборота роликов, определяется окружностью большего ролика. Эта окружность точно соответствует расстоянию вытягивания каната за один оборот, на который затем распределяется работа. Это дает силу:

${\ Displaystyle F _ {\ mathrm {Z}} = F _ {\ mathrm {L}} \ cdot {\ frac {2 \ pi R-2 \ pi r} {2}} \ cdot {\ frac {1} {2 \ pi R}} = F _ {\ mathrm {L}} \ cdot {\ frac {Rr} {2}} \ cdot {\ frac {1} {R}}}$.

(R = радиус большого рулона; r = радиус малого рулона)

Важным преимуществом системы шкивов этого типа является экономия материала и веса. Из-за кольцевого троса его длина практически не зависит от передаточного числа шкива. Кроме того, требуются только три роли. Поскольку для этой функции требуется (нескользящий) прочный контакт между тросом и шкивом, в блоке дифференциала и захвате часто используется цепь вместо троса, а вместо шкива используется звездочка .

Если вместо этого используется дифференциальная лебедка с длиной кривошипа K (см. Рисунок, R и r по-прежнему являются радиусами роликов), формула имеет следующий вид:

${\ Displaystyle F _ {\ mathrm {Z}} = F _ {\ mathrm {L}} \ cdot {\ frac {Rr} {2}} \ cdot {\ frac {1} {K}}}$.

Münchhausen технологии

Простой шкив как самоподъемник

Münchhausentechnik подходит для самостоятельного спасения, если, например, предыдущий горный проводник падает в расщелину, а партнер не владеет какими-либо методами спасения. Вариант технологии Münchhausen заключается в использовании системы шкивов в качестве механизма с автоматическим подзаводом. Распределение сил должно быть рассчитано иначе, чем с обычной системой шкивов. Альпинист, который упал и висит на канате (F _L = нагрузка), подтягивается с помощью двух шкивов (альтернативно с двумя направляющими карабинами) на канате. Простая система шкивов теперь несет альпиниста с тремя прядями веревки, в результате чего тяговый вес (F _Z ) на тяговом канате снижен до 1/3 веса. Таким образом, без учета трения передаточное число составляет 1: 3.

Шкив без бутылок и роликов

Швейцарский шкив

Швейцарский шкив представляет собой способ спасения колонны в случае аварий на лед ной с использованием комбинированной потенции и факторы шкива. Трос отводится прямо над карабинами, поскольку для такой вспомогательной меры обычно нет шкивов.

Шкив Эллингтона

Система шкивов Эллингтона в деталях.
Вверху слева находится звено цепи с петлевой лентой, которая образует ушко для карабина. Лента между карабинами продевается снаружи внутрь.

Система шкивов Эллингтона (названная в честь своего изобретателя) обычно состоит из двух карабинов, через которые ремешок продевается несколько раз. Обертывания внахлест превращают ленту в «сменные рулоны». При натяжении натягивается самый нижний (внутренний) слой ленты, а верхние слои перемещаются параллельно ему. Однако сильное трение ленты о карабин приводит только к низкой эффективности.

Шнурки

При шнуровке, например, на корсетах или обуви, также используется техника без валика. Здесь роли заменяют проушины, крючки или дырочки. Большое количество вводов увеличивает трение и ухудшает эффективность, но усиливающий эффект растяжения или натяжения все же может быть достигнут в широком смысле.

Реверс шкивов

В специализированных блоках шкивов также используется обратная тяговая функция блока шкивов.

• В часах с весовым приводом вес привода часто висит на свободном ролике; иногда также на нижнем блоке шкива, чтобы увеличить время работы часов.
• На авианосце USS Hornet (1943-1970) использовалась катапульта с паровым приводом , которая раздвигала систему промежуточных шкивов с помощью цилиндра давления. Буксирный трос, который приводился в движение таким образом, скользил по шкивам, что ускоряло самолет.
• Лифты с непрямым гидравлическим подъемником используют ту же функцию для перемещения лифта с коротким ходом.
• Реверсивный шкив ускоряет трос.
• 

  Рисунок Леонардо да Винчи с 20 свитками
  В мехатронных прессах выгодно использовать принцип шкива, основанный на чертеже Леонардо да Винчи 500 лет назад.

Высота подъема разной конструкции

L. 6 (по 3 шт.) Роликов друг на друге
M. 4 + 3
ролика рядом друг с другом ряд «шкив Эллингтона»

Расположение роликов или тип системы шкивов также играет решающую роль в максимально достижимой позиции подъема. В то время как ролики, расположенные один над другим, представляют собой самую длинную конструкцию (надлежащую длину), расположение на оси рядом друг с другом может сократить общую длину. Один из самых коротких вариантов блока шкивов - блок шкива Эллингтона.

Защита от обратного потока

Блокиратор обратного хода с защелкивающимися узлами. (Желтый) «Прусиклифт» направляет карабин, как только натянут «грузовой трос» (красный) под ним.

Отслеживание зажимного узла Blake с помощью двух звеньев цепи или подъемника Prusik. Ослабьте, чтобы опустить, используя "тяговый шнур" с дистанционным управлением.

При перемещении груза может возникнуть необходимость временно закрепить или зафиксировать груз на определенной высоте. Требуемая для этого обратная защита доступна с различными вспомогательными средствами. С одной стороны, некоторые блоки шкивов уже имеют встроенные противовозвратные устройства, которые блокируют канат эксцентриковыми зажимами. Кроме того, полезны дополнительные детали, которые нужно добавить или встроить, и они вставляются вручную или автоматически. Примеры терминала Гарда , петли Кара-восьмерки , раздвоенного хвоста , зажима , тиблока и трубки, и это лишь некоторые из них.
Некоторые из этих зажимных устройств блокируют действие в одном направлении и не могут автоматически ослабляться, например, чтобы можно было опустить груз.
Однако этого можно добиться с помощью различных комбинаций. Зажимной узел Bachmann может быть ослаблен на выдвинутом карабином (на картинке слева: с помощью синего «рип шнура»). Узел Блейка также можно ослабить с помощью закрученного «разорванного шнура» (рисунок справа: синий шнур → справа внизу). Таким образом, блок шкива может быть закреплен и ослаблен на расстоянии (например, из положения стоя на полу) и, таким образом, приведен в действие, снова опуская его.

Потери на трение и эффективность

Все приведенные выше уравнения применимы только при условии отсутствия потерь на трение. На практике, однако, не следует недооценивать потери на трение самих отклоняющих шкивов , а также троса на отклоняющих шкивах. Трос, подвижные шкивы и нижняя подвеска также имеют немалую массу, которая увеличивается с каждым новым роликом. Растягивающее усилие на практике, поэтому, в любом случае больше , чем теоретически рассчитано: . Для эффективности шкива применяется: . ${\ displaystyle F _ {\ mathrm {Z}}> {\ frac {F _ {\ mathrm {L}}} {n}}}$
${\ displaystyle \ eta = {\ frac {W _ {\ text {util}}} {W _ {\ text {zu}}}} = {\ frac {F _ {\ mathrm {L}} \ cdot h} {F_ { \ mathrm {Z}} \ cdot s}}}$

литература

• М. Оппольцер, Т. Вальс: « Мне нравится это двигать.» Тяговые блоки в канатной технике. Гамбург 2019, ISBN 978-3-9820618-0-1 .
• Техник-спасатель: Оперативная готовность для спасателей. Сент-Луис, Миссури, 1998, ISBN 0-8151-8390-9 .

веб ссылки

Викисловарь: Система шкивов  - объяснение значений, происхождение слов, синонимы, переводы

• Сборник материалов и задач по LEIFIphysics
• Расслабление при натяжении - блоки шкивов в уходе за деревьями
• Шкив без бутылок , PDF Мюнстерского университета
• Эскиз шкива Леонардо с 20 роликами (Codex Forster III)

подтверждающие документы