Как поднять тяжесть на высоту
Подъем грузов без спецтехники – как рассчитать и сделать полиспаст своими руками
Грузоподъемные машины призваны помочь человеку поднять что-либо тяжелое на высоту. В основе большинства подъемных механизмов лежит простая система блоков – полиспаст. Он был знаком еще Архимеду, но сейчас об этом гениальном изобретении многие не знают. Вспоминая курс физики, выясните, как работает такой механизм, его строение и область применения. Разобравшись в классификации, можно приступать к расчету. Чтобы все получилось – вашему вниманию инструкция по конструированию простой модели.
Система блоков – теория
Изобретение полиспаста дало огромный толчок развитию цивилизаций. Система блоков помогла построить огромные сооружения, многие из которых сохранились по сей день и вызывают недоумение у современных строителей. Также совершенствовалось судостроение, люди смогли путешествовать на огромные расстояния. Пора разобраться, что это такое – полиспаст и выяснить, где можно найти ему применение сегодня.
Простота и эффективность механизма
Строение грузоподъемного механизма
Классический полиспаст представляет собой механизм, который состоит из двух основных элементов: шкив; гибкая связь
Простейшая схема: 1 – подвижный блок, 2 – неподвижный, 3– канат
Шкив – это металлическое колесо, которое по внешнему краю имеет специальный желоб для троса. В качестве гибкой связи может применяться обычный трос или канат. Если груз будет достаточно тяжелый, используют тросы из синтетических волокон или стальные канаты и даже цепи. Для того чтобы шкив вращался легко, без скачков и заедания, используют роликовые подшипники. Все элементы, которые движутся, смазывают.
Один шкив называют блоком. Полиспаст – это система блоков для подъема грузов. Блоки в составе подъемного механизма могут быть неподвижными (жестко закрепленными) и подвижными (когда ось в процессе работы меняет положение). Одна часть полиспаста крепится к неподвижной опоре, другая – к грузу. Подвижные ролики располагаются на стороне груза.
Неподвижный блок
Роль неподвижного блока – изменение направления движения каната и действия прикладываемой силы. Роль подвижных – получение выигрыша в силе.
Подвижный блок
Принцип работы – в чем секрет
Принцип работы полиспаста подобен рычагу: усилие, которое необходимо приложить, становится меньше в несколько раз, при этом работа выполняется в том же объеме. Роль рычага играет трос. В работе полиспаста важен выигрыш в силе, поэтому возникающий проигрыш в расстоянии не принимается во внимание.
В зависимости от конструкции полиспаста, выигрыш в силе может быть разным. Простейший механизм из двух шкивов дает примерно двукратный выигрыш, из трех – трехкратный и так далее. По тому же принципу рассчитывается и увеличение расстояния. Для работы простого полиспаста нужен трос в два раза длиннее высоты подъема, а если используют комплекс из четырех блоков – то и длина троса увеличивается прямо пропорционально в четыре раза.
Принцип работы системы блоков
В каких областях применяется система блоков
Полиспаст – верный помощник на складе, на производстве, в транспортной сфере. Его используют везде, где нужно применять силу для перемещения всевозможных грузов. Система широко применяется в строительстве.
Несмотря на то что большую часть тяжелой работы выполняет строительная техника (подъемный кран), полиспасту нашлось место в конструкции грузозахватных механизмов. Система блоков (полиспаст) является составляющей таких подъемных механизмов, как лебедка, таль, строительная техника (краны разных типов, бульдозер, экскаватор).
Помимо строительной отрасли, полиспасты получили широкое применение в организации спасательных работ. Принцип работы остается прежним, но конструкция немного видоизменяется. Спасательное оборудование изготавливается из прочного троса, используются карабины. Для устройств такого назначения важно, чтобы вся система быстро собиралась и не требовала дополнительных механизмов.
Полиспаст в составе крюка подъемного крана
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.
Объединение двукратного и шестикратного простого полиспаста дает сложный шестикратный вариант
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.
Классификация по назначению подъемника
В зависимости от того, что хотят получить при использовании полиспаста, их подразделяют на:
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
Как производить расчеты для полиспаста
Несмотря на то что теоретически конструкция полиспаста предельно простая, на практике не всегда ясно, как поднять груз с помощью блоков. Как понять, какая кратность понадобится, как выяснить КПД подъемника и каждого блока в отдельности. Для того чтобы найти ответы на эти вопросы, нужно выполнить расчеты.
Расчет отдельного блока
Расчет полиспаста нужно выполнять из-за того, что условия работы далеки от идеальных. На механизм действуют силы трения в результате движения троса по шкиву, в результате вращения самого ролика, какие бы подшипники ни применялись.
Кроме того, на стройплощадке и в составе строительной техники редко применяется гибкая и податливая веревка. Стальной канат или цепь обладают гораздо большей жесткостью. Так как для сгибания такого троса при набегании на блок требуется дополнительное усилие, его тоже нужно обязательно учитывать.
Для расчета выводят уравнение моментов для шкива относительно оси:
SсбегR = SнабегR + q SнабегR + Nfr (1)
В формуле 1 показаны моменты таких сил:
– Sсбег – усилие со стороны сбегающего каната;
– Sнабег – усилие со стороны набегающего каната;
– q Sнабег – усилие, для сгибания/разгибания каната с учетом его жесткости q;
– Nf – сила трения в блоке, с учетом коэффициента трения f.
Для определения момента все силы умножаются на плечо – радиус блока R или радиус втулки r.
Сила набегающего и сбегающего троса возникает в результате взаимодействия и трения нитей каната. Поскольку сила для сгибания/разгибания троса существенно меньше остальных, вычисляя воздействие на ось блока, этим значением часто пренебрегают:
– N – воздействие на ось шкива;
– Sнабег – усилие со стороны набегающего каната (принимается примерно равным Sсбег;
– α – угол отклонения от оси.
Блок полиспаста
Расчет полезного действия блока
Как известно, КПД – коэффициент полезного действия, то есть насколько результативна была выполненная работа. Его рассчитывают, как отношение выполненной и затраченной работ. В случае с блоком полиспаста применяется формула:
ηб = Sнабег/ Sсбег = 1/(1 + q + 2fsinα×d/D) (3)
– d и D – соответственно, диаметр втулки и самого шкива;
– q – коэффициент жесткости гибкой связи (каната); f – коэффициент трения;
– α – угол отклонения от оси.
Из этой формулы видно, что на КПД влияет строение блока (посредством коэффициента f), его размер (через отношение d/D) и материал каната (коэф. q). Максимальное значение КПД можно получить, используя втулки из бронзы и подшипники качения (до 98%). Подшипники скольжения дадут до 96% коэффициент полезного действия.
На схеме изображены все силы S на разных ветвях каната
Как высчитать КПД всей системы
Подъемный механизм состоит из нескольких блоков. Суммарный КПД полиспаста не равен арифметической сумме всех отдельных составляющих. Для вычисления используют куда более сложную формулу, а точнее – систему уравнений, где все силы выражаются через значение первичной S0 и КПД механизма:
КПД полиспаста при разной кратности
Поскольку значение КПД всегда меньше 1, с каждым новым блоком и уравнением в системе значение Sn будет стремительно уменьшаться. Суммарный КПД полиспаста будет зависеть не только от ηб, но и от количества этих блоков – кратности системы. По таблице можно найти ηп для систем с разным количеством блоков при разных значениях КПД каждого.
Как сделать подъемник своими руками
В строительстве во время проведения монтажных работ далеко не всегда есть возможность подогнать подъемный кран. Тогда возникает вопрос, как поднять груз веревкой. И здесь находит свое применение простой полиспаст. Для его изготовления и полноценной работы нужно сделать расчеты, чертежи, правильно подобрать веревку и блоки.
Разные схемы простых и сложных подъемников
Подготовка базы – схема и чертеж
Прежде чем приступать к сооружению полиспаста своими руками, нужно внимательно изучить чертежи и подобрать подходящую для себя схему. Опираться следует на то, как вам будет удобнее разместить конструкцию, какие блоки и трос имеются.
Случается, что грузоподъемности блоков полиспаста недостаточно, а сооружать сложный многократный подъемный механизм нет времени и возможности. Тогда применяют сдвоенные полиспасты, представляющие собой комбинацию из двух одинарных. Этим устройством также можно поднимать груз таким образом, чтобы он двигался строго вертикально, без перекосов.
Чертежи сдвоенной модели в разных вариациях
Как подобрать веревку и блок
Важнейшую роль в построении полиспаста своими руками играет веревка. Важно, чтобы она не растягивалась. Такие канаты называют статическими. Растяжение и деформация гибкой связи дает серьезные потери эффективности работы. Для самодельного механизма подойдет синтетический трос, толщина зависит от веса груза.
Материал и качество блоков – показатели, которые обеспечат самодельным подъемным устройствам расчетную грузоподъемность. В зависимости от подшипников, которые установлены в блоке, меняется его КПД и это уже учтено в расчетах.
Но как поднять груз на высоту своими руками и не уронить его? Чтобы обезопасить груз от возможного обратного хода, можно установить специальный фиксирующий блок, который позволяет веревке двигаться только в одном – нужном направлении.
Ролик, по которому движется канат
Пошаговая инструкция для подъема груза через блок
Когда веревка и блоки готовы, схема выбрана, а расчет произведен, можно приступать к сборке. Для простого двукратного полиспаста понадобятся:
– обойма для блока – 2 шт.;
– веревка; крюк для подвеса груза;
– стропы – если они нужны для монтажа.
Для быстрого соединения используют карабины
Пошагово подъем груза на высоту осуществляется так:
1. Соединяют ролики, втулку и подшипники. Объединяют все это в обойму. Получают блок.
2. Веревку запускают в первый блок;
3. Обойма с этим блоком жестко крепится к неподвижной опоре (железобетонная балка, столб, стена, специально смонтированный вынос и пр.);
4. Затем конец веревки пропускают через второй блок (подвижный).
5. К обойме крепят крюк.
6. Свободный конец веревки фиксируют.
7. Стропят поднимаемый груз и соединяют его с полиспастом.
Самодельный подъемный механизм готов к использованию и обеспечит двойной выигрыш в силе. Теперь, чтобы поднять груз на высоту, достаточно потянуть за конец веревки. Огибая оба ролика, веревка поднимет груз без особых усилий.
Можно ли объединить полиспаст и лебедку
Если к самодельному механизму, который вы построите по этой инструкции, присоединить электрическую лебедку, получится самый настоящий подъемный кран, выполненный своими руками. Теперь для подъема груза не придется напрягаться совсем, лебедка все сделает за вас.
Даже ручная лебедка сделает подъем груза комфортнее – не нужно стирать руки о канат и переживать, чтобы веревка не выскользнула из рук. В любом случае, крутить ручку лебедки куда проще.
Полиспаст для лебедки
В принципе, даже вне стройплощадки умение в походных условиях с минимумом инструментов и материалов соорудить элементарный полиспаст для лебедки – очень полезный навык. Особенно оценят его автомобилисты, которым посчастливилось застрять на машине где-нибудь в непроходимом месте. Сделанный на скорую руку полиспаст значительно увеличит производительность лебедки.
Переоценить значение полиспаста в развитии современного строительства и машиностроения сложно. Понимать принцип действия и визуально представлять себе его конструкцию должен каждый. Теперь вам не страшны ситуации, когда нужно поднять груз, а специальной техники нет. Несколько шкивов, веревка и смекалка позволят обойтись без привлечения крана.
Правила подъема тяжелых предметов в домашних условиях и на работе
Разберем часто задаваемые грузчиками вопросы насчет перемещения тяжелых грузов и предметов – почему нужно делать так, а не иначе, как избежать травм и повреждений спины при погрузке тяжестей.
Безопасно ли держать колени прямо при подъеме?
Конечно, небезопасно пытаться дотянуться до тяжелого предмета с прямыми коленями. Как только вы отталкиваетесь ногами из положения сидя на корточках и полностью поднимаете вес от земли, ноги выпрямляются.
Но не держите их слишком прямо, так как весь вес будет перенесен на колени. Вместо этого всегда держите колени слегка согнутыми, точно так же, как они находятся, когда вы наступаете ногой при ходьбе.
Что лучше – толкать или тянуть тяжелый предмет?
Трение играет большую роль при толчке объекта. Трение выше, чем при вытягивании одного и того же объекта в одних и тех же условиях. Это делает толчок сильнее, чем тягу.
Однако, когда вы тянете объект, вертикальная сила направлена против веса тела, что заставляет уменьшить трение между объектом и поверхностью, по которой он скользит. При меньшем трении вам понадобится немного меньше силы, чтобы вытащить предмет.
Что вызывает большинство травм спины?
Преимущественно повреждения спины при подъёме тяжестей провоцирует:
Что приводит к легким травмам спины
Любой человек может получить травму спины при подъеме тяжелого предмета, но некоторые получат ее с большей вероятностью. Вот некоторые из наиболее распространенных причин, по которым вы можете быть уязвимы к травмам спины:
Что можно сделать, чтобы уменьшить тяжелую нагрузку?
При ручном подъеме:
Как подъем небольших грузов может привести к травмам?
Когда человек поднимает более тяжелые грузы, тело наиболее подвержено травмам. Но что такое тяжелый груз? Для некоторых объект весом 20 кг может быть очень легким, в то время как для других он будет казаться чем-то сверхтяжелым.
Вес предмета либо невелик, либо сравним с весом человека, который его поднимает. Для 50-килограммовой женщины 30-килограммовая коробка, наполненная тренажерами, — тяжелый и опасный груз, в то время как взрослый, умеренно тренированный мужчина легко с ним справится.
Важно то, что можно получить травму даже при небольших нагрузках, если неправильно оценить свое физическое здоровье, тренировки, навыки подъема и подготовки.
Наиболее распространенные травмы, вызванные тяжелым подъемом
Рекомендации по максимальному поднятию тяжестей для мужчин и женщин
Максимальный вес, поднимаемый на человека, зависит от нескольких факторов:
Оптимальный вес для мужчин – 25 кг. Это справедливо, если он держит груз близко к телу на уровне талии. Это означает, что такие задачи, как перемещение холодильника с морозильной камерой, — это работа не для одного человека, ее должны выполнять по крайней мере двое.
Максимальный рекомендуемый вес для женщин при тех же обстоятельствах составляет 16 кг.
Это только рекомендуемое количество веса, максимум для людей с хорошей физической подготовкой. Если есть проблемы со здоровьем, вы не должны поднимать даже такой вес.
Самые рабочие самодельные приспособления для поднятия тяжестей в доме с лестницей и без
На чтение: 3 минуты Нет времени?
Жителям многоэтажных городских домов, в которых по разным причинам нет грузового лифта, а бывает, и обычный пассажирский не работает, иногда привозят в тяжёлой упаковке стройматериалы, мебель, ещё что-нибудь. А поднять это добро нужно на высокий этаж. Далеко не все граждане обладают силой Геракла и выносливостью альпинистов-шерпов. Приходится, надрываясь, тащить это наверх на себе или нанимать бригаду грузчиков. А ведь давно придумано, как такую работу облегчить. Рукам и ногам – голова и смекалка в помощь.
Кто-то своими руками строит самодельные приспособления для поднятия тяжестей в доме с лестницей и без, кто-то покупает их в магазине строительных товаров. Эти устройства значительно облегчают работу.
Такелажные ремни
Если к работе можно привлечь пару крепких мужчин, то часто оптимальным решением будет использование такелажных ремней. Их общее положительное свойство – хороший запас прочности; оригинальное плетение самого ремня, чтобы он не перекручивался и не вытягивался; ширина ремней такая, что они не пережимают участков тела и не останавливают кровоток; к ним можно прикреплять разные устройства, фиксирующие груз.
Такелажные ремни ориентированы на загрузку плеч или предплечий.
Ремни для предплечий оставляют свободными руки, основная нагрузка приходится на ноги. Эти ремни разгружают спину, они не запрещены даже для крепких женщин.
Лестница-стремянка
Бывают ситуации, когда нужно поднять нетяжёлую вещь, но на высоту более собственного роста. Или заглянуть на верхнюю полку. В этом случае поможет небольшая лестница-стремянка, одновременно выполняющая роль табуретки или стула. При изготовлении этого изделия необходимо брать бруски нужного размера из хорошо просушенной древесины. При применении сырого материала через некоторое время всё покорёжится. И на заготовках деталей не должно быть сколов и трещин. Ведь это приспособление должно выдерживать вес любого грузного человека. Высота сооружения и количество ступеней выбираются в зависимости от предполагаемой высоты рабочей зоны рук.
ФОТО: remoo.ru Выбор размеров стремянки
Общая рекомендация для всех размерных вариантов – это величину проступи брать из расчёта 45 размера обуви, ширину ступени – от 55 см внизу до 45 см на верхней ступени. Если стремянка делается для сада, то достаточно трёх ступеней.
ФОТО: remoo.ru Маленькая самодельная стремянка
Подъёмные механизмы
Не все грузы под силу поднять обычному человеку. А часто очень надо. В этом случае нужно прибегать к помощи подъёмных механизмов. Некоторые из них нужно и возможно изготовить самостоятельно. Это полиспасты, барабанные конструкции и рычажные механизмы.
Лебёдки
Для подъёма тяжёлых предметов на высоту от пола хорошо использовать лебёдку. Её компактный вариант, который проще всего сделать самому, называется полиспаст. Конструкция из двух колёс с проточкой по внешнему контуру и накинутого на колёса троса вдвое уменьшает требуемое для подъёма груза усилие. Если чуть усложнить конструкцию и добавить ещё одно колесо, то передаточный коэффициент механизма будет равен трём. Четвёртое колесо ещё на единицу увеличивает коэффициент передачи – и так далее.
Гораздо сложнее сделать барабанную лебёдку. Необходимо хорошо владеть слесарными навыками и сварочной технологией. Выигрыш в силе определяется соотношением длины рычага ручки вращения лебёдки и диаметром барабана. Для уменьшения габаритов механизма и повышения передаточного коэффициента лебёдки строят с шестерёнчатым или червячным редуктором. Но эти решения ведут к росту трудоёмкости создания подъёмного механизма.
Если мастер везучий, то он найдёт либо дома, либо на свалке металлолома подходящие детали или блоки. Так, например, трещотка от системы рулевого управления КАМАЗа может быть использована как готовый червячный передаточный механизм.
При строительстве дома нужно поднимать на высоту второго этажа тяжёлые бетонные блоки. Умельцы строят самодельные подъёмные краны с дистанционным (и даже с беспроводным) управлением, со стрелой переменного размера и изменяемой кофигурации.
Заключение
Умение придумывать механизмы и самому их изготавливать – это очень полезное свойство человека. Часто это умение формируется в детстве, если мальчишка любит сам делать для себя игрушки или занимается в техническом кружке. И, конечно, нужен хороший учитель. С годами увеличивается объём знаний и совершенствуется умение. В итоге на земле появляется новый дом, построенный своими руками с помощью собственноручно изготовленных подъёмных механизмов.