Полиспасты

Рассмотрим принципы работы полиспастных систем. Если груз весом Р кг висит на одной веревке, то на нее воздействует сила F, равная Р, при двух веревках F=0.5P (см. Рис.85) и т.д.

Рис.85

В случае одного подвижного (движущегося вместе с грузом) ролика нагрузка на веревку, которой поднимается груз, будет равна половине веса (без учета трения в ролике). Таким образом, эта схема подъёма даёт выигрыш в силе в два раза. Но, чтобы поднять груз на высоту h, надо выбрать длину веревки, равную 2 h. Таким образом, полиспастная система такой схемы дает выигрыш в силе в 2 раза, но и проигрыш в расстоянии тоже в 2 раза.

На следующей схеме использован еще один ролик, установленный на опоре. В этом случае он только меняет направление силы, не меняя её величины (если не учитывать, опять же, трения в роликах). Можно пойти дальше и закрепить на грузе еще один подвижный ролик. Тогда груз окажется висящим на четырех веревках и на подъёмной части веревки требуемое усилие F для подъёма будет равно четверти веса Р. Но и проигрыш в расстоянии будет так же в 4 раза – ведь надо вытянуть всю длину веревки между роликами. Таким образом, можно наращивать число роликов и в представленном на Рис. 85 типе схемы полиспаста, выигрыш в силе будет равен 2 n, где n – число подвижных роликов (четный выигрыш).

Можно сделать и другую схему, когда конец полиспастной веревки закреплен на грузе.

Рис.86

На первой схеме (Рис. 86) груз висит на трех веревках и выигрыш в силе составляет 3 раза. Если добавить еще один подвижный ролик (вторая схема), то выигрыш будет уже в 3+2=5 раз (нечетный вид полиспаста).

Любое параллельное включение полиспастов подразумевает сложение кратностей их выигрышей в силе (К_общ=Σ К_i).

В случае последовательного включения полиспастов кратности системы перемножаются (К_общ=П*К_i). Вариант такого включения представлен на Рис. 87. Эта сложная схема полиспаста организована так, что тяговый конец первого полиспаста тянется вторым полиспастом (последовательное включение).

Рис.87

Здесь кратность выигрыша в первом полиспасте 3, а во втором – 2. Общий выигрыш в силе равен 6.

Из вышеприведенных рассуждений видно, что для подъёма груза с большой глубины с выигрышем в силе, например, в 4 раза, требуется веревка длиной 4 h, где h – глубина подъёма. При h =40 м требуется веревка длиной 160 м. Таких веревок обычно в распоряжении спасательных групп не бывает.

Выход из положения находится в организации подъёма несколькими последовательными циклами, принцип которой представлен на Рис. 88.

Рис.88

На подъёмной веревке, длиной равной глубине с которой производится подъем, устанавливаются два фиксирующих устройства (в дальнейшем ФУ): один неподвижный на точке закрепления, второй (подвижный) ниже по веревке. В подвижное ФУ включается ролик полиспаста, организованного из отдельной веревки небольшой длины (рис. 88, схема а). При подъёме нижнее ФУ вместе с грузом поднимается вверх, между ним и верхним ФУ образуется слабина, которую необходимо убрать, протянув веревку (схема б) через неподвижное ФУ. Когда нижнее ФУ подойдет к верхнему, на последнее переносится вес поднимаемого груза (схема в), подвижное ФУ разгружается и опять переводится в исходное положение (схема г), определяемое его доступностью с места работы: например, размерами площадки. Цикл подъёма повторяется, а за несколько циклов груз может быть поднят со значительной глубины. Нижнее ФУ иногда называют грузовым.

По рассмотренной выше схеме для организации подъёма требуются две веревки: полиспастная и подъёмная. После окончания подъёма груз может остаться висеть на веревке, а полиспаст демонтирован. Это так называемый вариант съёмного полиспаста (полиспасты первого рода).

Есть схемы подъёма полиспастом, использующие одну веревку (полиспасты второго рода) (Рис. 89а).

Рис.89

Здесь требуется два ролика и два ФУ. Подъём производится циклами, выигрыш в силе в 3 раза.

Схема б на Рис. 89 представляет собой последовательное включение двух полиспастов с кратностями выигрыша 2 и 3 соответственно. Их кратности при последовательном включении, как уже говорилось, перемножаются, и общий выигрыш в силе здесь будет равен 6. В этой схеме требуется длина веревки, равная по величине удвоенной глубине подъёма. Полиспасты, несмотря на свою древность, широко используются и сейчас в различных подъёмных механизмах, наряду с лебедками и гидравлическими системами. На Рис. 90 показаны некоторые варианты использования полиспастных систем в спасательных операциях.

Рис. 90

Соотношения по выигрышу в силе, рассмотренные выше являются лишь теоретическими, идеальными. На самом деле, даже самые лучшие ролики на шарикоподшипниках имеют трение и, следовательно, создают потери в силе 5-10%. Ролики на подшипниках скольжения дают потери до 20-40%. Еще большие потери в силе создают карабины, используемые в полиспастах при отсутствии роликов (~50%). В связи с этим следует обратить внимание на некоторые аспекты эффективности использования полиспастных систем.

1. Эффективность полиспаста зависит от качества снаряжения для его организации. Рассмотрим это на примере полиспаста второго рода, организованного на

а) карабинах,

б) карабине в качестве неподвижного ролика и с подвижным роликом с потерей на трение 10%,

в) карабине в качестве подвижного ролика и неподвижным роликом с потерей на трение 10%.

Определим реальный выигрыш в силе (РВ) по сравнению с его теоретическим (идеальным) выигрышем (ТВ), равным 3. Тянущее усилие F=100кГ. На Рис.91 указаны усилия в ветвях полиспаста при разных вариантах включения роликов и карабинов.

Рис.91

Из Рис. 91 видно, что использование карабинов может быть только вынужденной мерой из-за больших потерь на трение. Несколько уменьшает этот эффект включение параллельно двух (одинаковых!) карабинов, что увеличивает радиус перегиба веревки и увеличивает эффективность системы. Видно также, что при наличии только одного ролика (в этой схеме), его надо ставить в первый относительно прилагаемого усилия F перегиб. Этот принцип закладывается и в более сложных схемах, и при наличии роликов с разной степенью торможения - лучшее ставится ближе к точке приложения усилия F.

1. При одном и том же теоретическом выигрыше (ТВ), реальный выигрыш (РВ) зависит от выбранной схемы реализации ТВ. Рассмотрим, например, схемы на Рис. 85 и 87 с шестикратным ТВ. В первом случае для реализации полиспаста потребовалось 5 роликов, а во втором - только 3. Ясно, что РВ во втором случае более высок, особенно при наличии только карабинов или роликов с большой потерей силы на трение.
2. Эффективность полиспаста зависит не только от РВ. Можно получить высокий результат по РВ, создав сложную схему, но при этом увеличить трудности по организации работы на таком полиспасте. Например, перемещение двух фиксирующих устройств (ФУ) вместо одного увеличивает время повторения циклов подъема.

Все это говорит о том, что необходимо выбирать такую схему, которая оптимальна для данной группы спасателей по РВ, без избыточности. Надо помнить, что простейшие схемы позволяют осуществить более быстрый подъем.

1. Эффективность полиспаста зависит и от качества сборки его схемы. Независимо от качества снаряжения, наличие перехлестов веревок в полиспасте, неправильное расположение плоскости роликов относительно направления усилий и т.п., значительно снижают эффективность использования полиспаста. Надо помнить также о расположении точек подвески элементов полиспаста. Так, разновысокое расположение точки подвески последовательного полиспаста (см.Рис.87) позволяет более эффективно использовать цикл подъема, облегчает доставку груза на площадку. Во многих случаях для достижения этих целей используются специальные треноги, выносные стрелы, иногда изготовленные из подручных средств, которые позволяют уменьшить трение веревки о конструкцию или детали рельефа, изменяют направление действия силы и тем самым позволяют более эффективно и удобно организовывать рабочее место спасателей.

Эту же роль играют и специальные роликовые протекторы (Рис.56). Улучшают расположение элементов полиспастных систем и монтажные пластины.