Подъем груза с помощью блока

Блоки и полиспасты — простые механизмы, использующиеся для поднимания грузов или с приложением небольших усилий, или с приложением усилий в удобной для пользователя позиции.

Блоки и полиспасты состоят из двух деталей: колеса с окружным желобом (шкивом) и веревки или троса. Блоком, как правило, называют устройство, состоящее из одного шкива в оправе с подвесом и одного троса. Полиспаст — комбинация шкивов и тросов. Принцип его работы похож на работу рычага — выигрыш в силе сказывается на увеличении расстояния при теоретическом равенстве совершаемых работ.

Эти механизмы могут использоваться независимо от других грузоподъемных агрегатов, таких как: лебедки, тали, подъемные краны, а также как их части.

На рисунках показан принцип работы блока и полиспаста:

Рис. 1

На рис.1,а груз весом W1 поднимают с помощью одиночного блока усилием P1, равным весу. На рис.1,б груз W2 поднимают простейшим кратным полиспастом, состоящим из двух блоков, усилием P2, равным только половине веса W2. Воздействие этого веса делится поровну между ветвями троса, на которых шкив B2 подвешен к шкиву A2 с помощью крюка C2. Следовательно, для того чтобы поднять груз W2, к ветви троса, проходящей через желоб шкива A2, достаточно приложить силу P2, равную половине веса W2; таким образом, простейший полиспаст дает двойной выигрыш в силе. Рис.1,в поясняет работу полиспаста с двумя шкивами, каждый из которых имеет два желоба. Здесь усилие P3, необходимое для поднятия груза W3, составляет лишь четверть его веса. Это достигается благодаря распределению всего веса W3 между четырьмя тросами подвеса блока B3. Отметим, что кратность выигрыша в силе при подъеме тяжестей всегда равна числу тросов, на которых висит подвижный блок B3.

Рис. 2

В прошлом в качестве троса для блоков и полиспастов использовался гибкий и прочный пеньковый канат. Его сплетали косой из трех прядей, каждая из которых состояла из множества мелких прядей. Полиспасты с такими канатами применялись везде, где необходимо было подниматься грузы: на морских суднах, в сельском хозяйстве, на стройках. Самые сложные из них (рис. 2) часто использовались на парусных судах. Там они были необходимы для работы с парусами, деталями рангоута и другой перемещаемой оснастки.

Со временем на смену пеньковым кантам пришли стальные тросы и тросы из синтетических и минеральных волокон. Они более прочны и износоустойчивы. Полиспасты со стальными тросами и многожелобковыми шкивами являются неотъемлемыми частями грузоподъемных механизмов всего современного грузоподъемного оборудования. Шкивы блоков обычно вращаются на роликовых подшипниках и все их движущиеся поверхности принудительно смазываются.

Полиспасты для спасательных работ. Федор Фарберов 2007 г.

Владение системой подъема грузов с помощью полиспастов – это важный технический навык необходимый при проведении спасательных и высотных работ, организации навесных переправ и во многих других случаях. Этим навыком необходимо владеть альпинистам, спасателям, промышленным альпинистам, спелеологам, туристам и многим другим, кто работает с веревками.
К сожалению, в отечественной альпинистской и спасательной литературе трудно найти четкое, последовательное и понятное объяснение принципов работы полиспастных систем и методики работы с ними. Может быть, такие публикации и существуют, но мне пока не удалось их найти.
Как правило, информация либо отрывочная, либо устаревшая, либо излагается слишком сложно, либо и то и другое вместе.

Даже во время обучения на инструктора альпинизма и на жетон «Спасательный отряд» (дело было 20 лет тому назад) мне не удалось составить четкого представления об основных принципах работы полиспастов. Просто никто из обучавших инструкторов не владел этим материалом полноценно. Пришлось доходить самому.
Помогло знание английского языка и зарубежная альпинистская и спасательная литература.
С самыми практичными описаниями и методиками мне удалось вплотную познакомиться во время обучения на курсах спасателей в Канаде.
Несмотря на то, что на момент обучения, считал себя достаточно «подкованным» в полиспастах и сам имел многолетний опыт преподавания спасательных технологий для альпинистов и спасателей, узнал на курсах много нового и полезного
Чем и хочу поделиться со всеми кому это интересно.
Попробую по возможности изложить все как можно проще и практичней.

I. Часть первая. Сначала немного теории.

1. Полиспаст – это грузоподъемное устройство, состоящее из нескольких подвижных и неподвижных блоков огибаемых веревкой, канатом или тросом, позволяющее поднимать грузы с усилием в несколько раз меньшим, чем вес поднимаемого груза.

1.1. Любой полиспаст дает определенный выигрыш в усилии для поднятия груза.
В любой подвижной системе состоящей из веревки и блоков неизбежны потери на трение.
В этой части для облегчения расчетов неизбежные потери на трение не учитываются и за основу берется
Теоретически Возможный Выигрыш в Усилии или сокращенно ТВ теоретический выигрыш).

Примечание: разумеется, в реальной работе с полиспастами трением пренебречь невозможно. Подробнее об этом и об основных способах снижения потерь на трение будет сказано в следующей части «Практические советы по работе с полиспастами»

2. Основы построения полиспастов.

2.1. Рисунок 1.
Если закрепить веревку (трос) на грузе, перекинуть её через блок, закрепленный на станции (далее стационарный или неподвижный блок) и потянуть вниз, то для поднятия груза необходимо приложить усилие равное массе груза. Выигрыша в усилии нет
Для того чтобы поднять груз на 1 метр необходимо протянуть через блок 1 метр веревки.
Это так называемая схема 1:1.

2.2. Рисунок 2.
Веревка (трос) закреплена на станции и пропущена через блок на грузе. При такой схеме для поднятия груза необходимо усилие в 2 раза меньше чем его масса. Выигрыш в усилии 2:1. Ролик движется вместе с грузом вверх. Для того чтобы поднять груз на 1 метр необходимо протянуть через ролик 2 метра веревки.
Это схема самого простого ПОЛИСПАСТА 2:1.

Рисунки №№ 1 и 2 иллюстрируют следующие Основные Правила Полиспастов:

Правило №1.
Выигрыш в усилии дают только ДВИЖУЩИЕСЯ ролики, закрепленные непосредственно на грузе или на веревке идущей от груза.
СТАЦИОНАРНЫЕ ролики служат лишь для изменения направления движения веревки и ВЫИГРЫША В УСИЛИИ НЕ ДАЮТ.

Правило №2.
Во сколько раз выигрываем в усилии – во столько же раз проигрываем в расстоянии.
Например: если в показанном на рис. 2 полиспасте 2:1 на каждый метр подъема груза вверх надо протянуть через систему 2 метра веревки, то в полиспасте 6:1 – соответственно 6 метров.
Практический вывод – чем «сильнее» полиспаст – тем медленнее поднимается груз.

2.3. Продолжая добавлять стационарные ролики на станцию и подвижные ролики на груз, мы получим так называемые простые полиспасты разных усилий:
Примеры простых полиспастов. Рисунки 3, 4.

2.4. Правило № 3
Расчет теоретического выигрыша в усилии в простых полиспастах.
Здесь все достаточно просто и наглядно.

2.4.1.Если необходимо определить ТВ уже готового полиспаста,
То нужно посчитать количество прядей веревки, идущих от груза вверх.
Если подвижные ролики закреплены не на самом грузе, а на веревке, идущей от груза (как на рис. 6) – то пряди считаются от точки закрепления роликов.
Рисунки 5, 6.

2.4.2. Расчет ТВ при сборке простого полиспаста.

В простых полиспастах, каждый подвижный ролик (закрепленный на грузе), добавленный в систему добавочно дает двукратный ТВ.
Добавочное усилие СКЛАДЫВАЕТСЯ с предыдущим.
Пример: если мы начали с полиспаста 2:1, то, добавив еще один подвижный ролик, мы получим 2:1 + 2:1 = 4:1; Добавив еще один ролик – получим 2:1 + 2:1+2:1= 6:1 и т.д.
Рисунки 7,8.

2.5. В зависимости от того, где закреплен конец грузовой веревки (на станции или на грузе) простые полиспасты подразделяются на четные и нечетные.

2.5.1. Если конец веревки закреплен на станции,
то все последующие полиспасты будут ЧЕТНЫЕ: 2:1, 4:1, 6:1 и т.д.
Рисунок 7.

2.5.2. Если конец грузовой веревки закреплен на грузе,
то будут получаться НЕЧЕТНЫЕ полиспасты: 3:1, 5:1 и т.д.
Рисунок 8.

Кроме простых полиспастов в спасательных работах также широко применяются так называемые СЛОЖНЫЕ ПОЛИСПАСТЫ.

2.6. Сложный полиспаст – это система, в которой один простой полиспаст, тянет за другой простой
полиспаст.
Таким образом могут быть соединены 2, 3 и более полиспастов.

На Рисунке 9 приведены конструкции наиболее употребительных в спасательной практике сложных полиспастов.
Рисунок 9.

2.7. Правило №4. Расчет ТВ сложного полиспаста.
Для расчета теоретического выигрыша в усилии при использовании сложного полиспаста необходимо
умножить значения простых полиспастов, из которых он состоит.
Пример на рис. 10. 2:1 тянет за 3:1=6:1.
Пример на рис. 11. 3:1 тянет за 3:1= 9:1.

Расчет усилия каждого из простых полиспастов, входящих в состав сложного производиться по правилу простых полиспастов.
Количества прядей считается от точки крепления полиспаста к грузу или грузовой веревки, выходящей из другого полиспаста.
Примеры на рис. 10 и 11.

На рисунке 9 показаны практически все основные виды полиспастов, используемые в спасательных работах.
Как показывает практика в большинстве случае этих конструкций вполне достаточно для выполнения любых задач.
Далее в тексте будут показаны еще несколько вариантов.

Разумеется, существуют и другие, более сложные, системы полиспастов. Но они редко применяются спасательной практике и в данной статье не рассматриваются.

Все показанные выше конструкции полиспастов можно очень легко разучить в домашних условиях, подвесив какой-то груз, скажем, на турнике.
Для этого вполне достаточно иметь отрезок веревки или репшнура, несколько карабинов (с роликами или без) и схватывающих (зажимов).
Очень рекомендую всем тем, кто собирается работать с настоящими полиспастами. На своем опыте и опыте моих учеников знаю, что после такой отработки гораздо меньше ошибок и путаницы в реальных условиях.

Вторая часть статьи будет посвящена практическим рекомендациям по работе с полиспастами.

2 Anatolych. Вы конечно правы, но только в ситуации спасработ более оптимально не физику 8 класса вспоминать, а применять отработанные на тренировках схемы, которые базируются на этой физике.

2 М.I.rise. Ирина, разумеется, вы можете разместить этот материал на вашем сайте.

2 RRed. Рад вас слышать! Как прошла ваша поездка на Алтай? Жду фото. Пишите!

Федор, большое спасибо за материал. Информация хорошо систематизирована и изложена максимально доступно.
Правда для полноты картины не хватает нескольких, на мой взгляд, важных моментов.
Первое — не освещена схема сложных полиспастов, при организации которых используется минимум блоков и карабинов (силы трения в системе минимальны), например полиспаст Мунтера. Также неплохо бы рассмотреть так называемую «качалку», полиспаст в котором выигрыш в силе получается за счет разности плеч. При этом в качестве рычага используется, например, ледоруб. Информация по этим полиспастам доступно изложена у П.П. Захарова и А.И. Мартынова. Кроме того, существует техника подъема с использованием противовеса, которая довольно подробно описана в «Life on line».
Хотелось бы отметить, что полиспасты, рассматриваемые в данной статье эффективны в теории, но не всегда применимы на практике.
Зачастую при осуществлении реального подъема с использованием полиспаста решающую роль играет не выигрыш в силе, который дает полиспаст, а силы трения, возникающие в системе. Если вместо блоков используются карабины, то полиспаст с кратностью более чем 4:1 уже не эффективен. Часто ли в малой группе имеются ролики на восхождении?
Помимо перечисленных факторов, полиспасты с большой кратностью малоэффективны из-за большого расхода веревки и низкой скорости подъема. Подъем происходит «по чайной ложке в час». Зачастую полный рабочий ход такого полиспаста нивелируется потерями эластичного растягивания схватывающих узлов. В этой связи целесообразно использование механических зажимов.
Силы трения возникают не только в местах перегиба веревки через ролик (карабин), но и при взаимном трении веревок в соседних ветвях, и при трении о рельеф. В этой связи при организации систем полиспастов необходимо следить за тем, чтобы не было перехлестов веревок, а трение о рельеф по возможности минимизировать, применяя оттяжки и подкладывая твердые предметы (древко ледоруба, молоток).
На практике, если тянущих более двух человек, достаточно применения двойного полиспаста. Для этого коренной конец веревки крепиться на опоре (станции), встегивается в ролик (двойной карабин) закрепленный на ИСС пострадавшего. Подъем осуществляется за свободный конец. Быстро и эффективно.
Если спасателей только двое, или если производиться подъем пострадавшего с сопровождающим (т.е. 2х человек), тогда целесообразно применение техники противовеса. Свободный конец веревки уже описанной системы пропускается также через ролик с обратной фиксацией (про- мини- тракшн или комбинация ролика с зажимом, как вариант тиблок с карабином). Один из спасателей нагружает своим весом ветвь исходящую из фиксо-ролика. При необходимости он может выйти за перегиб площадки на длинной самостраховке. Чтобы не уезжать далеко вниз, он осуществляет «возлезание» с использованием зажимов. Второй вытягивает веревку идущую от пострадавшего. Сопровождающий также может помогать вытягивающим спасателям. Для этого он может подниматься по заранее закрепленным перилам с помощью зажима. Из всех опробованных мною схем — эта наиболее эффективна.
Схема вытягивания «1спасатель – 1 пострадавший» представлена в Петцелевом каталоге, и представляет собой сложный полиспаст 1:4. Кроме того, в практике спелеологии есть такое понятие как «соло транспортировка». Не буду сейчас расписывать все тонкости этой технологии, если заинтересуетесь, могу прислать материал отдельно.
И еще один момент. Крепить полиспаст необходимо на «плавающей» точке (веревка в зафиксированном спусковом устройстве или на карабине с помощью узла УИАА), чтобы в случае заклинивания можно было плавно перенести нагрузку на другую точку.

Полиспаст — система подвижных и неподвижных блоков, соединенных гибкой связью (канаты, цепи) используемая для увеличения силы или скорости подъема грузов. Используется полиспаст в случаях, если необходимо прилагая минимальные усилия поднять или переместить тяжелый груз, обеспечить натяжение и т.п. Простейших полиспаст состоит всего из одного блока и каната, при этом позволяет в два раза снизить тяговое усилие, необходимое для подъема груза.

Обычно в грузоподъемных механизмах применяют силовые полиспасты, позволяющие уменьшить натяжение каната, момент от веса груза на барабане и передаточное число механизма (тали, лебедки). Скоростные полиспасты, позволяющие получить выигрыш в скорости перемещения груза при малых скоростях приводного элемента. Они применяются значительно реже и используются в гидравлических или пневматических подъемниках, погрузчиках, механизмах выдвижения телескопических стрел кранов.

Основной характеристикой полиспаста является кратность. Это отношение числа ветвей гибкого органа, на котором подвешен груз, к числу ветвей наматываемых на барабан (для силовых полиспастов), либо отношение скорости ведущего конца гибкого органа к ведомому (для скоростных полиспастов). Условно говоря, кратность это теоретически рассчитанный коэффициент выигрыша в силе или скорости при использовании полиспаста. Изменение кратности полиспаста происходит путем введения или удаления из системы дополнительных блоков, при этом конец каната при четной кратности крепится на неподвижном элементе конструкции, а при нечетной кратности — на крюковой обойме.

В зависимости от количества ветвей каната, закрепленных на барабане грузоподъемного механизма, можно выделить одинарные (простые) и сдвоенные полиспасты. В одинарных полиспастах, при наматывании или сматывании гибкого элемента вследствие его перемещения вдоль оси барабана, создается нежелательное изменение нагрузки на опоры барабана. Также в случае отсутствия в системе свободных блоков (канат с блока крюковой подвески непосредственно переходит на барабан) происходит перемещение груза не только в вертикальной, но и в горизонтальной плоскости.

Для обеспечения строго вертикального подъема груза применяют сдвоенные полиспасты, (состоящие из двух одинарных), в этом случае на барабане закрепляются оба конца каната. Для обеспечения нормального положения крюковой подвески при неравномерной вытяжке гибкого элемента обоих полиспастов применяют балансир или уравнительные блоки. Такие полиспасты применяют в основном в мостовых и козловых кранах, а также в тяжелых башенных кранах для того, чтобы можно было использовать две стандартные грузовые лебедки вместо одной крупногабаритной большой мощности, а также для получения двух или трех скоростей подъема груза.

В силовых полиспастах при увеличении кратности можно использовать канаты уменьшенного диаметра, и как следствие уменьшить диаметр барабана и блоков, снизить массу и габариты системы в целом. Увеличение кратности позволяет снизить передаточное число редуктора, но одновременно требует большей длины каната и канатоемкости барабана.

Скоростные полиспасты отличаются от силовых тем, что в них рабочая сила, обычно развиваемая гидравлическим или пневматическим цилиндром, прикладывается к подвижной обойме, а груз подвешивается к свободному концу каната или цепи. Выигрыш в скорости при использовании такого полиспаста получается в результате увеличения высоты подъёма груза.

При использовании полиспастов следует учитывать, что используемые в системе элементы не являются абсолютно гибкими телами, а имеют определенную жесткость, поэтому набегающая ветвь не сразу ложится в ручей блока, а сбегающая ветвь не сразу выпрямляется. Это наиболее заметно при использовании стальных канатов.