Кратность полиспаста

Кратность полиспаста — это техническая характеристика грузоподъёмного устройства (полиспаста), определяющая соотношение между количеством ветвей каната, на которых подвешен подвижный блок (или обойма с крюком), и числом ветвей, наматываемых на барабан лебёдки. Иными словами, кратность показывает, во сколько раз полиспаст позволяет уменьшить усилие, необходимое для подъёма груза, за счёт увеличения длины выбираемого каната.

Принцип действия и физическая основа

Полиспаст представляет собой систему подвижных и неподвижных блоков, огибаемых канатом (или цепью). Работа устройства основана на правиле рычага и законе сохранения энергии: выигрыш в силе достигается за счёт проигрыша в расстоянии. Если груз поднимается на высоту H, то свободный конец каната, за который прикладывается усилие, должен быть выбран на длину, равную H, умноженную на кратность полиспаста (i). Таким образом, усилие на тяговом конце каната (F) приблизительно равно весу груза (G), делённому на кратность (F ≈ G / i). Это соотношение справедливо для идеального полиспаста без учёта потерь на трение в блоках и жёсткость каната.

Классификация полиспастов по кратности

Кратность является основным классификационным признаком полиспастов. Различают два основных типа:

Полиспасты с чётной кратностью (i = 2, 4, 6, 8...)

В таких системах один конец каната закреплён на неподвижной конструкции (например, на раме крана или на верхней обойме блоков). Канат последовательно огибает подвижный и неподвижный блоки. Свободный конец (сбегающая ветвь) сматывается с неподвижного блока и идёт на барабан лебёдки. Количество ветвей каната, на которых висит подвижный блок, равно кратности. Например, при i=2 груз висит на двух ветвях, при i=4 — на четырёх.

Полиспасты с нечётной кратностью (i = 1, 3, 5, 7...)

В таких системах свободный конец каната закреплён на подвижной обойме (на крюке или на траверсе). Канат огибает блоки в обратном порядке: сначала неподвижный, затем подвижный. Сбегающая ветвь идёт с подвижного блока на барабан. Количество ветвей, на которых висит груз, равно кратности. Например, при i=3 груз висит на трёх ветвях.

Частный случай: кратность 1

При i=1 полиспаст как система блоков отсутствует. Канат идёт от барабана лебёдки непосредственно к крюку (или через один направляющий блок, не изменяющий усилие). Выигрыш в силе отсутствует, но обеспечивается вертикальное перемещение груза без перекосов. Такая схема часто применяется в ручных талях и некоторых типах кранов.

Зависимость кратности от конструкции

Кратность полиспаста определяется не только количеством блоков, но и схемой запасовки каната. На практике выделяют:

• Простой полиспаст — канат последовательно огибает все блоки. Кратность равна числу блоков в системе (если один конец закреплён на неподвижной части) или числу блоков плюс один (если конец закреплён на подвижной части).
• Сдвоенный (сбалансированный) полиспаст — состоит из двух параллельных ветвей, каждая из которых имеет свою кратность. Общая кратность такой системы равна сумме кратностей каждой ветви. Применяется в мостовых кранах для равномерного распределения нагрузки на две стороны барабана и предотвращения перекоса груза.
• Сложный полиспаст — комбинация нескольких простых или сдвоенных полиспастов, соединённых последовательно или параллельно. Общая кратность такой системы равна произведению кратностей составляющих частей (при последовательном соединении) или сумме (при параллельном). Используется в особо тяжёлых кранах (например, для подъёма грузов массой 500–1000 тонн), где требуется огромный выигрыш в силе.

Факторы, влияющие на выбор кратности

Выбор оптимальной кратности полиспаста для конкретной грузоподъёмной машины определяется рядом технических и экономических соображений:

1. Грузоподъёмность крана. Чем больше масса груза, тем выше требуется кратность, чтобы снизить усилие в канате до приемлемого для лебёдки и каната значения.
2. Скорость подъёма. Высокая кратность снижает скорость подъёма груза пропорционально её увеличению (при той же скорости вращения барабана). Для быстроходных кранов (например, строительных башенных) часто используют кратность 2–4, для тихоходных тяжёлых кранов — 6–12.
3. Высота подъёма. При большой высоте подъёма (например, в башенных кранах) высокая кратность приводит к значительному увеличению длины каната, что требует большего барабана и увеличивает вес системы. Поэтому для больших высот стремятся выбирать минимально возможную кратность.
4. Диаметр каната и блоков. С увеличением кратности уменьшается натяжение в канате, что позволяет использовать канат меньшего диаметра и, соответственно, блоки меньшего диаметра. Это снижает массу и габариты крюковой подвески.
5. Потери на трение. В реальных полиспастах часть усилия тратится на преодоление трения в подшипниках блоков и жёсткости каната. Коэффициент полезного действия (КПД) полиспаста падает с увеличением числа блоков. Поэтому при очень высокой кратности (i > 10–12) выигрыш в силе становится меньше теоретического, и дальнейшее увеличение числа блоков становится неэффективным.

Примеры типовых кратностей

• Ручные тали (тельферы): i = 1 (для лёгких грузов) или i = 2 (для грузов до 5–10 тонн).
• Автомобильные краны: i = 4–8 (в зависимости от грузоподъёмности и длины стрелы).
• Башенные краны: i = 2–4 (для основных грузов), иногда i = 1 (для быстрого подъёма лёгких грузов).
• Мостовые краны общего назначения: i = 2–6 (сдвоенные полиспасты).
• Козловые краны большой грузоподъёмности (100–500 тонн): i = 8–12.
• Специальные краны-тяжеловесы (например, для подъёма ядерных реакторов): i = 16–32 и более (сложные полиспасты).

Расчёт кратности

Кратность полиспаста (i) может быть определена по формуле:

i = n_{подв} / n_{сбег}

где:

• n_{подв} — количество ветвей каната, на которых подвешен подвижный блок (или крюк).
• n_{сбег} — количество ветвей каната, наматываемых на барабан лебёдки (обычно 1 или 2 для сдвоенных систем).

На практике для простых полиспастов кратность часто равна числу блоков в системе плюс один (если конец каната закреплён на подвижной обойме) или числу блоков (если конец закреплён на неподвижной части).

Источники

1. Александров М. П. Грузоподъёмные машины. — М.: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2000.
2. Вайнсон А. А. Подъёмно-транспортные машины. — М.: Машиностроение, 1989.
3. ГОСТ 33709.1-2015 «Краны грузоподъёмные. Словарь. Часть 1. Общие термины».
4. Справочник по кранам / Под ред. М. М. Гохберга. — Л.: Машиностроение, 1988.