Система блоков

Система блоков — это совокупность технических устройств и принципов, объединяющих неподвижные и подвижные блоки для подъёма и перемещения грузов, преобразования направления действия силы и получения выигрыша в силе или скорости. В механике блоком называют простейшее устройство в виде колеса с жёлобом по окружности, через которое перекинут канат, трос или цепь. Системы блоков применяются в грузоподъёмных механизмах (кранах, лебёдках, талях), в такелажных работах, на судах, в строительстве и в спортивном снаряжении (альпинистские и спасательные системы).

История

Прообразы блоков известны с глубокой древности. Первые изображения блоков встречаются на ассирийских барельефах IX века до н. э. В Древнем Египте при строительстве пирамид использовались деревянные катки и рычаги, однако прямых археологических свидетельств применения блоков в тот период нет. В Древней Греции блоки активно применялись в театральных машинах и при строительстве храмов. Аристотель в IV веке до н. э. описал принцип действия блока как рычага второго рода.

Значительный вклад в теорию блоков внёс Архимед (III век до н. э.), который, согласно Плутарху, математически обосновал выигрыш в силе при использовании полиспаста — системы из нескольких блоков. Легенда гласит, что Архимед с помощью сложной системы блоков смог в одиночку сдвинуть с места тяжело гружёный корабль.

В Средние века блоки широко применялись в кораблестроении и портовом хозяйстве. В эпоху Возрождения Леонардо да Винчи создал чертежи различных полиспастов и лебёдок. В XVIII—XIX веках с развитием промышленности и паровых машин системы блоков стали неотъемлемой частью подъёмных механизмов на заводах, шахтах и железных дорогах. В XX веке с появлением электрических и гидравлических приводов блоки сохранили свою роль в качестве преобразователей усилия, но стали чаще использоваться в комплексе с механизмами.

Устройство и принцип действия

Основными элементами системы блоков являются:

• Блок — колесо (шкив) с жёлобом, вращающееся на оси. Ось блока может быть закреплена неподвижно (неподвижный блок) или перемещаться вместе с грузом (подвижный блок).
• Канат, трос или цепь — гибкий элемент, передающий усилие.
• Ось и подшипники — обеспечивают вращение шкива с минимальным трением.
• Корпус или обойма — конструкция, в которой закреплены оси блоков (в полиспастах).

Неподвижный блок

Неподвижный блок закреплён на опоре и не меняет своего положения при подъёме груза. Его ось неподвижна. Принцип действия: усилие, приложенное к одному концу каната, передаётся на другой конец, изменяя лишь направление. Выигрыша в силе неподвижный блок не даёт (теоретически КПД равен 1, но с учётом трения — меньше). Однако он позволяет поднимать груз, прикладывая силу в удобном направлении (например, вниз, а не вверх). Пример: подъём флага на мачте.

Подвижный блок

Подвижный блок не закреплён на опоре; его ось перемещается вместе с грузом. Канат одним концом крепится к опоре, а другим — к точке приложения силы. При подъёме груз оказывается подвешенным к оси блока. Подвижный блок даёт выигрыш в силе в 2 раза (при идеальных условиях), так как вес груза распределяется на две ветви каната. Однако при этом проигрыш в расстоянии: чтобы поднять груз на высоту h, нужно вытянуть канат на 2h.

Полиспаст

Полиспаст (от греч. polyspastos — «многотяговый») — система из нескольких подвижных и неподвижных блоков, соединённых последовательно. Полиспаст позволяет получить значительный выигрыш в силе за счёт многократного перераспределения нагрузки между ветвями каната.

Кратность полиспаста — это число ветвей каната, на которые распределяется вес груза. Кратность определяет теоретический выигрыш в силе. Например, полиспаст с кратностью 4 даёт выигрыш в силе в 4 раза (без учёта потерь на трение). Различают:

• Простые полиспасты — все блоки соединены последовательно, канат проходит через каждый блок один раз.
• Сложные полиспасты — комбинация нескольких простых полиспастов, соединённых последовательно или параллельно.
• Степенные полиспасты — используются для получения очень большого выигрыша в силе (например, в механизмах натяжения).

Классификация систем блоков

Системы блоков классифицируют по нескольким признакам.

По назначению

• Грузоподъёмные — для подъёма и опускания грузов (краны, лебёдки, тали).
• Тяговые — для перемещения грузов по горизонтали или наклонной плоскости (лебёдки, канатные дороги).
• Натяжные — для создания натяжения в канатах или тросах (в строительстве, на судах).
• Скоростные — для увеличения скорости перемещения при малом усилии (используются редко, в основном в спортивных системах).

По конструкции

• Одношкивные — один блок.
• Многошкивные — несколько блоков, объединённых в обойме.
• Сдвоенные — два параллельных блока на одной оси.
• Дифференциальные — блоки разного диаметра на одной оси, позволяющие получить большой выигрыш в силе при малом ходе.

По способу соединения

• Последовательные — канат последовательно огибает все блоки.
• Параллельные — канат разделяется на несколько ветвей, каждая из которых проходит через свой блок.
• Комбинированные — сочетание последовательного и параллельного соединения.

Применение

Системы блоков находят широчайшее применение в различных отраслях.

Промышленность и строительство

• Башенные краны — используют полиспасты для подъёма грузов. Кратность полиспаста может достигать 10 и более.
• Лебёдки — ручные и электрические, применяются для подъёма и перемещения грузов на стройплощадках, складах, в цехах.
• Тали — ручные (шестерённые) и электрические, часто оснащаются полиспастами для увеличения грузоподъёмности.
• Канатные дороги — системы блоков используются для натяжения и направления несущего каната.

Морское дело

• Такелаж — блоки (шкивы) используются для управления парусами, подъёма и опускания рангоута, швартовки.
• Грузовые стрелы — на судах применяются полиспасты для подъёма тяжёлых грузов.

Спорт и активный отдых

• Альпинизм и скалолазание — системы блоков (полиспасты) используются для подъёма пострадавших, организации навесных переправ, подъёма снаряжения.
• Спасательные работы — в МЧС и горноспасательных службах применяются полиспасты для эвакуации людей из труднодоступных мест.

Сельское хозяйство

• Сенокосилки и пресс-подборщики — блоки используются для натяжения ремней и цепей.
• Подъёмники — для подъёма кормов, зерна, сена.

Расчёт и характеристики

Основные параметры системы блоков:

• Грузоподъёмность — максимальная масса груза, которую система может поднять.
• Кратность полиспаста — отношение длины вытянутого каната к высоте подъёма груза.
• КПД — коэффициент полезного действия, учитывающий потери на трение в подшипниках и изгиб каната. Для современных блоков с подшипниками качения КПД может достигать 0,95–0,98, для блоков с подшипниками скольжения — 0,85–0,90.
• Диаметр шкива — влияет на износ каната. Рекомендуемое соотношение диаметра шкива к диаметру каната — не менее 20:1 для стальных канатов.

Формула выигрыша в силе для полиспаста:

\[ F = \frac{G}{n \cdot \eta} \]

где \( F \) — усилие на свободном конце каната, \( G \) — вес груза, \( n \) — кратность полиспаста, \( \eta \) — КПД системы.

Интересные факты

• В древнекитайской «Книге перемен» (I тысячелетие до н. э.) упоминается устройство, напоминающее блок — «колодезный ворот».
• Самый большой полиспаст в мире (по состоянию на 2023 год) используется на плавучих кранах для подъёма модулей нефтяных платформ массой до 10 000 тонн.
• В альпинизме существует понятие «схватывающий узел», который позволяет создать временный подвижный блок без использования шкива.
• В русском языке слово «полиспаст» иногда заменяют термином «тали», хотя тали — это более широкое понятие, включающее механизмы с зубчатой передачей.

Критика и ограничения

Несмотря на широкое распространение, системы блоков имеют ряд недостатков:

• Потери на трение — особенно значительны при использовании блоков с подшипниками скольжения и при большом числе блоков.
• Износ каната — при многократном перегибе каната вокруг шкивов малого диаметра происходит его усталостное разрушение.
• Ограничение по высоте — в полиспастах с большой кратностью требуется значительная длина каната, что ограничивает высоту подъёма.
• Необходимость точного расчёта — неправильный подбор кратности или диаметра шкивов может привести к аварии.

Источники

• Артоболевский И. И. Теория механизмов и машин. — М.: Наука, 1988.
• Фролов К. В. (ред.) Детали машин. — М.: Машиностроение, 2001.
• Политехнический словарь. — М.: Советская энциклопедия, 1976.
• Энциклопедия «Техника». — М.: Росмэн, 2006.
• Справочник по грузоподъёмным машинам. — Л.: Машиностроение, 1981.