Шкив

Колесо для поддержки движения и изменения направления натянутого троса.

Шкив без веревки

Шкив — это колесо на оси или валу , позволяющее натянутому тросу или ремню , проходящему через колесо, двигаться и менять направление или передавать мощность между собой и валом . Шкив или шкивное колесо — это шкив, использующий ось, поддерживаемую рамой или оболочкой ( блоком ) , для направления троса или приложения силы.

Шкив может иметь канавку или канавки между фланцами по окружности для размещения троса или ремня. Приводным элементом полиспастной системы может быть трос , трос , ремень или цепь .

Самые ранние свидетельства существования шкивов относятся к Древнему Египту времен Двенадцатой династии (1991–1802 гг. до н.э.) ^[1] и Месопотамии в начале 2-го тысячелетия до н.э. ^[2] В римском Египте Герой Александрийский (ок. 10–70 гг. н. э.) определил блок как одно из шести простых механизмов , используемых для поднятия тяжестей. ^[3] Шкивы собраны в блок и захват , чтобы обеспечить механическое преимущество при приложении больших усилий. Шкивы также собираются в составе ременных и цепных передач с целью передачи мощности от одного вращающегося вала к другому. ^{[4] [5]} В « Параллельных жизнеописаниях» Плутарха рассказывается о сцене, где Архимед доказал эффективность составных шкивов и системы блоков и талей, используя один из них, чтобы подтянуть к себе полностью нагруженный корабль, как если бы он скользил по воде. ^[6]

Блокируйте и захватывайте

Различные способы оснастки снасти ^[7]

Блок представляет собой набор шкивов (колес), собранных так, что каждый шкив вращается независимо от любого другого шкива. Два блока с веревкой, прикрепленной к одному из блоков и пропущенной через два набора блоков, образуют блок и снасть . ^{[8] [9]}

Блок и снасть собираются таким образом, что один блок крепится к неподвижной точке крепления, а другой - к движущемуся грузу. Идеальное механическое преимущество блока и снасти равно числу секций веревки, поддерживающей движущийся блок.

На диаграмме справа идеальное механическое преимущество каждого из показанных блоков и талей ^[7] выглядит следующим образом:

• Оружейные снасти: 2
• Луфф снасти: 3
• Двойной подкат: 4
• Гинекологический набор: 5
• Тройная покупка: 6

Тросовые и шкивные системы

Шкив на нефтяной вышке

Подъемник, использующий систему составных шкивов, дает преимущество в 4 раза. На подъемнике установлен одиночный фиксированный шкив . Два подвижных шкива (соединенные) прикреплены к крюку . Один конец троса крепится к раме крана, другой – к лебедке.

Система троса и шкива, то есть блока и тали , характеризуется использованием одной непрерывной веревки для передачи силы натяжения вокруг одного или нескольких шкивов для подъема или перемещения груза. Веревка может представлять собой легкую веревку или крепкий кабель. Эта система включена в список простых машин , выявленных учеными эпохи Возрождения. ^{[10] [11]}

Если система веревок и блоков не рассеивает и не накапливает энергию, то ее механическое преимущество заключается в количестве частей веревки, которые воздействуют на нагрузку. Это можно показать следующим образом.

Рассмотрим набор шкивов, образующих движущийся блок, и части веревки, поддерживающие этот блок. Если таких частей веревки, поддерживающих груз W, имеется p , то баланс сил на подвижном блоке показывает, что натяжение в каждой из частей веревки должно быть W/p. Это означает, что входная сила на веревке равна T = W/p. Таким образом, блок и подкат уменьшают входящую силу в p раз.

• 
  Орудийная тали имеет один шкив как в неподвижном, так и в подвижном блоках с двумя веревочными частями, поддерживающими груз W.
• 
  Разделение шкивов тали показывает баланс сил, который приводит к натяжению веревки W/2.

• 
  Двойная таля имеет по два шкива как в неподвижном, так и в подвижном блоках с четырьмя веревочными частями, поддерживающими груз W.
• 
  Разделение блоков в двойной тали показывает баланс сил, который приводит к натяжению веревки W/4.

Метод работы

Простейшая теория работы системы блоков предполагает, что блоки и стропы невесомы и что потери энергии из-за трения отсутствуют. Также предполагается, что линии не растягиваются.

В состоянии равновесия силы, действующие на движущийся блок, должны быть равны нулю. При этом натяжение веревки должно быть одинаковым для каждой ее части. Это означает, что каждая из двух частей веревки, поддерживающей движущийся блок, должна выдерживать половину нагрузки.

• 
  Фиксированный шкив
• 
  Диаграмма 1: Нагрузка F на движущийся блок уравновешивается натяжением двух частей веревки, поддерживающей блок.
• 
  Подвижный шкив
• 
  Схема 2: Подвижный блок, поднимающий груз W , поддерживается двумя частями каната с натяжением W/2.

Это различные типы шкивных систем:

• Фиксированный: фиксированный шкив имеет ось, установленную в подшипниках, прикрепленных к несущей конструкции . Неподвижный шкив изменяет направление силы, действующей на веревку или ремень, движущийся по его окружности. Механическое преимущество достигается за счет объединения фиксированного шкива с подвижным шкивом или другим фиксированным шкивом другого диаметра.
• Подвижный : подвижный шкив имеет ось в подвижном блоке. Одиночный подвижный блок поддерживается двумя частями одного и того же каната и имеет механическое преимущество, равное двум.
• Соединение: комбинация фиксированных и подвижных блоков образует блок и снасть . Блок и тали могут иметь несколько шкивов, установленных на неподвижной и подвижной осях, что еще больше увеличивает механическое преимущество.

• 
  Схема 3: В снасти для ружья «движение к преимуществу» веревка прикреплена к движущемуся шкиву. Натяжение веревки составляет W/3 , что дает преимущество в три.
• 
  Диаграмма 3а: Снасть Luff добавляет фиксированный блок, который «уходит в невыгодное положение». Натяжение веревки остается W/3, что дает преимущество в три.

Механическое преимущество талей можно увеличить, поменяв местами неподвижные и подвижные блоки, чтобы веревка прикреплялась к подвижному блоку и тянулась в направлении поднимаемого груза. В этом случае говорят, что блок и подкат «движутся к преимуществу». ^[12] На диаграмме 3 показано, что теперь три части веревки поддерживают нагрузку W , что означает, что натяжение веревки равно W/3 . Таким образом, механическое преимущество равно трем.

При добавлении шкива к неподвижному блоку ружейной снасти направление тяговой силы меняется на противоположное, хотя механическое преимущество остается прежним, диаграмма 3а. Это пример подката Лаффа.

Бесплатные схемы тела

Механическое преимущество полиспаста можно проанализировать с помощью диаграмм свободного тела , которые уравновешивают силу натяжения веревки с силой тяжести груза. В идеальной системе невесомые и не имеющие трения шкивы не рассеивают энергию и позволяют менять направление веревки, которая не растягивается и не изнашивается. В этом случае баланс сил на свободном теле, включающем груз W и n опорных участков веревки с натяжением T , дает:

${\displaystyle nT-W=0.}$

Отношение нагрузки к входной силе натяжения представляет собой механическое преимущество MA системы шкивов, ^[13]

${\displaystyle MA={\frac {W}{T}}=n.}$

Таким образом, механическое преимущество системы равно количеству секций каната, поддерживающего груз.

Системы ремней и шкивов

Плоский ремень на ременном шкиве

Ремень и система шкивов

Конусный шкив, приводимый сверху линейным валом

Система ремня и шкивов характеризуется наличием двух или более шкивов, общих для ремня . Это позволяет передавать механическую мощность , крутящий момент и скорость между осями. Если шкивы имеют разный диаметр, реализуется механическое преимущество.

Ременная передача аналогична цепной передаче ; однако шкив ремня может быть гладким (без отдельных блокирующих элементов, которые можно найти на цепной звездочке, цилиндрической шестерне или зубчатом ремне), так что механическое преимущество приблизительно определяется соотношением только делительного диаметра шкивов. не фиксируется точно соотношением зубьев, как в случае с шестернями и звездочками.

В случае шкива барабанного типа, без канавок и фланцев, шкив часто бывает слегка выпуклым, чтобы плоский ремень удерживался по центру. Его иногда называют корончатым шкивом. Хотя этот тип шкивов когда-то широко использовался на валах заводских линий , он до сих пор используется для привода вращающейся щетки в вертикальных пылесосах , ленточных шлифовальных машинах и ленточных пилах . ^[14] Сельскохозяйственные тракторы , выпущенные до начала 1950-х годов, обычно имели шкив для плоского ремня (именно в честь него был назван журнал Belt Pulley ). На смену ему пришли другие механизмы, обладающие большей гибкостью в способах использования, такие как коробка отбора мощности и гидравлика .

Точно так же, как диаметры шестерен (и, соответственно, количество их зубьев) определяют передаточное число и, следовательно, увеличение или уменьшение скорости, а также механическое преимущество , которое они могут обеспечить, диаметры шкивов определяют те же самые факторы. Конусные и ступенчатые шкивы (которые работают по одному и тому же принципу, хотя эти названия, как правило, применяются к версиям с плоским ремнем и версиям с клиновым ремнем соответственно) представляют собой способ обеспечить несколько передаточных чисел привода в системе ремень-шкив, которая может переключаться по мере необходимости, точно так же, как трансмиссия обеспечивает эту функцию с помощью переключаемой зубчатой ​​передачи . Шкивы с клиноременными шкивами являются наиболее распространенным способом, с помощью которого сверлильные станки обеспечивают диапазон скоростей шпинделя.

Для ремней и шкивов трение является одной из наиболее важных сил. В некоторых случаях использование ремней и шкивов связано с особыми углами (приводящими к плохому движению ремня и, возможно, его соскальзыванию со шкива) или с низким натяжением ремня, что приводит к ненужному проскальзыванию ремня и, следовательно, к дополнительному износу ремня. Чтобы решить эту проблему, шкивы иногда запаздывают. Запаздывание — это термин, используемый для описания нанесения покрытия, покрытия или изнашиваемой поверхности с различными текстурированными рисунками, которые иногда наносятся на корпуса шкивов. Запайка часто применяется для продления срока службы корпуса за счет сменной изнашиваемой поверхности или для улучшения трения между ремнем и шкивом. Примечательно, что именно по этой причине приводные шкивы часто имеют резиновое покрытие (покрытое резиновым фрикционным слоем). ^[15]

Смотрите также

• Блокируйте и захватывайте
• Блок (парусный)
• Конвейерный шкив
• Меткий глаз
• Дифференциальный шкив
• Эксцентрик (механизм)
• Подъемник
• Портсмут Блок Миллс
• Катушка
• Сликлайн
• клиновой ремень
• Проводная (кабельная)

Рекомендации

1. Арнольд, Дитер (1991). Строительство в Египте: каменная кладка фараонов . Издательство Оксфордского университета. п. 71. ИСБН 9780195113747.
2. Мури, Питер Роджер Стюарт (1999). Древние месопотамские материалы и промышленность: археологические свидетельства . Айзенбрауны. п. 4. ISBN 9781575060422.
3. Ашер, Эбботт Пейсон (1988). История механических изобретений. США: Courier Dover Publications. п. 98. ИСБН 0-486-25593-Х.
4. Уикер, Джон; Пеннок, Гордон; Шигли, Джозеф (2010). Теория машин и механизмов (4-е изд.). Издательство Оксфордского университета, США. ISBN 978-0-19-537123-9.
5. Пол, Бертон (1979). Кинематика и динамика плоских машин (иллюстрированное изд.). Прентис-Холл. ISBN 978-0-13-516062-6.
6. Роррес, Крис (2017). Архимед в XXI веке . Международное издательство Спрингер. п. 71. ИСБН 9783319580593.
7. Макдональд, Джозеф А. (14 июня 2008 г.). Справочник по такелажу: для строительства и промышленных работ. МакГроу-Хилл Профессионал. п. 376. ИСБН 978-0-07-149301-7.
8. Пратер, Эдвард Л. (1994). «Базовые машины» (PDF) . Центр профессионального развития и технологий военно-морского образования и обучения, НАВЕДТРА 14037.
9. Бюро военно-морского персонала (1971) [1965]. Базовые машины и как они работают (PDF) . Дуврские публикации. ISBN 0-486-21709-4. Архивировано из оригинала (PDF) 22 сентября 2016 г. Проверено 13 декабря 2011 г.
10. Эйвери, Элрой (1878). Элементарная физика. Шелдон и компания. п. 459. колесо и ось.
11. Баузер, Эдвард (1890). Элементарный трактат по аналитической механике: С многочисленными примерами (5-е изд.). Компания Д. Ван Ностранда. п. 180.
12. «Справочник по морскому делу, Глава 5, Общий такелаж» (PDF) . sccheadquarters.com.
13. Тайнер, Джон Хадсон (1 мая 2006 г.). Исследование мира физики: от простых машин до ядерной энергии. Грин Форест, Арканзас: Издательская группа New Leaf . п. 68. ИСБН 978-1-61458-156-7. LCCN  2005936557. OCLC  892430550.
14. «Как шкивы с короной обеспечивают отслеживание плоского ремня» . Деревянные шестерни.
15. «Отставание шкива». СКИТ . Проверено 17 июня 2022 г.

Внешние ссылки