КПД блоков, каната и полиспаста.
Что такое КПД?
Коэффициент полезного действия(КПД) - это характеристика эффективности механизма или системы в отношении преобразования или передачи энергии. Определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству затраченной энергии.Если механизм получает 100Вт энергии и отдает те же 100Вт энергии, то его КПД 1.0 или 100%. Но 100% бывает крайне редко, в механизмах есть трение, а трение это потери. Вот давайте и разберемся, куда и сколько теряется энергии в блоках и тросах и почему это важно.
КПД троса
Трос или стальной канат состоит из проволок, которые завиты в пряди. Пряди, в свою очередь, свиты в канат. Будем рассматривать стальной канат по ГОСТ 2688-80, 36 проволок в каждой пряди, 6 прядей и органический сердечник, часто пропитанный маслом.
Итак, если стальной канат работает чалкой, т.е. натянут между крюком и петлей, то его КПД можно считать близким к 1.0 (хотя, даже тут между прядями возникает трение при натяжении каната). Но если этот канат мы начнем заводить на такелажный блок, то начнет появляться трение между прядями и проволоками в прядях.
Давайте сначала представим, что наш канат - это цельный медный прут, и мы начинаем его загибать вокруг цилиндра. Чтобы прут стал изогнутым, его внешняя часть должна растянуться, а внутренняя сжаться.
Если вы когда-нибудь пытались переломить проволоку путем многократного изгиба, то знаете, что при этом она нагревается в месте изгиба. Вы совершаете работу по изгибу, а эта работа уходит в тепло. И чем меньше радиус изгиба, тем сложнее согнуть проволоку или прут. Это происходит из-за того, что верхний слой металла вынужден больше растягиваться, а нижний сжиматься в месте изгиба. Из этого можно сделать вывод, что чем прочнее металл проволоки и чем на меньший радиус надо изогнуть её, тем сложнее это сделать.
А второй немаловажный вывод что цельный медный прут - это плохой канат.
Перейдем к стальным канатам двойной свивки. Канаты состоят из проволок, проволочки свиваются в пряди, а несколько прядей свиваются в канат. Например канат по ГОСТ 2688-80 состоит из 19 проволок, свитых в прядь, и 6 таких прядей сплетаются в канат, а в середине находится мягкий сердечник.
Канаты гнутся гораздо проще, чем прут такого же сечения. Как раз за счёт того, что проволочки, из которых состоит канат, во первых, достаточно тонкие, а во вторых - многократно закручены. Поэтому им не приходится растягиваться так сильно, как внешней стороне прута, который мы представляли раньше. Но всё же трение в канатах присутствует, как и деформация всего каната. Именно из-за этого и возникают потери в тросе. Как не трудно догадаться, чем больше диаметр изгиба(диаметр ролика в блоке), тем меньше эти потери. Радус перегиба будет влиять еще и на долговечность троса, чем больше ролик, тем меньше вы гнете трос, а следовательно и пряди и проволоки в них.
Так же не маловажно, что при изгибе внешняя поверхность каната будет нагружена больше, чем внутренняя. Ровно по той же причине, чтобы канату обогнуть радиус, наружные пряди каната должны "вытянуться", а внутренние "сжаться", но тянуться проволочки в прядях не умеют и внешние пряди прожмут сердечник и передадут часть нагрузки боковым прядям, а внутренние пряди будут прослаблены и недогружены. С этим и связано уменьшение несущей способности каната на перегибах. Эти деформации происходят с трением, и канату приходится деформироваться каждый раз заходя на ролик. При сжатии промасленного мягкого сердечника оттуда выдавится масло и смажет пряди, что уменьшит трение. А после расслабления большая часть масла впитается. Пряди в канатах свиты, это значит, каждая прядь будет внешней не всю длину окружности перегиба, а только её часть, далее она станет боковой, а потом будет нижней и ей на смену придет другая прядь. В пряди проволоки свиты, и там также распределяется нагрузка по всем проволочкам в прядях. В том числе и для этого канаты свиваются.
Типов канатов очень много и они существенно отличаются. Но это тема для отдельной статьи, и мы не будем в неё погружаться. Главное - уловить прицип работы. Есть ГОСТы и нормы, которые регламентируют диаметры и др. характеристики роликов в зависимости от нагрузки, типа каната и его диаметра. Но правило одно, чем меньше вы гнете канат,тем лучше и для КПД, и для прочности.
Очень грубо можно сказать, что диаметр ролика не должен быть меньше, чем 8 диаметров троса.
Всё то же верно и про синтетический трос, хотя в меньшей степени и со своими особенностями, например, песчинки в синтетическом тросе разрушают нитки в прядях, и он становится "пушистым", и теряет часть своей несущей способности.
КПД блока
Теперь перейдём к блокам. Канат, который проходит через блок, вращает ролик. И от того, как легко вращается этот ролик, зависит насколько хорош ваш такелажный блок - КПД блока. Очевидно, что в точке касания ролика и оси возникает трение. Это трение тратит энергию, снижая КПД блока. Ось и ролик нагреваются, совсем плохие блоки - греются ощутимо. Способов снижения трения вращения не так много, основной - это подшипник. Подшипники бывают качения и скольжения. У подшипника скольжения больше площадь контакта, а значит выше способность переносить нагрузки без необратимой деформации при тех же размерах, но при этом у них больше потерь на трении, чем у подшипника качения. Подшипники скольжения - это обычно бронзовая втулка на стальной оси. Подшипники качения в такелажных блоках обычно роликовые. И то, и другое не любит грязь и любит смазку. В "джиперских" блоках можно встретить пластиковый ролик на стальной обойме или стальной ролик на стальной оси. Но все это не долговечно и не эффективно.Для синтетического троса есть ролики без корпуса - так называемые "бублики". Они бывают из анодированного алюминия или из капролона. Такие блоки очень легкие и достаточно прочные, но их КПД оставляет желать лучшего.
КПД блока в полиспасте
О блоках мы поговорим подробнее в отдельной статье, а пока вернемся к полиспастам, и тому как влияет понимание их КПД на использование полиспаста.Давайте примем, что КПД блока и каната на блоке равно 0.9 (это оценка близкая к реальной).
Каждая нитка троса, которая проходит через блок, теряет там 10% (0.1) тяги, а 90% (0.9) благополучно проходит на следующую нитку. Тяга теряется в трении ролика на оси и трении внутри троса на изгибе ролика.
Если на блок заходит нитка каната, которую тянут с силой 1000кг, то пройдя через блок, тяга на нитке, вышедшей из блока, будет - 900кг. И каждый следующий блок заберет опять 0.1 или 10%.
Если выразить это формулой, то тяга на нитке после n-го блока = f * KPD^n
В итоге начиная с кого-то блока прирост тяги становится уже незначительным. А вот длина троса, которую надо выбрать увеличивается всё также кратно блокам. Значит тянуть вам дольше, а и возможно придется перепасовывать трос, если не хватит объема барабана.
Если вспомнить схему из предыдущей статьи и пересчитать её с учётом КПД, то окажется, что при КПД = 0.9 вместо теоретических 6т тяги на объекте b мы получим только 4.69т.
Таблица зависимости тяги от КПД блока в простом полиспасте
В столбце "нитки/КПД" - порядковый номер нитки троса полиспаста. Ниток всегда на 1 больше, чем блоков, то есть 8я нитка выходит из 7 блока.Столбцы "0.95","0.90","0.85","0.80" - это КПД блока, на пересечении со строками ниток указана тяга на конкретной нитке троса.
"Сумма" рядом с цифрой КПД - это суммарная тяга всех предыдущих блоков - т.е. тяга полиспаста,
в столбце "КПД" - суммарный КПД всего полиспаста. Можно обратить внимание, что КПД полиспаста на одном блоке выше, чем КПД самого блока.
Самый левый столбец "трос" - это длина троса, которую нужно выбрать для перемещения объекта эвакуации на 10м. Зеленый цвет подсвечивает тягу выше, чем половина от начальной, красный - тяга ниже половины от начальной. Например, при КПД 0.8 вряд ли будет разумно использовать больше 4х блоков.
Таблица зависимости тяги от КПД в прогрессивном полиспаcте
В этой таблице отталкиваемся не от ниток, а от количества блоков, т.к. на объект эвакуации приходит только один трос с последнего блока.Как можно заметить, здесь влияние КПД блока не так велико. Но вот расход троса ужасает. 7 блоков с КПД 0.9, тягой в 1000т создаем усилие в 107т. Но для перемещения объекта эвакуации на 10м нам надо выбрать 1280м троса, километр двести метров! И это без учета троса на предыдущих блоках. И надо не забыть, что трос и блок, зацепленный за объект эвакуации, должен держать 107т. А на тросе последнего блока будет нагрузка больше, чем 50т, значит трос на разрыв должен держать не менее 100т.
Но главная цель этой статьи в том, чтобы вы поняли зачем нужно понимать КПД в блоках и тросах, поэтому приведу практический пример, который я уже приводил в предыдущей статье: вы завязваете шнурки на ботинках, затянули их и завязали. В результате сверху, там где узел, шнурки очень туго завязаны и даже давят на ногу, а внизу они даже еще не натянулись... А виной тому КПД шнурка и люверса(отверстия для шнурка). Трение съело всю силу тяги, и вам приходится сначала затягивать снизу шнурки и подниматься, подтягивая шнурки наверх. Вот так и происходит с вашим полиспастом, но чуть менее выраженно. Кстати, в моих сноубордических ботинках уже ролики и круглые в сечении шнурки.
Выводы, которые надо осознать:
1. Чем больше ролик, тем лучше.2. Чем выше КПД блока, тем большее их количество можно использовать в полиспасте.
3. Блок с наболее высоким КПД надо ставить первым, все "плохие" блоки последними.