Подъем сооружений полиспастами

При подъеме сооружения полиспастами неподвижные блоки крепятся к мачтам, рамам или шеврам, подвижные блоки — к поднимаемому сооружению. Высота мачт должна быть выше поднимаемою сооружения на величину подъема и на необходимую длину для размещения подвижных и неподвижных блоков с узлами их привязки к мачтам и к поднимаемому сооружению.
При подъеме сооружений применяются простые (кратные) и сложные (потенциальные) полиспасты.
Сложный полиспаст состоит из нескольких систем простых полиспастов. Полиспаст, служащий для непосредственного увеличения тягового усилия лебедки, называется «прогрессивным полиспастом». Полиспаст, трос которого получает усилие от прогрессивного полиспаста, является основным, так как его подвижные блоки связаны с поднимаемым сооружением. Таким образом, сложный полиспаст состоит из одного или нескольких прогрессивных и одного основного полиспастов.
а) Лебедки. В соответствии с весом поднимаемого сооружения, конструкцией полиспаста, диаметром троса и роликов блоков подбирают конструкцию и мощность лебедки.
Наиболее употребительны тихоходные электролебедки с подъемной силой от 5 до 15 т. Скорость наматывания троса на барабан электролебедки, поднимающей сооружение, принимают в 7—10 раз больше скорости наматывания троса на барабан ручной лебедки. Конструкция лебедки должна позволять безостановочно забирать на ее барабан весь трос полиспаста, чтобы избежать преждевременной остановки подъема сооружения из-за перегрузки тросом барабана лебедки.
При большом количестве ниток полиспаста и значительной высоте подъема (большой длине полиспаста), когда весь трос полиспаста не умещается на барабане лебедки, происходит вынужденная длительная остановка. В этом случае лебедке приходится давать обратный ход и отрезать излишне смотанный с лебедки трос. Для дальнейшего подъема конец его заново закрепляется на барабане лебедки. Этот основной недостаток обыкновенной лебедки можно устранить заменой цилиндрического барабана лебедки на барабан с криволинейной образующей (рис. 38). Для натяжения и собирания троса со шпилевого барабана лебедки устанавливается дополнительный барабан в виде большой катушки.

При замене цилиндрического барабана лебедки барабаном с криволинейной образующей средняя скорость подъема намного превышает среднюю скорость подъема при пользовании цилиндрическим барабаном. Последнее обстоятельство играет большую роль во время подъема сооружений, когда бывает занято значительное число рабочих и инженерно-технического персонала. Простои из-за сматывания троса с барабана лебедки в этом случае недопустимы.
Тросы на цилиндрических барабанах должны быть закреплены достаточно надежно и обеспечивать быструю замену их при износе. Трос на лебедки рекомендуется закреплять клином.
Мощность мотора лебедки (в киловаттах) определяется по формуле

где G — тяговое усилие лебедки, кг;
Vt — скорость наматывания троса на барабан лебедки, м/мин;
η — к. п. д. лебедки, равный 0,7.
б) Стальные проволочные канаты (тросы). Изменение диаметра троса достигается обычно не изменением количества проволок, а увеличением их диаметра.
Гибкость троса зависит в основном от диаметра проволок. Однако очень тонкие проволоки непригодны, так как они быстро перетираются и вызывают неудобства в работе. Большое значение имеет и толщина пенькового сердечника. Если главный сердечник слишком толст по сравнению с толщиной прядей, то при прохождении через блок трос принимает овальную форму В этом случае пеньковый сердечник выходит наружу и при выправлении троса не входит обратно на свое место. Таким образом прочность троса уменьшается.
Для стальных канатов употребляют проволоку диаметром 0,4—1,6 мм из тигельной стали с нормативным сопротивлением 12—20 тыс. кгс/см2 Одна проволока сечением в 1 мм2 (диаметром 1,13 мм) выдерживает нагрузку от 120 до 200 кг. Дальнейшее увеличение диаметра проволок нецелесообразно из-за уменьшения их гибкости. В прядях круглого сечения вокруг сердечника из одной проволоки обвиваются шесть проволок и вокруг сердечника из трех проволок — девять проволок такого же диаметра, как и проволока сердечника. В каждом последующем слое — на шесть проволок больше предшествующего. Следовательно, полное сечение пряди содержит 1+6+12=19 или 3+9+15=27 проволок. Если в одной пряди содержится 19 проволок, то в тросе из 6 прядей с пеньковым сердечником будет 6x19=117 проволок.
При одинаковых диаметрах и количестве проволок канат тройной свивки более гибок, чем канат двойной, а последний по гибкости превышает канат одинарной свивки.
По направлению свивки различают три основных типа:
1) тросы односторонней свивки, при которой направление витков проволоки в прядях и витков прядей одинаково;
2) тросы крестовой свивки, при которой витки проволок в прядях и витки прядей в канате овиваются в обратном направлении по отношению один к другому;
3) тросы комбинированной свивки, при которой в обратных направлениях овиваются каждые две смежные пряди.
По типу сердечников различают канаты с пеньковым, асбестовым и проволочным сердечниками, а по количеству сердечников — канаты с одним или несколькими сердечниками.
Выбирая тип каната (троса), следует учитывать, что канаты односторонней свивки с относительно ровной поверхностью и повышенной гибкостью в то же время обладают способностью к раскручиванию и непригодны для подъема грузов, подвешенных непосредственно к их свободно свисающим концам. В меньшей степени явление произвольного раскручивания характерно для канатов крестовой свивки, но канаты эти менее гибки, быстрее подвергаются износу, а при больших усилиях в них происходит перерезывание проволок одного направления проволоками противоположного направления.
Для уменьшения раскручивания и увеличения сроков службы канатов иногда применяется свивание прядей из проволок, заранее изогнутых по винтовой линии. Для придания канатам большей гибкости и упругости свивают проволоки в пряди, а затем в тросы вокруг пеньковых или асбестовых сердечников.
Для подъема сооружений используются наиболее распространенные круглые тросы, свитые из круглых проволок равного диаметра, — канаты нормальной конструкции и круглые тросы, завитые из круглых проволок разных диаметров, — канаты типа «компаунд».
Кроме тросов круглого сечения, применяются также тросы эллиптического сечения (плоские) Их преимущество — большая поверхность соприкасания с ручьем блока и меньшая изнашиваемость. Эти тросы широко применяются на стационарных установках.
При выборе типа канатов следует также учитывать, что в канатах нормальной конструкции пересечение проволок в смежных слоях обусловливает появление высоких местных напряжений. Поэтому более целесообразно применение канатов типа «компаунд». Вследствие свивки прядей из проволок различных диаметров в них устраняется пересечение проволок в смежных слоях, повышается гибкость, уменьшается опасность истирания и механических повреждений внешних более толстых проволок, что соответственно удлиняет сроки их эксплуатации.
Сроки службы канатов определяются числом перегибов на блоках и барабанах и зависят, главным образом, от диаметра барабанов и блоков, а также величины действующего напряжения. Практика эксплуатации показывает, что разрушение проволок каната, как правило, является результатом усталости материала и износа проволок. Разрушение наступает тем быстрее, чем меньшими оказываются соотношения между диаметрами роликов блоков и канатов.
При установлении расчетной нагрузки на канат металлические сердечники в расчет не принимаются, так как в натянутом (нагруженном) положении проволока сердцевины каната получает большее относительное удлинение вследствие того, что длина обвивающих ее стренг больше длины сердцевины и, следовательно, напряжение сердцевинной проволоки будет больше.
Обычно для подбора сечения каната, необходимого для подъема, пользуются заводскими таблицами, где указывается разрывное усилие каната. При передвижке здания коэффициент перегрузки принимается равным 2,5. При расчете чалочных тросов, используемых для привязывания блоков, коэффициент перегрузки принимается равным 5—6.
в) Расчет грузоподъемности полиспастов. Рассмотрим полиспаст с двумя двухрольными блоками. Теоретически сила, необходимая для подъема груза, без учета сопротивления трению и изгибу троса будет в 4 раза меньше той, которая потребовалась бы при отсутствии полиспаста. В этом случае при одинаковой скорости барабана лебедки, навивающего свободный конец троса, скорость подъема груза при помощи полиспаста будет в 4 раза меньше той, которая была бы при подъеме груза без полиспаста. Недостаток полиспаста заключается в необходимости применения троса большой длины и трудности его наматывания при цилиндрическом барабане лебедки.

При расчете полиспастов необходимо учесть, что неподвижный блок изменяет только направление (рис. 39, а). Пренебрегая влиянием вредных сопротивлений, так как РоR = QR, получаем

где Po — величина тягового усилия;
Q — вес поднимаемого груза.
Однако привязку блока нужно рассчитывать на сумму усилий

Подвижный блок следует рассматривать как рычаг, вращающийся вокруг точки А (рис. 39, б). Точка С соответствует центру блока, в ней подвешен груз Q. В точке В рычага приложено тяговое усилие Po. Составляя уравнение моментов без учета влияния вредных сопротивлений, получаем

откуда

Следовательно, если пренебречь трением ролика с осью и сопротивлением от изгиба троса, потребная величина тягового усилия при применении подвижного блока будет в 2 раза меньше веса поднимаемого груза.
Рассмотрим несколько случаев в качестве примеров расчета полиспастов (без учета сопротивления трению и изгибу).
Однорольные блоки. Свободный конец троса, навиваемого на барабан лебедки, может сбегать с неподвижного или подвижного блока. При этом сила, расходуемая на подъем груза, будет меньше в случае, когда свободный конец троса сбегает с подвижного блока.

1) Пусть у полиспаста из двух однорольных блоков свободный конец троса сбегает с подвижного блока. Сила натяжения ниток (ветвей) а и с (рис. 40), проходящих через подвижный блок, будет одинаковой и равной в каждой из них величине Р. Сила натяжения а и в, перекинутых через неподвижный блок, равна также величине Р. Из условия равновесия нижнего блока имеем

откуда

2) Добавим к верхнему блоку ролик с тем, чтобы свободный конец троса сбегал с неподвижного блока (рис. 41). Сила натяжения ниток а, в, с и д, огибающих верхние ролики блока, будет равна величине P (в каждой из них). Из условия равновесия нижнего блока получаем, что сила натяжения трех ниток 3P=Q, откуда

Из этих примеров видно, что, несмотря на наличие лишнего ролика с неподвижным блоком полиспаста, величина тягового усилия полиспаста не меняется. Это объясняется тем, что подвижные блоки имеют одинаковое количество ниток (ветвей).
Полиспаст из двух одинаковых самостоятельных систем. Через неподвижный блок перекинут трос, K правому концу которого подвешен груз Q (рис. 42), а к левому — привязан за крюк другой блок. Через второй блок переброшен второй трос, правый конец которого заанкерен, а левый конец наматывается на барабан лебедки силой Р. Правая нитка первого троса натянута грузом Q. Также натянута и левая нитка этого троса с. Сила натяжения троса с уравновешивается силой натяжения ниток второго троса в и b. Таким образом, сила натяжения в каждой из ниток в и d будет равна Q/2.
Следовательно, величина тягового усилия p = Q/2.

Два совмещенных полиспаста. Конец троса прикреплен не к анкеру, а к грузу Q (рис. 43). Сила натяжения нитки d равна силе натяжения нитки в. Отсюда ясно, что величина силы натяжения нитки с равна 2Р. С такой же силой натянута и нитка а. Таким образом, суммарная сила натяжения ниток а и в, поддерживающих груз, будет равна

откуда

Чем большее количество раз трос проходит через подвижные ролики блоков, тем больше будет тяговое усилие полиспаста. Так как часть силы при этом теряется на преодоление сопротивления трению в подшипниках и на сопротивление жесткости троса при его прохождении через ролики блоков (в зависимости от диаметров роликов и троса), то каждый раз приходится определять целесообразное количество блоков в полиспасте.
Рекомендуемая конструкция сложного полиспаста показана на рис. 44.

Непрерывность подъема сооружения при помощи сложного полиспаста может быть обеспечена при условии, что расстояние между блоками а и в прогрессивного полиспаста А равно половине длины троса основного полиспаста Б. Если по каким-либо причинам это расстояние не может быть выдержано, то при приближении блоков б к блокам а подъем останавливают, закрепляют неизменное положение тросов основного полиспаста (рис. 45), освобождают привязку тросов основного полиспаста от блоков б, оттягивают блоки б как можно ближе к блокам в основного полиспаста и заново привязывают трос основного полиспаста к блокам б. Далее освобождают закрепление тросов основного полиспаста и продолжают подъем.
Неизменность положения троса основного полиспаста сохраняется при закреплении его коротким куском троса д. Один конец этого троса соединяется тремя сжимами е с первой ниткой основного полиспаста, а второй — со смежной ниткой того же полиспаста. Затем таким же способом соединяется и другая крайняя нитка основного полиспаста. Для увеличения коэффициента трения между тросами и сжимами в местах их скрепления (при трех сжимах) каждый трос в отдельности обматывается рогожей.

На практике применяются сложные полиспасты из разных комбинаций прогрессивных полиспастов. Например, для уменьшения потерь из большого количества блоков в основном полиспасте к нему присоединяют четыре прогрессивных полиспаста, действующих одновременно (рис. 46). Для достижения равновесия в системе сложного полиспаста, составленной из четырех прогрессивных полиспастов, необходимо, чтобы тяговое усилие в прогрессивном полиспасте, оттягивающем средний блок основного полиспаста, было в 2 раза больше тягового усилия крайних прогрессивных полиспастов.
Приведенная на рис. 46 сложная система полиспастов была впервые предложена автором данного труда и применена для передвижки здания весом 23 тыс. т. По этой системе одна лебедка стягивала крайние блоки основного полиспаста, а вторая — средние блоки.
Обе лебедки были установлены на выпущенных за пределы здания ходовых балках. Барабаны лебедок располагались под углом к направлению движения и нормально к направлению троса.

Каждая лебедка имела грузоподъемность 15 т. Для оттягивания одной лебедкой блоков основного полиспаста потребовалось прикрепить к углам здания по одному блоку б. На рис. 47 этот прогрессивный полиспаст показан отдельно. Сначала трос от лебедки А пропустили через один ролик нижнего двухрольного блока б и после сгибания им блока о (связанного со вторым блоком основного полиспаста) трос вновь пропустили через ролик того же блока б. Затем трос перевели ко второму однорольному блоку и от него через верхний блок а и далее конец этого троса заанкеривается за здание.
Трос второго прогрессивного полиспаста, идущий от лебедки Б к трехрольным блокам в и двухрольным г, показан на рис. 48. После одноразового огибания тросом верхних блоков в и г трос проходит два раза через нижние блоки в и г, а затем еще один раз этот трос огибает верхние блоки в и г и заанкеривается за здание. Такое непоследовательное огибание тросом верхних и нижних блоков произведено для получения одинакового тягового усилия обоими средними блоками г прогрессивного полиспаста. Действительно, учитывая потери при прохождении троса через ролики блоков, в нашем случае суммарные потери от первого и четвертого огибания будут примерно одинаковыми с потерями от второго и третьего огибаний.

Иногда для получения от лебедки малой грузоподъемности большого тягового усилия в тросе основного полиспаста устанавливают последовательно два и более прогрессивных полиспастов. Так, например, при подъеме обрушенных ферм Новодницкого моста в Киеве электролебедка грузоподъемностью 5 т при помощи сложной системы полиспастов создавала тяговое усилие, равное 400 т.
Необходимо учесть, что скорость подъема прямо пропорциональна скорости наматывания троса на лебедку и обратно пропорциональна количеству ниток троса всех систем полиспастов, приходящихся на одну лебедку. Следовательно, при наличии электролебедки малой мощности (в случае, когда малая скорость подъема вполне приемлема) целесообразно применять сложную систему полиспастов. Это оправдывается, если имеется необходимое количество соответствующих по диаметру тросов и блоков.
Величина тягового усилия полиспаста в случае, когда свободный конец наматывается на барабан лебедки с подвижного блока или когда лебедку устанавливают на выпусках ходовых балок, определяется по формуле

Для определения целесообразности увеличения числа ниток полиспаста находят тяговое усилие в последней нитке:

где ΣR — величина тягового усилия полиспаста от одной лебедки;
N — величина тягового усилия первой нитки полиспаста лебедки;
К — коэффициент, учитывающий потерю натяжения ветви при переходе ее через блок (рекомендуется принимать не более 0,95);
n — число ветвей полиспаста, приходящихся на 1 лебедку.
Коэффициент К включает в себя величину потерь от трения по втулке блока и от жесткости троса.
Диаметр прямого участка троса, направление которого совпадает с направлением усилия, подбирается по условию прочности:

где Nрасч. — расчетное усилие троса;
Rрасч. — расчетное сопротивление троса;
Nнорм. — нормативное усилие в тросе;
n — коэффициент перегрузки, принимаемый равным 1,2;
Rнорм — нормативное сопротивление троса;
m — коэффициент условий работы, принимаемый при перемещении по вертикали равным 0,6, а по горизонтали — 1,0;
k — коэффициент однородности троса, равный 0,8;
t — коэффициент тросового соединения. При отсутствии сжимов этот коэффициент зависит от отношения диаметра ролика D к диаметру троса d: при D/d≥22 и при горизонтальном перемещении зданий t = 0,85. Это значение t взято из опыта передвижки зданий.
Иногда, применяя более тонкий трос при одном и том же количестве блоков, можно получить большее тяговое усилие полиспаста.
Для полиспаста рекомендуется применять отношение между диаметрами роликов и троса D/d≥20.
Зная диаметр барабана лебедки D, передаточное число лебедки е и количество оборотов двигателя в минуту с, можно определить скорость наматывания троса на барабан лебедки;

По скорости наматывания троса на барабан лебедки можно определить скорость подъема сооружения, пользуясь следующим уравнением:

где Vс — скорость подъема сооружения, м/мин;
Vт — скорость наматывания троса на барабан лебедки, м/мин;
n — количество ниток полиспаста, приходящееся на одну лебедку.
Величина тягового усилия, необходимого для подъема сооружения, будет равна

где T — тяговое усилие лебедки;
η — к. п. д. полиспаста.
г) Исследования по определению потерь усилий в нитках троса полиспаста в зависимости от величины угла огибания тросом роликов блоков. Углом огибания ролика тросом называется угол между перпендикулярами, опущенными из центра ролика на трос в точках его схода с обода.
Возвратное направление троса в полиспасте осуществляют огибанием его вокруг роликов блоков на 180° двумя способами: 1) вокруг одного ролика и 2) вокруг двух роликов, т. е. два раза по 90°.
В одинаковых по порядку нитках полиспаста, но при разных углах огибания тросов вокруг роликов блоков величины натяжения двух смежных ниток троса отличаются между собой.
При определении величины потерь при прохождении троса через ролики блоков не учитывается разница, возникающая в связи с неодинаковой конструкцией возвратного направления троса. При угле огибания тросом ролика в 90° потери составляют 50% от величины потерь при угле огибания ролика, равном 180°.
Проведенные исследования показали, что для одинаковой конструкции троса и при одинаковом соотношении между диаметрами троса и роликов при огибании тросом двух роликов по 90° потери снизились на 8,02% по сравнению с огибанием троса вокруг одного ролика на 180°.
Исследования проводили в натурных условиях. Тяговые усилия слагались из двух лебедок грузоподъемностью по 5 т и десяти подвижных блоков.
Трос был применен одностороннего плетения диаметром 21,5 мм и состоял из шести стренг с центральным пеньковым сердечником и из 114 проволок. Диаметр роликов с бронзовыми втулками для оси блока был принят 300 мм. Отношение диаметра ролика к диаметру троса составило 300/21,5 = 14. Усилия в нитках троса непрерывно измеряли динамометрами.
Усилие в первой нитке троса (считая от лебедки) испытываемого полиспаста составило 4400 кг, усилие во второй нитке троса (после его прохождения через один неподвижный блок при угле огибания ролика более 90°) составило 3900 кг, а после прохождения троса через следующий подвижный блок при угле огибания 180° — 2700 кг. Величины усилий в тросах оставались неизменными в течение 40 мин. После этого пришлось прекратить работу лебедки, так как один динамометр уперся в ролик блока.
При прохождении троса через блок с углом огибания ролика 90° потери составили 4400 — 3900 = 500 кг, или 500*100/4400 = 11,36%. При прохождении этого же троса через следующий блок с углом, равным 180°, потери составили:

При прохождении троса через два ролика (с углом огибания 90°) величина сопротивления составила 11,36*2 = 22,72%, или на 30,74—22,72 = 8,02% меньше, чем при прохождении троса через блок с углом огибания роликов блока 180°.
Полученные опытные данные позволяют конструировать полиспаст с меньшими потерями усилий в нитках троса при его прохождении через блоки.
Как видно из изложенного, полиспаст испытывает большие потери при несоответствии толщины троса диаметру ролика блока. На рис. 49 приводятся данные о тяговых усилиях полиспастов в зависимости от диаметров: троса, ролика, блоков и числа блоков (n) в полиспасте при прохождении троса с углом огибания 180°.
д) Мачты, рамы и шевры. Для устройства мачт рекомендуется применять стальные трубы. Их диаметр и толщина зависят от высоты мачты и нагрузки на нее. Основание трубчатой мачты уширяют приваркой к ней металлического башмака. Неподвижные блоки полиспаста привязывают к верхней части мачты, т. е. на уровне крепления расчалок.
При подъеме сборочного цеха одного из заводов, расположенного на юге России, высота мачт превышала 30 м. На полиспаст, поддерживаемый одной мачтой, приходилась нагрузка свыше 75 т. На другом объекте для устройства мачт большой высоты применяли толстостенные бесшовные трубы диаметром 900 мм.
Рама делается из вертикальных стоек (с подкосами или без подкосов), верхней перекладины и специального основания, обеспечивающего необходимую ее устойчивость. Расстояние между стойками рамы зависит от размера, ширины поднимаемой конструкции для ее охвата. На изготовление рамы требуется больше металла и рабочей силы, чем на мачту.

Рамы применяются тогда, когда мачты не могут быть установлены из-за отсутствия вблизи поднимаемого сооружения соответствующей площади для устройства анкерных креплений. Например, для подъема обрушенных ферм моста. Для этого рамы устанавливают на дно или на затопляемые (опирающиеся на дно водоема) баржи, расположенные за габаритами поднимаемой фермы. Высота рам для подъема обрушенной фермы моста с последующим транспортированием ее по воде должна обеспечить подъем ферм выше уровня воды настолько, чтобы под нее на плаву можно было подвести баржу. Неподвижные блоки привязывают к верхней перекладине рам. При наличии затруднений в устройстве поперечных расчалок, а иногда и при большом наклоне тягового усилия вместо мачт применяются шевры.
Шевры изготовляются из стальных труб или из рядового металлопроката. Состоят из двух стоек, вверху соединенных между собой под углом, а внизу прикрепленных к горизонтальной опорной балке. Шевр устанавливают под небольшим углом к вертикали (10—25°). Угол наклона регулируется расчалками, а иногда и лебедкой с полиспастами.
К вершине шевра прикрепляется неподвижный блок полиспаста, к середине его нижней опорной балки — отводной блок для троса, идущего на барабан лебедки.
Для подъема ферм виадуков часто применяют комбинированную конструкцию из мачт и шевров. мачты устанавливают на дно оврага, а шевры — на береговые устои.