В основу статьи легла работа «Полиспасты для спасательных работ» Федора Фарберова. Основной акцент в этой статье – подъём и перемещение грузов, массой до 100 кг. Свыше этой массы необходимо пользоваться другой специальной техникой и другим оборудованием и системами. В статье задействованы технические материалы фирмы PETZL.
Материал не является исчерпывающим и не претендует на роль истины в единой инстанции. Это всего лишь практические рекомендации по использованию систем полиспастов при выполнении различных работ на высоте.
ТЕРМИНОЛОГИЯ
Полиспаст – это система, состоящая из нескольких подвижных и неподвижных блоков соединённых веревкой или тросом, позволяющая проигрывая в расстоянии, получить значительный выигрыш в прикладываемом усилии, в несколько раз меньшим, чем вес груза. Предназначен для поднятия, опускания, перемещения груза, а также для организации анкерных линий. Полиспаст – от греческого “поли”, что означает “много”, а “спао” – “тяну”)
Теоретически выигрыш – теоретическая величина возможного усилия, развиваемая полиспастом без учёта потери от трения о различные части системы. Берётся за основу для простоты расчёта величины полиспаста.
Фактический выигрыш – величина усилия, развиваемая системой полиспаста при вычете всех препятствующих сил, влияющих на её эффективность.
Комплексный (обратный) полиспаст – система последовательно расположенных блоков либо их комбинация (простой и сложный). Характеризуется обязательным наличием блока, двигающегося к грузу.
Простой полиспаст – система с последовательным расположением подвижных и неподвижных блоков.
Сложный полиспаст – это система, в которой один простой полиспаст, тянет за другой простой полиспаст.
Анкер – место прикрепления начала полиспаста и неподвижных блоков.
Подвижный блок – блок, расположенный на грузе либо встроен в систему полиспаста, но всегда двигается навстречу или от груза. Всегда даёт двукратный выигрыш в силе.
Неподвижный блок – блок, закреплённый неподвижно в анкерной точке, необходим для изменения направления прилагаемого усилия. Не даёт выигрыша в усилие.
Рабочая длина полиспаста – расстояние от анкера до ближайшего к грузу элемента (схватывающего узла, зажима , блока ). Чем длиннее эта величина, тем большее расстояние может пройти груз за один рабочий ход полиспаста.
Рабочий ход полиспаста – расстояние которое проходят все элементы системы до любого соприкосновения с другими элементами. Рабочий ход зависит от вида полиспаста, от его рабочий длинны и оттого, насколько плотно полиспаст «складывается» – то есть насколько близко первый к грузу элемент подтягивается к анкеру при полностью выбранной веревке.
Перестановка системы – необходимые манипуляции для возвращения полиспаста на его рабочую длину после того как он «сложился». Это может быть перестановка схватывающих узлов (зажимов) и другие действия.
ВИДЫ ПОЛИСПАСТОВ
Простые полиспасты
Основа полиспаста: если закрепить верёвку на анкерной точке и пропустить через блок на грузе, то для поднятия груза необходимо усилие в 2 раза меньше чем его масса. Ролик движется вместе с грузом вверх. Для того чтобы поднять груз на 1 метр необходимо протянуть через ролик 2 метра веревки. то схема самого простого полиспаста 2:1.
Если закрепить веревку на грузе, перекинуть её через блок, закрепленный на анкерной точке и потянуть вниз, то для поднятия груза необходимо приложить усилие равное массе груза, а для того чтобы поднять груз на 1 метр необходимо протянуть через блок 1 метр веревки.
Во сколько раз выигрываем в усилии – во столько же раз проигрываем в расстоянии.
Расчёт усилия в простом полиспасте
Для простоты расчёта теоретического выигрыша полиспаста, принято пользоваться «Т – методом» (от англ. Tension – натяжение).
Теоретический выигрыш в простом полиспасте равен количеству прядей, идущих от груза вверх. Если подвижные блоки закреплены не на самом грузе, а на веревке, идущей от груза, то пряди считаются от точки закрепления блоков.
В простых полиспастах, каждый подвижный ролик (закрепленный на грузе), добавленный в систему дает двукратный теоретический выигрыш. Добавочное усилие складывается с предыдущим.
Виды простых полиспастов
Продолжая добавлять подвижные и неподвижные блоки, мы получим так называемые простые полиспасты разных усилий. В зависимости от того, где закреплен конец рабочей веревки (на анкере или на грузе) простые полиспасты подразделяются на четные и нечетные.
- Если конец веревки закреплен на анкерной точке, то все последующие полиспасты будут чётные: 2:1, 4:1 и т.д.
- Если конец грузовой веревки закреплен на грузе, то будут получаться нечётные полиспасты: 3:1, 5:1 и т.д.
| Преимущества простых полиспастов | Недостатки простых полиспастов |
| Просты и понятны в сборке и в работе. | Для организации полиспастов с большими ТВ требуется много снаряжения |
| Рабочий ход близок к рабочей длине полиспаста. | Сложный переход от подъема к спуску. |
| При достаточном количестве людей, простые полиспасты 2:1 и 3:1 дают самую большую скорость подъема. | Сложно пропускать узлы через систему. |
| Можно организовать автоматическую систему фиксации веревки | Большое количество блоков и используемой верёвки при схемах больше 4:1, а следовательно, большие общие потери на трение. |
| Не требуется дополнительная веревка. | |
| Удобно использовать при небольшой рабочей площадке |
Нецелесообразно из-за трения, в простом полиспасте применять схемы больше чем 5:1.
Полиспасты сделанные из дополнительной веревки.
На практике чаще всего бывает ситуация когда к рабочей верёвке прикрепляется полиспаст, сделанный из отдельной верёвки. В первую очередь это связанно с экономией снаряжения. В такой схеме требуется фиксация обратного хода. Прикрепляется полиспаст к рабочей веревке схватывающим узлом или зажимом.
| Преимущества простых полиспастов из отдельной верёвки | Недостатки простых полиспастов из отдельной верёвки |
| Быстрота организации за счет того, что полиспаст может быть собран заранее. | Невозможно организовать автоматическую фиксацию рабочей веревки. |
| Возможность использования рабочей веревки на всю длину. | |
| Облегчается переход от подъема к спуску и наоборот. | |
| Облегчается пропуск узлов через систему. |
Сложные полиспасты
При создании сложного полиспаста могут быть соединены 2, 3 и более простых полиспастов. Для расчета теоретического выигрыша в усилии при использовании сложного полиспаста необходимо умножить значения простых полиспастов, из которых он состоит.
Расчёт усилия в сложных полиспастах
Расчет усилия каждого из простых полиспастов, входящих в состав сложного производиться по правилу простых полиспастов. Схема 6:1 складывается так 2:1 тянет за 3:1 получается 6:1. А 3:1 тянет за 3:1 и получается 9:1.
| Преимущества сложных полиспастов | Недостатки сложных полиспастов |
| Позволяют создать полиспасты больших усилий. | Сложнее в организации. |
| Экономят снаряжение | Маленький рабочий ход полиспаста |
| Требуется много перестановок и «растяжения» полиспаста | |
| Малая скорость подъёма |
Практические советы по работе со сложными полиспастами:
Для того чтобы сложный полиспаст более полно складывался при каждом рабочем ходе, и требовалось меньше перестановок, необходимо разнести станции простых полиспастов, входящих в состав сложного.
Комплексные полиспасты
Во всех приведенных выше конструкциях полиспастов веревку необходимо тянуть в сторону анкерной точки. На практике всегда удобнее тянуть от анкерной точки, потому что можно воспользоваться противовесом. Для того чтобы тянуть вниз встёгивают дополнительный неподвижный блок. Но он не даёт выигрыша в силе, и потери на трение в такой схеме, могут свести на нет все преимущества оттяги вниз. Отличительная особенность комплексных полиспастов – наличие в системе роликов движущихся навстречу грузу. Комплексные полиспасты также бывают простыми и сложными.
Недостатки такие же как и у основных сложных полиспастов:
- Полиспасты не складываются полностью,
- Имеют малый рабочий ход и требуют много перестановок.
Расчёт усилия в комплексных полиспастах
Расчёт теоретического выигрыша в комплексных полиспастах отличается от основных. 3:1(простой)= 1Т+2Т
5:1(сложный)= 1Т+1Т+ЗТ (или как ещё принято считать 5:1= 2Т*ЗТ-1Т)
7:1(сложный)= 2Т*ЗТ+1Т
Составные полиспасты
В тех случаях, когда усилия собранного полиспаста недостаточно, а длины тянущей веревки не хватает для сборки более мощной схемы, может помочь дополнительный полиспаст 2:1, присоединенный к грузовой веревке схватывающим узлом или зажимом.
Добавив схему 2:1 к любому полиспасту вы автоматически получите 2-х кратный теоретический выигрыш в усилии.
Расчёт теоретического выигрыша у них производится по принципу сложных или комплексных, в зависимости от конструкции полиспаста.
Полиспаст (от греч. polyspastos — натягиваемый многими верёвками) — это грузоподъёмное устройство, работающее по принципу рычага, и предназначенное для перемещения различных грузов, как по вертикали, так и по горизонтали, или для натягивания тетивы, например, переправы.
Любой полиспаст даёт определённый выигрыш в усилии для поднятия груза.
Степень увеличения прикладываемого тягового усилия в полиспасте называется передаточным числом или кратностью полиспаста и обозначается латинской буквой «I».
Конструктивно полиспаст состоит из двух типов блоков:
- неподвижных, прикреплённых к анкерной станции (балке, мачте, треноге и т. п.);
- и подвижных, которые крепятся к поднимаемому грузу.
Блоки соединяются между собой верёвкой (канатом, тросом, цепью и т. д.), которая, последовательно огибая все ролики блоков, одним концом обычно крепится к неподвижному блоку (при подъёме грузов — верхнему), а другой его конец (тяговый) через отводные блоки направлен к месту приложения силы (физической или механической).
Ролик неподвижного блока, с которого сбегает конец каната, считается отводным. Нижний блок полиспаста, как правило, имеет грузовой крюк (или соединительный элемент: карабин, шакл и т. п.), к которому подвешивают поднимаемый груз. А верхний — за который подвешивают сам полиспаст (см. рис. 1).
Рис. 1. Полиспаст в общем виде (а), в стянутом состоянии с крюком на блоках (б) и в стянутом состоянии с серьгами на блоках (в)
1 — блок подвижный;
2 — канат;
3 — блок неподвижный;
4 — тяговый канат;
5 — серьга;
6 — крюк.
Основное достоинство полиспаста заключается в том, что он позволяет получить значительный выигрыш в силе. Поэтому использование полиспастов целесообразно в тех случаях, когда тяговое усилие имеющихся тяговых средств меньше усилия, необходимого для подъёма или перемещения объекта.
Что касается выигрыша в усилии, то его дают только подвижные блоки, закреплённые непосредственно на грузе или на верёвке, идущей от груза. Неподвижные (стационарные) блоки служат лишь для изменения направления движения верёвки и выигрыша в усилии не дают.
Например, полиспасты 3:1 и 4:1 можно получить такими вариантами (см. рис. 2):
Рис. 2. Схемы полиспастов
Скорость и путь, пройденный перемещаемым объектом, уменьшаются (по отношению к скорости и пройденному пути тягового конца троса) прямо пропорционально увеличению силы, т. е. во сколько раз выиграешь в усилии, во столько же раз проигрываешь в расстоянии, и чем «сильнее» полиспаст — тем он «медленнее».
Исходя из этого полиспасты подразделяются на силовые (прямые) и скоростные (обратные). Первые являются наиболее часто используемыми, поэтому далее речь будет идти о них.
Что до конструктивных особенностей, то полиспаст может конфигурироваться в самых различных сочетаниях из соответствующих составных элементов (подвижных и неподвижных блоков, канатов, анкеров, фиксаторов, вспомогательных зажимов, тормозов для плавного снятия нагруженных систем). Вследствие данной особенности полиспасты по конструктивному устройству дифференцируются на простые и сложные:
- в простом полиспасте все блоки огибаются одним тросом;
- в сложном — несколько простых полиспастов последовательно соединены между собой, т. е. один простой полиспаст тянет за другой простой полиспаст и т. д. В них последний блок нагружает не поднимаемый груз, а проходящий через блок канат. Т. е. происходит последовательное соединение полиспастов (например, соединение полиспастов 2:1 и 3:1 — теоретически обеспечивает повышение усилия в 6 раз).
В зависимости от того, где закреплён конец грузовой верёвки (на станции или на грузе), простые полиспасты подразделяются на чётные и нечётные. Если конец верёвки закреплён на станции, то все последующие полиспасты будут чётные (2:1, 4:1, 6:1 и т. д.). Если же конец грузовой верёвки закреплён на грузе, то будут получаться нечётные полиспасты (3:1, 5:1 и т. д.).
В отдельный вид выделены комплексные полиспасты, которые не являются ни простыми, ни сложными. Отличительной их особенностью есть наличие в системе блок-роликов, движущихся навстречу грузу. В этом заключается главное преимущество комплексных полиспастов в тех случаях, когда станция расположена выше и надо тянуть полиспаст вниз. Существуют и другие схемы.
Процесс расчёта теоретического выигрыша в усилии в полиспастах достаточно прост и строится на следующих правилах, согласно которым:
- каждый подвижный ролик (закреплённый на грузе), добавленный в систему, даёт двукратный теоретический выигрыш в силе;
- при простом полиспасте добавочное усилие складывается с предыдущим;
- при использовании сложного полиспаста необходимо умножать значения простых полиспастов, из которых он состоит.
При этом расчёт усилия каждого из простых полиспастов, входящих в состав сложного, производится по правилу простых полиспастов. Количество прядей считается от точки крепления полиспаста к грузу или грузовой верёвке, выходящей из другого полиспаста.
Рассмотрим наиболее часто используемые системы полиспастов, подчёркивая, что существуют и другие, более сложные, системы полиспастов, но редко применяемые.
Ниже на рисунке изображены самые популярные схемы простых и сложных полиспастов, приведённые в натуральном и схематичном виде (см. рис. 3, 4 и 5).
Рис. 3. Схемы простых полиспастов различной конфигурации
Рис. 4. Схемы сложных полиспастов различной конфигурации
Рис. 5. Условные схемы простых и сложных полиспастов различной конфигурации
Процесс подбора полиспаста имеет определённые особенности. Изначально схема полиспаста выбирается исходя из параметров объекта перемещения (в основном, его силы тяжести) и тяговых возможностей субъекта данного процесса (физических возможностей человека или параметров используемого оборудования).
В любой подвижной системе, состоящей из верёвки и блоков, неизбежны потери на трение. Теоретически можно до бесконечности добавлять стационарные блоки на станцию и подвижные блоки на груз с целью получения простых полиспастов различных усилий. Однако на практике этому мешает сила трения. Из-за силы трения невозможна чистая передача усилия и за счёт потерь на трение эффективность работы полиспаста может быть существенно ниже теоретически возможной. А увеличение количества блоков имеет определённый предел, за которым возможен и обратный эффект. Таким образом из вышесказанного можно сделать вывод, что основной проблемой полиспаста является преодоление силы трения. Основным решением проблемы трения является использование качественных блок-роликов на шарикрподшипниках с большими диаметрами ручьёв и мягких канатов. Известно, что КПД для блоков с опорой на подшипниках скольжения η=0,95÷0,96; для блоков на подшипниках качения η=0,97÷0,98.
А при использовании конструкции полиспаста без роликов, например, поставить рядом два карабина вместо одного. Благодаря этому увеличивается радиус перегиба верёвки и уменьшается сила трения.
Полиспасты для спасательных работ. Федор Фарберов 2007 г.
Владение системой подъема грузов с помощью полиспастов – это важный технический навык необходимый при проведении спасательных и высотных работ, организации навесных переправ и во многих других случаях. Этим навыком необходимо владеть альпинистам, спасателям, промышленным альпинистам, спелеологам, туристам и многим другим, кто работает с веревками.
К сожалению, в отечественной альпинистской и спасательной литературе трудно найти четкое, последовательное и понятное объяснение принципов работы полиспастных систем и методики работы с ними. Может быть, такие публикации и существуют, но мне пока не удалось их найти.
Как правило, информация либо отрывочная, либо устаревшая, либо излагается слишком сложно, либо и то и другое вместе.
Даже во время обучения на инструктора альпинизма и на жетон «Спасательный отряд» (дело было 20 лет тому назад) мне не удалось составить четкого представления об основных принципах работы полиспастов. Просто никто из обучавших инструкторов не владел этим материалом полноценно. Пришлось доходить самому.
Помогло знание английского языка и зарубежная альпинистская и спасательная литература.
С самыми практичными описаниями и методиками мне удалось вплотную познакомиться во время обучения на курсах спасателей в Канаде. Несмотря на то, что на момент обучения, считал себя достаточно «подкованным» в полиспастах и сам имел многолетний опыт преподавания спасательных технологий для альпинистов и спасателей, узнал на курсах много нового и полезного Чем и хочу поделиться со всеми кому это интересно.
Попробую по возможности изложить все как можно проще и практичней.
I. Часть первая. Сначала немного теории.
1. Полиспаст – это грузоподъемное устройство, состоящее из нескольких подвижных и неподвижных блоков огибаемых веревкой, канатом или тросом, позволяющее поднимать грузы с усилием в несколько раз меньшим, чем вес поднимаемого груза.
1.1. Любой полиспаст дает определенный выигрыш в усилии для поднятия груза.
В любой подвижной системе состоящей из веревки и блоков неизбежны потери на трение.
В этой части для облегчения расчетов неизбежные потери на трение не учитываются и за основу берется:
Теоретически Возможный Выигрыш в Усилии или сокращенно ТВ
Примечание: разумеется, в реальной работе с полиспастами трением пренебречь невозможно. Подробнее об этом и об основных способах снижения потерь на трение будет сказано в следующей части «Практические советы по работе с полиспастами»
2. Основы построения полиспастов.
Если закрепить веревку (трос) на грузе, перекинуть её через блок, закрепленный на станции (далее стационарный или неподвижный блок) и потянуть вниз, то для поднятия груза необходимо приложить усилие равное массе груза. Выигрыша в усилии нет
Для того чтобы поднять груз на 1 метр необходимо протянуть через блок 1 метр веревки.
Это так называемая схема 1:1.
Веревка (трос) закреплена на станции и пропущена через блок на грузе. При такой схеме для поднятия груза необходимо усилие в 2 раза меньше чем его масса. Выигрыш в усилии 2:1. Ролик движется вместе с грузом вверх. Для того чтобы поднять груз на 1 метр необходимо протянуть через ролик 2 метра веревки.
Это схема самого простого ПОЛИСПАСТА 2:1.
Рисунки №№ 1 и 2 иллюстрируют следующие Основные Правила Полиспастов:
Выигрыш в усилии дают только ДВИЖУЩИЕСЯ ролики, закрепленные непосредственно на грузе или на веревке идущей от груза.
СТАЦИОНАРНЫЕ ролики служат лишь для изменения направления движения веревки и ВЫИГРЫША В УСИЛИИ НЕ ДАЮТ.
Во сколько раз выигрываем в усилии – во столько же раз проигрываем в расстоянии.
Например: если в показанном на рис. 2 полиспасте 2:1 на каждый метр подъема груза вверх надо протянуть через систему 2 метра веревки, то в полиспасте 6:1 – соответственно 6 метров.
Практический вывод – чем «сильнее» полиспаст – тем медленнее поднимается груз.
2.3. Продолжая добавлять стационарные ролики на станцию и подвижные ролики на груз, мы получим так называемые простые полиспасты разных усилий:
Примеры простых полиспастов. Рисунки 3, 4.
Расчет теоретического выигрыша в усилии в простых полиспастах.
Здесь все достаточно просто и наглядно.
2.4.1. Если необходимо определить ТВ уже готового полиспаста,
То нужно посчитать количество прядей веревки, идущих от груза вверх. Если подвижные ролики закреплены не на самом грузе, а на веревке, идущей от груза (как на рис. 6) – то пряди считаются от точки закрепления роликов.
2.4.2. Расчет ТВ при сборке простого полиспаста.
В простых полиспастах, каждый подвижный ролик (закрепленный на грузе), добавленный в систему добавочно дает двукратный ТВ.
Добавочное усилие СКЛАДЫВАЕТСЯ с предыдущим.
Пример: если мы начали с полиспаста 2:1, то, добавив еще один подвижный ролик, мы получим 2:1 + 2:1 = 4:1; Добавив еще один ролик – получим 2:1 + 2:1+2:1= 6:1 и т.д.
2.5. В зависимости от того, где закреплен конец грузовой веревки (на станции или на грузе) простые полиспасты подразделяются на четные и
2.5.1. Если конец веревки закреплен на станции,
то все последующие полиспасты будут ЧЕТНЫЕ: 2:1, 4:1, 6:1 и т.д. Рисунок 7.
2.5.2. Если конец грузовой веревки закреплен на грузе, то будут получаться НЕЧЕТНЫЕ полиспасты: 3:1, 5:1 и т.д.
Кроме простых полиспастов в спасательных работах также широко применяются так называемые СЛОЖНЫЕ ПОЛИСПАСТЫ.
2.6. Сложный полиспаст – это система, в которой один простой
полиспаст, тянет за другой простой полиспаст.
Таким образом могут быть соединены 2, 3 и более полиспастов.
На Рисунке 9 приведены конструкции наиболее употребительных в спасательной практике сложных полиспастов.
2.7. Правило №4. Расчет ТВ сложного полиспаста.
Для расчета теоретического выигрыша в усилии при использовании сложного полиспаста необходимо
умножить значения простых полиспастов, из которых он состоит.
Пример на рис. 10. 2:1 тянет за 3:1=6:1. Пример на рис. 11. 3:1 тянет за 3:1= 9:1.
Расчет усилия каждого из простых полиспастов, входящих в состав сложного производиться по правилу простых полиспастов.
Количества прядей считается от точки крепления полиспаста к грузу или грузовой веревки, выходящей из другого полиспаста.
