Устройства для подъема или перемещения грузов
Древняя история.
Устройства для подъема или перемещения грузов были известны в глубокой древности. Уже на ранних ступенях развития человеческого общества возникла необходимость в устройствах для подъема тяжелых грузов (упавших деревьев, тяжелых каменных глыб). Подъем и перемещение очень больших по весу грузов при постройках в древнем мире, например, сооружение пирамид Хеопса более чем за 2000 лет до н. э., гидротехнические сооружения в древнем Китае, в долине Желтой реки, постройки в древнем Риме, были невозможны без простейших грузоподъемных приспособлений.
Наиболее ранними грузоподъемными средствами, по-видимому, были рычаги, катки и наклонная плоскость, позволявшие поднимать и перемещать грузы без применения промежуточных деталей (цепей, канатов), связывающих подъемное устройство с грузом. Катки, рычаги, наклонные плоскости (рампы) применялись, по-видимому, еще при сооружении древнейших каменных построек - дольменов. С их помощью осуществлялись доставка и установка колоссальных скульптур для ассирийских дворцов и храмов и громадных каменных плит при возведении пирамид в древнем Египте.
Значительно позже появились устройства, которыми груз поднимали и перемещали при помощи промежуточного элемента (веревки, гибкой ветви дерева); к этим устройствам относятся ворот, блок.
Древние греки применяли для подъема грузов приспособление "журавль" (по гречески - "геранос"). "Журавль" обозначает по-немецки "краних", откуда и произошло русское название "кран" для различных грузоподъемных устройств. Подъемник "геранос" с ручным приводом использовался в V в. до н. э. для возведения крепостных стен, а также при театральных зрелищах для подъема по ходу пьесы действующих лиц и театральной бутафории.
Рычажные подъемники (прообразы стреловых кранов) использовались для подъема воды в древнем Китае, Индии и "странах Востока. Задолго до начала нашего летоисчисления в Китае применялись горизонтальные и вертикальные вороты с ручным приводом.
Позднее древними греками были введены в практику рудо-подъема, транспорта и строительства конные вороты, полиспасты и сложные подъемные установки, состоявшие из раскрепленных канатами наклонных столбов с постоянными или переменными углами наклона к горизонту и из подвешенных к столбам полиспастов с простейшими захватными устройствами для штучных грузов.
Дальнейшее совершенствование этих установок римлянами привело к созданию поворотных подъемных кранов. По описанию Витрувия, относящемуся к I веку до нашей эры, краны эти укреплялись на прочных деревянных брусьях, которые могли поворачиваться на катках в любую сторону. Подъем груза такими кранами мог осуществляться на высоту до 12 м; приводились они в действие с помощью ручных воротов или посредством топчаков. В древнем Риме впервые появились также клетевые подъемники - прототипы современных лифтов.
Западная Европа.В Западной Европе в XI- XII вв. происходит дальнейшее развитие техники. В XIV- XV вв. в связи с развитием торговли и мореплавания и ростом горно-металлургической промышленности отмечается некоторое совершенствование грузоподъемных устройств.
По мере развития механики конструкция грузоподъемных средств совершенствовалась. Появились лебедки и полиспасты, что позволило путем сочетания их перемещать и поднимать тяжелые грузы с большой скоростью или с меньшими усилиями. Соединение ворота с блоком или полиспастом создало основное звено грузоподъемного устройства - механизм подъема и дало толчок к появлению различных по конструкции типов кранов (поворотных, переносных). Интересные примеры применения в прошлом для грузоподъемных работ полиспастов, лебедок и блоков можно найти в истории развития техники нашей страны.
Появление ярко выраженных конструкций кранов относится к периоду XIV-XV вв., когда в Европе (Италии, Германии, Чехии) стали создаваться поворотные, стреловые и цепные краны с остовом из дерева и с конным приводом через топчаки. В связи с промышленным развитием Европы краностроение стало развиваться в конце XVIII и начале XIX в. после изобретения парового двигателя (Уатт, 1763 г.).
Особенностью грузоподъемных механизмов, установок и устройств, вводившихся в эксплуатацию до XIX в., было применение дерева как строительного материала для ответственных узлов (остовов, стоек, воротов и т. д.). Так, например, ободы и зубья зубчатых колес в этих механизмах и установках выполнялись деревянными. Сталь применялась только дли таких деталей, как оси, храповики, крюки.
Замена дерева металлом сравнительно широко начинает осуществляться лишь в первой четверти XIX столетия.
В двадцатых годах XIX столетия в Париже был построен целиком из дерева первый мостовой кран. Деревянные и деревянно-металлические несущие конструкции мостовых и козловых подъемных кранов, стрел портальных кранов сравнительно часто применялись еще в последней четверти XIX в.
Приведение в действие рассматриваемых механизмов и установок осуществлялось мускульной силой человека или животных. Водяные двигатели, известные еще древним народам, и ветряные двигатели средневековья не получили в них широкого распространения. Лишь в начале прошлого столетия, когда с развитием промышленности и транспорта все чаще возникала необходимость в подъеме тяжелых грузов, при увеличении скоростей подъема и горизонтального перемещения, начинает применяться машинный привод для кранов большой грузоподъемности и для подъемников общего назначения.
Наиболее ранним по времени использования в машинах рассматриваемой группы явился гидравлический привод, где рабочей жидкостью служила вода, подававшаяся в рабочие цилиндры под давлением, достигавшим нескольких десятков атмосфер. Начало применения этого привода относится к концу XVIII в. Однако первый подъемный кран с гидравлическим приводом был введен в эксплуатацию в Англии в 1846-1847гг., и только во второй половине XIX в. гидравлический привод получил широкое распространение в стационарных и передвижных кранах, в пассажирских и грузовых подъемниках (лифтах), домкратах и пр.
В 1811 г. Бетанкуром в России была построена многочерпаковая землечерпательная машина с паровым приводом, в 80-х годах прошлого столетия был построен первый паровой железнодорожный кран и в 1877 г.- кабельный кран. Примерно к этому времени относится и создание конструкции мостовых и портальных кранов.
В тридцатых годах XIX в. в Англии (1827г.) впервые осуществляется постройка стационарного парового подъемного крана. Но в последующий период краны с паровым приводом не получили заметного распространения вследствие несовершенства конструкции. В 90 гг. XIX в., вследствие совершенствования паросиловых установок, уменьшения их габаритных размеров и веса, паровые краны постепенно вытесняют гидравлические краны.
В 1880 г. в Германии был построен первый электрический подъемник (лифт) с механизмом подъема, состоявшим из двигателя, червячной передачи и зубчатых колес, которые входили в зацепление с зубьями неподвижной направляющей рейки. В то же время в Германии был построен электрический мостовой кран с приводом всех механизмов от одного электродвигателя, а в 1889 г-в США был введен в эксплуатацию первый электрический мостовой кран с индивидуальным электроприводом механизмов подъема груза, передвижения грузовой тележки и передвижения моста крана. В 1885 и 1891 гг. применение электрического привода распространяется на козловые, полупортальные и стационарные поворотные краны. В 1895 г. для передвижных кранов впервые был применен привод от двигателей внутреннего сгорания.
Промышленное краностроение особенно стало развиваться после изобретения электропривода. С появлением электропривода в Германии были созданы электрические лебедки-фрикционная (1880 г.) и электрореверсивная (1908 г.). К этому периоду относится создание электрических подъемников (1880 г.) и мостовых кранов.
С развитием жилищного и промышленного строительства появилась потребность в создании строительных кранов для замены тяжелого человеческого труда. В 1902 г. были созданы краны-укосины, состоящие из металлической укосины (плоской треугольной фермы) с блоками, укрепленной на деревянной трубчатой мачте, и с лебедкой, установленной на земле. В 1905 г. в Германии был впервые создан свободно стоящий поворотный стационарный, а в 1908 г.- передвижной башенные краны с изменением вылета с помощью грузовой тележки, передвигающейся по стреле. В 1914 г. был создан башенный кран с подъемной стрелой, имеющий все основные признаки современных конструкций.
Россия.
В конце XVII в. в Московском Кремле был поднят при помощи ручных лебедок (воротов) с использованием противовесов и рычагов Царь-колокол весом более 130 т. Лебедки при этом были размещены на башне. Поднятые заранее небольшие грузы-противовесы были уложены на площадках, подвешенных к канатам, переброшенным через четырехгранные блоки. Применение противовесов значительно уменьшило усилие для подъема груза.
На рисунке показано устройство для подъема руды, предложенное в 1752 г. Две грузовые платформы были связаны с воротом таким образом, что груженая рудой платформа под действием составляющей собственного веса платформы и груза перемещалась вниз и поднимала при этом параллельно расположенную пустую платформу. Для регулирования скорости спуска применялся одноколодочный тормоз, колодка которого системой рычагов действовала на большое тормозное колесо, насаженное на вал ворота. Подобные маятниковые скатные устройства нашли применение в горнозаводском деле.
До XVIII в. основными источниками энергии грузоподъемных машин были мускульная сила человека или животного и сила падающей воды. Машина К. Д. Фролова, снабженная двумя попеременно поднимающимися бадьями, приводилась в движение силой падающей воды. Изменить направление движения подъемных канатов можно было путем перемещения специальным затвором потока падающей воды на правую или левую половину приводного колеса. Машина была снабжена одноколодочным тормозом, управляемым вручную через рычажную систему
Примером применения лебедок, полиспастов и катков для перемещения груза на значительные расстояния может служить доставка гранитного камня весом около 1000 пудов для цоколя памятника Петру I в 1769 г. Камень перемещался по специальному настилу из двух деревянных рам-обойм, имевших продольные желоба, армированные медными листами. В желобах, между верхней и нижней обоймами, помещались бронзовые шары. Обоймы с шарами образовывали подобие шарикового упорного подшипника. По мере продвижения под камень, помещавшийся на верхней деревянной раме-обойме, укладывались новые нижние обоймы с шарами.
С помощью деревянных лесов и деревянных воротов в 1828-1830 гг. в Петербурге были выполнены работы по установке колонн двухъярусной колоннады Исаакиевского собора, а в 1832 г. - работы по установке Александровской колонны, вес которой превышал 600 тонн.
В дореволюционной России еще около ста пятидесяти лет назад индивидуальное позаказное производство подъемных кранов велось на Костромском механическом заводе. В конце XIX в. выпуск различных типов подъемного оборудования был освоен рядом крупнейших машиностроительных заводов (Сормовский, Коломенский, Брянский, Краматорский, Путиловский и др.).