Шкив - Pulley
| Шкив | |
|---|---|
 Шкивы на корабле. В этом контексте шкивы обычно называют блоками .
| |
| Классификация | Простая машина |
| Промышленность | Строительство, транспорт |
| Колеса | 1 |
| Оси | 1 |
Шкив является колесом на оси или вале , который предназначен для движения поддержки и изменений направления тугого кабеля или лент, или передачи мощности между валом и кабелем или ремнем. В случае шкива, поддерживаемого рамой или оболочкой, которая не передает мощность на вал, но используется для направления троса или приложения силы, поддерживающая оболочка называется блоком, а шкив может называться шкивом.
Шкив может иметь канавку или канавки между фланцами по окружности для размещения кабеля или ремня. Приводным элементом шкивной системы может быть трос , трос , ремень или цепь .
Самые ранние свидетельства использования шкивов относятся к Древнему Египту времен Двенадцатой династии (1991–1802 гг. До н.э.) и Месопотамии в начале 2-го тысячелетия до нашей эры. В римском Египте , Герой Александрии (с. 10-70) CE определил шкив в качестве одного из шести простых машин , используемых для весов подъема. Шкивы собраны в блок и захват , чтобы обеспечить механическое преимущество при приложении больших усилий. Шкивы также собираются как часть ременной и цепной передач для передачи мощности от одного вращающегося вала к другому. В « Параллельных жизнях» Плутарха рассказывается сцена, в которой Архимед доказал эффективность составных шкивов и системы блокировки и захвата, используя один, чтобы тянуть к себе полностью груженый корабль, как если бы он скользил по воде.
Блокировать и ловить
Набор шкивов, собранных так, что они независимо вращаются на одной оси, образуют блок. Два блока с веревкой, прикрепленной к одному из блоков и продетой через два набора шкивов, образуют блок и захват .
Блок и решение собранно так , один блок прикреплен к неподвижной точке крепления , а другой прикреплен к подвижной нагрузке. Идеальное механическое преимущество блока и снасть равно числу частей веревки , которые поддерживают подвижный блок.
На диаграмме справа идеальное механическое преимущество каждого из показанных блоков и приспособлений выглядит следующим образом:
- Снасти: 2
- Снасть: 3
- Двойной отбор: 4
- Снасти для гинекологии: 5
- Тройная покупка: 6
Канатно-шкивные системы
Система каната и шкива, то есть блок и снасть , характеризуется использованием одного непрерывного каната для передачи силы натяжения вокруг одного или нескольких шкивов для подъема или перемещения груза - канат может быть легкой веревкой или канатом. прочный кабель. Эта система включена в список простых машин, определенных учеными эпохи Возрождения.
Если система каната и шкива не рассеивает и не накапливает энергию, то ее механическим преимуществом является количество частей каната, которые воздействуют на нагрузку. Это можно показать следующим образом.
Рассмотрим набор шкивов, которые образуют подвижный блок, и части троса, которые поддерживают этот блок. Если существует p этих частей каната, поддерживающих нагрузку W, то баланс сил на движущемся блоке показывает, что натяжение в каждой из частей каната должно быть W / p. Это означает, что входная сила на веревке составляет T = W / p. Таким образом, блокировка и захват уменьшают прилагаемую силу в p раз.
Оружейная снасть имеет один шкив как в неподвижном, так и в подвижном блоках с двумя тросовыми частями, поддерживающими груз W.
Разделение шкивов в захвате показывает баланс сил, который приводит к натяжению каната W / 2.
Двойной захват имеет два шкива как в неподвижном, так и в подвижном блоках с четырьмя тросовыми частями, поддерживающими нагрузку W.
Разделение шкивов в двойной захват показывает баланс сил, который приводит к натяжению каната W / 4.
Метод работы
Простейшая теория работы системы шкивов предполагает, что шкивы и стропы невесомы и что нет потерь энергии из-за трения. Также предполагается, что линии не растягиваются.
В состоянии равновесия силы на движущемся блоке должны равняться нулю. Кроме того, натяжение веревки должно быть одинаковым для каждой из ее частей. Это означает, что каждая из двух частей веревки, поддерживающей подвижный блок, должна выдерживать половину нагрузки.
Фиксированный шкив
Диаграмма 1: Нагрузка F на подвижный шкив уравновешивается натяжением двух частей каната, поддерживающего шкив.
Подвижный шкив
Схема 2: Подвижный шкив, поднимающий груз W , поддерживается двумя частями троса с натяжением W / 2.
Это разные типы шкивных систем:
- Установленный: фиксированный шкив имеет ось установлена в подшипниках , прикрепленных к опорной конструкции. Фиксированный шкив изменяет направление силы на веревке или ремне, движущемся по его окружности. Механическое преимущество достигается за счет комбинирования фиксированного шкива с подвижным шкивом или другого фиксированного шкива другого диаметра.
- Подвижный: подвижный шкив имеет ось в подвижном блоке. Один подвижный шкив поддерживается двумя частями одного и того же троса и имеет механическое преимущество, равное двум.
- Состав: комбинация неподвижных и подвижных шкивов образует блок и захват . Блок и снасть может иметь несколько шкивов , установленные на неподвижные и подвижные осях, дополнительно увеличивая механическое преимущество.
Диаграмма 3: У ружейного снаряда, «стремящегося к преимуществу», веревка прикреплена к движущемуся шкиву. Натяжение веревки составляет W / 3, что дает преимущество в три.
Диаграмма 3a: Снасть Luff добавляет фиксированный шкив, «ставящий в невыгодное положение». Натяжение веревки остается равным W / 3, что дает преимущество в три.
Механическое преимущество ружейной снасти может быть увеличено путем замены неподвижных и подвижных блоков местами, так что трос прикрепляется к подвижному блоку, а трос натягивается в направлении поднятого груза. В этом случае говорят, что блок и подкат «идут с выгодой». На диаграмме 3 показано, что теперь три части каната поддерживают нагрузку W, что означает, что натяжение каната равно W / 3 . Таким образом, механическое преимущество составляет три.
При добавлении шкива к неподвижному блоку стрелы направление тянущего усилия меняется на противоположное, хотя механическое преимущество остается прежним, Диаграмма 3a. Это пример снасти Luff.
Диаграммы свободного тела
Механическое преимущество шкива системы может быть проанализировано с помощью свободных диаграмм тела , которые уравновешивают силы натяжения в канате с силой тяжести на нагрузке. В идеальной системе безмассовые и не содержащие трения шкивы не рассеивают энергию и позволяют изменять направление троса, который не растягивается и не изнашивается. В этом случае баланс сил на свободном теле, который включает в себя нагрузку W и n опорных участков каната с натяжением T , дает:
Отношение нагрузки к входной силе натяжения является механическим преимуществом MA шкивной системы,
Таким образом, механическое преимущество системы равно количеству секций каната, несущих нагрузку.
Ременно-шкивные системы
Система ремня и шкива характеризуется двумя или более шкивами, общими для ремня . Это позволяет передавать механическую мощность , крутящий момент и скорость на оси. Если шкивы имеют разный диаметр, достигается механическое преимущество.
Ременная передача аналогична цепной передаче ; тем не менее, шкив ремня может быть гладким (без дискретных элементов блокировки, которые можно найти на звездочке, прямозубой шестерне или зубчатом ремне), так что механическое преимущество приблизительно определяется только отношением делительного диаметра шкивов, не фиксируется точно по соотношению зубьев, как у шестерен и звездочек.
В случае барабанного шкива без канавки или фланцев шкив часто слегка выпуклый, чтобы удерживать плоский ремень по центру. Иногда его называют шкивом с короной. Хотя раньше этот тип шкива широко использовался на валах заводских линий , он все еще используется для вращения вращающейся щетки в вертикальных пылесосах , ленточных шлифовальных станках и ленточных пилах . Сельскохозяйственные тракторы, выпускавшиеся до начала 1950-х годов, обычно имели ременной шкив вместо плоского ремня (так был назван журнал Belt Pulley ). Он был заменен другими механизмами с большей гибкостью в использовании, такими как коробка отбора мощности и гидравлика .
Подобно тому, как диаметры шестерен (и, соответственно, их количество зубьев) определяют передаточное число и, таким образом, увеличение или уменьшение скорости и механическое преимущество, которое они могут обеспечить, диаметры шкивов определяют те же факторы. Конические шкивы и ступенчатые шкивы (которые работают по одному и тому же принципу, хотя названия обычно применяются к версиям с плоским ремнем и версиям с клиновым ремнем, соответственно) являются способом обеспечения нескольких передаточных чисел в системе ремня и шкива, которая может переключаться по мере необходимости, точно так же, как трансмиссия обеспечивает эту функцию с помощью зубчатой передачи, которую можно переключать. Ступенчатые шкивы с клиновыми ремнями - это наиболее распространенный способ, с помощью которого сверлильные станки обеспечивают диапазон скоростей шпинделя.