滑轮和机械优势系统
2024-06-20 / 技术支持 / 阅读量 50

在使用绳索提升负载的任何救援或索具场景中,提升系统都是必不可少的。使用滑轮组合来利用提升时施加的力的提升系统称为机械优势 (M/A) 系统。无论是构建简单、复合还是复杂的 M/A 系统,首先了解滑轮的工作原理都很重要。

14f61c4a-8c5d-4c47-b250-5efbbcabac8d.jpg

滑轮的工作原理

定滑轮可视为一级杠杆。支点位于滑轮中心的轴上,就在连接滑轮和锚点的登山扣正下方。由于滑轮是圆形的,从轴(支点)到绳索离开滑轮并转向阻力(负载)的点的距离 (FR) 等于从轴到绳索离开滑轮并转向作用力(力)的点的距离 (FE)。两个杠杆臂相等,导致 MA 为 1:1,这就是变向滑轮不会增加系统机械优势的原因。

1141d943-29ed-4f88-8f6f-77df44cf46b5.jpg

移动滑轮可视为二类杠杆。支点位于滑轮边缘,就在绳索与锚点连接处的正下方。一个杠杆臂 (FR) 从支点延伸到销钉,销钉位于将阻力 (负载) 连接到滑轮的登山扣正上方。另一个杠杆臂 (FE) 从支点延伸到绳索离开滑轮并转向作用力 (力) 的点。该杠杆臂的长度是另一臂的两倍,从而产生 2:1 MA。移动滑轮增加了系统的机械优势。

f18592a9-d77a-4275-b189-76df29531130.jpg

机械优势系统中的滑轮

滑轮在机械优势系统中发挥两种不同的作用。如果滑轮连接到锚点,则称为固定滑轮或变向滑轮。其作用是改变绳索的拉力方向。如果滑轮连接到负载,则称为可移动滑轮或机械优势滑轮。其作用是增加系统的机械优势。

棘轮,也称为进度捕获装置或 PCD,是一种连接到锚点时会抓住绳索的装置,这样当释放拉力时,负载就不会再次下降。这起到了安全的作用,因此如果拖运队松开绳索,负载就不会再次下降。这还使我们能够重置机械优势滑轮,以便我们可以将负载拖得更远。提升系统需要重置的次数取决于负载必须提升的距离和提升系统可以延伸的距离。机械绳索抓钩或用普鲁士绳结打结的摩擦结可用作棘轮。

通过使用机械优势滑轮、变向滑轮、绳索、锚和棘轮的不同组合来构建系统,我们可以找到适合完成特定任务的工具。通常,使用完成任务所需的最低机械优势将导致最快的救援,因为它需要更少的重置。

为简单起见,本篇博文我们将忽略这些系统固有的摩擦力,重点关注理论机械优势。未来博文将讨论理论机械优势与实际机械优势。

简单滑轮系统

简单的 M/A 系统可以定义为所有移动滑轮都以与负载相同的方向和速度移动的系统。一些简单的滑轮系统最常用。最常见的是 3:1 机械优势,有时称为“Z”形装置,因为装配时,绳索看起来像“Z”。理论上,100 磅的拉力可以提升 300 磅的负载。由于摩擦,实际机械优势略低。

d521562d-760b-4284-86b2-7d9e942aacb5.jpg

许多密闭空间作业需要垂直进入。当我们建立机械优势系统来在这种情况下移动负载时,可以使用简单的“滑轮组”系统,例如 2:1“梯子装置”或顶部和底部带有双滑轮的 4:1 系统。

复合滑轮系统

当一个简单的滑轮系统拉动另一个简单的滑轮系统时,就会产生复合滑轮系统。通过将 2:1 的机械优势添加到 3:1 的机械优势系统中,您可以复合或乘以机械优势,最终得到 6:1。3:1 拉动另一个 3:1 可为您带来 9:1 的机械优势。

7a47a38f-e378-48c8-bad8-df34f7a752c4.jpg

复杂滑轮系统

既非简单又非复合的系统是复杂滑轮系统。图中所示的 5:1 就是一个复杂系统。

55c86a53-6a18-4bbe-86e6-c5abdd51af69.jpg

随着机械优势的增加,必须通过系统拉动的绳索数量也会成比例增加。考虑到这一点,最好尽可能少地使用机械优势来完成任务。简单的 1:1 改变方向和棘轮,加上足够的人力来拉动负载,通常可以更快地完成工作。当人力短缺成为问题时,增加机械优势。

复杂滑轮系统通常比同等的简单滑轮系统效率更高。例如,复杂 5:1 系统需要的滑轮少 1 个,因此系统的摩擦力比简单 5:1 系统小。此外,复杂 5:1 系统只需要拉动 4 英尺长的绳索即可将负载提升 1 英尺,而简单 5:1 系统则需要拉动 5 英尺长的绳索才能将负载提升 1 英尺。

31bb67c8-4411-42a4-9bb2-ab2466c949b8.jpg

There are five rules that can be used to determine simple and compound mechanical advantage systems. To learn more, take Rescue Physics.

  1. Rule #1: If the pulley closest to the haulers is on the anchor, the pulley is only considered a change of direction (cd). The same rule applies to ANY pulley system.
  2. Rule #2: If the rope used in the pulley system is tied to the anchor, the ideal mechanical advantage (IMA) will be EVEN (i.e., 2:1, 4:1. 6:1, etc.)
  3. Rule #3: If the rope used in the pulley system is tied to the load, the ideal mechanical advantage (IMA) will be ODD (i.e., 1:1, 3:1. 5:1, etc.)
  4. Rule #4: To determine the IMA of a simple pulley system, count the ropes between the anchor and the load. Do not count the ropes between two anchors.
  5. Rule #5: A simple MA pulling on the haul line of another simple MA is called a compound MA system.

搭载系统

另一种可用的方法是“背驮式”,这是一种在牵引绳上安装的机械优势系统。负载由一根由棘轮固定的单独绳索支撑,当需要提升负载时,将预先安装的机械优势系统通过普鲁士结连接到牵引绳上。这在负载来回提升和降低多次的情况下非常有用。背驮式系统可以具有任何级别的机械优势。虽然并不常见,但背驮式降低系统也可以安装。它们通常用于短距离或通过绳结时。

64a232dd-40f4-4cac-9461-0b381ff7cded.jpg

T 方法

确定 滑轮系统的机械效益有多种方法。大多数方法特定于一种系统。T法适用于所有系统,并提供其他重要信息,如施加到系统每个组件的最大力。该方法通过确定系统中每段绳索上的张力单位来工作。1 个张力单位的实际值随着实际输入和输出力的变化而变化。张力的最小单位由被拖拉的负载和系统的机械效益决定。张力的最大单位由施加到系统的最大输入力决定。输入力由拖拉队中的拖拉工人数量及其拉力决定。

a12cd703-c8e7-4649-9305-5e5e4150d0c9.jpg

将 T 方法应用于简单的机械优势系统

要使用 T 法确定理论机械效益,请从输入端开始,如上图所示,输入端有 1 个单位的张力。每个滑轮都会达到平衡,因此 1 个单位的张力会进入蓝色滑轮,1 个单位的张力会离开滑轮。在登山扣连接到蓝色滑轮和红色普鲁士结的点(也称为滑轮的顶点)处,会有 2 个单位的张力。这 2 个单位的张力会将力施加到红色普鲁士结上。现在,回到刚从蓝色滑轮出来的那一根绳子,那一个单位的张力进入安装在锚点处的紫色滑轮。同样,1 个单位的张力进入滑轮,1 个单位的张力离开,在锚点上留下 2 个单位的张力。从紫色滑轮出来 1 个单位的张力然后沿着绳索向下移动并与普鲁士结处的 2 个单位张力相遇。将它们加在一起得到 3 个单位的张力,使其成为 3:1。回到简单系统的定义,我们看到一个移动的滑轮与负载以相同的方向移动,这使其成为一个简单的 3:1 系统。

让我们再用实际重量来看看这个问题。假设我们有一个 3kN 的负载或输出力。如果将 3kN 除以 3,则得到 1kN。输入端需要 1kN 的力。1kN 进入 MA 滑轮,1kN 离开滑轮,在滑轮、登山扣和普鲁士结的顶点上施加 2kN 的力。现在,回到刚刚离开滑轮的 1kN,1kN 的力进入安装在锚点处的滑轮,1kN 的力和 1kN 的力离开,在提升负载时在锚点上施加 2kN 的力。离开滑轮的 1kN 力然后沿着绳索向下传递并与普鲁士结处的 2kN 力相遇,总共产生 3kN 的负载。

在更接近可用的理论系统中,接下来应该考虑滑轮摩擦力来确定实际的机械优势。

微信捐赠
请使用微信扫一扫进行赞赏