История развития грузоподъемных механизмов

Со времен возникновения цивилизации вплоть до начала индустриальной революции, люди для подъема предметов использовали силу своих мышц. Со временем организационные навыки и хитроумные механические изобретения позволили поднимать все более весомые грузы. Однако только с началом индустриальной революции произошел коренной перелом в области грузоподъемных механизмов, что позволило человечеству поднимать предметы, о которых они даже не мечтали ранее, затрачивая при этом минимум усилий.

istoriya-gruzopodjemnykh-mekhanizmov-avtokranНа сегодняшний день наиболее распространенная грузоподъемность башенного крана, используемого в строительстве, составляет от 12 до 20 тонн. Для большинства строительных проектов древней истории, такой грузоподъемности будет совершенно недостаточно.

Египетские пирамиды, построенные в период от 2750 до 1500 г. до н.э. в большинстве своем состоят из камней весом 2-3 тонны, однако все эти конструкции держатся на каменных блоках весом более 50 тонн. Храм Амона-Ра в Карнаке имеет лабиринт из 134 колонн высотой 23 метра, которые в свою очередь являются опорами поперечных балок весом от 60 до 70 тонн каждая. 18 капитальных блоков колонны Траяна в Риме весят более 53 тонн, и они были подняты на высоту 34 метров. Храм римский Юпитер (Вакха) в Баальбеке содержит каменные блоки весом более 100 тонн, поднятые на высоту 19 метров. Сегодня, чтобы поднять груз весом от 50 до 100 тонн до этих высот понадобится предельно мощный кран.

istoriya-gruzopodjemnykh-mekhanizmov-02Иногда, нашим предкам приходилось поднимать еще более тяжелые грузы. Купол мавзолея Теодориха Великого в Равенне (около 520 н. э.) — это 275-тонный каменный блок, который был поднят на высоту 10 метров. Храм в честь фараона Хефрена в Египте состоит из монолитных блоков весом до 425 тонн. Самый большой египетский обелиск весил более 500 тонн и имел высоту более 30 метров, в то время как крупнейший обелиск в Царстве Аксум в Эфиопии (4 век н. э.), поднятый на высоту 24 метра, весил 520 тонн. Колоссы Мемнона – две 700-тонные статуи  были возведены на высоту 18 метров, а стены храма Юпитера в Баальбеке (1-й век до н. э.) содержат почти 30 монолитов весом от 300 до 750 тонн каждый. Только самые мощные современные краны могли бы поднимать камни этого веса.

Подъем строительных материалов до впечатляющих высот также не составлял особых проблем. Так, высота Александрийского маяка (3 век до н.э.) составила более 76 метров. Египетские пирамиды поднимаются до 147 метров. В средневековье около 80 крупных соборов и около 500 крупных церквей были построены с высотой до 160 метров. В настоящее время подъем груза на данные высоты недосягаем для большинства современных кранов, кроме самых последних топ-моделей гусеничных кранов.

Сила человеческого подъема

Учитывая тип кранов, которые потребовались бы сегодня для решения задач, описанных выше, удивляешься, как наши предки были способны поднять такие внушительные грузы без помощи сложных машин. Дело в том, что в их распоряжении были механизмы, принцип действия которых был схож с сегодняшними. Единственное отличие от современных кранов является то, что эти машины были приведены в действие с помощью людской силы вместо топлива или электрической энергии.

istoriya-gruzopodjemnykh-mekhanizmov-42В принципе, нет никаких ограничений на вес, который люди могут поднять с помощью чистой мышечной силы. Также не существует ограничения на высоту, к которой этот груз можно поднять. Единственное преимущество современных подъемных механизмов – это высокая скорость подъема, и как следствие экономия времени. Конечно, это вовсе не означает, что один человек может поднять что угодно на любую высоту, или что мы можем поднять что-либо на любую высоту, просто используя достаточное количество людей вместе. Но начиная с 3 века до нашей эры, инженеры разработали ряд машин, которые значительно повысило подъемную силу человека или группы людей. Подъемные устройства использовались в основном для строительных нужд, но позже также применялись для погрузки и разгрузки товаров, для подъема паруса на судах, и для целей горной промышленности.

Первоначально скорость подъема машин была крайне низкой, в то время как количество живой силы, необходимой для работы, оставалось очень высоким. Однако к концу девятнадцатого века, непосредственно перед началом массовой эксплуатацией паросиловых машин, грузоподъемные механизмы стали столь тщательно продуманными, что один человек мог поднять 15-тонный груз в мгновение ока, используя только одну руку.

Пандусы и рычаги

istoriya-gruzopodjemnykh-mekhanizmov-43Некоторые думают, что в распоряжении строителей Древнего Египта имелись сложные подъемно-транспортные машины, однако большинство историков заявляют, что египтяне использовали только самые простые подъемные устройства: наклонные плоскости (пандусы) и рычаги (принцип качелей). Скаты (пандусы) использовались для подъема обелисков.

При перемещении объекта вверх по пандусу, а не при помощи полностью вертикального подъема, величина требуемой силы уменьшается за счет увеличения расстояния, который груз должен преодолеть. Механическое преимущество наклонной плоскости (пандуса) равна длине плоскости, деленной на высоту склона.
Механическое преимущество рычага – это расстояние между точкой опоры и точкой, где применяется сила, деленная на расстояние между точкой опоры и весом, который будет поднят.

istoriya-gruzopodjemnykh-mekhanizmov-pandusВ тоже время метод египтян не дал значительного механического преимущества над простым вертикальным подъемом груза с помощью веревок, так как потребность в рабочей силе была крайне высока не только для буксировки и перевертывания камней (около 50 мужчин для буксировки блока весом 2,5 тонны), но и для строительства и демонтажа глиняных пандусов.

Историки подсчитали, что трудовые ресурсы, необходимые чтобы построить пирамиды составляли от 20000 до 50000 мужчин, а срок строительства большинства пирамид растягивался на десятилетия. В наши дни такие сооружения могут быть построены за несколько лет с помощью кранов и небольшого штата сотрудников.

Рождение крана. Шкив

istoriya-gruzopodjemnykh-mekhanizmov-schkivПервые краны появились в Греции в конце 6 начале 5-го века до нашей эры. Римляне, стремясь строить большие сооружения, переняли технологию и развили ее дальше. Самые ранние краны состояли из троса, пропущенного через шкив. Прежде чем этот метод подъема нашел свое применение в строительстве, с 8-9-го века до нашей эры он использовался для черпания воды из скважин. Применение одного шкива не дает механического преимущества само по себе, но он меняет направление тяги: легче тянуть вниз, а не тащить вверх. Подталкивание вертикально вверх одной рукой производит приблизительно 150 ньютонов, в то время как подталкивание вертикально вниз одной рукой производит приблизительно 250 ньютонов.

Приблизительно в 4 веке до нашей эры механическое преимущество кранов было увеличено с помощью внедрения дополнительных изменений в данный метод подъема, а именно соединение нескольких шкивов в блоки. Механическое преимущество в таком случае равняется сумме используемых шкивов.

У подъемного крана с тройным шкивом есть два шкива, прикрепленных к подъемному крану и свободный шкив, отстраненный от него. Это предлагает механическое преимущество от 3 до 1. Подъемный кран с пятью шкивами в аналогичном механизме предлагает механическое преимущество от 5 до 1.

istoriya-gruzopodjemnykh-mekhanizmov-6Используя составной шкив человек может поднять больше, чем не используя. Если единственный человек, тянущий веревку, может поднять груз в 50 кг, то он же может поднять (или опустить) 150 кг, используя подъемный механизм с тройным шкивом и 250 кг, используя блок с пятью шкивами. То же самое относится и к тросу. Трос с пределом прочности 50 килограммов может применяться для подъема (или спуска) 150 килограммов, используя подъемный механизм с тройным шкивом и 250 кг, используя блок с пятью шкивами.

Недостатком подъемного механизма с блоком шкивов является, опять-таки, расстояние и, следовательно, скорость подъема. Подъем груза на высоту 3 метра с помощью крана с тройным шкивом потребует трос длиной 9 метров, а подъем груза на высоту 3 метра с помощью крана с пятью шкивами уж потребует трос на 15 метров.

Теоретически, может быть использовано любое количество шкивов, но из-за трения, а как следствие быстрого износа механизмов, древние грузоподъемные машины были ограничены пятью шкивами. Если требовалась большая грузоподъемность механизма вместо увеличения количества шкивов в пределах одного блока римляне использовали два или более блоков шкивов с закрепленной к каждому из них своей бригады работников. Потеря мощности вследствие трения для средневекового крана оценивается в 20 процентов от максимальной мощности.

Лебедки и кабестаны

istoriya-gruzopodjemnykh-mekhanizmov-kabestanДругим усовершенствованием в области подъема и перемещения грузов стало изобретение лебедки и кабестана, которые стали применяться в производстве примерно в то же время, что и шкив. Единственное различие между лебедкой и кабестаном заключается в том, что первый механизм имеет горизонтальную ось, а второй вертикальную.

Механическое преимущество этих машин появлялось вследствие кругового вращения троса вокруг барабанной оси. Таким образом, человек, управляющий лебедкой, способен поднять груз в 6 раз больше, чем в случае, когда он бы просто тащил трос.

Подъемный механизм, сочетающий в себе блоки со шкивами и лебедки, давал возможность одному человеку поднимать груз весом до 1500 килограмм. В то время как для буксировки по рампе каменного блока такого же веса в Древнем Египте пришлось бы задействовать порядка 30 – 60 человек.

Ступальное колесо

istoriya-gruzopodjemnykh-mekhanizmov-stupalnoe-koleso-rimЕще более производительным подъемным механизмом в сравнении с лебедкой было ступальное колесо, первые упоминания о котором датируется 230 годом до нашей эры. Такой грузоподъемный механизм имел в своей основе колесо диаметром 4 – 5 метров, что давало большее механическое преимущество из-за большего радиуса колеса в сравнении с радиусом оси. Более того, при подъеме груза с помощью лебедки, человек генерировал энергию только с помощью рук, а в случае со ступальным колесом подъемная сила появлялась от ходьбы/бега человека или тягловых животных. Таким образом, такое колесо повышало производительность человека в 70 раз и давало возможность одному человеку, приложившему усилие 50 кг, поднимать груз весом до 3500 кг. Некоторые из таких кранов (особенно портовые) снабжали двумя подъемными колесами. В свою очередь на каждом таком колесе размещали по два человека, идущих бок о бок. Максимальная грузоподъемность этих кранов, даже с учетом потери 20% из-за трения, достигала 11.2 тонн. Но такие механизмы имели и свои минусы. Например, для подъема груза на 10-метровую высоту человеку приходилось преодолеть расстояние в 140 метров, причем на довольно приличной скорости. Долго подобную скорость один человек поддерживать был не в силах, поэтому рабочую силу приходилось часто менять.

Подъемные башни

istoriya-gruzopodjemnykh-mekhanizmov-kranНесмотря на то, что мощность подъемного колеса впечатляет, задаешься вопросом – а как же наши предки поднимали более тяжелые грузы, например 500-тонные обелиски, в эпоху Римской империи? В основном, таким же методом, как и сейчас – способом объединения нескольких грузоподъемных устройств.

Один из методов, основанный на постройке огромной башни с множеством одновременно работающих кабестанов, описал в своей книге знаменитый инженер-строитель Ватикана —  Доминик Фонтана. Там дано подробное описание перемещения огромного обелиска с римского ипподрома на площадь собора Святого Петра. Процесс переноса обелиска включал в себя демонтаж, передвижение и подъем 350-тонной колонны на новом месте.

Грузоподъемные механизмы средневековья

istoriya-gruzopodjemnykh-mekhanizmov-churchПосле распада Римской империи, использование сложных грузоподъемных механизмов в Европе, практически остановилось на долгие 800 лет. Краны под управлением лебедок начали снова появляться только в конце 12 века. Краны с большими ступальными колесами снова начали использовать в 13 веке во Франции и в 14 веке в Англии, то есть немного позже, чем началось массовое использование ветряных мельниц и водяных колес. По сравнению с эпохой Римской империи до наших дней дошло очень мало технической информации о подъемных механизмах средневековья. Большинство наших исторических знаний исходит от картин и от иллюстраций в рукописях того времени.

Но все же несколько подъемных кранов с ступальными колесами были сохранены на чердаках церквей и соборов. Большие подъемные краны были необходимы для строительства готической архитектуры средневековья. Здания этой эпохи были значительно выше, чем самые высокие сооружения времен Римской империи.

Сначала краны, используемые для строительства готических церквей, монтировали на земле. Затем при необходимости такие краны разбирались и переносились на все новые и новые высотные отметки пока храм не отстроится. Часть этих кранов оставляли над сводами и под крышей, где они могли бы пригодиться для ремонтных работ.

istoriya-gruzopodjemnykh-mekhanizmov-portovyi-kranНовым явлением для средневековья был стационарный портовый кран, снабженный подъемным механизмом со ступальным колесом. Древние греки и римляне его не использовали по причине наличия большой рабской силы, которую они использовали при разгрузке и загрузке судов. Римский стандарт транспортировочного контейнера (амфора) был достаточно мал и мог легко и быстро загружаться и выгружаться с помощью человеческого ленточного конвейера и пандуса.

Портовые краны впервые появились во Фландрии, Голландии и Германии в 13 веке, а также в Англии в 14 веке. Они были более мощными, чем краны, применяемые в строительстве, и оснащены не одним, а двумя подъемными колесами, имеющих диаметр до 6,5 метров. Эти более мощные подъемные механизмы были нацелены на более высокие скорости подъемы и опускания, нежели на большую грузоподъемность. При загрузке и погрузке грузов скорость была более важна, чем в строительстве.

Как правило, портовые краны имели крышу для защиты рабочих и механизма от осадков. Эти подъемные машины были схожи с ветряными мельницами, как технически, так и по внешнему виду. Предположительно в Европе было построено около 100 портовых кранов и всего 10 таких конструкций сохранилось до наших дней.

Поворотные краны

Поворотный кранСегодня стрела подъемного крана может вращаться на 360 градусов одновременно с перемещением груза по горизонтали вдоль стрелы. Первоначально основная часть кранов средневековья использовалась только для вертикального перемещения груза. Положение груза относительно оси стрелы можно было лишь незначительно регулировать с помощью троса, привязанного к перемещаемому грузу. Массовое применение кранов с поворотным механизмом стрелы датируется 17-м веком, что позволило значительно сократить сроки строительства.

Железные краны

istoriya-gruzopodjemnykh-mekhanizmov-45В 19-м веке в конструкциях грузоподъемных механизмов появились три важных нововведения. Первым и наиболее важным нововведением было использование железных элементов зубчатых передач  вместо деревянных, что сделало подъемные машины более эффективными, надежными и мощными. В 1834 году был построен первый чугунный кран. И в этот же год был изобретен крепкий стальной трос, который был более надежной альтернативой тросу из натурального волокна. Третье нововведение – применение энергии паровых машин, при конструировании кранов. Теперь скорость подъема груза зависела от мощности паровой машины.

Металлический трос  вскоре нашел широкое применение при производстве грузоподъемных механизмов, а вот две другие новинки прижились только со временем. Дерево было предпочтительным материалом для многих кранов даже в двадцатом веке, особенно в регионах, где древесина была в изобилии. Энергия парового двигателя также внедрялась очень неохотно и медленно. «Ручные» краны оставались популярны до середины 20-го века.

Башенные краны

istoriya-gruzopodjemnykh-mekhanizmov-kran-baschnyaНаличие узких улочек в европейских городах затрудняло установку громоздких кранов. Это было основной причиной для создания в начале 20-го века первых башенных кранов. Этот механизм обладал всеми необходимыми качествами для строительства в стесненных условиях: он был высоким и мощным, но в то же время не занимал больших площадей. Первым производителем башенных кранов была компания «Maschinenfabrik Julius Wolff & Co» (Германия), которая в 1908 году выпустила первую партию кранов, рассчитанных для строительных нужд.

Со временем конструкция башенных кранов совершенствовалась, и в 1949 году Ганс Либхерр построил поворотный башенный кран со стрелой, которая была закреплена на верху металлической конструкции. Такой кран мог не только поднимать груз, но и перемещать в любое место строительства не опуская его. Начиная с 60-х годов двадцатого века конструкции грузоподъемных механизмов изменялись незначительно и касалось это в основном систем безопасности и управления, а также увеличения грузового момента.