История развития грузоподъемных механизмов и создания подъемного крана
Со времен возникновения самых ранних цивилизаций вплоть до наступления индустриальной революции, рабочие для подъема предметов при возведении строительных объектов использовали лишь силу своих мышц. С внедрением инноваций в методике возведения зданий и сооружений, используя хитроумные механические изобретения люди смогли работать с все более весомыми грузами. Но лишь коренной перелом в области грузоподъемных механизмов, который получил развитие в эпоху промышленного бума, позволил человечеству поднимать и перемещать сверхтяжелые предметы, о которых они раньше даже не мечтали, затрачивая при этом минимум усилий.
Большинство историков сходятся во мнении, что самыми первыми и простыми техническими механизмами по подъему и перемещению грузов, к которым стал прибегать человек, были наклонные плоскости (пандусы) и рычаги.
Пандус представляет собой наклонную плоскость, по которой возможно перемещение даже крайне тяжелых грузов за счет увеличения расстояния, который должен пройти предмет, а не при помощи полностью вертикально подъема. Коэффициент механического преимущества наклонной плоскости равен ее длине, разделенной на высоту склона. То есть чем положе уклон, тем легче поднять (втащить) по нему груз. Преимуществом же рычага в механике следует понимать расстояние между точкой опоры и точкой, где применяется сила, деленное на расстояние между точкой опоры и весом, который будет поднят. То есть за счет увеличения длины рычага требуется меньшее приложение силы для передвижения предмета. Не смотря на то, что использование пандусов и рычагов дало возможность поднимать большие веса на значительные высоту, этот метод работы с грузом не дал значительного механического преимущества над обычным вертикальным подъемом с помощью веревок, так как для буксировки и перевертывания каменных блоков потребность в рабочей силе была крайне высокая. Подсчитано, что для кантования блока весом 2,5 тонны требовалось использовать силу около 50 мужчин. По оценкам историков, трудовые ресурсы для строительства одной пирамиды в Древнем Египте составляли до 50000 мужчин, а срок строительства растягивался на десятилетия. В наше время с помощью современным грузоподъемных кранов такие сооружения могут быть построены за несколько лет и небольшого штата сотрудников.
В конце 6-го начале 5-го века до нашей эры в Греции появляется первое подобие крана, который состоял из троса, пропущенного через шкив (блок-ролик), и использовался для черпания воды из скважин. Само по себе применение одного шкива не дает механического преимущества, но меняет сам принцип подъема груза – тянуть вниз всегда легче, чем тащить вверх. В течение следующих двух столетий преимущество кранов было значительно увеличено за счет внедрения дополнительных изменений в конструкцию, а именно соединение нескольких шкивов в блочные обоймы (полиспасты). Коэффициент усиления в этом случае пропорционален количеству используемых шкивов. К примеру человек, тянущий веревку, может поднять груз в 50 килограммов, он же сможет поднять (или опустить) груз массой 150 килограммов, используя подъемные механизм с трехрольным полиспастом и 250 килограммов, использую пятишкивную систему.
Следующим усовершенствованием подъема и перемещения грузов стало изобретение в 4 веке до нашей эры лебедки и кабестана, которые конструктивно отличаются лишь осью вращения: лебедка имеет горизонтальную, а кабестан вертикальную ось. Механическое же преимущество таких машин проявлялось вследствие кругового вращения троса вокруг оси. Благодаря такому нововведению человек, управляющий лебедкой, был способен поднять груз в 6 раз больше, чем в случае, когда он просто тащил трос. Таким образом доисторический кран, сочетающий в себе шкивные блоки и лебедки, давал возможность одному человеку поднимать груз весом до 1,5 тонн. Следующим изобретением, обладающим еще более мощным подъемным эффектом, стало ступальное колесо и вплоть до второй половины 19-го века оно оставалось одним из главных элементов в конструкции подъемного крана. В большинстве своем такое колеса имело диаметр 4-5 метров, благодаря чему имело лучшее механическое преимущество перед лебедкой и кабестаном из-за большего радиуса колеса и сравнительно небольшого радиуса ось. В отличие от лебедки, которая приводилась в движение силой рук человека, ступальное колесо генерировало энергию идущим человеком или тягловым животным и повышало его производительность до 3,5 тонн. Нередко такие краны использовались в портах, где на них устанавливали пару ступальных колес, в которых одновременно двигались 4 человека и развивали тягу до 14 тонн. Основными минусами данных конструкций можно назвать недолговечность – из-за больших нагрузок механизмы быстро изнашивались, и дороговизну – для обеспечения непрерывной работы крана приходилось иметь в своем распоряжении несколько смен рабочих, которые меняли друг друга по факту расходования сил на движение колеса.
Эра Средневековья ознаменовалась постоянными междоусобными войнами, что в свою очередь притормозило развитие подъемных кранов, ведь инженерная мысль была направлена на изобретение новых средств вооружения и защиты, а большую часть бюджета воюющих держав съедала многочисленная армия. Лишь в 13-14 веках краны вновь вошли в обиход человека как незаменимые помощники при строительстве готических церквей и соборов, а портовые варианты кранов, имеющие ступальные колеса диаметром более 6,5 метров, значительно облегчали погрузочно-разгрузочные работы на набережных многих городов того времени. Следующие 3 столетия мощные портовые краны стали применяться повсеместно в виду своей востребованности и повышенной производительности при погрузочно-разгрузочных работах. В ходе такой интенсивной эксплуатации краны претерпели еще одно усовершенствование – кран стал поворотным, то есть стрела крана могла вращать вокруг своей оси на 360 градусов. Кран, способный перемещать груз не только по вертикали, но и в горизонтальном направлении вдоль стрелы. Массово такие краны с поворотным механизмом стали применяться с 17 века и позволили значительно сократить сроки возведения строительных объектов.
19-й век ознаменовался новым периодом совершенствования подъемных кранов и подарил человеку три важных нововведения. Основополагающей стала возможность использовать железо как материал для изготовления элементов конструкций крана. Заменив деревянные механизмы подъемного крана на железные, человек сделал своего помощника более мощным, надежным и эффективным. В это же время был изобретен стальной трос, который очень быстро сменил легко рвущиеся веревки из натурального волокна. Третье нововведение – применение энергии паровых машин при конструировании кранов, что позволило контролировать скорость подъема груза за счет мощности двигателя, а не полагаться на мышечную силу человека. Зачастую усовершенствованные железные краны изготавливались на колесной базе, что позволяло эксплуатировать их на разных производственных площадках не разбирая основную конструкцию. Имелись даже настоящие монстры своего времени, готовые работать с тяжеловесным навесным оборудованием и выполнять специфические подъемные операции, например подводное черпание для подготовки дна реки при строительстве мостовых переправ.
Век 20-й окончательно поставил краны на первую ступень в ряду строительных механизмов для работы с грузами. Внедрение электрического двигателя как основного элемента конструкции любого крана позволило создать различные типы и классы машин для выполнения отдельной поставленной задачи. Высотные объекты и жилые здания теперь строят с помощью самонаращиваемых башенных кранов, внутри заводских ангаров груз перемещают по средствам кранов мостовой конструкции, бесперебойную работу конвейерной сборки обеспечивают стационарные консольные краны с навесным силовым комплектом. Современные краны могут работать при низких и сверхвысоких температурах окружающего пространства, в условиях агрессивных кислотных и соляных сред, под водой и в безвоздушном пространстве, в районах с повышенной сейсмической активностью, сохраняя при этом свою производительность и обеспечивая максимальную безопасность для человека, управляющего краном. В итоге на сегодняшний день мы бок о бок живем с подъемной техникой, которая поражает и восхищает своей мощностью и возможностями.