1. Cần cẩu
Cần cẩu (cần trục) là một loại máy móc, thiết bị thường được trang bị dây nâng, dây thừng, cáp hoặc xích và puly (ròng rọc), có thể được sử dụng để nâng và hạ vật liệu và di chuyển chúng theo phương ngang. Cẩn cẩu chủ yếu được sử dụng để nâng các vật nặng và vận chuyển chúng đến những nơi khác. Thiết bị sử dụng một hoặc nhiều máy đơn giản để tạo ra lợi thế cơ học và do đó di chuyển tải vượt quá khả năng bình thường của con người. Cần trục thường được sử dụng trong giao thông vận tải để bốc dỡ hàng hóa, trong xây dựng để di chuyển vật liệu và trong sản xuất để lắp ráp các thiết bị nặng.
Cần cẩu đầu tiên được biết đến là shaduf (Cần kéo nước - Một đầu gắn với dụng cụ lấy nươc, một đầu gắn với vật nặng, dạng như một đòn bẩy), một thiết bị nâng hạ nước được phát minh ở Lưỡng Hà cổ đại (Iraq hiện đại) và sau đó xuất hiện trong công nghệ Ai Cập cổ đại. Cần cẩu xây dựng sau đó xuất hiện ở Hy Lạp cổ đại, nơi chúng được cung cấp năng lượng bởi đàn ông hoặc động vật (chẳng hạn như lừa), và được sử dụng để xây dựng các tòa nhà. Cần trục lớn hơn sau đó đã được phát triển ở Đế chế La Mã, sử dụng bánh lốp của con người, cho phép nâng các vật nặng hơn. Vào thời Trung Cổ Cao, cần trục bến cảng đã được giới thiệu để bốc dỡ tàu và hỗ trợ xây dựng chúng — một số được xây dựng thành các tháp đá để tăng thêm độ bền và ổn định. Những chiếc cần cẩu đầu tiên được chế tạo từ gỗ, nhưng gang, sắt và thép đã thay thế sau cuộc Cách mạng Công nghiệp.
Trong nhiều thế kỷ, năng lượng được cung cấp bởi hoạt động thể chất của con người hoặc động vật, mặc dù vận thăng trong cối xay nước và cối xay gió có thể được điều khiển bởi sức mạnh tự nhiên được khai thác. Năng lượng cơ học đầu tiên được cung cấp bởi động cơ hơi nước, loại cần trục hơi nước sớm nhất được giới thiệu vào thế kỷ 18 hoặc 19, nhiều chiếc còn lại được sử dụng tốt vào cuối thế kỷ 20. Cần trục hiện đại thường sử dụng động cơ đốt trong hoặc động cơ điện và hệ thống thủy lực để cung cấp khả năng nâng lớn hơn nhiều so với trước đây, mặc dù cần trục thủ công vẫn được sử dụng khi việc cung cấp năng lượng không kinh tế.
Có nhiều loại cầu trục khác nhau, mỗi loại phù hợp với một mục đích sử dụng cụ thể. Có nhiều loại kích thước từ cần trục nhỏ nhất, được sử dụng trong nhà xưởng, đến cần trục tháp cao nhất, được sử dụng để xây dựng các tòa nhà cao tầng. Cần trục mini cũng được sử dụng để xây dựng các tòa nhà cao, nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho các công trình bằng cách tiếp cận không gian chật hẹp. Cần trục nổi lớn thường được sử dụng để xây dựng các giàn khoan dầu và trục vớt các tàu bị chìm.
Một số máy nâng không hoàn toàn phù hợp với định nghĩa trên về cần trục, nhưng thường được gọi là cần trục, chẳng hạn như cần trục xếp và cần trục tải.
2. Lịch sử cần cẩu
Thời Cận Cổ đại
Loại máy cẩu đầu tiên là shadouf, có cơ cấu đòn bẩy và được sử dụng để nâng nước tưới. Nó được phát minh ở Mesopotamia (Iraq hiện đại) vào khoảng năm 3000 trước Công nguyên. Sau đó, shadouf xuất hiện trong công nghệ Ai Cập cổ đại vào khoảng năm 2000 trước Công nguyên.
Thời Hy Lạp cổ đại
Greco-Roman Trispastos ("Cần trục ba ròng rọc"), loại cần trục đơn giản (tải trọng 150 kg)
Cần trục để nâng những vật nặng được người Hy Lạp cổ đại phát triển vào cuối thế kỷ thứ 6 trước Công nguyên. Các ghi chép khảo cổ học cho thấy rằng không muộn hơn năm 515 TCN những loại cây giâm cành đặc biệt dùng để nâng kẹp bắt đầu xuất hiện trên các khối đá của các ngôi đền Hy Lạp. Vì những lỗ này hướng vào việc sử dụng một thiết bị nâng và vì chúng được tìm thấy ở phía trên trọng tâm của khối hoặc theo cặp cách đều nhau từ một điểm so với trọng tâm, chúng được các nhà khảo cổ học coi là dương cần có bằng chứng về sự tồn tại của cần trục.
Sự ra đời của tời và palăng ròng rọc đã sớm dẫn đến sự thay thế rộng rãi của đường dốc như là phương tiện chính của chuyển động thẳng đứng. Trong 200 năm tiếp theo, các công trình xây dựng ở Hy Lạp đã chứng kiến sự sụt giảm đáng kể trọng lượng được xử lý, vì kỹ thuật nâng mới khiến việc sử dụng một số viên đá nhỏ trở nên thiết thực hơn so với ít viên đá lớn hơn. Trái ngược với thời kỳ cổ đại với mô hình kích thước khối ngày càng tăng, các ngôi đền Hy Lạp thời cổ điển như Parthenon luôn có các khối đá nặng dưới 15–20 tấn. Ngoài ra, tập quán dựng các cột lớn nguyên khối thực tế đã bị loại bỏ để chuyển sang sử dụng một số trống cột.
Mặc dù hoàn cảnh chính xác của việc chuyển đổi từ công nghệ cầu trục sang công nghệ cầu trục vẫn chưa rõ ràng, nhưng có ý kiến cho rằng các điều kiện chính trị và xã hội đầy biến động của Hy Lạp phù hợp hơn với việc làm của các đội xây dựng chuyên nghiệp nhỏ hơn là số lượng lớn lao động phổ thông, làm cho cần trục được ưa chuộng hơn so với Polis Hy Lạp trên đoạn đường dốc sử dụng nhiều lao động hơn vốn là tiêu chuẩn trong các xã hội chuyên quyền của Ai Cập hoặc Assyria.
Bằng chứng văn học rõ ràng đầu tiên về sự tồn tại của hệ thống ròng rọc phức hợp xuất hiện trong Các vấn đề cơ học (Mech. 18, 853a32–853b13) do Aristotle (384–322 TCN), nhưng có lẽ được sáng tác muộn hơn một chút. Cũng trong khoảng thời gian đó, kích thước khối đá tại các ngôi đền Hy Lạp bắt đầu khớp lại với những người tiền nhiệm cổ xưa của chúng, cho thấy rằng chiếc ròng rọc phức hợp phức tạp hơn hẳn đã tìm được đường đến các địa điểm xây dựng của Hy Lạp vào lúc đó.
Thời đế chế La Mã cổ đại
Thời kỳ hoàng kim của cần trục thời cổ đại đến vào thời Đế chế La Mã, khi hoạt động xây dựng tăng vọt và các tòa nhà đạt đến kích thước khổng lồ. Người La Mã đã nuôi cần cẩu Hy Lạp và phát triển nó hơn nữa.
Cần trục đơn giản nhất của người La Mã, trispastos, bao gồm một cần cẩu đơn, một tời, một sợi dây và một khối chứa ba ròng rọc. Do đó, có lợi thế cơ học là 3: 1, người ta đã tính toán rằng một người đàn ông duy nhất làm việc trên tời có thể nâng được 150 kg (330 lb) (3 puli x 50 kg hoặc 110 lb = 150), giả sử rằng 50 kg (110 lb) đại diện cho nỗ lực tối đa mà một người đàn ông có thể thực hiện trong một khoảng thời gian dài hơn. Các loại cần trục nặng hơn có năm ròng rọc (pentaspastos) hoặc, trong trường hợp lớn nhất, một bộ gồm ba - năm ròng rọc (Polyspastos) và đi kèm với hai, ba hoặc bốn cột buồm, tùy thuộc vào tải trọng tối đa. Các polyspastos, khi được làm việc bởi bốn người đàn ông ở cả hai bên của tời, có thể dễ dàng nâng 3.000 kg (6.600 lb) (3 dây x 5 puli x 4 nam x 50 kg hoặc 110 lb = 3.000 kg hoặc 6.600 lb). Nếu tời được thay thế bằng một bánh xe, tải trọng tối đa có thể tăng gấp đôi lên 6.000 kg (13.000 lb) với chỉ một nửa số thủy thủ đoàn, vì bánh xe có lợi thế cơ học lớn hơn nhiều do đường kính lớn hơn. Điều này có nghĩa là, so với việc xây dựng các kim tự tháp Ai Cập cổ đại, nơi cần khoảng 50 người đàn ông để di chuyển một khối đá 2,5 tấn [mà?] Lên đoạn đường nối (50 kg (110 lb) / người), thì khả năng nâng của số lượng polyspastos của người La Mã cao gấp 60 lần (3.000 kg hay 6.600 lb / người).
Tuy nhiên, nhiều tòa nhà La Mã còn tồn tại có những khối đá nặng hơn nhiều so với những khối đá được xử lý bởi polyspastos cho thấy khả năng nâng tổng thể của người La Mã vượt xa bất kỳ chiếc cần trục đơn lẻ nào.
Người ta cho rằng các kỹ sư La Mã đã nâng những vật nặng phi thường này bằng hai biện pháp : Thứ nhất, theo gợi ý của Heron, một tháp nâng đã được thiết lập, có bốn cột buồm được sắp xếp theo hình tứ giác song song. hai bên, không giống như một tháp bao vây, nhưng với cột ở giữa cấu trúc (Mechanica 3.5). Thứ hai, vô số mũ lưỡi trai được đặt trên mặt đất xung quanh tháp, mặc dù có tỷ lệ đòn bẩy thấp hơn bánh lốp, nhưng mũ lưỡi trai có thể được thiết lập với số lượng cao hơn và được điều hành bởi nhiều người hơn (và hơn nữa, bởi động vật kéo). Việc sử dụng nhiều capstans này cũng được mô tả bởi Ammianus Marcellinus (17.4.15) liên quan đến việc nâng tháp Lateranense trong Circus Maximus (khoảng năm 357 sau Công Nguyên). Khả năng nâng tối đa của một nắp đơn có thể được thiết lập bằng số lượng lỗ sắt được khoan vào đá nguyên khối. Trong trường hợp các khối lưu trữ Baalbek, nặng từ 55 đến 60 tấn, tám lỗ còn tồn tại cho thấy mức cho phép là 7,5 tấn trên mỗi lewis sắt, tức là trên mỗi capstan. Nâng những vật nặng như vậy trong một hành động phối hợp đòi hỏi sự phối hợp nhịp nhàng giữa các nhóm công việc tác dụng lực lên các mũi thuyền.
Thời Trung đại
Trong suốt thời kỳ Trung Cổ Cao, cần trục bánh lốp đã được giới thiệu lại trên quy mô lớn sau khi công nghệ này không còn được sử dụng ở Tây Âu với sự sụp đổ của Đế chế Tây La Mã. Trong ngành hàng hải, việc sử dụng cần cẩu bến cảng sớm nhất được ghi nhận cho Utrecht vào năm 1244, Antwerp năm 1263, Bruges năm 1288 và Hamburg năm 1291,trong khi ở Anh, bánh lốp không được ghi lại trước năm 1331.
Nói chung, vận chuyển thẳng đứng có thể được thực hiện bằng cần trục an toàn và ít tốn kém hơn so với các phương pháp thông thường. Các lĩnh vực ứng dụng điển hình là bến cảng, hầm mỏ và đặc biệt là các công trường xây dựng nơi cần trục bánh lốp đóng vai trò then chốt trong việc xây dựng các thánh đường Gothic cao cả. Tuy nhiên, cả các nguồn tài liệu lưu trữ và hình ảnh thời đó đều cho thấy rằng các loại máy móc mới được giới thiệu như bánh lốp hoặc xe cút kít không thay thế hoàn toàn các phương pháp sử dụng nhiều lao động hơn như thang, cuốc và xe cút kít. Thay vào đó, máy móc cũ và mới tiếp tục tồn tại trên các công trường xây dựng thời Trung cổ và các bến cảng.
Ngoài bánh xe, các mô tả thời Trung cổ cũng cho thấy cần cẩu được cung cấp năng lượng thủ công bằng kính gió với nan tản nhiệt, tay quay và vào thế kỷ 15 cũng bằng kính gió có hình bánh tàu. Để làm dịu các xung động bất thường và vượt qua các 'điểm chết' trong quá trình nâng, bánh đà được biết là đã được sử dụng sớm nhất là vào năm 1123.
Quá trình chính xác mà cần trục bánh lốp được giới thiệu lại không được ghi lại, mặc dù việc nó quay trở lại các địa điểm xây dựng chắc chắn được xem có mối liên hệ chặt chẽ với sự phát triển đồng thời của kiến trúc Gothic. Sự xuất hiện trở lại của cần trục bánh lốp có thể là kết quả của sự phát triển công nghệ của tời gió mà từ đó bánh lốp đã phát triển về mặt cấu trúc và cơ học. Ngoài ra, bánh xe thời Trung cổ có thể đại diện cho một sự tái tạo có chủ ý của đối tác La Mã của nó được lấy từ De kiến trúc sư của Vitruvius, vốn có sẵn trong nhiều thư viện tu viện. Việc giới thiệu lại nó cũng có thể được lấy cảm hứng từ việc quan sát các phẩm chất tiết kiệm sức lao động của guồng nước mà các bánh lốp ban đầu có nhiều điểm tương đồng về cấu trúc.
Cấu trúc và vị trí
Bánh xe thời trung cổ là một bánh xe lớn bằng gỗ quay quanh một trục trung tâm với một lối đi đủ rộng cho hai công nhân đi cạnh nhau. Trong khi bánh xe 'tay đòn la bàn' trước đó có các nan hoa được điều khiển trực tiếp vào trục trung tâm, thì loại "tay đòn" cao cấp hơn có các cánh tay được sắp xếp như các dây dẫn vào vành bánh xe, mang lại khả năng sử dụng trục mỏng hơn và cung cấp do đó một lợi thế cơ học lớn hơn.
Trái ngược với niềm tin phổ biến, các cần trục trên các địa điểm xây dựng thời Trung cổ không được đặt trên giàn giáo cực kỳ nhẹ được sử dụng vào thời điểm đó cũng như trên các bức tường mỏng của các nhà thờ Gothic không có khả năng chịu được trọng lượng của cả máy nâng và tải. Đúng hơn, cần cẩu được đặt trong giai đoạn đầu xây dựng trên mặt đất, thường là trong tòa nhà. Khi một tầng mới được hoàn thành và các dầm giằng lớn của mái nối với các bức tường, cần trục được tháo dỡ và lắp ráp lại trên các dầm mái từ nơi nó được di chuyển từ vịnh này sang vịnh khác trong quá trình xây dựng các hầm. Vì vậy, cần trục "lớn lên" và "lang thang" với tòa nhà với kết quả là ngày nay tất cả các cần trục xây dựng còn tồn tại ở Anh đều được tìm thấy trong các tháp nhà thờ phía trên vòm và bên dưới mái nhà, nơi chúng ở lại sau khi xây dựng xong để mang vật liệu sửa chữa lên cao.
Ít thường xuyên hơn, các ánh sáng thời Trung cổ cũng cho thấy các cần cẩu được gắn bên ngoài các bức tường với giá đỡ của máy được cố định vào các thanh treo.
Cơ học và vận hành
Cần trục tháp tại bến cảng nội địa Trier từ năm 1413.
Trái ngược với cần trục hiện đại, cần trục và cần trục thời Trung cổ - giống như các đối tác của chúng ở Hy Lạp và La Mã - chủ yếu có khả năng nâng thẳng đứng, và cũng không được sử dụng để di chuyển tải trong một khoảng cách đáng kể theo chiều ngang. Theo đó, công việc nâng hạ đã được tổ chức tại nơi làm việc theo một cách khác so với hiện nay. Ví dụ, trong xây dựng tòa nhà, giả định rằng cần trục nâng các khối đá từ dưới lên trực tiếp vào vị trí, hoặc từ một nơi đối diện với tâm của bức tường từ đó nó có thể chuyển các khối đá cho hai đội làm việc tại mỗi đầu của bức tường. Ngoài ra, người điều khiển cần trục, người thường ra lệnh cho các công nhân bánh lốp từ bên ngoài cần trục có thể điều khiển chuyển động theo chiều ngang bằng một sợi dây nhỏ gắn với tải. Cần trục quay cho phép tải trọng quay và do đó đặc biệt thích hợp cho công việc bên bến tàu xuất hiện sớm nhất là vào năm 1340. Trong khi các khối gỗ tần bì được nâng trực tiếp bằng dây treo, đòn gánh hoặc kẹp của quỷ (Teufelskralle của Đức), thì các đồ vật khác đã được đặt trước đó trong các thùng chứa như pallet, giỏ, hộp gỗ hoặc thùng.
Đáng chú ý là các cần trục thời Trung cổ hiếm khi có bánh cóc hoặc phanh để ngăn tải trọng chạy lùi. Sự vắng mặt gây tò mò này được giải thích là do lực ma sát cao được tác động bởi các bánh xe thời trung cổ vốn thường ngăn bánh xe tăng tốc ngoài tầm kiểm soát.
Sử dụng bến cảng
Theo "trạng thái hiện tại của tri thức" chưa được biết đến trong thời cổ đại, cần trục bến cảng tĩnh được coi là một bước phát triển mới của thời Trung cổ. Cần trục bến cảng điển hình là một cấu trúc trụ được trang bị bánh răng kép. Những cần trục này được đặt ở các ụ tàu để bốc dỡ hàng hóa, nơi chúng thay thế hoặc bổ sung cho các phương pháp nâng cũ hơn như cưa, tời và bãi.
Hai loại cần trục bến cảng khác nhau có thể được xác định với sự phân bố địa lý khác nhau: Trong khi cần trục giàn, quay trên trục thẳng đứng trung tâm, thường được tìm thấy ở ven biển Flemish và Hà Lan, các bến cảng biển và nội địa của Đức thường có cần trục tháp nơi tời và bánh xe được đặt trong một tòa tháp kiên cố chỉ có cánh tay đòn và mái quay. Cần trục bên bến không được chấp nhận ở khu vực Địa Trung Hải và các cảng rất phát triển của Ý, nơi các nhà chức trách tiếp tục dựa vào phương pháp dỡ hàng bằng đường dốc sử dụng nhiều lao động hơn từ thời Trung cổ.
Không giống như các cần trục xây dựng nơi tốc độ làm việc được xác định bởi tiến độ tương đối chậm của các thợ xây, cần trục bến cảng thường có bánh lốp kép để tăng tốc độ tải. Hai bánh răng có đường kính ước tính là 4 m hoặc lớn hơn được gắn vào mỗi bên của trục và quay cùng nhau. Công suất của chúng là 2-3 tấn, dường như tương ứng với kích thước thông thường của hàng hóa đường biển. Ngày nay, theo một cuộc khảo sát, mười lăm cần trục bến cảng có bánh lốp từ thời tiền công nghiệp vẫn còn tồn tại trên khắp châu Âu. Một số cần trục bến cảng chuyên gắn cột buồm cho các tàu buồm mới đóng, chẳng hạn như ở Gdańsk, Cologne và Bremen. Bên cạnh các cần trục cố định này, các cần trục nổi, có thể được triển khai linh hoạt trong toàn bộ lưu vực cảng đã được đưa vào sử dụng vào thế kỷ 14.
Thời kỳ đầu hiện đại
Một tháp nâng tương tự như tháp của người La Mã cổ đại đã được kiến trúc sư thời Phục hưng Domenico Fontana sử dụng rất hiệu quả vào năm 1586 để di dời tháp Vatican nặng 361 tấn ở Rome. Từ báo cáo của ông, rõ ràng là sự phối hợp của lực nâng giữa các đội kéo khác nhau đòi hỏi sự tập trung và kỷ luật đáng kể, vì nếu lực không được tác dụng đồng đều, lực căng quá mức lên dây sẽ khiến chúng bị đứt.
Cần trục cũng được sử dụng trong nước trong thời kỳ này. Cần trục ống khói hoặc lò sưởi được sử dụng để xoay các nồi và ấm đun nước trên ngọn lửa và chiều cao được điều chỉnh bằng một cái trammel.
Cuộc cách mạng công nghiệp
Ngài William Armstrong, người phát minh ra cần trục thủy lực.
Với sự khởi đầu của cuộc Cách mạng Công nghiệp, những chiếc cần cẩu hiện đại đầu tiên đã được lắp đặt tại các bến cảng để tải hàng hóa. Năm 1838, nhà công nghiệp và doanh nhân William Armstrong đã thiết kế một cần trục thủy lực chạy bằng nước. Thiết kế của ông đã sử dụng một thanh ram trong một xi lanh kín bị ép xuống bởi chất lỏng có áp suất đi vào xi lanh và một van điều chỉnh lượng chất lỏng nạp vào so với tải trên cần trục. Cơ cấu này, máy gá thủy lực, sau đó kéo xích để nâng tải.
Năm 1845, một kế hoạch được đưa ra nhằm cung cấp nước máy từ các hồ chứa ở xa cho các hộ gia đình ở Newcastle. Armstrong đã tham gia vào kế hoạch này và ông đã đề xuất với Tập đoàn Newcastle rằng áp suất nước dư thừa ở khu vực phía dưới của thị trấn có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho một trong những cần cẩu thủy lực của ông để tải than lên sà lan ở Quayside. Ông tuyên bố rằng phát minh của mình sẽ thực hiện công việc nhanh hơn và rẻ hơn so với cần cẩu thông thường. Công ty đã đồng ý với đề nghị của ông, và cuộc thử nghiệm đã chứng tỏ thành công đến mức ba cần cẩu thủy lực nữa đã được lắp đặt trên Quayside.
Sự thành công của cần cẩu thủy lực đã khiến Armstrong thành lập công trình Elswick tại Newcastle, để sản xuất máy thủy lực cho cần cẩu và cầu vào năm 1847. Công ty của ông nhanh chóng nhận được đơn đặt hàng cần cẩu thủy lực từ Edinburgh và Northern Railways và từ Liverpool Docks, cũng như cho máy thủy lực cho các cổng bến ở Grimsby. Công ty đã mở rộng từ lực lượng lao động 300 người và sản xuất hàng năm 45 cần trục vào năm 1850, lên gần 4.000 công nhân sản xuất hơn 100 cần trục mỗi năm vào đầu những năm 1860.
Armstrong đã dành vài thập kỷ tiếp theo để liên tục cải tiến thiết kế cần trục của mình; sự đổi mới quan trọng nhất của ông là bộ tích lũy thủy lực. Ở những nơi không có sẵn áp lực nước tại chỗ để sử dụng cần cẩu thủy lực, Armstrong thường xây dựng các tháp nước cao để cung cấp nguồn nước có áp suất. Tuy nhiên, khi cung cấp cần cẩu để sử dụng tại New Holland trên Cửa sông Humber, ông đã không thể làm được điều này, vì nền móng chỉ có cát. Cuối cùng, ông đã sản xuất ra bộ tích điện thủy lực, một xi lanh bằng gang được trang bị một pít tông đỡ một trọng lượng rất nặng. Pít tông sẽ từ từ được nâng lên, hút nước, cho đến khi lực đẩy xuống của quả nặng đủ để ép nước bên dưới nó vào các đường ống ở áp suất lớn. Sáng chế này cho phép ép lượng nước lớn hơn nhiều qua các đường ống ở áp suất không đổi, do đó làm tăng đáng kể khả năng chịu tải của cần trục.
Một trong những chiếc cần cẩu của ông, được Hải quân Ý đưa vào hoạt động năm 1883 và được sử dụng cho đến giữa những năm 1950, vẫn còn đứng vững ở Venice, nơi nó hiện đang trong tình trạng hư hỏng.
