機械工程師評職論文淺談動臂塔式起重機的應用

　　摘要：簡述動臂塔式起重機的發展過程及目前應用狀況，探討動臂塔式起重機未來的發展前景。

　　關鍵詞：動臂塔式起重機,發展,應用,前景

　　塔式起重機簡稱塔機，亦稱塔吊，起源于西歐。據記載，第一項有關建筑用塔機專利頒發于1900年，1905年出現了塔身固定的裝有臂架的起重機，1923年制成了近代塔機的原型樣機，同年出現第一臺比較完整的近代塔機。1930年德國開始批量生產塔機，并用于建筑施工。

　　1、動臂塔式起重機的發展及其應用

　　動臂塔式起重機(即俯仰臂架塔機)是歷史上最早出現的塔機型式，從第二次世界大戰結束后到20世紀60年代，由于動臂式塔機的施工效益顯著，從工業建筑到民用建筑，從造船廠到港口碼頭，從鋼結構建筑到電站建設，動臂式塔機無處不在，動臂式塔機占有塔機市場的大部分份額。我國的塔機行業是在20世紀50年代起步，當時引進的樣機也是德國出產的動臂式塔機。但是從20世紀70年代開始，由于技術的局限性，動臂式塔機很少能帶載變幅，大部分塔機都要靠在軌道上行走來改變吊裝物的水平位置，這一致命缺點使其逐漸被擠出建筑市場，小車變幅塔機取代了動臂式塔機的地位。

　　小車變幅塔機優點在于可以輕而易舉地帶載變幅，變幅時吊重能水平移動，這樣不僅變幅功率很小，而且吊重安裝就位準確，操作容易，臂架長度遠超動臂式塔機。小車變幅塔機形式多樣，有上回轉、下回轉、附著、內爬、行走等多種形式，適應范圍廣。

　　從20世紀80年初至步入21世紀，隨著我國經濟的高速發展，城市規模的不斷擴大，建筑物的增多，對塔機的需求量劇增，塔機市場空前的繁榮，塔機產品的技術性能也得到顯著的提高。而在這期間，小車變幅的塔機是我國塔機市場的主角，動臂式塔機只在一小部分高層建筑施工中得到應用。但近年隨著城市建筑物密度的增加，高層摩天建筑的涌現，市區的工地凸顯了擁擠的狀態，加上新制定的相鄰空間權利的法規及跨占鄰居領地產生的糾紛，逐漸迫使人們改變使用塔式起重機已有的傳統觀念，視線從小車變幅的塔式起重機轉向臂架俯仰變幅的動臂塔式起重機。

　　現代化的城市高樓密布，大型的建筑工地塔機林立，塔機臂架互相干擾問題明顯，這使有固定臂長的小車變幅塔機受到了很大的限制。另外，由于小車變幅塔機的臂架較長，轉動時必須掠過其他建筑物或道路，覆蓋面積大，當塔機出現意外事故時傷及無辜的概率就會大，容易擴大傷害范圍，這些都是小車變幅塔機的致命缺點。隨著近十年我國塔機產品技術性能的顯著提高，動臂式塔機的變幅能力也得到很大的提高，克服了原有的致命缺點，加上動臂式塔機在施工作業時吊臂可不超出建筑工地圍欄，也可避免多臺塔機作業的干涉，目前在典型的市區工地或高層建筑工地上，人們又趨向使用動臂式塔式起重機了。

　　2、動臂塔式起重機的前景

　　目前，動臂塔式起重機在國內建筑行業中尚未得到廣泛的應用，究其原因是動臂塔式起重機比同噸位、同起重力矩的小車變幅塔機的銷售價格高;動臂塔式起重機在吊運重物時變幅速度比小車變幅塔機變幅速度慢，工作效率相對較低。從城市現代化發展趨勢可知，城市的高層建筑物會越來越密集，市區建筑工地的空間會變得越來越擁擠，只有使用動臂式塔式起重機，才可以既不跨越相鄰建筑物的空間，又可避免相鄰塔機間的干涉，又能滿足大起重量的要求。故此，動臂式塔式起重機在擁擠的城市建筑工地上的應用會越來越多。

　　動臂式塔機能否成為未來塔機市場的主流產品，塔機的安全設計及安全使用是關鍵：

　　3、動臂式塔機的安全設計

　　3.1變幅機構鉸點的設計

　　對于動臂式塔機來講，其俯仰變幅過程中，起重臂的重心也在變化，吊臂自重彎矩也隨之變化，這對整機平衡影響很大，存在臂架后翻的風險。理論上只要改變塔機臂架的角度，就可以改變塔機作業的工作幅度。動臂式塔機一般允許吊臂的俯仰角度在15°到85°之間變化，隨著臂架的加長，要達到在塔身周邊區域吊物體時臂架的仰角就非常大，這增加了塔機的后翻風險。但大仰角的吊臂，卻相當于增加了塔身的高度，有效地擴展了塔機的工作范圍，塔機的工作范圍幾乎是以吊臂長度為半徑的半球體空間。而要使臂架的仰角盡可能大而又不發生塔機后翻的危險，由臂架下鉸點和人字架上鉸點所組成的變幅機構鉸點的設計是關鍵，也是整機設計所考慮的一個重要問題。通常鉸點的布置是通過作圖和計算相結合的原則來確定，其過程十分繁瑣，還往往得不到最合理的布局，故能用簡單的數學關系式即可判斷鉸點確定是否合適，并能為鉸點的設計提供參考是動臂塔機設計者努力想達到的目標。

　　3.2起重臂的設計

　　當動臂式塔機的吊臂由最小幅度變化到最大幅度時，吊臂的自重彎矩變化較大，而吊臂自重彎矩變化時對整機平衡影響很大。同小車變幅相比，動臂變幅對塔身產生了一個變化的附加彎矩，使得塔身的受力更加復雜， 尤其對于大塔，起重臂的自重非常大，由此產生的附加彎矩迫使塔身做得很粗壯，不但浪費材料，還增加了整機的自重，極大限制了起重能力，還給塔機的安裝運輸和拆卸帶來極大地不便。為此，動臂式塔機的起重臂設計一般采用“桿”結構，采用四根主肢的矩形截面，這相對于小車變幅塔機的“樑”結構穩定性能更好，承載能力更強。并且材料采用高強度結構鋼，盡可能地減輕起重臂的重量，使起重臂重量占整機結構重量的比例更小，而最大限度地增加塔機的起重量。另外，動臂式塔機起重臂的臂節還可以設計成能放入塔身節內，以方便運輸。

　　3.3配重的設計

　　當動臂變幅時，會產生附加的的靜載力矩。能平衡這一力矩，則會大大提高動臂塔機的起重能力。在機械上的解決方法就是采用移動配重技術，即吊臂仰起向上變幅時，使配重向接近塔身的方向運動，在最小幅度時，配重施加在臂架上的回復力也最大;吊臂俯降變幅時，使配重向遠離塔身的方向運動。通過移動配重，一方面抵消動臂變幅時產生的靜載力矩，另一方便又可以減小吊臂俯降時風力的影響，防止臂架被風吹向后翻的危險。

　　但是采用移動配重需要額外的檢查及維護保養，成本高，并且研制費用也高。目前大部分的新型動臂塔機都采用固定配重設計，以降低制造成本和安裝維護費用。可是固定配重的缺點是在吊臂過仰時存在塔機傾翻的風險，使用時的安全要求比較高。如何采用一種更加簡潔的設計，使其不僅能達到預期的目的，而且又能大幅度降低費用，一直是動臂式塔機設計者研究的問題。

　　4、動臂塔機的安全使用

　　由于動臂式塔機很多情況下都是在高層建筑物上使用，地面風平浪靜，高空風起云涌、變幻莫測，風對于塔機的影響是不容忽視的。根據吊臂穩定性計算原則，動臂塔機在空載狀態下，當由吊臂和吊鉤自重產生穩定力矩大于由風力產生的后傾覆力矩時，吊臂是穩定的，反之失穩。對于那些常見的動臂塔式起重機來說，當臂架仰起到幾乎垂直的時候，風力增大會使臂架向后傾翻的危險增大。故當動臂式塔機不工作時，臂架不應該置于最小幅度，而應該按廠家使用說明書的要求置于一定的角度。這是為了使塔機有一定的迎風面積，產生風標效應。

　　5、結束語

　　隨著社會的進步，經濟的發展，城市建筑密度的加大，大型鋼結構建筑日益增多，人們對環境的要求也越來越高，各地政府也開始制定法規禁止塔機吊臂超出安全范圍到達道路或跨占鄰居領空。受此限制，許多建筑工地根本無法使用小車變幅式的塔式起重機。而動臂式塔式起重機以相對短小的回轉半徑，較大的起升高度，較大的起重能力，而且內爬安裝時拆卸方便，已在高層建筑、大型鋼結構安裝及電站工程得到廣泛應用。可以預見，隨著動臂塔機技術的不斷進步，動臂式塔式起重機的發展前景是美好的，一定會占有塔機市場的半壁江山。