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(fā)展過程及目前應用狀況，探討動臂塔式起重機未來的發(fā)展前景。

　　關鍵詞：動臂塔式起重機,發(fā)展,應用,前景

　　塔式起重機簡稱塔機，亦稱塔吊，起源于西歐。據(jù)記載，第一項有關建筑用塔機專利頒發(fā)于1900年，1905年出現(xiàn)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(xiàn)第一臺比較完整的近代塔機。1930年德國開始批量生產(chǎn)塔機，并用于建筑施工。

　　1、動臂塔式起重機的發(fā)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(xiàn)的塔機型式，從第二次世界大戰(zhàn)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(yè)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(yè)是在20世紀50年代起步，當時引進的樣機也是德國出產(chǎn)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(yōu)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(zhuǎn)、下回轉(zhuǎn)、附著、內(nèi)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(jīng)濟的高速發(fā)展，城市規(guī)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(chǎn)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(xiàn)，市區(qū)的工地凸顯了擁擠的狀態(tài)，加上新制定的相鄰空間權利的法規(guī)及跨占鄰居領地產(chǎn)生的糾紛，逐漸迫使人們改變使用塔式起重機已有的傳統(tǒng)觀念，視線從小車變幅的塔式起重機轉(zhuǎn)向臂架俯仰變幅的動臂塔式起重機。

　　現(xiàn)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(zhuǎn)動時必須掠過其他建筑物或道路，覆蓋面積大，當塔機出現(xiàn)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(chǎn)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(yè)時吊臂可不超出建筑工地圍欄，也可避免多臺塔機作業(yè)的干涉，目前在典型的市區(qū)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(nèi)建筑行業(yè)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(xiàn)代化發(fā)展趨勢可知，城市的高層建筑物會越來越密集，市區(qū)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(chǎn)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(yè)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(qū)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(fā)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(shù)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(chǎn)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(chǎn)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(wěn)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(jié)還可以設計成能放入塔身節(jié)內(nèi)，以方便運輸。

　　3.3配重的設計

　　當動臂變幅時，會產(chǎn)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(chǎn)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(yǎng)，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(jù)吊臂穩(wěn)定性計算原則，動臂塔機在空載狀態(tài)下，當由吊臂和吊鉤自重產(chǎn)生穩(wěn)定力矩大于由風力產(chǎn)生的后傾覆力矩時，吊臂是穩(wěn)定的，反之失穩(wěn)。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(chǎn)生風標效應。

　　5、結束語

　　隨著社會的進步，經(jīng)濟的發(fā)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(huán)境的要求也越來越高，各地政府也開始制定法規(guī)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(zhuǎn)半徑，較大的起升高度，較大的起重能力，而且內(nèi)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(fā)展前景是美好的，一定會占有塔機市場的半壁江山。