機(jī)械工程師評(píng)職論文淺談動(dòng)臂塔式起重機(jī)的應(yīng)用

　　摘要：簡述動(dòng)臂塔式起重機(jī)的發(fā)展過程及目前應(yīng)用狀況，探討動(dòng)臂塔式起重機(jī)未來的發(fā)展前景。

　　關(guān)鍵詞：動(dòng)臂塔式起重機(jī),發(fā)展,應(yīng)用,前景

　　塔式起重機(jī)簡稱塔機(jī)，亦稱塔吊，起源于西歐。據(jù)記載，第一項(xiàng)有關(guān)建筑用塔機(jī)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(jī)，1923年制成了近代塔機(jī)的原型樣機(jī)，同年出現(xiàn)第一臺(tái)比較完整的近代塔機(jī)。1930年德國開始批量生產(chǎn)塔機(jī)，并用于建筑施工。

　　1、動(dòng)臂塔式起重機(jī)的發(fā)展及其應(yīng)用

　　動(dòng)臂塔式起重機(jī)(即俯仰臂架塔機(jī))是歷史上最早出現(xiàn)的塔機(jī)型式，從第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后到20世紀(jì)60年代，由于動(dòng)臂式塔機(jī)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(jié)構(gòu)建筑到電站建設(shè)，動(dòng)臂式塔機(jī)無處不在，動(dòng)臂式塔機(jī)占有塔機(jī)市場的大部分份額。我國的塔機(jī)行業(yè)是在20世紀(jì)50年代起步，當(dāng)時(shí)引進(jìn)的樣機(jī)也是德國出產(chǎn)的動(dòng)臂式塔機(jī)。但是從20世紀(jì)70年代開始，由于技術(shù)的局限性，動(dòng)臂式塔機(jī)很少能帶載變幅，大部分塔機(jī)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(diǎn)使其逐漸被擠出建筑市場，小車變幅塔機(jī)取代了動(dòng)臂式塔機(jī)的地位。

　　小車變幅塔機(jī)優(yōu)點(diǎn)在于可以輕而易舉地帶載變幅，變幅時(shí)吊重能水平移動(dòng)，這樣不僅變幅功率很小，而且吊重安裝就位準(zhǔn)確，操作容易，臂架長度遠(yuǎn)超動(dòng)臂式塔機(jī)。小車變幅塔機(jī)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(yīng)范圍廣。

　　從20世紀(jì)80年初至步入21世紀(jì)，隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，建筑物的增多，對(duì)塔機(jī)的需求量劇增，塔機(jī)市場空前的繁榮，塔機(jī)產(chǎn)品的技術(shù)性能也得到顯著的提高。而在這期間，小車變幅的塔機(jī)是我國塔機(jī)市場的主角，動(dòng)臂式塔機(jī)只在一小部分高層建筑施工中得到應(yīng)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(quán)利的法規(guī)及跨占鄰居領(lǐng)地產(chǎn)生的糾紛，逐漸迫使人們改變使用塔式起重機(jī)已有的傳統(tǒng)觀念，視線從小車變幅的塔式起重機(jī)轉(zhuǎn)向臂架俯仰變幅的動(dòng)臂塔式起重機(jī)。

　　現(xiàn)代化的城市高樓密布，大型的建筑工地塔機(jī)林立，塔機(jī)臂架互相干擾問題明顯，這使有固定臂長的小車變幅塔機(jī)受到了很大的限制。另外，由于小車變幅塔機(jī)的臂架較長，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)必須掠過其他建筑物或道路，覆蓋面積大，當(dāng)塔機(jī)出現(xiàn)意外事故時(shí)傷及無辜的概率就會(huì)大，容易擴(kuò)大傷害范圍，這些都是小車變幅塔機(jī)的致命缺點(diǎn)。隨著近十年我國塔機(jī)產(chǎn)品技術(shù)性能的顯著提高，動(dòng)臂式塔機(jī)的變幅能力也得到很大的提高，克服了原有的致命缺點(diǎn)，加上動(dòng)臂式塔機(jī)在施工作業(yè)時(shí)吊臂可不超出建筑工地圍欄，也可避免多臺(tái)塔機(jī)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(dòng)臂式塔式起重機(jī)了。

　　2、動(dòng)臂塔式起重機(jī)的前景

　　目前，動(dòng)臂塔式起重機(jī)在國內(nèi)建筑行業(yè)中尚未得到廣泛的應(yīng)用，究其原因是動(dòng)臂塔式起重機(jī)比同噸位、同起重力矩的小車變幅塔機(jī)的銷售價(jià)格高;動(dòng)臂塔式起重機(jī)在吊運(yùn)重物時(shí)變幅速度比小車變幅塔機(jī)變幅速度慢，工作效率相對(duì)較低。從城市現(xiàn)代化發(fā)展趨勢(shì)可知，城市的高層建筑物會(huì)越來越密集，市區(qū)建筑工地的空間會(huì)變得越來越擁擠，只有使用動(dòng)臂式塔式起重機(jī)，才可以既不跨越相鄰建筑物的空間，又可避免相鄰塔機(jī)間的干涉，又能滿足大起重量的要求。故此，動(dòng)臂式塔式起重機(jī)在擁擠的城市建筑工地上的應(yīng)用會(huì)越來越多。

　　動(dòng)臂式塔機(jī)能否成為未來塔機(jī)市場的主流產(chǎn)品，塔機(jī)的安全設(shè)計(jì)及安全使用是關(guān)鍵：

　　3、動(dòng)臂式塔機(jī)的安全設(shè)計(jì)

　　3.1變幅機(jī)構(gòu)鉸點(diǎn)的設(shè)計(jì)

　　對(duì)于動(dòng)臂式塔機(jī)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(duì)整機(jī)平衡影響很大，存在臂架后翻的風(fēng)險(xiǎn)。理論上只要改變塔機(jī)臂架的角度，就可以改變塔機(jī)作業(yè)的工作幅度。動(dòng)臂式塔機(jī)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(dá)到在塔身周邊區(qū)域吊物體時(shí)臂架的仰角就非常大，這增加了塔機(jī)的后翻風(fēng)險(xiǎn)。但大仰角的吊臂，卻相當(dāng)于增加了塔身的高度，有效地?cái)U(kuò)展了塔機(jī)的工作范圍，塔機(jī)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(jī)后翻的危險(xiǎn)，由臂架下鉸點(diǎn)和人字架上鉸點(diǎn)所組成的變幅機(jī)構(gòu)鉸點(diǎn)的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，也是整機(jī)設(shè)計(jì)所考慮的一個(gè)重要問題。通常鉸點(diǎn)的布置是通過作圖和計(jì)算相結(jié)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(xué)關(guān)系式即可判斷鉸點(diǎn)確定是否合適，并能為鉸點(diǎn)的設(shè)計(jì)提供參考是動(dòng)臂塔機(jī)設(shè)計(jì)者努力想達(dá)到的目標(biāo)。

　　3.2起重臂的設(shè)計(jì)

　　當(dāng)動(dòng)臂式塔機(jī)的吊臂由最小幅度變化到最大幅度時(shí)，吊臂的自重彎矩變化較大，而吊臂自重彎矩變化時(shí)對(duì)整機(jī)平衡影響很大。同小車變幅相比，動(dòng)臂變幅對(duì)塔身產(chǎn)生了一個(gè)變化的附加彎矩，使得塔身的受力更加復(fù)雜， 尤其對(duì)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(fèi)材料，還增加了整機(jī)的自重，極大限制了起重能力，還給塔機(jī)的安裝運(yùn)輸和拆卸帶來極大地不便。為此，動(dòng)臂式塔機(jī)的起重臂設(shè)計(jì)一般采用“桿”結(jié)構(gòu)，采用四根主肢的矩形截面，這相對(duì)于小車變幅塔機(jī)的“樑”結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能更好，承載能力更強(qiáng)。并且材料采用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，盡可能地減輕起重臂的重量，使起重臂重量占整機(jī)結(jié)構(gòu)重量的比例更小，而最大限度地增加塔機(jī)的起重量。另外，動(dòng)臂式塔機(jī)起重臂的臂節(jié)還可以設(shè)計(jì)成能放入塔身節(jié)內(nèi)，以方便運(yùn)輸。

　　3.3配重的設(shè)計(jì)

　　當(dāng)動(dòng)臂變幅時(shí)，會(huì)產(chǎn)生附加的的靜載力矩。能平衡這一力矩，則會(huì)大大提高動(dòng)臂塔機(jī)的起重能力。在機(jī)械上的解決方法就是采用移動(dòng)配重技術(shù)，即吊臂仰起向上變幅時(shí)，使配重向接近塔身的方向運(yùn)動(dòng)，在最小幅度時(shí)，配重施加在臂架上的回復(fù)力也最大;吊臂俯降變幅時(shí)，使配重向遠(yuǎn)離塔身的方向運(yùn)動(dòng)。通過移動(dòng)配重，一方面抵消動(dòng)臂變幅時(shí)產(chǎn)生的靜載力矩，另一方便又可以減小吊臂俯降時(shí)風(fēng)力的影響，防止臂架被風(fēng)吹向后翻的危險(xiǎn)。

　　但是采用移動(dòng)配重需要額外的檢查及維護(hù)保養(yǎng)，成本高，并且研制費(fèi)用也高。目前大部分的新型動(dòng)臂塔機(jī)都采用固定配重設(shè)計(jì)，以降低制造成本和安裝維護(hù)費(fèi)用?？墒枪潭ㄅ渲氐娜秉c(diǎn)是在吊臂過仰時(shí)存在塔機(jī)傾翻的風(fēng)險(xiǎn)，使用時(shí)的安全要求比較高。如何采用一種更加簡潔的設(shè)計(jì)，使其不僅能達(dá)到預(yù)期的目的，而且又能大幅度降低費(fèi)用，一直是動(dòng)臂式塔機(jī)設(shè)計(jì)者研究的問題。

　　4、動(dòng)臂塔機(jī)的安全使用

　　由于動(dòng)臂式塔機(jī)很多情況下都是在高層建筑物上使用，地面風(fēng)平浪靜，高空風(fēng)起云涌、變幻莫測，風(fēng)對(duì)于塔機(jī)的影響是不容忽視的。根據(jù)吊臂穩(wěn)定性計(jì)算原則，動(dòng)臂塔機(jī)在空載狀態(tài)下，當(dāng)由吊臂和吊鉤自重產(chǎn)生穩(wěn)定力矩大于由風(fēng)力產(chǎn)生的后傾覆力矩時(shí)，吊臂是穩(wěn)定的，反之失穩(wěn)。對(duì)于那些常見的動(dòng)臂塔式起重機(jī)來說，當(dāng)臂架仰起到幾乎垂直的時(shí)候，風(fēng)力增大會(huì)使臂架向后傾翻的危險(xiǎn)增大。故當(dāng)動(dòng)臂式塔機(jī)不工作時(shí)，臂架不應(yīng)該置于最小幅度，而應(yīng)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(jī)有一定的迎風(fēng)面積，產(chǎn)生風(fēng)標(biāo)效應(yīng)。

　　5、結(jié)束語

　　隨著社會(huì)的進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市建筑密度的加大，大型鋼結(jié)構(gòu)建筑日益增多，人們對(duì)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(jī)吊臂超出安全范圍到達(dá)道路或跨占鄰居領(lǐng)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(jī)。而動(dòng)臂式塔式起重機(jī)以相對(duì)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(shí)拆卸方便，已在高層建筑、大型鋼結(jié)構(gòu)安裝及電站工程得到廣泛應(yīng)用。可以預(yù)見，隨著動(dòng)臂塔機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，動(dòng)臂式塔式起重機(jī)的發(fā)展前景是美好的，一定會(huì)占有塔機(jī)市場的半壁江山。