机械工程师评职论文浅谈动臂塔式起重机的应用

　　摘要：简述动臂塔式起重机的发展过程及目前应用状况，探讨动臂塔式起重机未来的发展前景。

　　关键词：动臂塔式起重机,发展,应用,前景

　　塔式起重机简称塔机，亦称塔吊，起源于西欧。据记载，第一项有关建筑用塔机专利颁发于1900年，1905年出现了塔身固定的装有臂架的起重机，1923年制成了近代塔机的原型样机，同年出现第一台比较完整的近代塔机。1930年德国开始批量生产塔机，并用于建筑施工。

　　1、动臂塔式起重机的发展及其应用

　　动臂塔式起重机(即俯仰臂架塔机)是历史上最早出现的塔机型式，从第二次世界大战结束后到20世纪60年代，由于动臂式塔机的施工效益显著，从工业建筑到民用建筑，从造船厂到港口码头，从钢结构建筑到电站建设，动臂式塔机无处不在，动臂式塔机占有塔机市场的大部分份额。我国的塔机行业是在20世纪50年代起步，当时引进的样机也是德国出产的动臂式塔机。但是从20世纪70年代开始，由于技术的局限性，动臂式塔机很少能带载变幅，大部分塔机都要靠在轨道上行走来改变吊装物的水平位置，这一致命缺点使其逐渐被挤出建筑市场，小车变幅塔机取代了动臂式塔机的地位。

　　小车变幅塔机优点在于可以轻而易举地带载变幅，变幅时吊重能水平移动，这样不仅变幅功率很小，而且吊重安装就位准确，操作容易，臂架长度远超动臂式塔机。小车变幅塔机形式多样，有上回转、下回转、附着、内爬、行走等多种形式，适应范围广。

　　从20世纪80年初至步入21世纪，随着我国经济的高速发展，城市规模的不断扩大，建筑物的增多，对塔机的需求量剧增，塔机市场空前的繁荣，塔机产品的技术性能也得到显著的提高。而在这期间，小车变幅的塔机是我国塔机市场的主角，动臂式塔机只在一小部分高层建筑施工中得到应用。但近年随着城市建筑物密度的增加，高层摩天建筑的涌现，市区的工地凸显了拥挤的状态，加上新制定的相邻空间权利的法规及跨占邻居领地产生的纠纷，逐渐迫使人们改变使用塔式起重机已有的传统观念，视线从小车变幅的塔式起重机转向臂架俯仰变幅的动臂塔式起重机。

　　现代化的城市高楼密布，大型的建筑工地塔机林立，塔机臂架互相干扰问题明显，这使有固定臂长的小车变幅塔机受到了很大的限制。另外，由于小车变幅塔机的臂架较长，转动时必须掠过其他建筑物或道路，覆盖面积大，当塔机出现意外事故时伤及无辜的概率就会大，容易扩大伤害范围，这些都是小车变幅塔机的致命缺点。随着近十年我国塔机产品技术性能的显著提高，动臂式塔机的变幅能力也得到很大的提高，克服了原有的致命缺点，加上动臂式塔机在施工作业时吊臂可不超出建筑工地围栏，也可避免多台塔机作业的干涉，目前在典型的市区工地或高层建筑工地上，人们又趋向使用动臂式塔式起重机了。

　　2、动臂塔式起重机的前景

　　目前，动臂塔式起重机在国内建筑行业中尚未得到广泛的应用，究其原因是动臂塔式起重机比同吨位、同起重力矩的小车变幅塔机的销售价格高;动臂塔式起重机在吊运重物时变幅速度比小车变幅塔机变幅速度慢，工作效率相对较低。从城市现代化发展趋势可知，城市的高层建筑物会越来越密集，市区建筑工地的空间会变得越来越拥挤，只有使用动臂式塔式起重机，才可以既不跨越相邻建筑物的空间，又可避免相邻塔机间的干涉，又能满足大起重量的要求。故此，动臂式塔式起重机在拥挤的城市建筑工地上的应用会越来越多。

　　动臂式塔机能否成为未来塔机市场的主流产品，塔机的安全设计及安全使用是关键：

　　3、动臂式塔机的安全设计

　　3.1变幅机构铰点的设计

　　对于动臂式塔机来讲，其俯仰变幅过程中，起重臂的重心也在变化，吊臂自重弯矩也随之变化，这对整机平衡影响很大，存在臂架后翻的风险。理论上只要改变塔机臂架的角度，就可以改变塔机作业的工作幅度。动臂式塔机一般允许吊臂的俯仰角度在15°到85°之间变化，随着臂架的加长，要达到在塔身周边区域吊物体时臂架的仰角就非常大，这增加了塔机的后翻风险。但大仰角的吊臂，却相当于增加了塔身的高度，有效地扩展了塔机的工作范围，塔机的工作范围几乎是以吊臂长度为半径的半球体空间。而要使臂架的仰角尽可能大而又不发生塔机后翻的危险，由臂架下铰点和人字架上铰点所组成的变幅机构铰点的设计是关键，也是整机设计所考虑的一个重要问题。通常铰点的布置是通过作图和计算相结合的原则来确定，其过程十分繁琐，还往往得不到最合理的布局，故能用简单的数学关系式即可判断铰点确定是否合适，并能为铰点的设计提供参考是动臂塔机设计者努力想达到的目标。

　　3.2起重臂的设计

　　当动臂式塔机的吊臂由最小幅度变化到最大幅度时，吊臂的自重弯矩变化较大，而吊臂自重弯矩变化时对整机平衡影响很大。同小车变幅相比，动臂变幅对塔身产生了一个变化的附加弯矩，使得塔身的受力更加复杂， 尤其对于大塔，起重臂的自重非常大，由此产生的附加弯矩迫使塔身做得很粗壮，不但浪费材料，还增加了整机的自重，极大限制了起重能力，还给塔机的安装运输和拆卸带来极大地不便。为此，动臂式塔机的起重臂设计一般采用“杆”结构，采用四根主肢的矩形截面，这相对于小车变幅塔机的“樑”结构稳定性能更好，承载能力更强。并且材料采用高强度结构钢，尽可能地减轻起重臂的重量，使起重臂重量占整机结构重量的比例更小，而最大限度地增加塔机的起重量。另外，动臂式塔机起重臂的臂节还可以设计成能放入塔身节内，以方便运输。

　　3.3配重的设计

　　当动臂变幅时，会产生附加的的静载力矩。能平衡这一力矩，则会大大提高动臂塔机的起重能力。在机械上的解决方法就是采用移动配重技术，即吊臂仰起向上变幅时，使配重向接近塔身的方向运动，在最小幅度时，配重施加在臂架上的回复力也最大;吊臂俯降变幅时，使配重向远离塔身的方向运动。通过移动配重，一方面抵消动臂变幅时产生的静载力矩，另一方便又可以减小吊臂俯降时风力的影响，防止臂架被风吹向后翻的危险。

　　但是采用移动配重需要额外的检查及维护保养，成本高，并且研制费用也高。目前大部分的新型动臂塔机都采用固定配重设计，以降低制造成本和安装维护费用。可是固定配重的缺点是在吊臂过仰时存在塔机倾翻的风险，使用时的安全要求比较高。如何采用一种更加简洁的设计，使其不仅能达到预期的目的，而且又能大幅度降低费用，一直是动臂式塔机设计者研究的问题。

　　4、动臂塔机的安全使用

　　由于动臂式塔机很多情况下都是在高层建筑物上使用，地面风平浪静，高空风起云涌、变幻莫测，风对于塔机的影响是不容忽视的。根据吊臂稳定性计算原则，动臂塔机在空载状态下，当由吊臂和吊钩自重产生稳定力矩大于由风力产生的后倾覆力矩时，吊臂是稳定的，反之失稳。对于那些常见的动臂塔式起重机来说，当臂架仰起到几乎垂直的时候，风力增大会使臂架向后倾翻的危险增大。故当动臂式塔机不工作时，臂架不应该置于最小幅度，而应该按厂家使用说明书的要求置于一定的角度。这是为了使塔机有一定的迎风面积，产生风标效应。

　　5、结束语

　　随着社会的进步，经济的发展，城市建筑密度的加大，大型钢结构建筑日益增多，人们对环境的要求也越来越高，各地政府也开始制定法规禁止塔机吊臂超出安全范围到达道路或跨占邻居领空。受此限制，许多建筑工地根本无法使用小车变幅式的塔式起重机。而动臂式塔式起重机以相对短小的回转半径，较大的起升高度，较大的起重能力，而且内爬安装时拆卸方便，已在高层建筑、大型钢结构安装及电站工程得到广泛应用。可以预见，随着动臂塔机技术的不断进步，动臂式塔式起重机的发展前景是美好的，一定会占有塔机市场的半壁江山。