动臂式塔机(又称俯仰臂架塔机) 作为塔式起重机最原始的型式曾有过一段辉煌的历史,从工业建筑到民用建筑, 从修造船厂到港口码头, 从钢结构建筑到电站建设, 动臂式塔机都发挥了巨大的作用。回顾国外发达国家动臂式塔机的发展历程, 不难看出, 动臂式塔机的发展不仅受一个国家及地区整体技术水平的限制, 同时又和经济发展、文明程度等密切相关。
1 早期的动臂式塔机 二次世界大战前, 塔机的发展仍处于初级阶段。在二次世界大战之后, 由于战争带来的创伤,各国都面临着战后重建, 有力地刺激了建筑机械的发展, 动臂式塔机也得到了飞速的发展。作为塔机发源地的欧洲, 当时的塔机发展水平代表着世界最高技术。
在这一时期, 经济刚刚恢复, 建设规模还较小, 建筑物的高度不大, 轨行式、下回转的动臂塔机一直占有统治地位, 其中最为流行的是德国利勃海尔(Liebherr) 和派纳(Peiner) 公司制造的动臂塔机。20 世纪60 年代末期, 法国波坦( Potain)制造的一种上回转、小车变幅式塔机开始取代了传统动臂塔机的地位。在20 世纪60 年代, 大中型塔机中, 动臂式塔机的市场份额占近70 % , 而70 年代已降到了10 %。就塔机的型式而言, 早期的动臂塔机以下回转为主流。
2 上回转、自升式动臂塔机 20 世纪50年代,随着经济的发展和高层建筑比重的增加,出现了自升式动臂塔机。例如, 1958年利勃海尔推出了一种上回转、液压控制动臂变幅的HB 系列“通用起重机”, 起重力矩从30t.m 到90t.m ,该型动臂塔机都有较短的平衡臂, 在高层建筑工程中多台塔机可以联合作业。
与此同时, 日本的石川岛( IHI) 为满足本国市场的需求, 开发了一种管柱塔身的动臂塔机,1958 年东京第一座35 层的大厦就使用了这种200t?m 塔机。出于抗震的考虑, 日本的塔机一向刚度较强, 至少在200t.m 以上塔机, 他们的设计确有独到之处。例如,塔身为圆筒型而不是方型截面桁架,吊臂根部较宽, 塔身节是在转台中心向上加高以便塔机爬升。1964年,澳大利亚的法夫可( Favco)公司推出了一种类似的动臂塔机, 该机型具有100t.m 以上的起重能力,不同的是它由柴油机驱动并由钢丝绳控制配重的移动。1966年,法夫可又突破性地开发出了一种起重量可达45t 的大型自升式动臂塔机STD2700,该塔机可称得上是后来所有大型自升式动臂塔机的鼻祖,美国纽约世界贸易中心施工中曾用了8台这样的动臂塔机。从某种 意义上说,上回转、自升式动臂塔机的出现,标志着动臂塔机进入了一个新时代。
3 小车变幅/ 动臂变幅的混合体———折曲臂架塔机 澳托•凯塞尔(Otto Kaiser) 在20 世纪60 年代提出了一种不同寻常的塔机概念—HBK 系列折曲臂架式塔机。该系列塔机在当时非常成功, 起重机械这种上回转自升式塔机融汇了小车变幅和动臂变幅塔机的设计优点, 臂架可以折曲, 既可用作动臂变幅, 又可用作小车变幅, 而且平衡臂非常短, 50～100t?m级别塔机, 平衡臂尾部的回转半径只有5.8～8m。当塔机处于小车变幅臂架位置时, 其工作幅度最大。当仰起臂架时, 在不安装额外塔身节的情况下, 其内侧臂架在几分钟内就可转变为增加的塔身高度。
这种设计特点尤其适用于冷却塔、电视塔及摩天大楼等建筑物的施工。与普通动臂塔机相比,其优点是以小车变 幅臂架工作时重物可平移和能耗低, 其主要缺点是在臂架仰起、最小幅度时的起重能力相对较低。冷却塔基座部分直径大, 需要塔机以全部臂架幅度工作; 而冷却塔上部变窄, 通过折曲臂架就可以把部分臂架转化为额外的吊钩高度,在不加锚固的情况下, 就可以把冷却塔建得很高。当施工结束塔机下降时, 通过折曲臂架, 全部塔机都可以通过冷却塔的圆锥形孔径。继凯塞尔之后, 利勃海尔和派纳公司也研制出了折曲臂架式塔机。在利勃海尔系列塔机中, 有代表性的当属180HC - K, 派纳的产品系列中, 只有一种SKK140 型折曲臂架塔机。
通常, 高于200m 的大型冷却塔, 都有很大的底座直径, 若把塔机安装在冷却塔中心, 即使臂长65m、起重能力200t.m级别的塔机都满足不了工作幅度的要求。这种情况下, 就得使用更长臂架的小车变幅式塔机, 其吊臂要带有折曲臂装置, 以便降塔时塔机能通过冷却塔。这种折曲臂式塔机功能多, 可满足某些特殊要求, 但其制造成本较高, 所以这类塔机并没有十分流行。不过, 折曲臂架式塔机的出现, 使小车变幅式和动臂变幅式塔机的界限不再分明。
4 臂架伸缩式动臂塔机 一些汽车起重机制造厂, 如美国的格鲁夫(Grove) 和马尼泰克斯(Manitex) 公司, 把汽车起重机的上部结构装在带有自升系统的塔身上, 即把汽车起重机和塔机有机地结合到一起, 这种变型的动臂塔机不仅满足了某些特殊市场的需求, 而且为动臂塔机系列增添了新的活力。
这种塔机大多用在核电站工程, 其优点是能在空间有限的圆顶内工作。缺点是其结构显得头重脚轻, 工作时对塔身产生很大的侧向力, 而且当吊臂伸长时, 载荷曲线会急剧下降, 所以这种伸缩臂的长度通常限定在20～30m。1985 年, 在法国核电站施工期间, 为满足施工特殊性, 波坦公司设计制造了一种带有EMA 提升装置的上回转自升式塔机。其平衡臂尾部回转半径只有418m , 具有可伸缩的小车变幅臂架, 幅度可由16m 变为30m。当塔机回转到反应堆时, 需要避开拱顶, 该型塔机借助于EMA 装置, 有效地解决了这一空间问题, 仰起缩回的臂架就可以抬离拱顶而不需加高塔帽的高度。塔机的最小工作幅度只有5m , 臂架抬高时可起吊2t ; 臂架水平时, 最大可起吊4t 。1990 年一台这类塔机还用于狭窄的伦敦市区工地。虽然这种臂架伸缩式动臂塔机应用面较窄, 但却为动臂式塔机的应用和发展开阔了新的思路。
5 动臂塔机的改进 新兴亚洲市场的高层建筑工程、新制定的领空权许可制度及跨占邻居领地产生的纠纷等因素, 推动了各种类型动臂塔机的改进和发展。几乎欧洲每个塔机生产厂家在设计时都考虑了这些因素, 研制出了相应的改型塔机。对动臂塔机而言, 当动臂变幅时, 由此会产生附加的静载力矩, 平衡这一力矩会大大提高塔机的起重能力。在机械上的解决方法是移动配重, 即吊臂仰起时, 使配重移向塔身; 吊臂俯降时, 使配重远离塔身。这样做的好处是:
(1) 动臂产生的静载力矩可由移动的配重抵消;(2) 通过移动配重、放低臂架可以减少风力的影响;(3) 移动式配重能耗较小, 却能使动臂变幅时产生的侧向力大为降低。最初是采用钢丝绳移动配重的方法, 1985 年利勃海尔在500HC 塔机上应用了一种新型装置, 替代传统的钢丝绳移动配重的方法。BKT 公司更是在75t.m 以上的所有型号动臂塔机上都使用了配重移动装置, 其结构更加轻便, 对运输非常有利。
1989 年, 波坦公司在MR300 塔机上应用了一种更复杂的配重移动系统, 当吊臂仰起时, 通过连杆的作用使配重移向塔身。1997 年, 意大利的康曼地(Comedil) 公司在CTL400 塔机上应用了通过悬挂的配重、吊臂联动装置来移动配重的方法。20 世纪90 年代, 主要出于降低成本的考虑,欧洲大多数制造厂放弃了配重移动装置, 比较典型的是法夫可公司, 他们在设计上作了较大的调整,把移动式配重都改为固定式配重。其理由如下:
(1) 动臂变幅时产生的静载力矩靠移动式配重只能抵消20 %;(2) 移动式配重需要额外的检查及维护保养, 成本高;(3) 移动式配重的研制成本高。
到目前为止,仍有一些塔机制造商坚持采用移动式配重, 如派纳和BKT公司等,不过和以前相比移动式配重设计得更加简洁。
6 日趋紧凑的设计 动臂式塔机主要用于空间狭窄的工地, 今天的城市建筑工地以及工业场所, 如电站的整修、闹市区的高层建筑、金融商务区的改扩建等施工条件特殊, 空间场地狭小, 所有这些都要求动臂塔机尽量减小尾部配重的回转半径, 因此带有较长平衡臂的老式动臂塔机已经被短平衡臂的动臂塔机所代替。
托恩堡(Tornborgs) 继S - 40 (7.6m 的平衡臂回转半径) 之后又推出了S - 46 型(4.6m 的平衡臂回转半径) 动臂塔机, 充分说明了这一趋势。另外, 过于宽大的司机室、回转平台及平衡臂走台等越来越不受欢迎, 因为在高大建筑物旁降塔时会造成很大的不便。在设计阶段, 制造厂商都不同程度地考虑了塔机各大部件的尺寸, 既要利于安装、拆卸, 又要便于运输、存放。例如, 现今的动臂塔机吊臂的臂节可以放入塔身节内运输。由此可见, 紧凑化设计是当今塔机设计非常明显的趋势。
8 动臂塔机在民建工程上的应用 90 年代以来,各个国家及地区的文明程度日益提高,人们对环境的要求越来越高。在以前,塔机吊臂在马路上、闹市区上空转来转去是司空见惯的事, 但现在在许多国家被禁止,即使许多中小发展中国家也对这一现象给予充分的重视。1994 年在马来西亚首都吉隆坡市发生了一起重物脱钩致使行人伤亡的事故,于是当地政府制订了相应的法规, 禁止塔机吊臂超出安全范围到达马路或闹市区等。受此限制, 许多建筑工地根本无法使用小车变幅式塔机, 只能使用动臂式塔机,于是动臂式塔机在马来西亚非常流行, 以至法夫可公司在马来西亚投资办厂生产动臂式塔机。
在小车变幅式塔机仍占主导地位的今天,动臂式塔机在大部分地区还处于配角地位,不过动臂式塔机有着小车 变幅式塔机不可替代的优越性。从世界范围看,动臂式塔机不但没有过时,反而在许多国家有流行的趋势。在“中国上海国际建筑工程机械设备暨新技术展览会” 上,BKT公司在介绍其动臂塔机时曾自豪地说:“我们的动臂式塔机系列是为21 世纪准备的,21 世纪将是动臂式塔机的世纪”。可以预见,随着世界经济的发展、城市建筑密集度的加大,动臂式塔机将发挥越来越大的作用。
这里说的大型动臂式塔机，已经不是传统意义上的下回转、非自升式动臂式塔机，而是代表着大起重量、大起升高度、大起升速度的当代重型建筑起重机。就上述 典型工程施工来说，大型动臂式塔机是其首选，甚至是唯一选择。能够创造如此多“第一”的大型动臂塔机必然有其在性能、结构、应用技术等方面的特殊性，必然 有其在安全使用方面的特殊要求。1、性能参数 大型动臂塔机除具备外爬、内爬、行走功能外，特殊功能 （1）大起重量现代大型建筑工程采用了钢或钢、混凝土组合结构，吊装单元的重量大大提高，异型、组合结构通常达到32吨，最大达到80余吨。因此，大型动臂塔机配置重型主起升系统，最大起重量通常在32至100吨。 （2）大起升高度由于采用了特殊的爬升体系，起重机可随建筑结构整体爬高，起升高度大幅度提高。 （3）大起升速度起升结构大功率，特别是采用了自备的内燃机拖动方案，带负荷起升速度超过100m/min。
2、结构特性 （1）吊臂起伏角度大，尾部回转半径小大型动臂式塔机吊臂起伏角度在17至83度之间，大大拓宽了设备的能力和工作范围。相对于水平臂塔机，吊臂的大仰角相当于增加了塔身的高度，有效扩展的工 作范围几乎是以吊臂长度为半径的半球体空间。这对于结构主体施工以及主体结构上高耸构件吊装具有重要意义。尾部回转半径在8至11米之间，这在群塔作业、 城市狭小作业空间施工提供了更多的选择，在城市中心区、超高层建筑工程施工甚至是唯一选择。但另一方面，由于吊臂起伏引起两个方面的问题。其一，吊臂自重 弯距变化大。如M440D安装55米吊臂，当由最小幅度变化到最大幅度时，其自重弯距变化超过300t.m（安装82米臂的M1280D塔机自重弯距变化 甚至超过1000t.m），吊臂自重弯距变化对整机平衡影响很大。因此大型动臂式塔机吊臂设计采用高强度结构钢，最大限度地减轻臂架重量而增加吊重，提高 吊重与机重的比例系数。其二，吊臂迎风面积增加大。由最大幅度变化到最小幅度时，相对于臂根铰点，其吊臂迎风面积增加3.4倍。因此无论大型动臂式塔机处 于工作状态或非工作状态，风载荷对塔机安全影响更大，并且这种影响是变化的、动态的，容易为操作及管理者忽视而造成重大事故。这一点在“安全预警”中进一 步讨论。 （2）吊臂稳定性好，安装幅度范围大大型动臂式塔机吊臂设计采用“杆”结构，相对于水平臂塔机“梁”结 构稳定性能更好，吊臂结构占整机结构重的比例更小，而最大起重量则更大。因此，常规大型动臂式塔机起重能力都能够达到30至100吨，有效的解决了超高钢 结构工程对起重机大起重能力的要求。另外，由于塔机吊臂设计采用“杆”结构，吊臂安装幅度范围更大。为使用提供更多灵活选择，可以供不同工程选择，也可以 在同一工程的不同阶段根据需要调整。表3中可见，虽然吊臂安装幅度大，但是不同安装臂长对于起重特性的影响很大，例如65米安装臂长在臂端起重力矩 175t.m，而30米安装臂长在臂端起重力矩则能够达到585t.m，该变化量远大于水平臂塔机。此特点是由吊臂自重弯距变化和吊臂风载荷引起，尽管制 造商试图采用可移动平衡重来抵消吊臂自重弯距变化，终因制造成本等因素未成为主流。因此从有效利用大型动臂式塔机“起重特性”的角度讲，在超高工程主体结 构施工阶段，更适宜选择较短吊臂安装。 （3）主起升钢丝绳对起重特性影响大国外大型动臂式塔机采用了独立装机的 内燃机动力，装机容量可达到600Hp以上，为起重机高速重载起升创造了良好条件，起升主钢丝绳选用直径达到32毫米以上，钢丝绳自重对于超高工程主体结 构施工必然会影响到设备起重特性。例如M900D主钢丝绳重量就达到8.2公斤/米，如果超过其基本高度300米，附加值2500公斤则要转移为起重载 荷，设备起重特性则要做相应修正。该附加载荷对于大型动臂式塔机超高使用的影响是显著的。
