起重機

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正在施工的一台吊車,為上車迴轉式伸縮臂輪式起重機,屬流動式起重機

起重機(英文:Crane),指用吊鉤或其他取物裝置弔掛重物,在空間進行升降與運移等循環性作業的機械。起重機有很多分類,「吊車」、「塔吊」、「天車」、「行車」等俗稱指的就是起重機中的一類或幾類。

按結構可分為橋架型起重機、纜索型起重機和臂架型起重機三大類,按取物裝置可分為吊鉤起重機、抓鬥起重機、電磁起重機等十五類,按照移動方式可分為固定式起重機、爬升式起重機、便移式起重機、徑向迴轉起重機、行走式起重機五大類,按照驅動方式可分為手動起重機、電動起重機、液壓起重機三類。還有按照迴轉能力、支承方式、操作方式等來分類的。

歷史[編輯]

作為生產生活中起升重物的需要,古代各個文明中均發展了具有自己特色的起重機械雛形,如中國古代的桔槔轆轤等,但現代起重機械起源於歐洲。

古希臘[編輯]

希臘-羅馬式「Trispastos」(三滑輪起重機),最簡單的起重機類型,可負載150kg

公元前6世紀末,古希臘人發明了用於起吊重物的起重機。[1]考古表明最晚到公元前515年,吊裝夾具和吊楔英語Lewis (lifting appliance)的痕迹就已經出現在了希臘神廟的石塊上。在這些石塊上,有用於起升的孔,這些孔通常位於重心上方,或者對重心上方的一個點對稱。考古學家認為這些跡象標明當時已經有了起重機的存在。[1]

不久後,絞車英語Winch滑輪組就取代土堆坡道(ramp)成為垂直搬運最主要的方式。在接下來的200年里,由於新的吊裝工藝使利用幾塊小點的石塊代替大石塊更為可行,希臘建築工地所需處理的構件重量迅速下降。相比希臘古風時期建築石塊不斷增大的尺寸,像帕特農神廟之類的希臘古典時期神廟使用的都是重量在15-20噸以下的石塊。同時,由於多柱結構的應用,大型單柱結構實際上已經被捨棄了。[2]

雖然從土堆坡道轉變為起重機的具體過程還不清楚,但原因可能是,在當時希臘動蕩的社會和政治條件下,在埃及和亞述等地常見的勞動力密集型的土堆坡道和所需大量勞動力並不是各個城邦可以負擔的,取而代之的是小而專業的施工隊和各種起重機械。[2]

滑輪組系統的最早文字記錄出自《力學問題》(Mech. 18, 853a32-853b13),書中將其歸功於亞里士多德(公元前384-322年),但其出現可能要稍晚一些。與此同時,希臘神廟的石塊尺寸又逐漸達到了古風時期的水平,這標明複雜的滑輪組系統開始在希臘的建築工地越來越普及。[3]

古羅馬[編輯]

希臘-羅馬式「Pentaspastos」(五滑輪起重機),可負重450kg
一個羅馬「Polyspastos」的復原品,高10.4m,由踏輪提供動力,位於德國伯恩
古羅馬的吊裝場面

起重機在古代的全盛時期是羅馬帝國時期,當時施工建設猛增,建築尺寸也相當巨大。羅馬人採用了希臘的起重機並將其進一步發展。多虧維特魯威希羅等工程師的詳細記錄,我們可以對羅馬人的起重技術了解的比較多。公元一世紀末的昆圖斯·哈特里烏斯英語Quintus Haterius的墓石上有兩幅留存下來的浮雕詳細地描繪了當時的踏車起重機英語Treadwheel crane

最簡單的羅馬起重機是「trispastos」(三滑輪起重機),這種起重機由一個單梁吊臂、一個絞車、一根和一個包含3個滑輪的滑輪組。該結構的機械利益為3:1 ,單人操作絞車就起升150公斤左右的重物。「pentaspastos」(五滑輪起重機)是起重量再大些的起重機,在其最能吊的工況,它共有5個滑輪,同時根據起升重量的不同,滑輪可以調節為3個,臂桿可以調節為2-4根。「polyspastos」藉助絞車兩邊的四個人可以起升約3000公斤的重物。因為踏車具有更大的機械優勢,所以如果將絞車換成踏車,僅需要一半的工作人員,其最大起重量可以加倍達到6000公斤。這意味著,相比埃及金字塔的建設中利用土堆坡道搬運一塊2.5噸的石塊利用50人,利用羅馬polyspastos,每人可以起升3000公斤,是他們的60倍。[4]

無論如何,許多現存羅馬建築的石塊已經遠超polyspastos所處理的大小,這表明,羅馬人的起重能力已經發展到了很高的水平。在巴勒貝克朱庇特神廟,額枋石塊每塊重達60噸,飛檐石塊每塊都超過100噸,且它們大都被提升到了19米左右。[3]羅馬圖拉真柱的主塊重53.3噸,高達34米。[5]

古羅馬工程師們依靠兩種措施吊裝大型物體:一是希羅所建議的提升塔(lifting tower),提升塔是由平行的四根桅杆組成的方塔架;[6]二是塔周圍地面的大量絞車,雖然絞車比踏輪的機械利益要小,但它卻可以實現多人甚至牲口同時施力。[7]根據阿米阿努斯·馬爾切利努斯的描述,多絞車系統就曾被用於馬克西穆斯競技場的拉特蘭諾方尖塔的建造中。單個絞車的起重量可以通過單塊巨石上吊楔孔的數量來確定。如之前提到的巴勒貝克的額枋石塊,重量在55噸到60噸之間,上面的八個孔標明,每個吊楔允許的載重為7.5噸,這也是每台絞車的吊裝載荷。[8]通過協作起吊如此巨大的重量,需要為絞車提供動力的各個工作組之間大量的精準協作。

中世紀[編輯]

中世紀港口起重機,用於安裝桅杆和裝卸重物,位於波蘭格但斯克[9]

中世紀中期,由於西羅馬帝國滅亡後的科技倒退,踏車起重機在西歐再次大規模應用。[10]對踏輪起重機(magna rota)最早的記載發現於約1225年的法國檔案文獻,[11]緊隨其後的是1240年的一份同樣出自法國的記載。[12]在航海行業方面,烏得勒支最早使用岸上起重機是1244年,安特衛普是1263年,布呂赫是1288年,漢堡是1291年,[13]而在英格蘭到1331年才有踏車起重機的記載。[14]

馬修·帕里斯英語Matthieu Paris著作《聖亞班傳》(Life of St Alban)中的獨輪車與擔架

通常,用起重機來完成垂直搬運要被常規的方式更安全、更廉價。因此,在港口、礦山和尤其是建築等領域,踏輪起重機應用廣泛,其在高聳的哥德式教堂的建造中發揮了重要作用。然而,無論當時的文字還是圖案資料都表明像踏輪起重機、獨輪車等新引入的機械遠沒有取代傳統的勞動力密集的梯子、泥漿桶、擔架等方式。相反,在中世紀新舊方式一直在港口和建築工地共存。[15][13]

除了踏輪,中世紀的資料顯示,當時的起重機也有用帶輻條英語Spoke曲柄英語Crank (mechanism)絞盤英語windlass來手動驅動的,直至15世紀仍有用船舵形狀的絞盤來驅動起重機的。已知早在1123年,飛輪就被用來緩解吊裝過程中衝擊的不規則性和克服「死點」的影響。[16]

儘管踏輪起重機的重新興起毫無疑問地與當時哥德式建設的大規模興建有關,但其具體過程是不明確的。[11]踏輪起重機的重現還可能導致了絞盤的技術進步。另外,中世紀踏輪可能是刻意借鑒古羅馬建築師維特魯威的《建築十書英語De architectura》中的圖樣來製作的,該書可以在很多修道院的圖書室中輕易得到。早期踏輪的結構與水車十分相似,所以踏輪的再現也可能是從水車的省力結構中受到了啟發。[14]

結構與布置[編輯]

建築頂上的單踏輪起重機

中世紀的踏輪起重機包括一個或兩個繞著中軸轉動的巨大踏輪,踏輪寬度足夠兩個人並排行走。雖然早期的「圓規臂」輪('compass-arm' wheel)是直接插入軸桿之中的,但更先進的「扣臂」型('clasp-arm' type)則已改為了連接輪輞的弦桿,[17]這為使用更細的軸桿和提供更大的機械利益英語Mechanical advantage提供了可能。[18]

與普遍持有的觀點不同,中世紀建築工地的起重機既不是放在當時所用的極為輕便的腳手架上的,也不是放在哥德式教堂的薄牆壁上,它們無法承載起重機和負載的重量。相反地,建築最初階段,起重機被放在地上,且通常是在建築裡面。在新的一層地板完成及屋頂大規模系梁連到牆上後,起重機就被拆除並在頂樑上重組,靠起重機的移動完成拱頂的建造。[19]因此,起重機隨著建築的建造而遷移,造成英格蘭所有現存的建築起重機全是在教堂塔樓的屋頂之下和拱頂之上發現的。建築完成後他們依舊被留在那裡,以備維修時吊裝材料。[20]

類型[編輯]

在建橋工程中所用的起重機械,根據其構造和性能的不同,一般可分為輕小型起重設備、橋式類型起重機械和臂架類型起重機三大類。輕小型起重設備如千斤頂電動葫蘆卷揚機等。橋架類型起重機械如樑式起重機龍門起重機等。臂架類型起重機如固定式回轉起重機塔式起重機、汽車起重機與輪式、履帶起重機等。

在一定範圍內垂直提升和水平搬運重物的多動作起重機械,又稱吊車,屬於物料搬運機械。起重機的工作特點是做間歇性運動,即在一個工作循環中取料、運移、卸載等動作的相應機構是交替工作的。

 
 
 
 
 
 
 
 
 
橋式起重機
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
橋架型起重機
 
 
門式起重機
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
半門式起重機
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
纜索起重機
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
纜索型起重機
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
門式纜索起重機
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
門座起重機
 
 
 
 
 
 
按構造分
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
半門座起重機
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
纜索式桅杆起重機
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
桅杆起重機
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
剛性斜撐式桅杆起重機
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
流動式起重機
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
塔式起重機
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
臂架型起重機
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
鐵路起重機
 
 
柱式懸臂起重機
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
懸臂起重機
 
 
壁式懸臂起重機
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
浮式起重機
 
 
自行車式起重機
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
甲板起重機
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
臂架起重機
 
 
 
 
 

參考[編輯]

兩台正在施工的履帶吊,上車迴轉式桁架桿臂履帶起重機,屬流動式起重機
  1. ^ 1.0 1.1 Coulton 1974,第7頁
  2. ^ 2.0 2.1 Coulton 1974,第14f.頁
  3. ^ 3.0 3.1 Coulton 1974,第16頁
  4. ^ All data from: Dienel & Meighörner 1997,第13頁
  5. ^ Lancaster 1999,第426頁
  6. ^ Lancaster 1999,第427ff.頁
  7. ^ Lancaster 1999,第434ff.頁
  8. ^ Lancaster 1999,第436頁
  9. ^ 引用錯誤:無效<ref>標籤;未為name屬性為Matheus_1996.2C_346的引用提供文字
  10. ^ Matthies 1992,第514頁
  11. ^ 11.0 11.1 Matthies 1992,第515頁
  12. ^ Matthies 1992,第526頁
  13. ^ 13.0 13.1 Matheus 1996,第345頁
  14. ^ 14.0 14.1 Matthies 1992,第524頁
  15. ^ Matthies 1992,第545頁
  16. ^ Matthies 1992,第518頁
  17. ^ Matthies 1992,第525f.頁
  18. ^ Matthies 1992,第536頁
  19. ^ Matthies 1992,第533頁
  20. ^ Matthies 1992,第532ff.頁