起重机

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一辆利勃海尔LTM 1200-5.1型吊车

起重机英语:Crane),指用吊钩或其他取物装置吊挂重物,在空间进行升降与运移等循环性作业的机械。起重机有很多分类,“吊车”、“塔吊”、“天车”、“行车”等俗称指的就是起重机中的一类或几类。

历史[编辑]

作为生产生活中起升重物的需要,古代各个文明中均发展了具有自己特色的起重机械雏形,如中国古代的桔槔辘轳等,但现代起重机械起源于欧洲。

古希腊[编辑]

希腊-罗马式“Trispastos”(三滑轮起重机),最简单的起重机类型,可负载150kg

公元前6世纪末,古希腊人发明了用于起吊重物的起重机。[1]:7考古表明最晚到公元前515年,吊装夹具和吊楔英语Lewis (lifting appliance)的痕迹就已经出现在了希腊神庙的石块上。在这些石块上,有用于起升的孔,这些孔通常位于重心上方,或者对重心上方的一个点对称。考古学家认为这些迹象表明当时已经有了起重机的存在。[1]:7

不久后,绞车英语Winch滑轮组就取代土堆坡道(ramp)成为垂直搬运最主要的方式。在接下来的200年里,由于新的吊装工艺使利用几块小点的石块代替大石块更为可行,希腊建筑工地所需处理的构件重量迅速下降。相比希腊古风时期建筑石块不断增大的尺寸,像帕特农神庙之类的希腊古典时期神庙使用的都是重量在15-20吨以下的石块。同时,由于多柱结构的应用,大型单柱结构实际上已经被舍弃了。[1]:14f

虽然从土堆坡道转变为起重机的具体过程还不清楚,但原因可能是,在当时希腊动荡的社会和政治条件下,在埃及和亚述等地常见的劳动力密集型的土堆坡道和所需大量劳动力并不是各个城邦可以负担的,取而代之的是小而专业的施工队和各种起重机械。[1]:14f

滑轮组系统的最早文字记录出自《力学问题》(Mech. 18, 853a32-853b13),书中将其归功于亚里士多德(公元前384-322年),但其出现可能要稍晚一些。与此同时,希腊神庙的石块尺寸又逐渐达到了古风时期的水平,这表明复杂的滑轮组系统开始在希腊的建筑工地越来越普及。[1]:16

古罗马[编辑]

希腊-罗马式“Pentaspastos”(五滑轮起重机),可负重450kg
一个罗马“Polyspastos”的复原品,高10.4m,由踏轮提供动力,位于德国伯恩

起重机在古代的全盛时期是罗马帝国时期,当时施工建设猛增,建筑尺寸也相当巨大。罗马人采用了希腊的起重机并将其进一步发展。多亏维特鲁威希罗等工程师的详细记录,我们可以对罗马人的起重技术了解的比较多。公元一世纪末的昆图斯·哈特里乌斯英语Quintus Haterius的墓石上有两幅留存下来的浮雕详细地描绘了当时的踏车起重机英语Treadwheel crane

最简单的罗马起重机是“trispastos”(三滑轮起重机),这种起重机由一个单梁吊臂、一个绞车、一根和一个包含3个滑轮的滑轮组。该结构的机械利益为3:1 ,单人操作绞车就起升150公斤左右的重物。“pentaspastos”(五滑轮起重机)是起重量再大些的起重机,在其最能吊的工况,它共有5个滑轮,同时根据起升重量的不同,滑轮可以调节为3个,臂杆可以调节为2-4根。“polyspastos”借助绞车两边的四个人可以起升约3000公斤的重物。因为踏车具有更大的机械优势,所以如果将绞车换成踏车,仅需要一半的工作人员,其最大起重量可以加倍达到6000公斤。这意味着,相比埃及金字塔的建设中利用土堆坡道搬运一块2.5吨的石块利用50人,利用罗马polyspastos,每人可以起升3000公斤,是他们的60倍。[2]:13

无论如何,许多现存罗马建筑的石块已经远超polyspastos所处理的大小,这表明,罗马人的起重能力已经发展到了很高的水平。在巴勒贝克朱庇特神庙,额枋石块每块重达60吨,飞檐石块每块都超过100吨,且它们大都被提升到了19米左右。[1]:16罗马图拉真柱的主块重53.3吨,高达34米。[3]:426

古罗马工程师们依靠两种措施吊装大型物体:一是希罗所建议的提升塔(lifting tower),提升塔是由平行的四根桅杆组成的方塔架;[3]:427ff二是塔周围地面的大量绞车,虽然绞车比踏轮的机械利益要小,但它却可以实现多人甚至牲口同时施力。[3]:434ff根据阿米阿努斯·馬爾切利努斯的描述,多绞车系统就曾被用于马克西穆斯竞技场的拉特兰诺方尖塔的建造中。单个绞车的起重量可以通过单块巨石上吊楔孔的数量来确定。如之前提到的巴勒贝克的额枋石块,重量在55吨到60吨之间,上面的八个孔表明每个吊楔允许的载重为7.5吨,这也是每台绞车的吊装载荷。[3]:436通过协作起吊如此巨大的重量,需要为绞车提供动力的各个工作组之间大量的精准协作。

中世纪[编辑]

中世纪港口起重机,用于安装桅杆和装卸重物,位于波兰格但斯克[4]:346
老彼得·勃鲁盖尔巴别塔英语The Tower of Babel (Bruegel)》中的双踏轮起重机

中世纪中期,由于西罗马帝国灭亡后的科技倒退,踏车起重机在西欧再次大规模应用。[5]对踏轮起重机(magna rota)最早的记载发现于约1225年的法国档案文献,[6]:515紧随其后的是1240年的一份同样出自法国的记载。[6]:526在航海行业方面,乌得勒支最早使用岸上起重机是1244年,安特卫普是1263年,布吕赫是1288年,汉堡是1291年,[4]:345而在英格兰到1331年才有踏车起重机的记载。[6]:524

马修·帕里斯英语Matthieu Paris著作《圣亚班传》(Life of St Alban)中的独轮车与担架

通常,用起重机来完成垂直搬运要被常规的方式更安全、更廉价。因此,在港口、矿山和尤其是建筑等领域,踏轮起重机应用广泛,其在高耸的哥特式教堂的建造中发挥了重要作用。然而,无论当时的文字还是图案资料都表明像踏轮起重机、独轮车等新引入的机械远没有取代传统的劳动力密集的梯子、泥浆桶、担架等方式。相反,在中世纪新旧方式一直在港口和建筑工地共存。[6]:545[4]:345

除了踏轮,中世纪的资料显示,当时的起重机也有用带辐条曲柄英语Crank (mechanism)绞盘英语windlass来手动驱动的,直至15世纪仍有用船舵形状的绞盘来驱动起重机的。已知早在1123年,飞轮就被用来缓解吊装过程中冲击的不规则性和克服“死点”的影响。[6]:5184

尽管踏轮起重机的重新兴起毫无疑问地与当时哥特式建设的大规模兴建有关,但其具体过程是不明确的。[6]:515踏轮起重机的重现还可能导致了绞盘的技术进步。另外,中世纪踏轮可能是刻意借鉴古罗马建筑师维特鲁威的《建筑十书英语De architectura》中的图样来制作的,该书可以在很多修道院的图书室中轻易得到。早期踏轮的结构与水车十分相似,所以踏轮的再现也可能是从水车的省力结构中受到了启发。[6]:524

结构与布置[编辑]

建筑顶上的单踏轮起重机

中世纪的踏轮起重机包括一个或两个绕着中轴转动的巨大踏轮,踏轮宽度足够两个人并排行走。虽然早期的“圆规臂”轮('compass-arm' wheel)是直接插入轴杆之中的,但更先进的“扣臂”型('clasp-arm' type)则已改为了连接轮辋的弦杆,[6]:525f这为使用更细的轴杆和提供更大的机械利益英语Mechanical advantage提供了可能。[6]:536

与普遍持有的观点不同,中世纪建筑工地的起重机既不是放在当时所用的极为轻便的脚手架上的,也不是放在哥特式教堂的薄墙壁上,它们无法承载起重机和负载的重量。相反地,建筑最初阶段,起重机被放在地上,且通常是在建筑里面。在新的一层地板完成及屋顶大规模系梁连到墙上后,起重机就被拆除并在顶梁上重组,靠起重机的移动完成拱顶的建造。[6]:533因此,起重机随着建筑的建造而迁移,造成英格兰所有现存的建筑起重机全是在教堂塔楼的屋顶之下和拱顶之上发现的。建筑完成后他们依旧被留在那里,以备维修时吊装材料。[6]:532ff

机械与操作[编辑]

位于德国特里尔内港的塔吊,建于1413年

相对于现代起重机,中世纪的起重机和更接近它们在古希腊罗马时期的前辈[1]:6,主要用以垂直吊装,而非水平搬移。[6]:533因此当时吊装作业的方式与现在是不同的,例如,在建筑工地,吊车将石块从下方直接吊装就位,[6]:533或者从墙的中间为两端吊运石头。[1]:6另外,起重机司机在起重机外面向踏轮工人下达命令的同时,还可以用一根细绳控制着吊物的水平移动。[2]:17能够负载旋转的,尤其适合码头作业的,旋臂起重机的出现可以追溯到1340年。[6]:534虽然建筑用的琢石石块用绳索、吊楔或恶魔钳(德国Teufelskralle)直接吊起,但其他物件通常需要先被放置到托盘、木箱或等容器中。[6]:531

值得注意的是,中世纪的起重机很少使用棘轮刹车还防止负载坠落。[6]:540对这种奇怪的缺失的解释是,中世纪踏轮的高摩擦力可以阻止轮子不受控制地加速。[2]:17

港口应用[编辑]

现代战舰的身后矗立着的是一座建于1742年的起重机,用来为大型帆船安装桅杆。丹麦哥本哈根

就已知的“知识状态”,固定式港口起重机被认为是中世纪的新发展。典型的港口起重机是配有两个踏轮的枢轴结构,它们被放置在码头边上用来装卸货物,在那里,它们取代了跷跷板绞车英语Winch帆桁英语Yard (sailing)等旧的起重方式。[4]:345

根据地域的不同,港口起重机可以分为两种类型:尽管在佛兰德荷兰海岸上的龙门吊通常是绕着中央垂直轴来旋转的,德国海港和内港的一般的塔式起重机还是将卷扬机和踏轮安装在坚实塔楼中,只有臂杆和屋顶可以旋转。[4]:346有趣的是,在地中海地区和高度发达的意大利港口,码头起重机并没有被使用,地方当局继续依赖于涵盖中世纪的劳动密集型的坡道来装卸货物。[4]:347

不像建筑起重机的速度受到了进展缓慢的石匠的限制,港口起重机通常装备两个踏轮来加快吊装速度。直径约4米甚至更大的两个踏轮连接在轴的两侧同时进行旋转。它们的起吊能力在2-3吨,这显然是为了对应海运货物的常规大小。[4]:345如今,根据一项调查,工业时代前的十五踏轮起重机在挪威卑尔根,瑞典斯德哥尔摩卡尔斯克鲁纳,丹麦哥本哈根,英格兰哈里奇英语Harwich,波兰格但斯克,以及德国的吕讷堡施塔德奥滕多夫马克特布赖特维尔茨堡厄斯特里希宾根安德纳赫特里尔等地都仍有留存。有些港口起重机,如在格但斯克科隆不来梅的,被用来专门给新造帆船安装桅杆。除了这些固定式起重机,可以在整个港池灵地部署的浮式起重机也在14世纪投入使用。[4]:346

现代早期[编辑]

1586年利用提升塔竖立梵蒂冈方尖塔英语List of obelisks in Rome

1586年,文艺复兴建筑师多梅尼科·丰塔纳在罗马搬移重达361吨的梵蒂冈方尖塔英语List of obelisks in Rome时,使用了一座与古罗马时期的相似的提升塔。[3]:428从他的报告中可以明显的看出,各个牵引小组之间的协作需要大量的集中性和纪律性,因为假如受力不均,受力大的绳索会因超载而断裂。[3]:436–437

这一时期,也有家用的起重机,烟囱和壁炉起重机被用来往火上放锅。[7]

工业革命时期[编辑]

威廉·阿姆斯特朗男爵,液压起重机的发明者

随着工业革命的到来,被用来在码头装卸货物的第一台现代起重机正式产生。1838年,工业家、商人威廉·阿姆斯特朗男爵设计了一台液压式水力起重机。在他的设计中,用一个在密闭圆柱缸中的柱塞来产生承载能力,而通过阀门调节缸中液体量来赋予柱塞所需的力。[8]

1845年,曾有一个从遥远的水库为纽卡斯尔居民提供自来水的计划。阿姆斯特朗参与了该计划,他建议纽卡斯尔公司用镇子低处多余的水压来驱动一台他的液压起重机,用来将煤炭装到码头岸边的驳船上面。他声称他的发明可以比传统起重机更加高效和便宜。该公司接受了他的建议,事实证明,安装在码头岸边的三台起重机非常成功。[9]

液压起重机的成功让阿姆斯特朗于1847年在纽卡斯尔成立了阿姆斯特朗-惠特沃斯公司来为起重机和桥梁生产他的液压机械。他的公司很快就收到了来自爱丁堡和北方铁路以及利物浦码头的液压起重机订单,和来自格里姆斯比的液压大门的订单。在1850年,该公司拥有300名员工,年产45台起重机,而到了1860年代初期,它拥有约4000名员工,每年出产超过100台起重机。[9]

在接下来的几十年里,阿姆斯特朗不断提升他的起重机设计;其中最显著的创新就是液压蓄压器英语hydraulic accumulator的应用。原先在水压不足以供应液压起重机使用的时候,阿姆斯特朗常常会建一座高水塔来提供足够压力。然而,在亨伯河口英语Humber Estuary新荷兰英语New Holland, North Lincolnshire设置起重机时,却因为地基全部是沙子构成的而无法使用这一方法了。为解决这个问题,最后他发明了液压蓄压器,一个装有承重柱塞的铸铁缸。柱塞缓缓上升,拉伸缸内的水,直到重物的重力迫使缸下的水在巨大的压力下进入管线。该发明允许在相同压力下使用更大量的水来驱动,所以明显地提升了起重机的负载能力。[10]

他于1883年受意大利军队委托建造的一台起重机,直至1950年代中叶仍在使用,已经年久失修的起重机现在还矗立在威尼斯[11]

机械原理[编辑]

起重机的运动
一台坏掉的前石川岛牌起重机,巴西里约热内卢Sermetal造船厂。事故发生的原因是缺乏维护和滥用。
左图:起重机可以根据负载吊装各种不同的物件。
有图:起重机可以在地面远程控制,从而可以更精确的操控
一台因支腿陷入松软地面而侧翻的流动式起重机

起重机设计的三个基本要素是:一、它要能负重;二、它不能翻到;三、他不能断裂。

负载能力[编辑]

起重机利用一个或多个简单机械来获取机械优势英语mechanical advantage的。

  • 杠杆:一台平衡的起重机包含了一个围绕“支点”旋转的横梁。通过杠杆的原理,可以在较长的一端用相对小的力,来平衡较短的一端的相对大的负载。负载与所施加力的比率就是杠杆较长臂与较短臂的长度比,这就是机械优势英语mechanical advantage
  • 滑轮:一台臂架型起重机会有一个倾斜的支撑(“吊臂”)来支撑一个定滑轮组,由绳索在这个定滑轮组和一套连接重物的动滑轮组之间缠绕。当绳索的自由端被手或卷扬机拉动的时候,滑轮系统会给重物提供一个等于施加力乘以滑轮组之间绳股数的大小的力。这也是机械优势。
  • 液压缸:可直接用于提升负荷,或间接移动承载了另一个提升装置的起重臂或梁。

像所有的机器一样,起重机也遵循能量守恒定律。这意味着输出给负载的能量不会超过输入机器的能量。例如,如果一个滑轮系统能够提供10倍的施加力,则负载动作的距离就会只有施加力的十分之一。因为能量正比于力和距离的积,输出能量被保持大致等于输入能量(在实践中,由于摩擦等因素造成能量损失,还会略小一些)。

稳定性[编辑]

对于稳定性,起重系统各个部分的力矩和必须接近于零,才能确保吊车不翻。[12]实践中,负载被允许的最大值(“额定载荷”)一定会比导致倾翻的负载要小,从而提供了安全余量。

根据美国的现代起重机标准,履带式起重机的额定载荷是倾翻载荷的75%,带支腿的流动式起重机的是85%。起重机设计的这些要求和安全相关的一些其他方面由美国机械工程师学会在标准ASME B30.5-2014 “Mobile and Locomotive Cranes”(流动式和移动式起重机)中做出规定。

安装在船舶或海上平台上的起重机的标准由于由于船体运动产生的动态负载而更加严格一些。此外,船只或平台的稳定性也必须加以考虑。

对于固定底座或主梁式起重机,吊杆、臂和负载产生的力矩由底座或主梁抵消。基座内的应力必须小于该材料或起重机被破坏的屈服应力。

分类[编辑]

两台正在施工的履带吊,上车回转式桁架杆臂履带起重机,属流动式起重机

按结构可分为桥架型起重机、缆索型起重机和臂架型起重机三大类,按取物装置可分为吊钩起重机、抓斗起重机、电磁起重机等十五类,按照移动方式可分为固定式起重机、爬升式起重机、便移式起重机、径向回转起重机、行走式起重机五大类,按照驱动方式可分为手动起重机、电动起重机、液压起重机三类。还有按照回转能力、支承方式、操作方式等来分类的。

 
 
 
 
 
 
 
 
 
桥式起重机
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
桥架型起重机
 
 
门式起重机
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
半门式起重机
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
缆索起重机
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
缆索型起重机
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
门式缆索起重机
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
门座起重机
 
 
 
 
 
 
按构造分
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
半门座起重机
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
缆索式桅杆起重机
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
桅杆起重机
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
刚性斜撑式桅杆起重机
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
流动式起重机
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
塔式起重机
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
臂架型起重机
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
铁路起重机
 
 
柱式悬臂起重机
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
悬臂起重机
 
 
壁式悬臂起重机
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
浮式起重机
 
 
自行车式起重机
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
甲板起重机
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
臂架起重机
 
 
 
 
 

参考文献[编辑]

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 Coulton, J. J., Lifting in Early Greek Architecture, 希腊研究杂志英语The Journal of Hellenic Studies, 1974, 94: 1–19, doi:10.2307/630416, JSTOR 630416 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 Dienel, Hans-Liudger; Meighörner, Wolfgang, Der Tretradkran, Publication of the Deutsches Museum (Technikgeschichte series) 2nd (München), 1997 
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 Lancaster, Lynne, Building Trajan's Column, 美国考古学杂志, 1999, 103 (3): 419–439, doi:10.2307/506969, JSTOR 506969 
  4. ^ 4.0 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 Matheus, Michael, Mittelalterliche Hafenkräne, (编) Lindgren, Uta, Europäische Technik im Mittelalter. 800 bis 1400. Tradition und Innovation 4th, Berlin: Gebr. Mann Verlag: 345–348, 1996, ISBN 3-7861-1748-9 
  5. ^ Matthies 1992,第514页
  6. ^ 6.00 6.01 6.02 6.03 6.04 6.05 6.06 6.07 6.08 6.09 6.10 6.11 6.12 6.13 6.14 6.15 Matthies, Andrea, Medieval Treadwheels. Artists' Views of Building Construction, Technology and Culture, 1992, 33 (3): 510–547, doi:10.2307/3106635, JSTOR 3106635 
  7. ^ The Victorian Web
  8. ^ Armstrong Hydraulic Crane. Machine-History.Com. 
  9. ^ 9.0 9.1 Dougan, David. The Great Gun-Maker: The Story of Lord Armstrong. Sandhill Press Ltd. 1970. ISBN 0-946098-23-9. 
  10. ^ McKenzie, Peter. W.G. Armstrong: The Life and Times of Sir William George Armstrong, Baron Armstrong of Cragside. Longhirst Press. 1983. ISBN 0-946978-00-X. 
  11. ^ Newcastle crane 'priceless' part of Venetian heritage. BBC. 20 May 2010 [8 November 2013]. 
  12. ^ Brain, Marshall. How Tower Cranes Work. howstuffworks.com. [2 April 2014].