起重機

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一輛利勃海爾LTM 1200-5.1型吊車

起重機英語:Crane),指用吊鉤或其他取物裝置吊掛重物,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。

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]:7考古表明最晚到公元前515年,吊裝夾具和吊楔英語Lewis (lifting appliance)的痕跡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表明當時已經有了起重機的存在。[1]:7

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。[1]:14f

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,在當時希臘動盪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。[1]:14f

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,這表明複雜的滑輪組系統開始在希臘的建築工地越來越普及。[1]:16

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

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,臂杆可以調節為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。[2]:13

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。[1]:16羅馬圖拉真柱的主塊重53.3噸,高達34米。[3]:426

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;[3]:427ff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。[3]:434ff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,上面的八個孔表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。[3]:436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[4]:346
老彼得·勃魯蓋爾巴別塔英語The Tower of Babel (Bruegel)》中的雙踏輪起重機

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。[5]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,[6]:515緊隨其後的是1240年的一份同樣出自法國的記載。[6]:526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,[4]:345而在英格蘭到1331年才有踏車起重機的記載。[6]:524

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。[6]:545[4]:345

除了踏輪,中世紀的資料顯示,當時的起重機也有用帶輻條曲柄英語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。[6]:5184

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。[6]:515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鑑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。[6]:524

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)是直接插入軸杆之中的,但更先進的「扣臂」型('clasp-arm' type)則已改為了連接輪輞的弦杆,[6]:525f這為使用更細的軸杆和提供更大的機械利益英語Mechanical advantage提供了可能。[6]:536

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。[6]:533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。[6]:532ff

機械與操作[編輯]

位於德國特里爾內港的塔吊,建於1413年

相對於現代起重機,中世紀的起重機和更接近它們在古希臘羅馬時期的前輩[1]:6,主要用以垂直吊裝,而非水平搬移。[6]:533因此當時吊裝作業的方式與現在是不同的,例如,在建築工地,吊車將石塊從下方直接吊裝就位,[6]:533或者從牆的中間為兩端吊運石頭。[1]:6另外,起重機司機在起重機外面向踏輪工人下達命令的同時,還可以用一根細繩控制著吊物的水平移動。[2]:17能夠負載旋轉的,尤其適合碼頭作業的,旋臂起重機的出現可以追溯到1340年。[6]:534雖然建築用的琢石石塊用繩索、吊楔或惡魔鉗(德國Teufelskralle)直接吊起,但其他物件通常需要先被放置到托盤、木箱或等容器中。[6]:531

值得注意的是,中世紀的起重機很少使用棘輪剎車還防止負載墜落。[6]:540對這種奇怪的缺失的解釋是,中世紀踏輪的高摩擦力可以阻止輪子不受控制地加速。[2]:17

港口應用[編輯]

現代戰艦的身後矗立著的是一座建於1742年的起重機,用來為大型帆船安裝桅杆。丹麥哥本哈根

就已知的「知識狀態」,固定式港口起重機被認為是中世紀的新發展。典型的港口起重機是配有兩個踏輪的樞軸結構,它們被放置在碼頭邊上用來裝卸貨物,在那裡,它們取代了蹺蹺板絞車英語Winch帆桁英語Yard (sailing)等舊的起重方式。[4]:345

根據地域的不同,港口起重機可以分為兩種類型:儘管在佛蘭德荷蘭海岸上的龍門吊通常是繞著中央垂直軸來旋轉的,德國海港和內港的一般的塔式起重機還是將卷揚機和踏輪安裝在堅實塔樓中,只有臂杆和屋頂可以旋轉。[4]:346有趣的是,在地中海地區和高度發達的義大利港口,碼頭起重機並沒有被使用,地方當局繼續依賴於涵蓋中世紀的勞動密集型的坡道來裝卸貨物。[4]:347

不像建築起重機的速度受到了進展緩慢的石匠的限制,港口起重機通常裝備兩個踏輪來加快吊裝速度。直徑約4米甚至更大的兩個踏輪連接在軸的兩側同時進行旋轉。它們的起吊能力在2-3噸,這顯然是為了對應海運貨物的常規大小。[4]:345如今,根據一項調查,工業時代前的十五踏輪起重機在挪威卑爾根,瑞典斯德哥爾摩卡爾斯克魯納,丹麥哥本哈根,英格蘭哈里奇英語Harwich,波蘭格但斯克,以及德國的呂訥堡施塔德奧滕多夫馬克特布賴特維爾茨堡厄斯特里希賓根安德納赫特里爾等地都仍有留存。有些港口起重機,如在格但斯克科隆不萊梅的,被用來專門給新造帆船安裝桅杆。除了這些固定式起重機,可以在整個港池靈地部署的浮式起重機也在14世紀投入使用。[4]:346

現代早期[編輯]

1586年利用提升塔豎立梵蒂岡方尖塔英語List of obelisks in Rome

1586年,文藝復興建築師多梅尼科·豐塔納在羅馬搬移重達361噸的梵蒂岡方尖塔英語List of obelisks in Rome時,使用了一座與古羅馬時期的相似的提升塔。[3]:428從他的報告中可以明顯的看出,各個牽引小組之間的協作需要大量的集中性和紀律性,因為假如受力不均,受力大的繩索會因超載而斷裂。[3]:436–437

這一時期,也有家用的起重機,煙囪和壁爐起重機被用來往火上放鍋。[7]

工業革命時期[編輯]

威廉·阿姆斯特朗男爵,液壓起重機的發明者

隨著工業革命的到來,被用來在碼頭裝卸貨物的第一台現代起重機正式產生。1838年,工業家、商人威廉·阿姆斯特朗男爵設計了一台液壓式水力起重機。在他的設計中,用一個在密閉圓柱缸中的柱塞來產生承載能力,而通過閥門調節缸中液體量來賦予柱塞所需的力。[8]

1845年,曾有一個從遙遠的水庫為紐卡斯爾居民提供自來水的計劃。阿姆斯特朗參與了該計劃,他建議紐卡斯爾公司用鎮子低處多餘的水壓來驅動一台他的液壓起重機,用來將煤炭裝到碼頭岸邊的駁船上面。他聲稱他的發明可以比傳統起重機更加高效和便宜。該公司接受了他的建議,事實證明,安裝在碼頭岸邊的三台起重機非常成功。[9]

液壓起重機的成功讓阿姆斯特朗於1847年在紐卡斯爾成立了阿姆斯特朗-惠特沃斯公司來為起重機和橋樑生產他的液壓機械。他的公司很快就收到了來自愛丁堡和北方鐵路以及利物浦碼頭的液壓起重機訂單,和來自格里姆斯比的液壓大門的訂單。在1850年,該公司擁有300名員工,年產45台起重機,而到了1860年代初期,它擁有約4000名員工,每年出產超過100台起重機。[9]

在接下來的幾十年里,阿姆斯特朗不斷提升他的起重機設計;其中最顯著的創新就是液壓蓄壓器英語hydraulic accumulator的應用。原先在水壓不足以供應液壓起重機使用的時候,阿姆斯特朗常常會建一座高水塔來提供足夠壓力。然而,在亨伯河口英語Humber Estuary新荷蘭英語New Holland, North Lincolnshire設置起重機時,卻因為地基全部是沙子構成的而無法使用這一方法了。為解決這個問題,最後他發明了液壓蓄壓器,一個裝有承重柱塞的鑄鐵缸。柱塞緩緩上升,拉伸缸內的水,直到重物的重力迫使缸下的水在巨大的壓力下進入管線。該發明允許在相同壓力下使用更大量的水來驅動,所以明顯地提升了起重機的負載能力。[10]

他於1883年受義大利軍隊委託建造的一台起重機,直至1950年代中葉仍在使用,已經年久失修的起重機現在還矗立在威尼斯[11]

機械原理[編輯]

起重機的運動
一台壞掉的前石川島牌起重機,巴西里約熱內盧Sermetal造船廠。事故發生的原因是缺乏維護和濫用。
左圖:起重機可以根據負載吊裝各種不同的物件。
有圖:起重機可以在地面遠程控制,從而可以更精確的操控
一台因支腿陷入鬆軟地面而側翻的流動式起重機

起重機設計的三個基本要素是:一、它要能負重;二、它不能翻到;三、他不能斷裂。

負載能力[編輯]

起重機利用一個或多個簡單機械來獲取機械優勢英語mechanical advantage的。

  • 槓桿:一台平衡的起重機包含了一個圍繞「支點」旋轉的橫樑。通過槓桿的原理,可以在較長的一端用相對小的力,來平衡較短的一端的相對大的負載。負載與所施加力的比率就是槓桿較長臂與較短臂的長度比,這就是機械優勢英語mechanical advantage
  • 滑輪:一台臂架型起重機會有一個傾斜的支撐(「吊臂」)來支撐一個定滑輪組,由繩索在這個定滑輪組和一套連接重物的動滑輪組之間纏繞。當繩索的自由端被手或卷揚機拉動的時候,滑輪系統會給重物提供一個等於施加力乘以滑輪組之間繩股數的大小的力。這也是機械優勢。
  • 液壓缸:可直接用於提升負荷,或間接移動承載了另一個提升裝置的起重臂或梁。

像所有的機器一樣,起重機也遵循能量守恆定律。這意味著輸出給負載的能量不會超過輸入機器的能量。例如,如果一個滑輪系統能夠提供10倍的施加力,則負載動作的距離就會只有施加力的十分之一。因為能量正比於力和距離的積,輸出能量被保持大致等於輸入能量(在實踐中,由於摩擦等因素造成能量損失,還會略小一些)。

穩定性[編輯]

對於穩定性,起重系統各個部分的力矩和必須接近於零,才能確保吊車不翻。[12]實踐中,負載被允許的最大值(「額定載荷」)一定會比導致傾翻的負載要小,從而提供了安全餘量。

根據美國的現代起重機標準,履帶式起重機的額定載荷是傾翻載荷的75%,帶支腿的流動式起重機的是85%。起重機設計的這些要求和安全相關的一些其他方面由美國機械工程師學會在標準ASME B30.5-2014 「Mobile and Locomotive Cranes」(流動式和移動式起重機)中做出規定。

安裝在船舶或海上平台上的起重機的標準由於由於船體運動產生的動態負載而更加嚴格一些。此外,船隻或平台的穩定性也必須加以考慮。

對於固定底座或主梁式起重機,吊杆、臂和負載產生的力矩由底座或主梁抵消。基座內的應力必須小於該材料或起重機被破壞的屈服應力。

分類[編輯]

兩台正在施工的履帶吊,上車迴轉式桁架杆臂履帶起重機,屬流動式起重機

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。

 
 
 
 
 
 
 
 
 
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
 
 
 
 
 

參考文獻[編輯]

  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, 希臘研究雜誌英語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, 美國考古學雜誌, 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, (編) 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頁
  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].