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國外動態：日本內爬式塔式起重機的發展趨勢

作者：鋼結構網    
時間：2009-12-23 10:01:31 [收藏]

    　　摘要：闡述日本內爬式塔式起重機的發展歷程，介紹當日內爬式塔式起重機的主要發展趨勢是輕量化、智能化、提高安全性、舒適化，采用先進的調速裝置和開發新型驅動裝置。提出要立足于我國國情，立足于創新發展國產內爬式塔式起重機的建議。
    　　筆者于2006年5月到日本考察，對日本內爬式塔式起重機的開發歷程、特點、發展趨勢有所了解，現綜述如下，供同行們參考。
    　　1.日本內爬式塔式起重機的開發歷程
    　　1953年，日本清水建設株式會西德引進了第一臺水平式自升塔式起重機（20t•m級），1961年，日本開發了國產20t•m級水平式塔式起重機，由于日本城市建筑密度大，水平式塔式起重機的其中臂跨越街區，易與相近的建筑物、高壓線相碰撞，起重物料易危及行人安全，所以日本根據國情，改為采用起重臂跨度小，對相近建筑物、高壓線和行人危及度小的起伏式塔式起重機為常用機型。1962年開發了45t•m和120t•m級起伏式自升塔式起重機，1964年開發了180t•m級起伏式自升塔式起重機。1966年日本首座高層建筑“霞光大樓”興建，采用樓層頂升工法施工，相應開發可內爬式自升塔式起重機（200t•m級）。自此以后，內爬式自升塔式起重機（動臂起伏式）成為日本塔式起重機的代表機型。1971年開發了為中、小型建筑施工用的80t•m級和為高層建筑施工用的400t•m級內爬式自升塔式起重機，1987年開發了900t•m級內爬式自升塔式起重機，1990年開發可當時世界最大的1500t•m級內爬式自升塔式起重機。今后，還準備開發特大型的內爬式自升塔式起重機，為興建特大型高層建筑（高800～1200m）施工服務。當今，在東京、神戶等大城市，油漆成紅、白相間起伏吊臂的內爬式自升塔式起重機林立市區建筑工地，成為一道亮麗的風景線。
    　　2.日本內爬式塔式起重機的發展趨勢
    　　2.1以內爬式塔式起重機為主機型
    　　日本的實踐表明，與附著式自升式塔式起重機相比，內爬式自升塔式起重機有如下優點：
    　　（1）有效施工能力大 內爬式塔式起重機安裝在建筑物內部（電梯井道或樓梯間等特設開間）。施工面為整圓，有效作業能力在80%以上。附著式塔式起重機安裝在建筑物一側，施工面為半圓，所以，可以運用小型號的內爬式塔式起重機代替大型號的附著式塔式起重機使用，減少塔機的數量和臺數。
    　　（2）制作成本低 塔身標準節長度在32m以下，不需隨樓層升高而增加塔身標準節，所以整臺塔吊所耗鋼材少，總的制作成本（售價）低，比同樣施工能力的附著式塔式起重機低20%～30%。
    　　（3）使用費用低 附著式塔機需構筑塔機基礎和附墻預埋件，有效施工能力小，相應吊裝量也小。內爬式塔吊安裝在建筑物內部的特設開間結構上，無需另構筑塔機基礎和架設水平支撐構件。且有效施工能力大，每小時的吊次比附著式塔機多20%～30%，相應的作業臺班吊裝量比同樣施工高度的附著式塔機高30%以上，所以總的使用費用比同樣施工能力的附著式塔式起重機的使用費用低。
    　　（4）安全性好 如前所述，在狹窄工地起伏式起重臂作業的安全性比水平式起重臂作業的安全性好。而日本的內爬式自升塔式起重機采用起伏式起重臂。另外由于內爬式自升塔式起重機塔身不高，塔式起重機底座和部分塔節位于建筑的內部空間，所以整座塔式起重機的受風面積小，抗風（特別是強風和臺風）能力強，能抗55m/s風速的強風，抗震能力亦強。這對多臺風和地震的日本而言，此優點十分突出。
    　　（5）由于塔節少并且無水平支撐桿等附件，所以塔機組件材料庫占地面積較小，塔身在建筑物內部也不占地，所以能適應狹窄工地的施工。
    但是，內爬式塔式起重機基座位于建筑物軀體上，此處軀體需補強，這是其不足之處。
    　　根據日本國情和內爬式塔式起重機的特點，日本選擇了起重臂為起伏式的內爬式塔式起重機為日本塔式起重機的主要機型。為了適應不同級別建筑物的施工需要，日本開發了內爬式塔式起重機系列產品，主要機型有：80t•m級、150 t•m級、400 t•m級、450 t•m級、500 t•m級、600 t•m級、900 t•m級、1500 t•m級等。另外，還開發了利用鋼結構大樓鋼立柱為塔身的鋼柱塔身內爬式塔式起重機，可在鋼結構大樓施工時使用，使塔式起重機結構更為簡化，也增加了內爬式塔式起重機的新機種。
    　　2.2輕量化
    　　減輕內爬式塔式起重機的自重，不僅可以節約制作材料，而且可以減輕對塔式起重機支撐軀體補強的費用。其輕量化的方法是：
    　　（1） 塔式起重機的起重臂、塔節采用高強鋼材（屈服強度500Mpa）。
    　?。?） 采用高強鋼絲編織的（吊重）鋼絲繩（小直徑鋼絲繩），從而減小鋼絲繩重量和卷筒尺寸，使整機質量和體積減小。
    　　2.3高速化
    　　在吊裝中，特別是高揚程的吊裝中，塔式起重機的卷揚速度是影響施工效率的重要因素之一（另一重要因素是吊重），現在日本的高揚程（250m以上）的乃怕是塔式起重機的最高提升速度為121～160m/min，但并非速度越快越好高速化還受到因高速而需相應增大電機容量和使速度控制裝置復雜造成增大成本的制約，權衡利弊生產廠商認定為高速化以200～300m/min為宜。同時，為了使吊裝物準確到位，在高速化的同時，還要求定位微速化（0.25～0.4m/s）。
    2.4提高安全性
    　　在日本建筑工地都有“安全第一”的警示牌。日本產的內爬式塔式起重機為提高安全性采取了如下措施：
    　?。?）多重保護 傳統的塔式起重機只設有防超負荷、過卷、超幅度等限制器或限位器，司機不知情（不掌握動態的作業參數如其中力矩等），只是被動地靠保護裝置預防超限引起的事故，一旦保護裝置失靈，則會釀成事故。為確保安全，當今日本產的內爬式塔式起重機采用多重保護安全裝置，即防超限保護裝置+連鎖保護裝置+工作狀態（作業參數）顯示器（視頻監控系統）。其中工作狀態顯示器（液晶顯示板）可以實時反映作業現場的作業圖象，具有集約型的計器畫面（作業半徑、荷重、揚程、起重力矩等作業參數）能夠對作業圖象進行回放，一旦發生事故，可根據回放的作業圖象和記錄的作業參數進行事故分析。另外，還有預警功能，使司機對塔式起重機作業狀況了如指掌，可以主動地操作塔機在限額以內安全作業；連鎖裝置是將電源開關與各作業裝置連鎖，當電源開關閉合時，各作業裝置控制器無電，以防止電源投入后，各作業裝置同時動作，當總開關有電后，按下各作業裝置開關，作業裝置才能動作，從而大大提高了內爬式塔機作業的安全性。
    　　（2）設置防震裝置 日本是多地震和多臺風的國家，1995年的神戶大地震，使眾多港口起重機和塔式起重機損壞，因此，日本開發了減少塔式起重機受地震搖擺和強風吹襲影響的制震裝置，如將主動、被動雙機能復合制震裝置裝備在塔式起重機上。另外，在強風或臺風（風速30m/s以上）和地震（震度4以上）后，實施塔式起重機檢修制度，若有受損部分，即行修理，以確保塔式起重機安全作業。
    　　2.5舒適性
    　　日本的內爬式塔式起重機把舒適化作為一個重要的指標，駕駛室寬敞、明亮，有符合人機工程學要求的司機座椅，觸摸式操作的集約型操作臺，還備有空調裝置和燃燒式化解大小便的衛生間，有供司機和維修人員乘降的（2！3人）電梯，電梯通道設在塔節內空間。
    　　2.6先進的調速裝置
    　　日本的內爬式塔式起重機，多采用先進的全運作（起伏、回轉、卷揚）變頻調速裝置，調速范圍寬、運行平穩、節能、可靠性高、操作過程軟件化。
    　　2.7智能化
    　　開發智能化塔式起重機，也是近年來日本內爬式塔式起重機的發展趨勢，如推廣可編程控制技術（PLC）、數碼信息傳送技術、網絡技術等，使塔機按優化的程序作業，減少線纜傳送，實現遙控操作和維修（監測故障）。
    　　2.8開發新型驅動裝置
    　　近年來，一種應用永久磁性的永磁同步電動機（日本稱為同期電動機）問世，它的定子與異步電動機結構相似，而轉子采用稀土永磁體，運行時轉子與定子旋轉磁場同步，該電動機與同功率的異步電動機相比，體積小30%。輸出轉矩大，由于無轉子銅損和降低了定子銅損及機械損耗，電機效率可提高8%，節電10%，由于不需要無功勵磁電流，可顯著提高功率因素。其缺點是由于機械特性的原因自身無啟動力矩，需采用開環變頻調速裝置等輔助啟動裝置才能啟動，整機單價也較高，目前在日本的部分工業領域已推廣應用。日本的塔機生產廠，提出要應用小型、輕量、靈活、節能的新型電機裝備塔式起重機，其中，應用永磁同步電動機是選擇的機型之一。
    　　3.評述
    　　綜上所述，從日本內爬式塔式起重機的發展歷程和發展趨勢我們可以得到如下的啟示：
    　?。?）塔式起重機的開發要立足國情 我國幅員遼闊，有多種類型的地區自然條件、氣候條件、施工條件，因此我國的塔式起重機開發必須立足國情，開發多種類型的塔式起重機。目前，我國的塔式起重機以水平動臂、附著式塔式其中為主，內爬式塔式起重機很少。從日本的應用實踐看，在多地震、多臺風、施工現成狹窄的建筑密度高的城區，內爬式塔式起重機比附著式塔式起重機勝出一籌。而我國的上述地區，也應采用內爬式塔式起重機進行施工，因此，增加我國內爬式塔式起重機的生產規模和應用場合，是符合國情的。
    　　（2）塔式起重機的開發要立足于創新 日本的內爬式塔式起重機具有先進的裝置、優良的性能，在創新的基礎上不斷提高整機的技術水平。我國的內爬式塔式起重機與之相比，還有較大的差距。只有立足于創新，才能使國產內爬式塔式起重機在國內外市場上增強競爭力。創新的范圍，除了對文中的介紹的日本內爬式塔式起重機的7個方面發展趨勢采用引進吸收，消化再創新外，建議采用集成創新的方式，開發多功能塔式起重機（可根據施工需要，以固定式或附著式或內爬式方式作業的多功能塔式起重機，即一機三用），以適應施工單位流動施工、承擔不同施工項目的需求。另外，要加強內爬式塔式起重機基礎理論的研究，突現原始創新。建議開展永磁同步電機再內爬式塔式起重機上的應用的研究；運用人工神經網絡理論實現對內爬式塔式起重機安全狀態的在線監測、狀態識別、故障診斷的研究；運用有限元軟件對內爬式塔式起重機整體結構進行有限元分析，使塔式起重機的金屬結構在自重、工作載荷、風載等各種載荷作用下，具有可靠的強度、剛度和穩定性，并能預防塔式起重機機構產生破壞性的共振。
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