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国外动态：日本内爬式塔式起重机的发展趋势

作者：建筑中国建筑金属结构信息网网    
时间：2009-12-23 10:01:31 [收藏]

    　　摘要：阐述日本内爬式塔式起重机的发展历程，介绍当日内爬式塔式起重机的主要发展趋势是轻量化、智能化、提高安全性、舒适化，采用先进的调速装置和开发新型驱动装置。提出要立足于我国国情，立足于创新发展国产内爬式塔式起重机的建议。
    　　笔者于2006年5月到日本考察，对日本内爬式塔式起重机的开发历程、特点、发展趋势有所了解，现综述如下，供同行们参考。
    　　1.日本内爬式塔式起重机的开发历程
    　　1953年，日本清水建设株式会西德引进了第一台水平式自升塔式起重机（20t•m级），1961年，日本开发了国产20t•m级水平式塔式起重机，由于日本城市建筑密度大，水平式塔式起重机的其中臂跨越街区，易与相近的建筑物、高压线相碰撞，起重物料易危及行人安全，所以日本根据国情，改为采用起重臂跨度小，对相近建筑物、高压线和行人危及度小的起伏式塔式起重机为常用机型。1962年开发了45t•m和120t•m级起伏式自升塔式起重机，1964年开发了180t•m级起伏式自升塔式起重机。1966年日本首座高层建筑“霞光大楼”兴建，采用楼层顶升工法施工，相应开发可内爬式自升塔式起重机（200t•m级）。自此以后，内爬式自升塔式起重机（动臂起伏式）成为日本塔式起重机的代表机型。1971年开发了为中、小型建筑施工用的80t•m级和为高层建筑施工用的400t•m级内爬式自升塔式起重机，1987年开发了900t•m级内爬式自升塔式起重机，1990年开发可当时世界最大的1500t•m级内爬式自升塔式起重机。今后，还准备开发特大型的内爬式自升塔式起重机，为兴建特大型高层建筑（高800～1200m）施工服务。当今，在东京、神户等大城市，油漆成红、白相间起伏吊臂的内爬式自升塔式起重机林立市区建筑工地，成为一道亮丽的风景线。
    　　2.日本内爬式塔式起重机的发展趋势
    　　2.1以内爬式塔式起重机为主机型
    　　日本的实践表明，与附着式自升式塔式起重机相比，内爬式自升塔式起重机有如下优点：
    　　（1）有效施工能力大 内爬式塔式起重机安装在建筑物内部（电梯井道或楼梯间等特设开间）。施工面为整圆，有效作业能力在80%以上。附着式塔式起重机安装在建筑物一侧，施工面为半圆，所以，可以运用小型号的内爬式塔式起重机代替大型号的附着式塔式起重机使用，减少塔机的数量和台数。
    　　（2）制作成本低 塔身标准节长度在32m以下，不需随楼层升高而增加塔身标准节，所以整台塔吊所耗钢材少，总的制作成本（售价）低，比同样施工能力的附着式塔式起重机低20%～30%。
    　　（3）使用费用低 附着式塔机需构筑塔机基础和附墙预埋件，有效施工能力小，相应吊装量也小。内爬式塔吊安装在建筑物内部的特设开间结构上，无需另构筑塔机基础和架设水平支撑构件。且有效施工能力大，每小时的吊次比附着式塔机多20%～30%，相应的作业台班吊装量比同样施工高度的附着式塔机高30%以上，所以总的使用费用比同样施工能力的附着式塔式起重机的使用费用低。
    　　（4）安全性好 如前所述，在狭窄工地起伏式起重臂作业的安全性比水平式起重臂作业的安全性好。而日本的内爬式自升塔式起重机采用起伏式起重臂。另外由于内爬式自升塔式起重机塔身不高，塔式起重机底座和部分塔节位于建筑的内部空间，所以整座塔式起重机的受风面积小，抗风（特别是强风和台风）能力强，能抗55m/s风速的强风，抗震能力亦强。这对多台风和地震的日本而言，此优点十分突出。
    　　（5）由于塔节少并且无水平支撑杆等附件，所以塔机组件材料库占地面积较小，塔身在建筑物内部也不占地，所以能适应狭窄工地的施工。
    但是，内爬式塔式起重机基座位于建筑物躯体上，此处躯体需补强，这是其不足之处。
    　　根据日本国情和内爬式塔式起重机的特点，日本选择了起重臂为起伏式的内爬式塔式起重机为日本塔式起重机的主要机型。为了适应不同级别建筑物的施工需要，日本开发了内爬式塔式起重机系列产品，主要机型有：80t•m级、150 t•m级、400 t•m级、450 t•m级、500 t•m级、600 t•m级、900 t•m级、1500 t•m级等。另外，还开发了利用中国建筑金属结构信息网大楼钢立柱为塔身的钢柱塔身内爬式塔式起重机，可在中国建筑金属结构信息网大楼施工时使用，使塔式起重机结构更为简化，也增加了内爬式塔式起重机的新机种。
    　　2.2轻量化
    　　减轻内爬式塔式起重机的自重，不仅可以节约制作材料，而且可以减轻对塔式起重机支撑躯体补强的费用。其轻量化的方法是：
    　　（1） 塔式起重机的起重臂、塔节采用高强钢材（屈服强度500Mpa）。
    　　（2） 采用高强钢丝编织的（吊重）钢丝绳（小直径钢丝绳），从而减小钢丝绳重量和卷筒尺寸，使整机质量和体积减小。
    　　2.3高速化
    　　在吊装中，特别是高扬程的吊装中，塔式起重机的卷扬速度是影响施工效率的重要因素之一（另一重要因素是吊重），现在日本的高扬程（250m以上）的乃怕是塔式起重机的最高提升速度为121～160m/min，但并非速度越快越好高速化还受到因高速而需相应增大电机容量和使速度控制装置复杂造成增大成本的制约，权衡利弊生产厂商认定为高速化以200～300m/min为宜。同时，为了使吊装物准确到位，在高速化的同时，还要求定位微速化（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。日本产的内爬式塔式起重机为提高安全性采取了如下措施：
    　　（1）多重保护 传统的塔式起重机只设有防超负荷、过卷、超幅度等限制器或限位器，司机不知情（不掌握动态的作业参数如其中力矩等），只是被动地靠保护装置预防超限引起的事故，一旦保护装置失灵，则会酿成事故。为确保安全，当今日本产的内爬式塔式起重机采用多重保护安全装置，即防超限保护装置+连锁保护装置+工作状态（作业参数）显示器（视频监控系统）。其中工作状态显示器（液晶显示板）可以实时反映作业现场的作业图象，具有集约型的计器画面（作业半径、荷重、扬程、起重力矩等作业参数）能够对作业图象进行回放，一旦发生事故，可根据回放的作业图象和记录的作业参数进行事故分析。另外，还有预警功能，使司机对塔式起重机作业状况了如指掌，可以主动地操作塔机在限额以内安全作业；连锁装置是将电源开关与各作业装置连锁，当电源开关闭合时，各作业装置控制器无电，以防止电源投入后，各作业装置同时动作，当总开关有电后，按下各作业装置开关，作业装置才能动作，从而大大提高了内爬式塔机作业的安全性。
    　　（2）设置防震装置 日本是多地震和多台风的国家，1995年的神户大地震，使众多港口起重机和塔式起重机损坏，因此，日本开发了减少塔式起重机受地震摇摆和强风吹袭影响的制震装置，如将主动、被动双机能复合制震装置装备在塔式起重机上。另外，在强风或台风（风速30m/s以上）和地震（震度4以上）后，实施塔式起重机检修制度，若有受损部分，即行修理，以确保塔式起重机安全作业。
    　　2.5舒适性
    　　日本的内爬式塔式起重机把舒适化作为一个重要的指标，驾驶室宽敞、明亮，有符合人机工程学要求的司机座椅，触摸式操作的集约型操作台，还备有空调装置和燃烧式化解大小便的卫生间，有供司机和维修人员乘降的（2！3人）电梯，电梯通道设在塔节内空间。
    　　2.6先进的调速装置
    　　日本的内爬式塔式起重机，多采用先进的全运作（起伏、回转、卷扬）变频调速装置，调速范围宽、运行平稳、节能、可靠性高、操作过程软件化。
    　　2.7智能化
    　　开发智能化塔式起重机，也是近年来日本内爬式塔式起重机的发展趋势，如推广可编程控制技术（PLC）、数码信息传送技术、网络技术等，使塔机按优化的程序作业，减少线缆传送，实现遥控操作和维修（监测故障）。
    　　2.8开发新型驱动装置
    　　近年来，一种应用永久磁性的永磁同步电动机（日本称为同期电动机）问世，它的定子与异步电动机结构相似，而转子采用稀土永磁体，运行时转子与定子旋转磁场同步，该电动机与同功率的异步电动机相比，体积小30%。输出转矩大，由于无转子铜损和降低了定子铜损及机械损耗，电机效率可提高8%，节电10%，由于不需要无功励磁电流，可显著提高功率因素。其缺点是由于机械特性的原因自身无启动力矩，需采用开环变频调速装置等辅助启动装置才能启动，整机单价也较高，目前在日本的部分工业领域已推广应用。日本的塔机生产厂，提出要应用小型、轻量、灵活、节能的新型电机装备塔式起重机，其中，应用永磁同步电动机是选择的机型之一。
    　　3.评述
    　　综上所述，从日本内爬式塔式起重机的发展历程和发展趋势我们可以得到如下的启示：
    　　（1）塔式起重机的开发要立足国情 我国幅员辽阔，有多种类型的地区自然条件、气候条件、施工条件，因此我国的塔式起重机开发必须立足国情，开发多种类型的塔式起重机。目前，我国的塔式起重机以水平动臂、附着式塔式其中为主，内爬式塔式起重机很少。从日本的应用实践看，在多地震、多台风、施工现成狭窄的建筑密度高的城区，内爬式塔式起重机比附着式塔式起重机胜出一筹。而我国的上述地区，也应采用内爬式塔式起重机进行施工，因此，增加我国内爬式塔式起重机的生产规模和应用场合，是符合国情的。
    　　（2）塔式起重机的开发要立足于创新 日本的内爬式塔式起重机具有先进的装置、优良的性能，在创新的基础上不断提高整机的技术水平。我国的内爬式塔式起重机与之相比，还有较大的差距。只有立足于创新，才能使国产内爬式塔式起重机在国内外市场上增强竞争力。创新的范围，除了对文中的介绍的日本内爬式塔式起重机的7个方面发展趋势采用引进吸收，消化再创新外，建议采用集成创新的方式，开发多功能塔式起重机（可根据施工需要，以固定式或附着式或内爬式方式作业的多功能塔式起重机，即一机三用），以适应施工单位流动施工、承担不同施工项目的需求。另外，要加强内爬式塔式起重机基础理论的研究，突现原始创新。建议开展永磁同步电机再内爬式塔式起重机上的应用的研究；运用人工神经网络理论实现对内爬式塔式起重机安全状态的在线监测、状态识别、故障诊断的研究；运用有限元软件对内爬式塔式起重机整体结构进行有限元分析，使塔式起重机的金属结构在自重、工作载荷、风载等各种载荷作用下，具有可靠的强度、刚度和稳定性，并能预防塔式起重机机构产生破坏性的共振。
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