动臂式塔机(又称俯仰臂架塔机)作为塔式起重机最原始的型式曾有过一段辉煌的历史,从工业建筑到民用建筑,从修造船厂到港口码头,从钢结构建筑到电站建设,动臂式塔机都发挥了巨大的作用。回顾国外发达国家动臂式塔机的发展历程,不难看出,动臂式塔机的发展不仅受一个国家及地区整体技术水平的限制,同时又和经济发展、文明程度等密切相关。

1 早期的动臂式塔机

二次世界大战前,塔机的发展仍处于初级阶段。在二次世界大战之后,由于战争带来的创伤,各国都面临着战后重建,有力地刺激了建筑机械的发展,动臂式塔机也得到了飞速的发展。作为塔机发源地的欧洲,当时的塔机发展水平代表着世界最高技术。在这一时期,经济刚刚恢复,建设规模还较小,建筑物的高度不大,轨行式、下回转的动臂塔机一直占有统治地位,其中最为流行的是德国利勃海尔(Liebherr)和派纳(Peiner)公司制造的动臂塔机。20世纪60年代末期,法国波坦(Potain)制造的一种上回转、小车变幅式塔机开始取代了传统动臂塔机的地位。在20世纪60年代,大中型塔机中,动臂式塔机的市场份额占近70%,而70年代已降到了10%。就塔机的型式而言,早期的动臂塔机以下回转为主流。

2 上回转、自升式动臂塔机

20世纪50年代,随着经济的发展和高层建筑比重的增加,出现了自升式动臂塔机。例如,1958年利勃海尔推出了一种上回转、液压控制动臂变幅的HB系列“通用起重机”,起重力矩从30t?m到90t?m,该型动臂塔机都有较短的平衡臂,在高层建筑工程中多台塔机可以联合作业。与此同时,日本的石川岛(IHI)为满足本国市场的需求,开发了一种管柱塔身的动臂塔机,1958年东京第一座35层的大厦就使用了这种200t?m塔机。出于抗震的考虑,日本的塔机一向刚度较强,至少在200t?m以上塔机,他们的设计确有独到之处。例如,塔身为圆筒型而不是方型截面桁架,吊臂根部较宽,塔身节是在转台中心向上加高以便塔机爬升。1964年,澳大利亚的法夫可(Favco)公司推出了一种类似的动臂塔机,该机型具有100t?m以上的起重能力,不同的是它由柴油机驱动并由钢丝绳控制配重的移动。1966年,法夫可又突破性地开发出了一种起重量可达45t的大型自升式动臂塔机STD2700,该塔机可称得上是后来所有大型自升式动臂塔机的鼻祖,美国纽约世界贸易中心施工中曾用了8台这样的动臂塔机。从某种意义上说,上回转、自升式动臂塔机的出现,标志着动臂塔机进入了一个新时代。

3 小车变幅/动臂变幅的混合体———折曲臂架塔机

澳托?凯塞尔(OttoKaiser)在20世纪60年代提出了一种不同寻常的塔机概念—HBK系列折曲臂架式塔机。该系列塔机在当时非常成功,这种上回转自升式塔机融汇了小车变幅和动臂变幅塔机的设计优点,臂架可以折曲,既可用作动臂变幅,又可用作小车变幅,而且平衡臂非常短,50～100t?m级别塔机,平衡臂尾部的回转半径只有518～8m。当塔机处于小车变幅臂架位置时,其工作幅度最大。当仰起臂架时,在不安装额外塔身节的情况下,其内侧臂架在几分钟内就可转变为增加的塔身高度。这种设计特点尤其适用于冷却塔、电视塔及摩天大楼等建筑物的施工。与普通动臂塔机相比,其优点是以小车变幅臂架工作时重物可平移和能耗低,其主要缺点是在臂架仰起、最小幅度时的起重能力相对较低。冷却塔基座部分直径大,需要塔机以全部臂架幅度工作;而冷却塔上部变窄,通过折曲臂架就可以把部分臂架转化为额外的吊钩高度,在不加锚固的情况下,就可以把冷却塔建得很高。当施工结束塔机下降时,通过折曲臂架,全部塔机都可以通过冷却塔的圆锥形孔径。

继凯塞尔之后,利勃海尔和派纳公司也研制出了折曲臂架式塔机。在利勃海尔系列塔机中,有代表性的当属180HC-K,派纳的产品系列中,只有一种SKK140型折曲臂架塔机。通常,高于200m的大型冷却塔,都有很大的底座直径,若把塔机安装在冷却塔中心,即使臂长65m、起重能力200t?m级别的塔机都满足不了工作幅度的要求。这种情况下,就得使用更长臂架的小车变幅式塔机,其吊臂要带有折曲臂装置,以便降塔时塔机能通过冷却塔。这种折曲臂式塔机功能多,可满足某些特殊要求,但其制造成本较高,所以这类塔机并没有十分流行。不过,折曲臂架式塔机的出现,使小车变幅式和动臂变幅式塔机的界限不再分明。

4 臂架伸缩式动臂塔机

一些汽车起重机制造厂,如美国的格鲁夫

(Grove)和马尼泰克斯(Manitex)公司,把汽车起重机的上部结构装在带有自升系统的塔身上,即把汽车起重机和塔机有机地结合到一起,这种变型的动臂塔机不仅满足了某些特殊市场的需求,而且为动臂塔机系列增添了新的活力。这种塔机大多用在核电站工程,其优点是能在空间有限的圆顶内工作。缺点是其结构显得头重脚轻,工作时对塔身产生很大的侧向力,而且当吊臂伸长时,载荷曲线会急剧下降,所以这种伸缩臂的长度通常限定在20～30m。

1985年,在法国核电站施工期间,为满足施工特殊性,波坦公司设计制造了一种带有EMA提升装置的上回转自升式塔机。其平衡臂尾部回转半径只有418m,具有可伸缩的小车变幅臂架,幅度可由16m变为30m。当塔机回转到反应堆时,需要避开拱顶,该型塔机借助于EMA装置,有效地解决了这一空间问题,仰起缩回的臂架就可以抬离拱顶而不需加高塔帽的高度。塔机的最小工作幅度只有5m,臂架抬高时可起吊2t;臂架水平时,最大可起吊4t。1990年一台这类塔机还用于狭窄的伦敦市区工地。虽然这种臂架伸缩式动臂塔机应用面较窄,但却为动臂式塔机的应用和发展开阔了新的思路。

5 动臂塔机的改进

新兴亚洲市场的高层建筑工程、新制定的领空权许可制度及跨占邻居领地产生的纠纷等因素,推动了各种类型动臂塔机的改进和发展。几乎欧洲每个塔机生产厂家在设计时都考虑了这些因素,研制出了相应的改型塔机。对动臂塔机而言,当动臂变幅时,由此会产生附加的静载力矩,平衡这一力矩会大大提高塔机的起重能力。在机械上的解决方法是移动配重,即吊臂仰起时,使配重移向塔身;吊臂俯降时,使配重远离塔身。这样做的好处是:(1)动臂产生的静载力矩可由移动的配重抵消;(2)通过移动配重、放低臂