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从第一台小吊车诞生讲吊车发展史

2020.06.11 字号
古希腊时期
公元前6世纪后期,古希腊人开发了一种用于举起重物的小吊车
考古记录表明公元前515年,起重钳和刘易斯铁钳的独特切割开始出现在希腊神庙的石块上。由于这些孔指向使用小吊车起重设备,并且由于可以在砌块的重心上方找到,或者成对地与重心上的点等距,因此考古学家认为它们是阳性的。吊车存在所需的证据。
绞车和滑轮葫芦的引入很快导致斜板作为垂直运动的主要手段得到了广泛的替代。在接下来的200年里,希腊建筑工地的重量大大减少,因为新的起重技术使使用几块较小的石头比少一块大的石头更为实用。与古时代的街区大小不断增加的模式形成鲜明对比的是,帕台农神庙(Parthenon)等古典时代的希腊神庙始终以重量不足15至20吨的石砌块为特色。同样,竖立大型整体式色谱柱的做法实际上被放弃,转而使用多个色谱柱鼓。
尽管尚不清楚从坡道转向吊车技术的确切情况,但据认为,希腊动荡的社会和政治条件比大型的非熟练劳动力更适合雇用小型专业建筑队,在劳动密集型的坡道上,这架吊车比埃及的大都市更可取,而这是埃及或亚述独裁社会的常态。
该化合物滑轮系统的存在的第一明确证据文学出现在力学问题(机甲归因于18,853a32-853b13)亚里士多德(BC 384-322),但也许在稍后的日期组成。大约在同一时间,希腊神庙中的砌块尺寸开始再次与它们的古玩相匹配,这表明到那时,更复杂的复合滑轮必定已经找到了进入希腊建筑工地的途径。
罗马帝国
吊车的鼎盛时期是在罗马帝国时期,当时建筑活动猛增,建筑物达到了巨大的规模。罗马人采用了希腊式吊车并进一步发展。由于工程师Vitruvius(De Architectura 10.2,1-10)和Alexandre Heron(Mechanica 3.2-5)的冗长叙述,我们对他们的吊装技术了解得相当多。还有两个幸存的罗马轮式吊车浮雕,其中最详细的是公元一世纪末的Haterii墓碑。
最简单的罗马吊车trispastos由单梁臂,绞车,绳索和包含三个滑轮的滑轮组成。因此,具有3:1 的机械优势,据计算,假设绞车上的一个人可以举起150公斤(3个滑轮x 50公斤= 150),假设50公斤代表一个人可以在更长的时间内付出的最大努力。时间段。较重的吊车类型具有五个滑轮(pentaspastos),或者在最大的情况下,一组三乘五滑轮(Polyspastos),并根据最大负载配备两个,三个或四个桅杆。该polyspastos,由绞车两侧的四个人工作时,可以轻松举起3,000公斤(3根绳索x 5个滑轮x 4个人x 50公斤= 3,000公斤)。如果用绞盘代替绞盘,那么只有一半的乘员就可以将最大负荷增加一倍,达到6,000公斤,因为绞盘由于直径较大而具有更大的机械优势。这意味着,相较于建设古埃及 的金字塔,其中约50人被需要移动2.5吨礅上了斜坡(每人50千克),罗马的提升能力polyspastos被证明是60倍更高(每人3,000公斤)。
但是,许多现存的罗马建筑中的石块比用水龙头处理的石块重得多,这表明罗马人的整体举升能力远远超过了任何一台小吊车。例如,在Baalbek的Jupiter庙中,arch架重达60吨,一个檐口檐角重达100吨以上,它们都升至约19 m的高度。[9]在罗马,Trajan's Column的首都地块重53.3吨,必须将其提升到大约34 m的高度(请参阅Trajan's Column的构造)。
假定罗马工程师通过两种措施举起了这些非凡的重量(参见下图,以了解类似的文艺复兴时期的技术):首先,按照Heron的建议,建立了一个升降塔,其四个桅杆呈平行四边形排列侧面,与攻城塔不同,但柱子位于结构的中间(Mechanica 3.5)。 其次,在塔楼周围的地面上放置了多个绞盘,因为尽管杠杆率比脚轮低,但绞盘的数量可能更多,并且可以由更多的人(此外,还有吃草的动物)操纵)。[13] Ammianus Marcellinus也描述了使用多种绞盘(17.4.15)与提起马戏团马戏团(公元357年)的拉特兰根方尖碑有关。单个绞盘的最大提升能力可以通过在整块料中钻孔的刘易斯铁孔的数量来确定。对于重量在55至60吨之间的Baalbek i木块,八个现存的孔建议每个刘易斯铁(即每只绞盘)的余量为7.5吨。 要采取协同行动举起如此沉重的重物,需要在向绞盘施加力量的工作组之间进行大量协调。
中世纪
在中世纪晚期,随着西罗马帝国的灭亡,该技术在西欧逐渐被废止,大规模地重新引入了踏车吊车。最早在1225年左右的法国档案文献中出现了对踏步轮(magna rota )的引用,随后是在可能也是法国血统的手稿中进行的有插图的描写,可追溯到1240年。在航行中,最早的在1244年的乌得勒支,1263年的安特卫普,1288 年的布鲁日和1291年的汉堡中都有港口吊车的使用记录。而在英格兰,则在1331年之前未记录踏轮。
通常,通过吊车比通过常规方法可以更安全,更便宜地进行垂直运输。典型的应用领域是港口,矿山,尤其是建筑工地,在这些建筑中,踏车在高耸的哥特式大教堂的建造中起着举足轻重的作用。然而,当时的档案和图片来源都表明,新推出的机器(如脚轮或独轮车)并不能完全替代梯子,小工具和手推车之类的劳动密集型方法。相反,新旧机械继续在中世纪的建筑工地[21]和港口共存。
除踏轮外,中世纪的插图还显示吊车由带有辐射辐条,曲柄的起锚机手动驱动,到15世纪,也由形状像船轮的起锚机驱动。为了消除脉冲的不规则现象并克服举升过程中的“死点”,飞轮早在1123年就已投入使用。
没有记录重新引入踏车吊车的确切过程,尽管无疑将其返回建筑工地与哥特式建筑的同时兴起密切相关。踏车吊车的重新出现可能是由于起锚机的技术发展而使踏轮在结构和机械上得以发展的结果。另外,中世纪treadwheel可代表绘制罗马的对手的蓄意重塑维特鲁威 “ 德architectura这是在许多寺院的图书馆提供。通过观察水车省力的品质,可能还会重新引入它与早期的踏车共享许多结构上的相似之处。
结构和位置
中世纪的踏轮是一个大型的木制轮,绕着中心轴转动,其踏步宽度足以让两名工人并排行走。较早的“罗盘臂”车轮将辐条直接驱动到中心轴中,而更高级的“拍臂”类型的特征是将臂作为弦布置在轮辋上,可以使用更细的轴并提供因此具有更大的机械优势。


从建筑物顶部开始工作的单轮吊车
与人们普遍认为的相反,中世纪建筑工地上的吊车既未放置在当时使用的极其轻巧的脚手架上,也未放置在哥特式教堂的薄壁上,因为它们无法支撑起重设备和负载的重量。相反,吊车是在建筑的最初阶段(通常在建筑物内)放置在地面上的。当新地板完工,屋顶的大束梁连接墙壁时,在建造金库时,将吊车吊起并重新组装在一个顶梁上。因此,吊车随建筑物“长大”并“漂泊”,结果导致今天在英格兰所有现存的建筑吊车都在拱顶上方和屋顶下方的教堂塔楼中发现,它们在建筑施工后仍留在那里,用于将材料用于高空维修。
较不常见的是,中世纪的照明设备还显示吊车安装在墙壁的外部,并且机器的支架固定在木桩上。
机械和操作
与现代吊车相反,中世纪的吊车和葫芦就像希腊和罗马的吊车 一样  ,主要具有垂直举升的能力,并且也不能用于水平移动相当长的距离。 因此,在工作场所以与今天不同的方式组织起重工作。例如,在建筑施工中,假设吊车将石块从底部直接举升到位或从与墙中心相对的位置举起,石块可以将石块运送给两个工作团队墙的每一端。 此外,通常从吊车外部向踏脚工人下达命令的吊车主人能够通过一条附加在负载上的细绳来横向操纵该运动。[29]允许旋转负载的回转吊车因此特别适合在码头工作。早在1340年就出现了。 虽然方石块是由吊索,刘易斯或魔鬼的夹具(德国Teufelskralle)直接提起的,但其他物体却是以前放在托盘,篮子,木箱或桶等容器中。
值得注意的是,中世纪的吊车很少配备棘轮或制动器来阻止负载向后运行。 这种奇怪的缺席可以用中世纪的胎轮施加的高摩擦力来解释,该摩擦力通常会阻止车轮加速而无法控制。
港口用途
根据古代未知的“当前知识状态”,固定式港口吊车被视为中世纪的新发展。典型的港口吊车是配备有双踏轮的枢轴结构。这些吊车被放置在码头上,用于装卸货物,它们取代或补充了诸如跷跷板,绞车和院子之类的较早的起重方法。
可以发现两种不同类型的港口吊车,它们具有不同的地理分布:虽然在佛兰德和荷兰沿海地区通常可以找到以中心垂直轴为中心旋转的龙门吊车,但德国海港和内陆港口通常都配备了塔式吊车,其中起锚机和脚轮位于坚固的塔架中,只有副臂和车顶旋转。地中海地区和高度发达的意大利港口未采用码头吊车,在这些港口,当局继续依靠劳动强度更大的方法通过中世纪以后的坡道卸载货物。
与建筑吊车不同,建筑吊车的工作速度取决于泥瓦匠的发展相对缓慢,而港口吊车通常采用双踏轮来加快装载速度。将直径估计为4 m或更大的两个脚轮安装到车轴的每一侧,并一起旋转。它们的容量为2到3吨,这显然与海运货物的惯用尺寸相对应。根据一项调查,今天,整个欧洲仍然有十五种工业化前的脚轮港口吊车。一些港口吊车专门用于将桅杆安装到新建的帆船上,例如格但斯克,科隆和不来梅。除了这些固定式吊车外,可灵活部署在整个港口盆地的浮动式吊车在14世纪开始投入使用。
近代早期
文艺复兴时期的建筑师 多梅尼科·丰塔纳(Domenico Fontana)在1586年使用了一个类似于古罗马人的吊塔,将361吨重的梵蒂冈方尖碑搬到了罗马。从他的报告中,很明显,各个拉力团队之间的升力协调需要相当多的集中力和纪律性,因为如果施加的力不均匀,那么绳索上的过大压力将使其断裂。
吊车
在此期间,吊车也在国内使用。烟囱或壁炉吊车被用来在炉火上摆动锅和水壶,高度是由漏斗调节的。
工业革命。
随着工业革命的开始,第一批现代吊车被安装在港口以装载货物。1838年,实业家和商人威廉·阿姆斯特朗(William Armstrong)设计了一种水力式液压吊车。他的设计在一个封闭的缸体中使用了一个撞锤,该撞锤被进入缸体的加压流体压倒,并且一个阀门调节了相对于吊车负载的流体吸入量。这种机制,即液压夹具,然后拉上链条以提升负载。
1845年,开始实施一项计划,从远处的水库向纽卡斯尔的住户提供管道水。阿姆斯特朗(Armstrong)参与了这个计划,他向纽卡斯尔公司(Newcastle Corporation)提议,城镇下部的过剩水压可用于驱动他的一台液压吊车,将煤装载到码头的驳船上。他声称,他的发明将比传统吊车更快,更便宜地完成这项工作。公司同意了他的建议,实验证明非常成功,因此在码头区又安装了三台液压吊车。[39]
他的液压吊车的成功促使阿姆斯特朗在纽卡斯尔建立了Elswick工厂,并于1847年生产了吊车和桥梁的液压机械。他的公司很快从爱丁堡和北方铁路公司,利物浦码头以及其他地方获得了液压吊车的订单。格里姆斯比码头闸的液压机械。该公司从1850年的300名员工和年生产45台吊车的员工发展到1860年代初,每年有近4,000名工人生产100台吊车。
阿姆斯特朗(Armstrong)在接下来的几十年中不断改进吊车设计。他最重要的创新是液压蓄能器。在现场无法使用水力吊车的水压情况下,阿姆斯特朗经常建造高水塔以提供一定压力的水。然而,在提供使用吊车时纽荷兰在亨伯河河口,他无法做到这一点,因为地基是沙子。他最终生产了液压蓄能器,这是一个装有柱塞的铸铁缸,可支撑非常重的重量。柱塞将缓慢上升,以吸水,直到配重的向下力足以将其下方的水以很大的压力推入管道。本发明允许在恒定压力下迫使大量的水通过管道,从而大大增加了吊车的负载能力。
他的一台吊车是由意大利海军于1883年委托使用的,直到1950年代中期才投入使用,现在仍在威尼斯,威尼斯一直处于失修状态。
机械原理
吊车的设计有三个主要考虑因素。首先,吊车必须能够举起负载的重量;第二,吊车不得倾倒;第三,吊车不得破裂。
稳定性
为了稳定起见,围绕吊车底部的所有力矩之和必须接近零,以使吊车不会倾覆。实际上,允许提升的负载的大小(在美国称为“额定负载”)比会导致吊车倾翻的负载小一些值,从而提供了安全余量。
根据美国移动式吊车标准,履带式吊车的极限稳定性额定载荷为倾翻载荷的75%。支腿支撑的移动式吊车的极限稳定性额定载荷为倾翻载荷的85%。这些要求以及吊车设计的其他与安全相关的方面,由美国机械工程师学会在ASME B30.5-2018 移动和机车吊车卷中确定。
安装在船上或海上平台上的吊车的标准要严格一些,因为船舶运动会给吊车带来动载荷。另外,必须考虑容器或平台的稳定性。
对于固定式基座式吊车或立柱式吊车,动臂,悬臂和负载所产生的力矩会受到基座或立柱的抵抗。底座内的应力必须小于材料的屈服应力,否则吊车将发生故障。