工程机械发展历史系列 第七期 移千斤如取碎石
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发布于 2022-04-23

很多人路过建筑工地时都产生过一个疑问:看起来一节一节的塔吊是如何“搭”上去的。作为起重机的一种,塔吊历史十分悠久,早在文艺复兴时代就有塔吊的类似设备出现,而古希腊时期就已经出现最早的起重机。本期将会为大家介绍起重机的发展历史。

(一)古希腊与古罗马的遗产

古希腊人制造大量切割整齐且格外沉重的石块建设用以敬奉神明和可以开展大型社会活动的建筑与场地。石块制造完成后,如何将它们搬运至城市或者山巅就成了大难题,更困难的是建设高层建筑时需要将重物抬到十米多高的位置,这对于科学技术较为落后的古代着实是个难题。

但是,只要思想不滑坡,办法总比困难多,为了满足社会事务管理和精神需求,古希腊的科学家和工程师们想出来诸多方法,并使用了早期起重机所用到的两大基本部件:杠杆,滑轮。疆域横跨三洲五海、经济繁荣、继承希腊文化的罗马同样需要建造规模建筑,古代起重机也在罗马广阔疆域内拔地而起的水泥高塔和大理石史诗之间成型:除了杠杆、支撑架和滑轮,绞车也被运用到移动重物的工作之中。罗马时代的石碑上就描绘了百千劳工共同运作绞车操控起重机的场景:大量劳工或牲畜拉动绞车,起重机的大臂、滑轮与挂着重物的金属线协同运作,将物体吊到高空,也可以完成水平运动。相似的器物也出现在了古埃及。

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西罗马帝国在腐朽与动荡中崩塌后,狼鸣与大理石在西欧陷入了长久沉默,起重机却没有完全倒塌,毕竟中世纪诸国也有建造大型建筑的需求,无论是为了建造教堂还是为了建造堡垒,都无法避开搬运重物至高处的环节,起重机躲过黑暗时代的劫难在中世纪继续发展。

虽说中世纪被认为是一个发展长期停滞的黑暗时代,但很多影响后世的技术都在漫漫长夜中诞生或得到改进,比如飞轮的使用,帮助起重机摆脱“死点”困局;除了罗马时代赠与的大型绞车起重机,中世纪欧洲还发明出“室内起重机”——起重机被直接放在室内的地面上,完成顶梁建设后将起重机放到下一层继续工作。许多工程项目完成之后就会将它放在屋顶,以备日后修整建筑时使用;而经常和大宗商品打交道的港口更是安装上属于自己的起重工具——劳工蹬着踏轮实现工具的旋转,将装入吊篮、吊钩或载货平台的货物从货船转至港口。

这一时代内的起重机大多由人力或畜力运转,结果较为简单且运转受限,主要构成为木材落后冶炼技术条件下的合金(主要是钢铁)。在下一个时代,起重机将会获得新技术为它提供的新生命力。

(二)能省就省

人力或畜力起重机可以帮助人类移动极为沉重的物体,但仍需要消耗不少力气。人干完活累了,就会去喝水、会烧火做饭进食补充能量,那么问题来了:是否可以省掉喝水吃饭的过程,直接用烧火烧水来为起重机供能?

当然可以,而这台直接烧火烧水为起重机供能的机器就是工业革命的重要成果——改良蒸汽机。1805年,工程师伦尼为伦敦船坞设计了一种安放在车架上、由牵引车引导的蒸汽起重机,移动性差,牵引能力不高,但却是第一台现代意义上的起重机。不久后,蒸汽拖拉机的问世给予起重机以改进动力,吊臂使得蒸汽机将更多能量用于吊装物品,吊钩使它运动更加灵活,蒸汽拖拉机的机身使得起重机从铁轨的约束中解放出来。

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既然吃饭喝水的过程可以取消,那么烧火是不是也可以省略?

当然可以。阿姆斯特朗用水塔和水箱制造了最早的液压系统——没错,最早的液压起重机是用水而非油作为力的传输介质。阿姆斯特朗针对不同施工环境设计了不同液压设备:向一个密闭容器内注水,用容器内的柱塞产生承载所需的力,并以阀门调教圆柱塞内的液体多少来调节柱塞稳定设备所需要的力,如果水量不足就事先建造一座水塔;针对多砂石难以建设水塔的地质条件,阿姆斯特朗设计一种将称重柱塞放在水中的、直接从河里引水的“液压设备”。

既然烧水的过程可以省略,那是否可以省去烧水、直接用烧火来驱动设备。

当然可以。

(三)快上车

    起重机设计过程中往往需要解决三大基础问题:抬得起来;抬的时候别断了;抬的时候别翻了。这三个问题对起重机的结构设计、材料使用和焊接工艺等技术问题提出相当要求,长期约束起重机成长。但在1920世纪人类科学技术突飞猛进的背景下,阻碍人类改进工具的难题一个个迎刃而解。

第一次工业革命末期、第二次工业革命及之间的时间段,科学技术蓬勃发展,基础理论、应用科学和生产技术都呈现出一种井喷状态,人类冶炼、焊接金属的能力也随之进步:1887年汤姆森发明用于点焊和缝焊的电导焊技术,之前蒸汽机的发明极大提高采煤的效率和质量,冶炼金属的技艺同时进步。过去一直用各种木头与笨重合金拼接而成的设备也可以安装相对而言更加结实耐用的新材料,设备结构也更加稳定。在这一段时间里,设备逐渐告别木材而拥有全金属身躯,并且拥有一颗强大心脏——内燃机。

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之前我们主要讲述了狄赛尔所发明的柴油内燃机。自1833年赖特提出利用燃烧压力推动活塞做功的设计以来,内燃机的发展和诞生便走上快车道。勒努瓦、奥托和狄赛尔等人先后制造出不同燃料不同结构的内燃机,并被投入到不同应用场景之中,比如载货汽车。当初蒸汽拖拉机成功运载挖掘工具、起重设备,诞生最早的挖掘机和起重机,那么现在把起重设备放到载货汽车上应该也不成问题吧?

1918年,也就是第一次世界大战的最后一年,英国CLOSER公司将起重机安装在汽车底盘上,最早的随车起重机(随车吊)就此诞生,履带式起重机和全地面起重机也在这一时间段内问世。同一时代,1905年第一个有关于塔吊的专利颁发于法国,1923年出现了现代意义上的塔式起重机;门式起重机也获得比过去更为庞大的外形和力量;电磁铁帮助起重机省去勾爪,直接用通电后形成的磁场吸起金属物品——总而言之,人类探索世界运行真理所取得的诸多成果产生的效益延伸至起重机行业,为人类移山填海、开地擎天的事业作出贡献。

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