吳學(xué)松，劉 偉，吳 靜，周建軍

（1.中國(guó)建筑科學(xué)研究院 建筑機(jī)械化研究分院，河北 廊坊 065000；2.撫順永茂建筑機(jī)械有限公司，遼寧 撫順 113126；3.廊坊市正達(dá)裝飾裝修有限公司，河北 廊坊 065000）

塔式起重機(jī)能效測(cè)試方法與節(jié)能探討

吳學(xué)松1，劉 偉2，吳 靜3，周建軍3

（1.中國(guó)建筑科學(xué)研究院 建筑機(jī)械化研究分院，河北 廊坊 065000；2.撫順永茂建筑機(jī)械有限公司，遼寧 撫順 113126；3.廊坊市正達(dá)裝飾裝修有限公司，河北 廊坊 065000）

結(jié)合塔式起重機(jī)工作的特點(diǎn)及工作循環(huán)要求，提出了塔式起重機(jī)能效測(cè)試方法的基本原則，制定合理的測(cè)試工況，給出供給能、有效能及能效計(jì)算公式，分析了提高塔式起重機(jī)能效的主要措施，提出塔式起重機(jī)使用管理中的節(jié)能建議。

塔式起重機(jī)；能效；節(jié)能，測(cè)試方法

近年來(lái)，我國(guó)建筑施工中對(duì)塔機(jī)的需求量猛增，每年新增塔機(jī)數(shù)萬(wàn)臺(tái)，塔機(jī)市場(chǎng)保有量已達(dá)到近40萬(wàn)臺(tái)，而且大型塔機(jī)越來(lái)越多，每年在用塔機(jī)耗電量十分巨大，提高塔機(jī)能源利用效率意義重大。建筑施工行業(yè)正在大規(guī)模地推行綠色施工，施工中使用節(jié)能環(huán)保的建筑起重機(jī)械是綠色施工的重要方面。

《特種設(shè)備安全法》提出要“加強(qiáng)特種設(shè)備安全和節(jié)能管理”。國(guó)務(wù)院印發(fā)的“十二五”節(jié)能減排綜合性工作方案要求“健全節(jié)能減排統(tǒng)計(jì)、監(jiān)測(cè)和考核體系。加大能效標(biāo)識(shí)和節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品認(rèn)證實(shí)施力度。擴(kuò)大終端用能產(chǎn)品能效標(biāo)識(shí)實(shí)施范圍，加強(qiáng)宣傳和政策激勵(lì)，引導(dǎo)消費(fèi)者購(gòu)買高效節(jié)能產(chǎn)品。繼續(xù)推進(jìn)節(jié)能產(chǎn)品、環(huán)境標(biāo)志產(chǎn)品、環(huán)保裝備認(rèn)證，規(guī)范認(rèn)證行為，擴(kuò)展認(rèn)證范圍，建立有效的國(guó)際協(xié)調(diào)互認(rèn)機(jī)制，加強(qiáng)標(biāo)識(shí)、認(rèn)證質(zhì)量的監(jiān)管?！蹦壳皣?guó)內(nèi)外沒(méi)有塔式起重機(jī)的能效測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，缺少統(tǒng)一、科學(xué)的塔機(jī)能效評(píng)價(jià)方法，制約了建筑施工企業(yè)對(duì)綠色施工機(jī)械設(shè)備的選用。

制訂塔機(jī)能效測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)是節(jié)能產(chǎn)品認(rèn)證的基礎(chǔ)，更重要的是可以引導(dǎo)用戶購(gòu)買耗電量較小的起重機(jī)械，并由此指導(dǎo)和促進(jìn)塔機(jī)生產(chǎn)企業(yè)研究、應(yīng)用節(jié)能技術(shù)，生產(chǎn)低能耗的產(chǎn)品，促使企業(yè)有計(jì)劃地開(kāi)發(fā)節(jié)能高效產(chǎn)品、推動(dòng)產(chǎn)品能效水平的提高。通過(guò)對(duì)塔式起重機(jī)能效的分析研究和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，可初步了解其使用中的實(shí)際能耗情況，找出節(jié)能的空間和方向，提高從業(yè)者的節(jié)能意識(shí)。

1 能效測(cè)試方法制定原則

我國(guó)大、中、小型塔機(jī)起重能力差別巨大，型號(hào)繁多，即使同一起重力矩大小的塔機(jī)，不同制造商的產(chǎn)品其額定起重量、最大幅度也不同，控制方式、運(yùn)行速度也有區(qū)別?；谶@種現(xiàn)狀，塔機(jī)能效測(cè)試方法中不可能規(guī)定統(tǒng)一的起重量、最大幅度等參數(shù)，只適宜統(tǒng)一起升高度、變幅距離這類比較容易統(tǒng)一的參數(shù)，以便于相近大小的塔機(jī)之間的比較，而起重量、最大幅度、運(yùn)行速度等按被測(cè)試塔機(jī)實(shí)際能力確定，不做統(tǒng)一規(guī)定。同時(shí)須規(guī)定測(cè)試時(shí)對(duì)風(fēng)速、電網(wǎng)電壓波動(dòng)要求，這是影響測(cè)試結(jié)果的重要因素。

通過(guò)研究塔機(jī)工作的特點(diǎn)及工作循環(huán)，認(rèn)為應(yīng)結(jié)合塔機(jī)三大主要機(jī)構(gòu)即起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作特點(diǎn)設(shè)定統(tǒng)一工況和工作循環(huán)，按作業(yè)周期測(cè)試，采用測(cè)量與計(jì)算相結(jié)合的形式，遵循電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能這一能量轉(zhuǎn)換的基本定律，得出整機(jī)的供給能和有效能，從而計(jì)算出能效。測(cè)試方法應(yīng)既能反映塔機(jī)能效的真實(shí)水平，同時(shí)又有利于提高測(cè)試工作效率。

2 測(cè)試工況與能效計(jì)算

2.1 測(cè)試工況設(shè)定

為了盡量體現(xiàn)塔機(jī)作業(yè)真實(shí)性，同時(shí)便于實(shí)現(xiàn)，選擇最大幅度、90%最大起重量、60%最大起重量三種代表性工況，每種測(cè)試工況下的工作循環(huán)包括帶載起升、變幅、回轉(zhuǎn)、下降動(dòng)作，隨后空載返回，完成一個(gè)工作循環(huán)測(cè)試，其中變幅方向按向內(nèi)變幅、向外變幅交替運(yùn)行，回轉(zhuǎn)方向按順時(shí)針、逆時(shí)針交替運(yùn)轉(zhuǎn)，可分階段一次性測(cè)試出塔機(jī)起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的耗電量與工作循環(huán)時(shí)間，與實(shí)際工作情況比較接近。具體測(cè)試條件、測(cè)試流程見(jiàn)即將發(fā)布的中國(guó)工程機(jī)械工業(yè)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《塔式起重機(jī)能效測(cè)試方法》。

2.2 供給能與有效能

假設(shè)測(cè)得塔機(jī)完成一個(gè)工作循環(huán)的耗電量是Dj，則可以計(jì)算出供給能為

式中 Ed——一個(gè)工作循環(huán)的供給能，J；

Dj——一個(gè)工作循環(huán)的平均耗電量，kWh。

有效能是塔機(jī)按工況要求完成物體位移時(shí)理論上必須消耗的能量，或者說(shuō)塔機(jī)完成吊裝作業(yè)要求所必須利用的能量。如起升機(jī)構(gòu)提升載荷時(shí)克服重力做的功、變幅小車在水平位移時(shí)克服摩擦力做的功及載荷由靜止變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)所做的功。塔機(jī)一個(gè)工作循環(huán)的有效能計(jì)算即使不很精確其計(jì)算也比較復(fù)雜，涉及參數(shù)比較多。為便于計(jì)算，在滿足主要條件的前提下宜采用簡(jiǎn)化計(jì)算公式。因?yàn)樵谟行苡?jì)算中，帶載運(yùn)行（起升、變幅、回轉(zhuǎn)）占有效能的比例較大，而空載變幅、回轉(zhuǎn)過(guò)程有效能很小可以忽略。小車變幅塔機(jī)與動(dòng)臂變幅塔機(jī)因?yàn)樽兎绞讲煌?，其變幅過(guò)程有效能計(jì)算也不同。

小車變幅塔機(jī)其一個(gè)工作循環(huán)其有效能計(jì)算式

式中 Ey——一個(gè)工作循環(huán)的有效能，J；

Q——載荷質(zhì)量，kg；

Q4——吊具質(zhì)量，kg；

H——起升高度，m；

V——帶載起升速度，m/s；

V4——空載起升速度，m/s；

S——帶載變幅距離，m；

μ——運(yùn)行阻力系數(shù)，取0.015；

R——帶載回轉(zhuǎn)時(shí)載荷回轉(zhuǎn)半徑，m；

Q5—— 塔機(jī)回轉(zhuǎn)支承以上轉(zhuǎn)動(dòng)部分質(zhì)量，kg；

tz——塔機(jī)帶載回轉(zhuǎn)時(shí)間，s；

r——塔機(jī)回轉(zhuǎn)支承半徑，m。

動(dòng)臂變幅塔機(jī)其一個(gè)工作循環(huán)有效能計(jì)算式：

式中 Qb——起重臂質(zhì)量，kg；

hb——變幅前后起重臂重心增加的高度，m。

2.3 塔機(jī)能效

塔機(jī)能效是有效能與供給能的比值，綜合考慮工況A、B、C，可計(jì)算出能效值η

式中 Eya、Eyb、Eyc—— 工況A、B、C的有效能，J；

Eda、Edb、Edc—— 工況A、B、C的供給能，J。

塔機(jī)能效與工作效率是密切相關(guān)的，不考慮工作效率只談能效是沒(méi)有意義的，否則可能會(huì)出現(xiàn)能效雖然較高而工作效率低的情況。建議將工作循環(huán)時(shí)間t作為工作效率的衡量指標(biāo)，綜合考慮工況A、B、C，可計(jì)算出衡量工作效率的工作循環(huán)時(shí)間t

式中 ta、tb、tc—— 工況A、B、C的工作循環(huán)時(shí)間，s。

從上述計(jì)算公式可以看出，在塔機(jī)有效能一定的情況下，供給能越低則塔機(jī)能效值越好。塔機(jī)有效能主要與起重量、起升高度、臂長(zhǎng)、上部結(jié)構(gòu)重量等相關(guān)，一般由塔機(jī)工況和結(jié)構(gòu)參數(shù)決定；塔機(jī)供給能大小除了載荷大小，主要影響因素有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)效率、控制方式、動(dòng)力匹配是否合適、司機(jī)操作熟練程度等。提高塔機(jī)能效應(yīng)該主要由降低供給能來(lái)實(shí)現(xiàn)。

塔機(jī)工作循環(huán)時(shí)間是體現(xiàn)工作效率的指標(biāo)，其大小由各機(jī)構(gòu)運(yùn)行速度、速度控制方式、司機(jī)操作熟練程度等決定，其數(shù)值越小則效率越高。

3 測(cè)試與計(jì)算實(shí)例分析

在塔機(jī)能效研究過(guò)程中，我們選取了數(shù)臺(tái)塔機(jī)進(jìn)行實(shí)地測(cè)試，表1是其中一臺(tái)小車變幅塔機(jī)的測(cè)試數(shù)據(jù)，將測(cè)試結(jié)果利用上述公式即可計(jì)算出其能效值（表2）。隨著操作司機(jī)熟練操作和熟悉測(cè)試流程后，測(cè)試數(shù)據(jù)將更接近實(shí)際。

表1 小車變幅塔機(jī)能效測(cè)試記錄

表2 塔式起重機(jī)能效測(cè)試計(jì)算實(shí)例（計(jì)算過(guò)程略）

從以上測(cè)試及計(jì)算結(jié)果可以看出，塔機(jī)起重載荷越接近于塔機(jī)最大起重量其能效值越高，而最小起重量時(shí)能效值明顯降低，所以應(yīng)盡量提高小起重量時(shí)的運(yùn)行速度。

4 提高能效措施

影響塔機(jī)能效的因素雖然很多，但對(duì)其中的主要共性因素進(jìn)行研究，可以得出以下節(jié)能措施。

1）塔機(jī)的制造精度是影響機(jī)械效率的重要因素，減速器的傳動(dòng)效率、卷筒及導(dǎo)向滑輪效率、滑輪組的效率等都是制約機(jī)械效率的一部分。

2）負(fù)載特性與電動(dòng)機(jī)的工作特性的匹配有利于提高塔機(jī)的能效值。如電動(dòng)機(jī)容量相對(duì)較小，則不利于設(shè)備作業(yè)能力的發(fā)揮，還會(huì)造成電動(dòng)機(jī)的過(guò)載、發(fā)熱，降低能效比； 如電動(dòng)機(jī)容量相對(duì)較大，則會(huì)造成能源的巨大浪費(fèi)，電動(dòng)機(jī)的承載能力不能得到有效的發(fā)揮，降低能效比。

3）起重機(jī)械變頻控制的使用可有效地削弱設(shè)備起動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，減少啟動(dòng)能耗和調(diào)速電阻的轉(zhuǎn)差功率損耗，對(duì)塔機(jī)鋼結(jié)構(gòu)動(dòng)載沖擊下，增強(qiáng)塔機(jī)鋼結(jié)構(gòu)使用安全性，是塔機(jī)調(diào)速控制技術(shù)發(fā)展方向之一。

4）起重機(jī)的優(yōu)秀節(jié)能設(shè)計(jì)是最根本的節(jié)能途徑。目前，國(guó)內(nèi)塔機(jī)生產(chǎn)廠家較多但規(guī)模小，技術(shù)實(shí)力有限，設(shè)計(jì)理念比較落后，材料和工藝也存在不足之處，大多數(shù)塔機(jī)制造企業(yè)尚未從節(jié)能角度考慮塔機(jī)設(shè)計(jì)，有待提高，應(yīng)該加強(qiáng)節(jié)能技術(shù)研究。

5 塔機(jī)使用中的建議

塔式起重機(jī)是建筑施工中的主要設(shè)備，其安全狀況直接關(guān)系到人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)，其能耗狀況直接反映出能源利用的管理水平。

1）在設(shè)備采購(gòu)中，必須采用符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的塔機(jī)，且在同級(jí)別下應(yīng)優(yōu)先選用能效值高、工作效率高、安全性好的塔機(jī)產(chǎn)品，逐步淘汰老舊的高能耗產(chǎn)品。

2）在塔機(jī)安裝布局過(guò)程中，須考慮到設(shè)備的使用效率，最大限度地發(fā)揮起重性能并利用好設(shè)備起重能力，避免造成設(shè)備資源的浪費(fèi)。

3）加強(qiáng)日常保養(yǎng)中的質(zhì)量控制，加強(qiáng)設(shè)備潤(rùn)滑管理，保持塔機(jī)的順利運(yùn)轉(zhuǎn)，充分發(fā)揮塔機(jī)最高效能。在日常保養(yǎng)中組織有關(guān)技術(shù)人員制訂保養(yǎng)質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，保養(yǎng)過(guò)程中嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，保養(yǎng)結(jié)束后按照驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)組織驗(yàn)收。

4）對(duì)操作人員進(jìn)行定期培訓(xùn)，提高設(shè)備操作人員的思想認(rèn)識(shí)及技術(shù)素養(yǎng)，將節(jié)能管理知識(shí)和節(jié)能操作技能納入作業(yè)人員的考核內(nèi)容。糾正操作人員的不良操作習(xí)慣，在操作塔機(jī)過(guò)程中應(yīng)保證機(jī)械平滑穩(wěn)定地運(yùn)行，禁止越檔、反檔及長(zhǎng)時(shí)間的低速運(yùn)行。做好吊裝作業(yè)規(guī)劃，在不超重的前提下集中吊運(yùn)物資，做到功率和負(fù)載相匹配的作業(yè)。

（編輯 賈澤輝）

Discussion on tower crane effi ciency test method and energy conservation

WU Xue-song， LIU Wei， WU Jing， ZHOU Jian-jun

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃“綠色建造與施工協(xié)同關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”（2012BAJ03B01）

TH212；TH213.3

B

1001-1366（2015）08-0028-04

2015-06-15