塔式起重機能效測試方法與節能探討

吳學松，劉 偉，吳 靜，周建軍

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

塔式起重機能效測試方法與節能探討

吳學松1，劉 偉2，吳 靜3，周建軍3

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

結合塔式起重機工作的特點及工作循環要求，提出了塔式起重機能效測試方法的基本原則，制定合理的測試工況，給出供給能、有效能及能效計算公式，分析了提高塔式起重機能效的主要措施，提出塔式起重機使用管理中的節能建議。

塔式起重機；能效；節能，測試方法

近年來，我國建筑施工中對塔機的需求量猛增，每年新增塔機數萬臺，塔機市場保有量已達到近40萬臺，而且大型塔機越來越多，每年在用塔機耗電量十分巨大，提高塔機能源利用效率意義重大。建筑施工行業正在大規模地推行綠色施工，施工中使用節能環保的建筑起重機械是綠色施工的重要方面。

《特種設備安全法》提出要“加強特種設備安全和節能管理”。國務院印發的“十二五”節能減排綜合性工作方案要求“健全節能減排統計、監測和考核體系。加大能效標識和節能環保產品認證實施力度。擴大終端用能產品能效標識實施范圍，加強宣傳和政策激勵，引導消費者購買高效節能產品。繼續推進節能產品、環境標志產品、環保裝備認證，規范認證行為，擴展認證范圍，建立有效的國際協調互認機制，加強標識、認證質量的監管。”目前國內外沒有塔式起重機的能效測試標準，缺少統一、科學的塔機能效評價方法，制約了建筑施工企業對綠色施工機械設備的選用。

制訂塔機能效測試方法標準是節能產品認證的基礎，更重要的是可以引導用戶購買耗電量較小的起重機械，并由此指導和促進塔機生產企業研究、應用節能技術，生產低能耗的產品，促使企業有計劃地開發節能高效產品、推動產品能效水平的提高。通過對塔式起重機能效的分析研究和現場測試，可初步了解其使用中的實際能耗情況，找出節能的空間和方向，提高從業者的節能意識。

1 能效測試方法制定原則

我國大、中、小型塔機起重能力差別巨大，型號繁多，即使同一起重力矩大小的塔機，不同制造商的產品其額定起重量、最大幅度也不同，控制方式、運行速度也有區別。基于這種現狀，塔機能效測試方法中不可能規定統一的起重量、最大幅度等參數，只適宜統一起升高度、變幅距離這類比較容易統一的參數，以便于相近大小的塔機之間的比較，而起重量、最大幅度、運行速度等按被測試塔機實際能力確定，不做統一規定。同時須規定測試時對風速、電網電壓波動要求，這是影響測試結果的重要因素。

通過研究塔機工作的特點及工作循環，認為應結合塔機三大主要機構即起升機構、變幅機構和回轉機構工作特點設定統一工況和工作循環，按作業周期測試，采用測量與計算相結合的形式，遵循電能轉變為機械能這一能量轉換的基本定律，得出整機的供給能和有效能，從而計算出能效。測試方法應既能反映塔機能效的真實水平，同時又有利于提高測試工作效率。

2 測試工況與能效計算

2.1 測試工況設定

為了盡量體現塔機作業真實性，同時便于實現，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，每種測試工況下的工作循環包括帶載起升、變幅、回轉、下降動作，隨后空載返回，完成一個工作循環測試，其中變幅方向按向內變幅、向外變幅交替運行，回轉方向按順時針、逆時針交替運轉，可分階段一次性測試出塔機起升機構、變幅機構、回轉機構的耗電量與工作循環時間，與實際工作情況比較接近。具體測試條件、測試流程見即將發布的中國工程機械工業協會標準《塔式起重機能效測試方法》。

2.2 供給能與有效能

假設測得塔機完成一個工作循環的耗電量是Dj，則可以計算出供給能為

式中 Ed——一個工作循環的供給能，J；

Dj——一個工作循環的平均耗電量，kWh。

有效能是塔機按工況要求完成物體位移時理論上必須消耗的能量，或者說塔機完成吊裝作業要求所必須利用的能量。如起升機構提升載荷時克服重力做的功、變幅小車在水平位移時克服摩擦力做的功及載荷由靜止變為運動所做的功。塔機一個工作循環的有效能計算即使不很精確其計算也比較復雜，涉及參數比較多。為便于計算，在滿足主要條件的前提下宜采用簡化計算公式。因為在有效能計算中，帶載運行（起升、變幅、回轉）占有效能的比例較大，而空載變幅、回轉過程有效能很小可以忽略。小車變幅塔機與動臂變幅塔機因為變幅方式不同，其變幅過程有效能計算也不同。

小車變幅塔機其一個工作循環其有效能計算式

式中 Ey——一個工作循環的有效能，J；

Q——載荷質量，kg；

Q4——吊具質量，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——運行阻力系數，取0.015；

R——帶載回轉時載荷回轉半徑，m；

Q5—— 塔機回轉支承以上轉動部分質量，kg；

tz——塔機帶載回轉時間，s；

r——塔機回轉支承半徑，m。

動臂變幅塔機其一個工作循環有效能計算式：

式中 Qb——起重臂質量，kg；

hb——變幅前后起重臂重心增加的高度，m。

2.3 塔機能效

塔機能效是有效能與供給能的比值，綜合考慮工況A、B、C，可計算出能效值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。

塔機能效與工作效率是密切相關的，不考慮工作效率只談能效是沒有意義的，否則可能會出現能效雖然較高而工作效率低的情況。建議將工作循環時間t作為工作效率的衡量指標，綜合考慮工況A、B、C，可計算出衡量工作效率的工作循環時間t

式中 ta、tb、tc—— 工況A、B、C的工作循環時間，s。

從上述計算公式可以看出，在塔機有效能一定的情況下，供給能越低則塔機能效值越好。塔機有效能主要與起重量、起升高度、臂長、上部結構重量等相關，一般由塔機工況和結構參數決定；塔機供給能大小除了載荷大小，主要影響因素有傳動機構效率、控制方式、動力匹配是否合適、司機操作熟練程度等。提高塔機能效應該主要由降低供給能來實現。

塔機工作循環時間是體現工作效率的指標，其大小由各機構運行速度、速度控制方式、司機操作熟練程度等決定，其數值越小則效率越高。

3 測試與計算實例分析

在塔機能效研究過程中，我們選取了數臺塔機進行實地測試，表1是其中一臺小車變幅塔機的測試數據，將測試結果利用上述公式即可計算出其能效值（表2）。隨著操作司機熟練操作和熟悉測試流程后，測試數據將更接近實際。

表1 小車變幅塔機能效測試記錄

表2 塔式起重機能效測試計算實例（計算過程略）

從以上測試及計算結果可以看出，塔機起重載荷越接近于塔機最大起重量其能效值越高，而最小起重量時能效值明顯降低，所以應盡量提高小起重量時的運行速度。

4 提高能效措施

影響塔機能效的因素雖然很多，但對其中的主要共性因素進行研究，可以得出以下節能措施。

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

2）負載特性與電動機的工作特性的匹配有利于提高塔機的能效值。如電動機容量相對較小，則不利于設備作業能力的發揮，還會造成電動機的過載、發熱，降低能效比； 如電動機容量相對較大，則會造成能源的巨大浪費，電動機的承載能力不能得到有效的發揮，降低能效比。

3）起重機械變頻控制的使用可有效地削弱設備起動時對電網的沖擊，減少啟動能耗和調速電阻的轉差功率損耗，對塔機鋼結構動載沖擊下，增強塔機鋼結構使用安全性，是塔機調速控制技術發展方向之一。

4）起重機的優秀節能設計是最根本的節能途徑。目前，國內塔機生產廠家較多但規模小，技術實力有限，設計理念比較落后，材料和工藝也存在不足之處，大多數塔機制造企業尚未從節能角度考慮塔機設計，有待提高，應該加強節能技術研究。

5 塔機使用中的建議

塔式起重機是建筑施工中的主要設備，其安全狀況直接關系到人民群眾的生命財產，其能耗狀況直接反映出能源利用的管理水平。

1）在設備采購中，必須采用符合國家標準的塔機，且在同級別下應優先選用能效值高、工作效率高、安全性好的塔機產品，逐步淘汰老舊的高能耗產品。

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

3）加強日常保養中的質量控制，加強設備潤滑管理，保持塔機的順利運轉，充分發揮塔機最高效能。在日常保養中組織有關技術人員制訂保養質量驗收標準，保養過程中嚴格按標準執行，保養結束后按照驗收標準組織驗收。

4）對操作人員進行定期培訓，提高設備操作人員的思想認識及技術素養，將節能管理知識和節能操作技能納入作業人員的考核內容。糾正操作人員的不良操作習慣，在操作塔機過程中應保證機械平滑穩定地運行，禁止越檔、反檔及長時間的低速運行。做好吊裝作業規劃，在不超重的前提下集中吊運物資，做到功率和負載相匹配的作業。

（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”國家科技支撐計劃“綠色建造與施工協同關鍵技術研究與示范”（2012BAJ03B01）

TH212；TH213.3

B

1001-1366（2015）08-0028-04

2015-06-15