塔式起重机能效测试方法与节能探讨

吴学松，刘 伟，吴 静，周建军

（1.中国建筑科学研究院 建筑机械化研究分院，河北 廊坊 065000；2.抚顺永茂建筑机械有限公司，辽宁 抚顺 113126；3.廊坊市正达装饰装修有限公司，河北 廊坊 065000）

塔式起重机能效测试方法与节能探讨

吴学松1，刘 伟2，吴 静3，周建军3

（1.中国建筑科学研究院 建筑机械化研究分院，河北 廊坊 065000；2.抚顺永茂建筑机械有限公司，辽宁 抚顺 113126；3.廊坊市正达装饰装修有限公司，河北 廊坊 065000）

结合塔式起重机工作的特点及工作循环要求，提出了塔式起重机能效测试方法的基本原则，制定合理的测试工况，给出供给能、有效能及能效计算公式，分析了提高塔式起重机能效的主要措施，提出塔式起重机使用管理中的节能建议。

塔式起重机；能效；节能，测试方法

近年来，我国建筑施工中对塔机的需求量猛增，每年新增塔机数万台，塔机市场保有量已达到近40万台，而且大型塔机越来越多，每年在用塔机耗电量十分巨大，提高塔机能源利用效率意义重大。建筑施工行业正在大规模地推行绿色施工，施工中使用节能环保的建筑起重机械是绿色施工的重要方面。

《特种设备安全法》提出要“加强特种设备安全和节能管理”。国务院印发的“十二五”节能减排综合性工作方案要求“健全节能减排统计、监测和考核体系。加大能效标识和节能环保产品认证实施力度。扩大终端用能产品能效标识实施范围，加强宣传和政策激励，引导消费者购买高效节能产品。继续推进节能产品、环境标志产品、环保装备认证，规范认证行为，扩展认证范围，建立有效的国际协调互认机制，加强标识、认证质量的监管。”目前国内外没有塔式起重机的能效测试标准，缺少统一、科学的塔机能效评价方法，制约了建筑施工企业对绿色施工机械设备的选用。

制订塔机能效测试方法标准是节能产品认证的基础，更重要的是可以引导用户购买耗电量较小的起重机械，并由此指导和促进塔机生产企业研究、应用节能技术，生产低能耗的产品，促使企业有计划地开发节能高效产品、推动产品能效水平的提高。通过对塔式起重机能效的分析研究和现场测试，可初步了解其使用中的实际能耗情况，找出节能的空间和方向，提高从业者的节能意识。

1 能效测试方法制定原则

我国大、中、小型塔机起重能力差别巨大，型号繁多，即使同一起重力矩大小的塔机，不同制造商的产品其额定起重量、最大幅度也不同，控制方式、运行速度也有区别。基于这种现状，塔机能效测试方法中不可能规定统一的起重量、最大幅度等参数，只适宜统一起升高度、变幅距离这类比较容易统一的参数，以便于相近大小的塔机之间的比较，而起重量、最大幅度、运行速度等按被测试塔机实际能力确定，不做统一规定。同时须规定测试时对风速、电网电压波动要求，这是影响测试结果的重要因素。

通过研究塔机工作的特点及工作循环，认为应结合塔机三大主要机构即起升机构、变幅机构和回转机构工作特点设定统一工况和工作循环，按作业周期测试，采用测量与计算相结合的形式，遵循电能转变为机械能这一能量转换的基本定律，得出整机的供给能和有效能，从而计算出能效。测试方法应既能反映塔机能效的真实水平，同时又有利于提高测试工作效率。

2 测试工况与能效计算

2.1 测试工况设定

为了尽量体现塔机作业真实性，同时便于实现，选择最大幅度、90%最大起重量、60%最大起重量三种代表性工况，每种测试工况下的工作循环包括带载起升、变幅、回转、下降动作，随后空载返回，完成一个工作循环测试，其中变幅方向按向内变幅、向外变幅交替运行，回转方向按顺时针、逆时针交替运转，可分阶段一次性测试出塔机起升机构、变幅机构、回转机构的耗电量与工作循环时间，与实际工作情况比较接近。具体测试条件、测试流程见即将发布的中国工程机械工业协会标准《塔式起重机能效测试方法》。

2.2 供给能与有效能

假设测得塔机完成一个工作循环的耗电量是Dj，则可以计算出供给能为

式中 Ed——一个工作循环的供给能，J；

Dj——一个工作循环的平均耗电量，kWh。

有效能是塔机按工况要求完成物体位移时理论上必须消耗的能量，或者说塔机完成吊装作业要求所必须利用的能量。如起升机构提升载荷时克服重力做的功、变幅小车在水平位移时克服摩擦力做的功及载荷由静止变为运动所做的功。塔机一个工作循环的有效能计算即使不很精确其计算也比较复杂，涉及参数比较多。为便于计算，在满足主要条件的前提下宜采用简化计算公式。因为在有效能计算中，带载运行（起升、变幅、回转）占有效能的比例较大，而空载变幅、回转过程有效能很小可以忽略。小车变幅塔机与动臂变幅塔机因为变幅方式不同，其变幅过程有效能计算也不同。

小车变幅塔机其一个工作循环其有效能计算式

式中 Ey——一个工作循环的有效能，J；

Q——载荷质量，kg；

Q4——吊具质量，kg；

H——起升高度，m；

V——带载起升速度，m/s；

V4——空载起升速度，m/s；

S——带载变幅距离，m；

μ——运行阻力系数，取0.015；

R——带载回转时载荷回转半径，m；

Q5—— 塔机回转支承以上转动部分质量，kg；

tz——塔机带载回转时间，s；

r——塔机回转支承半径，m。

动臂变幅塔机其一个工作循环有效能计算式：

式中 Qb——起重臂质量，kg；

hb——变幅前后起重臂重心增加的高度，m。

2.3 塔机能效

塔机能效是有效能与供给能的比值，综合考虑工况A、B、C，可计算出能效值η

式中 Eya、Eyb、Eyc—— 工况A、B、C的有效能，J；

Eda、Edb、Edc—— 工况A、B、C的供给能，J。

塔机能效与工作效率是密切相关的，不考虑工作效率只谈能效是没有意义的，否则可能会出现能效虽然较高而工作效率低的情况。建议将工作循环时间t作为工作效率的衡量指标，综合考虑工况A、B、C，可计算出衡量工作效率的工作循环时间t

式中 ta、tb、tc—— 工况A、B、C的工作循环时间，s。

从上述计算公式可以看出，在塔机有效能一定的情况下，供给能越低则塔机能效值越好。塔机有效能主要与起重量、起升高度、臂长、上部结构重量等相关，一般由塔机工况和结构参数决定；塔机供给能大小除了载荷大小，主要影响因素有传动机构效率、控制方式、动力匹配是否合适、司机操作熟练程度等。提高塔机能效应该主要由降低供给能来实现。

塔机工作循环时间是体现工作效率的指标，其大小由各机构运行速度、速度控制方式、司机操作熟练程度等决定，其数值越小则效率越高。

3 测试与计算实例分析

在塔机能效研究过程中，我们选取了数台塔机进行实地测试，表1是其中一台小车变幅塔机的测试数据，将测试结果利用上述公式即可计算出其能效值（表2）。随着操作司机熟练操作和熟悉测试流程后，测试数据将更接近实际。

表1 小车变幅塔机能效测试记录

表2 塔式起重机能效测试计算实例（计算过程略）

从以上测试及计算结果可以看出，塔机起重载荷越接近于塔机最大起重量其能效值越高，而最小起重量时能效值明显降低，所以应尽量提高小起重量时的运行速度。

4 提高能效措施

影响塔机能效的因素虽然很多，但对其中的主要共性因素进行研究，可以得出以下节能措施。

1）塔机的制造精度是影响机械效率的重要因素，减速器的传动效率、卷筒及导向滑轮效率、滑轮组的效率等都是制约机械效率的一部分。

2）负载特性与电动机的工作特性的匹配有利于提高塔机的能效值。如电动机容量相对较小，则不利于设备作业能力的发挥，还会造成电动机的过载、发热，降低能效比； 如电动机容量相对较大，则会造成能源的巨大浪费，电动机的承载能力不能得到有效的发挥，降低能效比。

3）起重机械变频控制的使用可有效地削弱设备起动时对电网的冲击，减少启动能耗和调速电阻的转差功率损耗，对塔机钢结构动载冲击下，增强塔机钢结构使用安全性，是塔机调速控制技术发展方向之一。

4）起重机的优秀节能设计是最根本的节能途径。目前，国内塔机生产厂家较多但规模小，技术实力有限，设计理念比较落后，材料和工艺也存在不足之处，大多数塔机制造企业尚未从节能角度考虑塔机设计，有待提高，应该加强节能技术研究。

5 塔机使用中的建议

塔式起重机是建筑施工中的主要设备，其安全状况直接关系到人民群众的生命财产，其能耗状况直接反映出能源利用的管理水平。

1）在设备采购中，必须采用符合国家标准的塔机，且在同级别下应优先选用能效值高、工作效率高、安全性好的塔机产品，逐步淘汰老旧的高能耗产品。

2）在塔机安装布局过程中，须考虑到设备的使用效率，最大限度地发挥起重性能并利用好设备起重能力，避免造成设备资源的浪费。

3）加强日常保养中的质量控制，加强设备润滑管理，保持塔机的顺利运转，充分发挥塔机最高效能。在日常保养中组织有关技术人员制订保养质量验收标准，保养过程中严格按标准执行，保养结束后按照验收标准组织验收。

4）对操作人员进行定期培训，提高设备操作人员的思想认识及技术素养，将节能管理知识和节能操作技能纳入作业人员的考核内容。纠正操作人员的不良操作习惯，在操作塔机过程中应保证机械平滑稳定地运行，禁止越档、反档及长时间的低速运行。做好吊装作业规划，在不超重的前提下集中吊运物资，做到功率和负载相匹配的作业。

（编辑 贾泽辉）

Discussion on tower crane effi ciency test method and energy conservation

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

“十二五”国家科技支撑计划“绿色建造与施工协同关键技术研究与示范”（2012BAJ03B01）

TH212；TH213.3

B

1001-1366（2015）08-0028-04

2015-06-15