Краны для строительства: типы, как они работают, монтаж и руководство по истории

Краны для строительства: полное руководство

Строительные краны являются основой современного вертикального здания. От офисных зданий средней этажности до сверхвысоких небоскребов – никакое другое оборудование не может сравниться с башенным краном по сочетанию вылета, грузоподъемности и рабочей высоты. В этом руководстве рассматривается все: от истории и изобретения крана до того, как операторы достигают вершины, как приводится в движение кран и как выбрать правильный тип для конкретного проекта.

История Башенные краны : От древних лебедок до современных гигантов

История башенных кранов простирается дальше, чем думает большинство людей. Древние греки разработали первый настоящий механический кран — трипастос - вокруг 515 г. до н.э. , используя простую систему веревок и блоков, приводимую в действие усилиями человека или животного. Эти ранние устройства могли поднимать грузы массой около 150 кг, чего было достаточно, чтобы разместить обработанные каменные блоки, используемые при строительстве храмов.

Римские инженеры расширили эту концепцию, создав полиспастон , кран составного типа, способный поднимать до 3000 кг — цифра, которую не могла превзойти ни одна портативная подъемная машина до промышленной революции. Ходовой кран, распространенный в средневековой Европе начиная с XII века, обеспечивал вращение с помощью человека с помощью большого деревянного колеса, что позволяло строить готические соборы со стенами, возвышающимися над 30 метрами.

Вопрос о кто изобрел кран в его современной форме обычно отвечают двумя именами. Шотландский инженер Уильям Фэйрберн сконструировал первый передвижной кран с паровым приводом в 1840-х годах, изменив работу верфей и складов. Однако башенный кран в том виде, в котором он известен сегодня — поворотная стрела, установленная на вертикальной мачте — был изобретен немецким инженером Гансом Либхерром, который построил первый коммерческий башенный кран в 1949 в послевоенном восстановлении Германии. Его компания Liebherr и по сей день остается одним из крупнейших в мире производителей башенных кранов.

Виды строительных кранов

Не все строительные краны являются башенными кранами. Правильный тип крана зависит от объема проекта, ограничений площадки, требуемой высоты подъема и грузоподъемности. К основным типам кранов, используемых на строительных площадках, относятся:

Башенный кран-молот

башенный кран-молот — также называемый краном с верхним поворотом или седловидной стрелой — является наиболее широко распространенной формой. Он имеет горизонтальную стрелу и контр-гусек примерно одинаковой длины, отходящие от центрального поворотного круга наверху мачты, что придает ему характерную Т-образную форму, которую можно увидеть на горизонтах городов по всему миру. Тележка перемещается вдоль стрелы, позиционируя грузы с переменным радиусом до максимального вылета стрелы, который может превышать 80 метров на больших моделях. Краны-молоты предпочитаются при строительстве высотных зданий из-за их предсказуемой диаграммы нагрузки и простоты работы в загроможденном воздушном пространстве.

Башенный кран с плоской вершиной

башенный кран с плоской вершиной (также плоская вершина с подъемом стрелы или самоподъемная плоская вершина, в зависимости от варианта) исключает традиционную А-образную раму или вершину над поворотным кольцом. Результатом является более низкий общий профиль, что значительно уменьшает минимальное расстояние, необходимое между соседними кранами на ограниченном пространстве — основная причина, по которой конструкции с плоским верхом доминируют в проектах в центре города, где несколько башенных кранов должны работать в непосредственной близости. Сборка и разборка также происходит быстрее из-за отсутствия конструкции верхней рамы.

Башенный кран на рельсовом ходу

A башенный кран на рельсовом ходу перемещается по фиксированному пути, проложенному на уровне земли, сочетая вертикальный вылет башенного крана с горизонтальной подвижностью по всей длине конструкции. Эта конфигурация особенно эффективна на судостроительных верфях, объектах из сборного железобетона и линейных строительных проектах, таких как виадуки или длинные промышленные здания. Ширина колеи, несущая способность пути и скорость движения должны быть спроектированы как часть плана площадки.

Башенный кран с подъемной стрелой

Там, где границы площадки или ограничения воздушного пространства препятствуют свободному качанию горизонтальной стрелы, кран с подъемной стрелой поднимает и опускает стрелу по дуге, а не с помощью передвижной тележки. Это значительно уменьшает требуемый радиус поворота и обеспечивает безопасную эксплуатацию рядом с ограждающими стенами, другими кранами или защищенными коридорами воздушного пространства — обычное требование на ограниченных площадках в центре города.

Мобильный кран и гусеничный кран

Помимо башенных кранов, мобильные телескопические краны (на грузовиках) и гусеничные краны (гусеничные ходовые части) обрабатывают подъемники, которые требуют перемещения между захватами или которые выходят за пределы возможностей башенного крана. Мобильные краны незаменимы при монтаже башенного крана, поднимая секции мачты и элементы конструкции на место до того, как в дело вступит механизм самоподъема.

Части строительного крана

Понимание ключевых компонентов башенного крана позволяет понять, как он функционирует и как каждый элемент способствует безопасному и эффективному подъему.

• Мачта (башня): vertical steel lattice structure that gives the crane its height. Standard mast sections are typically 3–6 метров в высоту и скреплены болтами или скреплены вместе во время монтажа. Мачта передает все нагрузки, в том числе ветровые, на фундамент.
• Поворотный блок: Этот моторизованный кольцевой подшипник, установленный на вершине мачты, позволяет всей верхней конструкции вращаться на 360°. Поворотный двигатель и редуктор обычно обеспечивают скорость вращения 0,6–0,8 об/мин.
• Стрела (стрела крана): horizontal working arm that extends outward from the slewing unit. The стрела крана несет тележку и подъемный трос. Длина стрелы обычно составляет от 40 до 80 метров в зависимости от модели.
• Контр-стаксель: shorter rear arm that carries the counterweights — typically heavy concrete or steel blocks — to balance the load on the working jib. Counterweight masses range from a few tonnes on small cranes to over 20 tonnes on large hammerhead models.
• Тележка: Перемещается горизонтально вдоль стрелы для изменения радиуса нагрузки (расстояния от центра мачты до крюка). Скорость тележки на современных кранах обычно колеблется от 20 до 80 м/мин.
• Крюковый блок и подъемный трос: hook hangs from a steel wire rope wound onto the hoist drum. The hoist motor raises and lowers the load; hoist speeds commonly reach 60–120 m/min at single-line pull.
• Кабина башенного крана: enclosed operator cabin, positioned at the top of the mast just below or alongside the slewing unit. The кабина башенного крана содержит все элементы управления, дисплеи контроля нагрузки, показания анемометра и оборудование связи. Большинство современных кабин оснащены климат-контролем и эргономичными сиденьями, позволяющими снизить утомляемость оператора во время смен, продолжительность которых регулярно превышает 8 часов.
• Подъёмная рама (гидравлическая подъёмная клетка): mechanism that allows the crane to grow with the building. A hydraulic ram pushes the upper crane structure upward by one mast section height, after which a new mast section is inserted below. This process — called "jumping" — can be completed in 2–4 hours by an experienced crew.
• Якорь фонда: crane's base — either a concrete ballast cruciform or a cast-in foundation bolt cage anchored into the site's structural slab or a dedicated pad. Foundation design must account for the maximum overturning moment at full jib load and in maximum design wind conditions.

Как работают краны

Башенный кран работает, сочетая три одновременных движения: подъем (поднятие груза вертикально), поворот (поворот стрелы по горизонтали) и троллейбус (перемещение груза радиально вдоль стрелы) — для позиционирования груза в любом месте рабочей зоны с точностью до миллиметра.

physics underlying crane operation is moment balancing. The rated load capacity at any given radius is determined by the maximum allowable bending moment at the slewing ring — meaning a crane with a 6-tonne tip capacity at 60 metres radius may lift significantly more weight closer to the mast. This is expressed in the crane's load chart, which operators must consult before every pick.

Современные башенные краны оснащены ограничители грузового момента (LML) и противоблокировочные устройства, предотвращающие случайное превышение оператором номинальной грузоподъемности крана или забивание крюкового блока в конструкцию стрелы. Частотно-регулируемые приводы (ЧРП) на двигателях подъема и поворота обеспечивают плавное ускорение и замедление, уменьшая раскачивание груза и сокращая время цикла.

Как работают краны? Практически все используемые сегодня башенные краны имеют электрическое питание через висячий кабель или постоянное соединение с распределительным щитом объекта. Кран-молот среднего размера обычно требует 50–100 кВА трехфазное питание. Системы электропривода предпочтительнее гидравлических или дизельных альтернатив для башенных кранов из-за их энергоэффективности, точного контроля скорости и пригодности для рекуперативного торможения, когда энергия от снижения нагрузки возвращается в сеть.

Монтаж башенного крана: как возводят краны

Монтаж башенного крана — это четко последовательная операция, которая обычно занимает 1–3 дня для стандартного отдельно стоящего крана, в зависимости от модели и условий площадки. Понимание процесса проясняет, почему планирование монтажа так же важно, как и любой другой этап программы проекта.

1. Подготовка фундамента: Бетонный анкерный блок, обычно армированный анкерными болтами или заранее спроектированным болтовым каркасом, указанным производителем крана, заливается в землю или в структурную плиту здания за несколько недель до начала строительства, чтобы обеспечить необходимое затвердевание.
2. Сборка основания мачты: first mast sections are lowered onto the foundation bolts and plumbed precisely vertical using a spirit level or digital inclinometer. Deviation tolerance is typically less than 1 mm per metre of mast height.
3. Установка подъемной рамы: hydraulic climbing cage is fitted around the mast at the base of the upper structure, ready to lift each new section into position.
4. Поворотный узел, кабина и стрела в сборе: Мобильный кран поднимает опорно-поворотное устройство, кабину оператора, противовес (с уже установленными противовесами), а затем секции стрелы на место. Стрела собирается на земле и поднимается целиком или по частям в зависимости от ее длины.
5. Запасовка и ввод в эксплуатацию: hoist rope is threaded through the trolley and hook block, all electrical connections are made, and the crane undergoes function testing, load testing, and safety system verification before the handover certificate is issued.

По мере того как здание поднимается, кран растет вместе с ним. процесс самолазания (прыжка) : гидравлический цилиндр выдвигается, верхняя конструкция удерживается на подъемных штифтах, в то время как новая секция мачты перемещается на место ниже, и кран опускается на новую секцию. Этот цикл повторяется каждые несколько этажей, обычно всякий раз, когда конструкция здания превышает высоту отдельно стоящего крюка крана.

Высота крана и сколько весит кран

высота крана на стройке не фиксируется — растет по мере реализации проекта. Типичный отдельно стоящий башенный кран может стоять между 50 и 80 метров без привязки к конструкции. При креплении к зданию через равные промежутки времени (обычно через каждые 20–30 метров мачты) кран может выдвигаться на несколько сотен метров. Самые высокие башенные краны, когда-либо использовавшиеся в строительстве, достигали высоты, 100 метров , с высотой крюка прикрепленных кранов, превышающей 300 метров в проектах сверхвысоких небоскребов.

weight of a tower crane varies significantly with size and type. A compact self-erecting crane may weigh as little as 3–5 тонн , тогда как большой кран-молот может весить более 200 тонн когда все секции мачты, противовесы и компоненты стрелы включены. Серия Liebherr EC-B и серия Potain MDT — обычное предложение производителей башенных кранов на среднем рынке — обычно весят от 40 до 120 тонн в конфигурации на площадке.

Как крановщики достигают вершины

Доступ к кабине башенного крана — один из менее обсуждаемых, но вполне реальных аспектов работы крана. Как крановщики достигают вершины? Почти во всех башенных кранах доступ осуществляется через фиксированную вертикальную лестницу, идущую внутри или вдоль мачты, с платформами для отдыха через равные промежутки — обычно каждые 6 метров, что соответствует стыкам секций мачты. На высоких кранах операторы могут подниматься 150–250 ступенек и более в начале каждой смены.

Некоторые современные башенные краны, особенно на очень высоких сооружениях или на рынках с высокими стандартами охраны труда, оснащены мачтовый подъемник для персонала — небольшая закрытая машина, которая движется вверх по внешней стороне мачты, устраняя физические требования, связанные с подъемом по лестнице. Однако это увеличивает стоимость и требует дополнительного обслуживания, поэтому многие сайты, особенно на развивающихся рынках, продолжают полагаться на доступ по лестнице.

Операторы обычно проводят целую смену — обычно 8–10 часов — в кабине, не спускаясь. Еда, вода и, в некоторых случаях, средства санитарии либо доставляются в начале смены, либо доставляются по подъемному тросу в ведре. Таким образом, управление усталостью является основной частью ответственного планирования эксплуатации крана.

Производители башенных кранов: кто производит строительные краны в мире

global market for tower cranes is served by a relatively small number of dominant manufacturers, though the competitive landscape has expanded significantly with the growth of Chinese production.

• Либхерр (Германия): Считается основоположником современных башенных кранов, производящим полный спектр моделей: от самомонтирующихся моделей до сверхмощных кранов-молотов с грузоподъемностью до 64 тонн.
• Manitowoc/Potain (Франция/США): Potain — крупнейший в мире бренд башенных кранов по установленной базе, предлагающий широко используемые модели MDT с плоским верхом и MCT с подъемом вылета стрелы на всех основных мировых рынках.
• Терекс Комедил (Италия): Специализируется на кранах с плоской вершиной и подъемной стрелой, особенно популярных на рынках Европы и Австралии.
• Вольфкран (Германия): Известна своими сверхмощными кранами-молотами и специализированными моделями большой грузоподъемности для промышленного и инфраструктурного применения.
• XCMG, Zoomlion, SANY (Китай): Китайские производители кранов быстро расширили свое глобальное присутствие, предлагая конкурентоспособные цены на все категории кранов, и теперь на их долю приходится значительная доля поставок новых кранов в Азии, на Ближнем Востоке и в Африке.

При выборе производителя башенного крана группам по закупкам следует оценить не только цену за единицу продукции, но и наличие местных запасных частей, покрытие сервисной сети, время поставки секций мачты и стоимость при перепродаже. — все это может существенно повлиять на общую стоимость владения в течение многолетнего проекта.

Планирование высотного крана: соображения по крану на строительной площадке

Позиционирование кран на стройке - особенно для высотный кран применение — требует инженерного анализа задолго до начала работ. К ключевым переменным планирования относятся:

• Анализ покрытия: crane's jib must reach every point of the building footprint plus key laydown areas. For large or irregularly shaped buildings, multiple cranes may be required, demanding careful airspace coordination to prevent jib collision.
• Структурная интеграция: Для привязываемых кранов к высотным конструкциям врезные рамы должны быть спроектированы на конструктивных чертежах здания на соответствующих уровнях этажа. Каждая связь передает на каркас здания горизонтальные нагрузки в несколько сотен килоньютонов.
• Внутреннее лазание против внешнего: В сверхвысоких зданиях краны часто «запрыгивают» внутрь основной шахты здания — кран сидит внутри лифтового ядра и поднимается, используя основные стены в качестве точек крепления. Это защищает кран от экстремальных ветровых нагрузок на высоте и позволяет избежать необходимости установки внешних стяжных кронштейнов на фасаде здания.
• План демонтажа: На высоких зданиях кран невозможно просто демонтировать задним ходом. Часто требуется «спасательный кран» меньшего размера или кран, поднимающийся на конструкцию крыши — процесс, который необходимо планировать с самого начала.
• Ограничения скорости ветра: Для башенных кранов определены максимальные рабочие скорости ветра — обычно 72 км/ч (20 м/с) - и ветровые характеристики нерабочего состояния, которые определяют, когда кран необходимо оставить в режиме свободного поворота, чтобы стрела не выветривалась. На значительной высоте скорость ветра постоянно выше, чем на уровне земли, что делает данные анемометра критически важными оперативными данными.

Часто задаваемые вопросы о строительных кранах

• В чем разница между молотом и башенным краном с плоской вершиной?

  Кран-молот имеет конструктивную А-образную раму или вершину над поворотным кольцом, на которой подвесные тросы поддерживают стрелу. Кран с плоской вершиной не имеет такой вершины — стрела поддерживается внутренней поясной конструкцией, что придает ему более низкий общий профиль. Краны с плоской вершиной предпочтительны там, где несколько кранов должны работать в непосредственной близости, поскольку их стрелы могут проходить друг над другом при меньшем перепаде высот.

• Какую высоту может поднять башенный кран?

  Высота отдельно стоящего башенного крана обычно ограничена 50–80 метрами в зависимости от модели и конструкции фундамента. При креплении к конструкции здания через равные промежутки практически не существует верхнего предела, диктуемого самим краном — краны на сверхвысоких проектах работают на высоте крюка, превышающей 600 метров над землей.

• Как работают краны на стройке?

  Башенные краны почти всегда имеют электрический привод и подключаются к распределительному щиту объекта с помощью висячего кабеля, который растет по мере подъема крана. Требования к электропитанию варьируются от примерно 30 кВА для небольших самомонтируемых моделей до более 200 кВА для больших кранов-молотов с высокоскоростными подъемниками.

• Сколько времени занимает монтаж башенного крана?

  Стандартный отдельно стоящий башенный кран может быть установлен опытной бригадой за 1–3 дня с использованием мобильного крана при условии, что анкер фундамента уже установлен. Самомонтирующиеся модели со складными стрелами можно установить на месте всего за 20–30 минут. Разборка занимает столько же времени, сколько и монтаж.

• Кто изобрел современный башенный кран?

  Гансу Либхерру приписывают создание первого коммерчески успешного современного башенного крана в 1949 году, предназначенного для быстрого восстановления немецких городов после Второй мировой войны. Его конструкция, сочетающая в себе поворотную стрелу и самоподъемную мачту, стала образцом, которому следовали все последующие башенные краны.