第4381回：塔吊车阿姆斯特朗，液压起重机发明者

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第4381回：塔吊车阿姆斯特朗，液压起重机发明者

起重机指用吊钩或其他取物装置吊挂重物，在空间进行升降与运移等循环性作业的机械。起重机有很多分类，“吊车”、“塔吊”、“天车”、“行车”等俗称指的就是起重机中的一类或几类。作为生产生活中起升重物的需要，古代各个文明中均发展了具有自己特色的起重机械雏形，如中国古代的桔槔、辘轳等，但现代起重机械起源于欧洲。

公元前6世纪末，古希腊人发明了用于起吊重物的起重机。考古表明最晚到公元前515年，吊装夹具和吊楔的痕迹就已经出现在了希腊神庙的石块上。在这些石块上，有用于起升的孔，这些孔通常位于重心上方，或者对重心上方的一个点对称。考古学家认为这些迹象表明当时已经有了起重机的存在。

不久后，绞车和滑轮组就取代土堆坡道（ramp）成为垂直搬运最主要的方式。在接下来的200年里，由于新的吊装工艺使利用几块小点的石块代替大石块更为可行，希腊建筑工地所需处理的构件重量迅速下降。相比希腊古风时期建筑石块不断增大的尺寸，像帕特农神庙之类的希腊古典时期神庙使用的都是重量在15-20吨以下的石块。同时，由于多柱结构的应用，大型单柱结构实际上已经被舍弃了。

虽然从土堆坡道转变为起重机的具体过程还不清楚，但原因可能是，在当时希腊动荡的社会和晸治条件下，在埃及和亚述等地常见的劳动力密集型的土堆坡道和所需大量劳动力并不是各个城邦可以负担的，取而代之的是小而专业的施工队和各种起重机械。

滑轮组系统的最早文字记录出自《力学问题》（Mech. 18, 853a32-853b13），书中将其归功于亚里士多德（公元前384-322年），但其出现可能要稍晚一些。与此同时，希腊神庙的石块尺寸又逐渐达到了古风时期的水准，这表明复杂的滑轮组系统开始在希腊的建筑工地越来越普及。

起重机在古代的全盛时期是罗马帝国时期，当时施工建设猛增，建筑尺寸也相当巨大。罗马人采用了希腊的起重机并将其进一步发展。多亏维特鲁威和希罗等工程师的详细记录，我们可以对罗马人的起重技术了解的比较多。公元一世纪末的昆图斯·哈特里乌斯的墓石上有两幅留存下来的浮雕详细地描绘了当时的踏车起重机。

最简单的罗马起重机是“trispastos”（三滑轮起重机），这种起重机由一个单梁吊臂、一个绞车、一根绳和一个包含3个滑轮的滑轮组。该结构的机械利益为3:1 ，单人操作绞车就起升150公斤左右的重物。“pentaspastos”（五滑轮起重机）是起重量再大些的起重机，在其最能吊的工况，它共有5个滑轮，同时根据起升重量的不同，滑轮可以调节为3个，

臂杆可以调节为2-4根。“polyspastos”借助绞车两边的四个人可以起升约3000公斤的重物。因为踏车具有更大的机械优势，所以如果将绞车换成踏车，仅需要一半的工作人员，其最大起重量可以加倍达到6000公斤。这意味着，相比埃及金字塔的建设中利用土堆坡道搬运一块2.5吨的石块利用50人，利用罗马polyspastos，每人可以起升3000公斤，是他们的60倍。

无论如何，许多现存罗马建筑的石块已经远超polyspastos所处理的大小，这表明，罗马人的起重能力已经发展到了很高的水准。在巴勒贝克的朱庇特神庙，额枋石块每块重达60吨，飞檐石块每块都超过100吨，且它们大都被提升到了19米左右。:16在罗马，图拉真柱的主块重53.3吨，高达34米。

古罗马工程师们依靠两种措施吊装大型物体：一是希罗所建议的提升塔（lifting tower），提升塔是由平行的四根桅杆组成的方塔架；二是塔周围地面的大量绞车，虽然绞车比踏轮的机械利益要小，但它却可以实现多人甚至牲口同时施力。根据阿米阿努斯·马尔切利努斯的描述，多绞车系统就曾被用于马克西穆斯竞技场的拉特兰诺方尖塔的建造中。单个绞车的起重量可以通过单块巨石上吊楔孔的数量来确定。如之前提到的巴勒贝克的额枋石块，重量在55吨到60吨之间，上面的八个孔表明每个吊楔允许的载重为7.5吨，这也是每台绞车的吊装载荷。通过协作起吊如此巨大的重量，需要为绞车提供动力的各个工作组之间大量的精准协作。

中世纪中期，由于西罗马帝国灭亡后的科技倒退，踏车起重机在西欧再次大规模应用。对踏轮起重机（magna rota）最早的记载发现于约1225年的法国档案文献，紧随其后的是1240年的一份同样出自法国的记载。在航海行业方面，乌得勒支最早使用岸上起重机是1244年，安特卫普是1263年，布吕赫是1288年，汉堡是1291年，而在英格兰到1331年才有踏车起重机的记载。

通常，用起重机来完成垂直搬运要被常规的方式更安全、更廉价。因此，在港口、矿山和尤其是建筑等领域，踏轮起重机应用广泛，其在高耸的哥特式教堂的建造中发挥了重要作用。然而，无论当时的文字还是图案资料都表明像踏轮起重机、独轮车等新引入的机械远没有取代传统的劳动力密集的梯子、泥浆桶、担架等方式。相反，在中世纪新旧方式一直在港口和建筑工地共存。

除了踏轮，中世纪的资料显示，当时的起重机也有用带辐条、曲柄的绞盘来手动驱动的，直至15世纪仍有用船舵形状的绞盘来驱动起重机的。已知早在1123年，飞轮就被用来缓解吊装过程中冲击的不规则性和克服“死点”的影响。

尽管踏轮起重机的重新兴起毫无疑问地与当时哥特式建设的大规模兴建有关，但其具体过程是不明确的。踏轮起重机的重现还可能导致了绞盘的技术进步。另外，中世纪踏轮可能是刻意借鉴古罗马建筑师维特鲁威的《建筑十书》中的图样来制作的，该书可以在很多修道院的图书室中轻易得到。早期踏轮的结构与水车十分相似，所以踏轮的再现也可能是从水车的省力结构中受到了启发。

中世纪的踏轮起重机包括一个或两个绕着中轴转动的巨大踏轮，踏轮宽度足够两个人并排行走。虽然早期的“圆规臂”轮（’compass-arm’ wheel）是直接插入轴杆之中的，但更先进的“扣臂”型（’clasp-arm’ type）则已改为了连接轮辋的弦杆，这为使用更细的轴杆和提供更大的机械利益提供了可能。

与普遍持有的观点不同，中世纪建筑工地的起重机既不是放在当时所用的极为轻便的脚手架上的，也不是放在哥特式教堂的薄墙壁上，它们无法承载起重机和负载的重量。相反地，建筑最初阶段，起重机被放在地上，且通常是在建筑里面。

在新的一层地板完成及屋顶大规模系梁连到墙上后，起重机就被拆除并在顶梁上重组，靠起重机的移动完成拱顶的建造。因此，起重机随着建筑的建造而迁移，造成英格兰所有现存的建筑起重机全是在教堂塔楼的屋顶之下和拱顶之上发现的。建筑完成后他们依旧被留在那里，以备维修时吊装材料。

相对于现代起重机，中世纪的起重机和更接近它们在古希腊罗马时期的前辈，主要用以垂直吊装，而非水平搬移。因此当时吊装作业的方式与现在是不同的，例如，在建筑工地，吊车将石块从下方直接吊装就位，或者从墙的中间为两端吊运石头。另外，起重机司机在起重机外面向踏轮工人下达命令的同时，

还可以用一根细绳控制着吊物的水准移动。能够负载旋转的，尤其适合码头作业的，旋臂起重机的出现可以追溯到1340年。虽然建筑用的琢石石块用绳索、吊楔或恶魔钳（德国Teufelskralle）直接吊起，但其他物件通常需要先被放置到托盘、筐、木箱或桶等容器中。

值得注意的是，中世纪的起重机很少使用棘轮或刹车还防止负载坠落。对这种奇怪的缺失的解释是，中世纪踏轮的高摩擦力可以阻止轮子不受控制地加速。

就已知的“知识状态”，固定式港口起重机被认为是中世纪的新发展。典型的港口起重机是配有两个踏轮的枢轴结构，它们被放置在码头边上用来装卸货物，在那里，它们取代了跷跷板、绞车、帆桁等旧的起重方式。

根据地域的不同，港口起重机可以分为两种类型：尽管在佛兰德和荷兰海岸上的龙门吊通常是绕着中央垂直轴来旋转的，德国海港和内港的一般的塔式起重机还是将卷扬机和踏轮安装在坚实塔楼中，只有臂杆和屋顶可以旋转。有趣的是，在地中海地区和高度发达的意大利港口，码头起重机并没有被使用，地方当局继续依赖于涵盖中世纪的劳动密集型的坡道来装卸货物。

不像建筑起重机的速度受到了进展缓慢的石匠的限制，港口起重机通常装备两个踏轮来加快吊装速度。直径约4米甚至更大的两个踏轮连接在轴的两侧同时进行旋转。它们的起吊能力在2-3吨，这显然是为了对应海运货物的常规大小。如今，根据一项调查，

工业时代前的十五踏轮起重机在挪威卑尔根，瑞典斯德哥尔摩、卡尔斯克鲁纳，丹麦哥本哈根，英格兰哈里奇，波兰格但斯克，以及德国的吕讷堡、施塔德、奥滕多夫、马克特布赖特、维尔茨堡、厄斯特里希、宾根、安德纳赫和特里尔等地都仍有留存。有些港口起重机，如在格但斯克、科隆和不来梅的，被用来专门给新造帆船安装桅杆。除了这些固定式起重机，可以在整个港池灵地部署的浮式起重机也在14世纪投入使用。

1586年，文艺复兴建筑师多梅尼科·丰塔纳在罗马搬移重达361吨的梵蒂冈方尖塔时，使用了一座与古罗马时期的相似的提升塔。从他的 告中可以明显的看出，各个牵引小组之间的协作需要大量的集中性和纪律性，因为假如受力不均，受力大的绳索会因超载而断裂。

这一时期，也有家用的起重机，烟囱和壁炉起重机被用来往火上放锅。

随着工业革命的到来，被用来在码头装卸货物的第一台现代起重机正式产生。1838年，工业家、商人威廉·阿姆斯特朗男爵设计了一台液压式水力起重机。在他的设计中，用一个在密闭圆柱缸中的柱塞来产生承载能力，而通过阀门调节缸中液体量来赋予柱塞所需的力。

1845年，曾有一个从遥远的水库为纽卡斯尔居民提供自来水的计划。阿姆斯特朗参与了该计划，他建议纽卡斯尔公司用镇子低处多余的水压来驱动一台他的液压起重机，用来将煤炭装到码头岸边的驳船上面。他声称他的发明可以比传统起重机更加高效和便宜。该公司接受了他的建议，事实证明，安装在码头岸边的三台起重机非常成功。

液压起重机的成功让阿姆斯特朗于1847年在纽卡斯尔成立了阿姆斯特朗-惠特沃斯公司来为起重机和桥梁生产他的液压机械。他的公司很快就收到了来自爱丁堡和北方铁路以及利物浦码头的液压起重机订单，和来自格里姆斯比的液压大门的订单。在1850年，该公司拥有300名员工，年产45台起重机，而到了1860年代初期，它拥有约4000名员工，每年出产超过100台起重机。

在接下来的几十年里，阿姆斯特朗不断提升他的起重机设计；其中最显著的创新就是液压蓄压器的应用。原先在水压不足以供应液压起重机使用的时候，阿姆斯特朗常常会建一座高水塔来提供足够压力。然而，在亨伯河口的新荷兰设置起重机时，却因为地基全部是沙子构成的而无法使用这一方法了。

为解决这个问题，最后他发明了液压蓄压器，一个装有承重柱塞的铸铁缸。柱塞缓缓上升，拉伸缸内的水，直到重物的重力迫使缸下的水在巨大的压力下进入管线。该发明允许在相同压力下使用更大量的水来驱动，所以明显地提升了起重机的负载能力。

他于1883年受意大利军队委托建造的一台起重机，直至1950年代中叶仍在使用，已经年久失修的起重机现在还矗立在威尼斯。

威廉·乔治·阿姆斯特朗，第一代阿姆斯特朗男爵，CB，FRS（William George Armstrong, 1st Baron Armstrong，1810年11月26日－1900年12月27日），英国工程师，阿姆斯特朗惠特沃思公司的创始人。

阿姆斯特朗生于泰恩河畔纽卡斯尔Shieldfield Pleasant Row的一栋房子里。那栋房子离市中心约一英里远，现在已经不复存在，但有人在那里立了一块石碑。阿姆斯特朗出生的时候，当地还是乡村，发展程度不高。他的父亲也叫威廉（William），是谷物商人，在河畔做生意，担任过纽卡斯尔市长。阿姆斯特朗有一个姐姐，叫安妮（Anne），和他的母亲同名。

阿姆斯特朗在纽卡斯尔和盖茨黑德惠克姆（Whickham）读过私立学校。16岁时，他入读奥克兰主教文法学校（Bishop Auckland Grammar School）。求学期间，阿姆斯特朗经常参观当地人威廉·瑞肖（William Shaw）的工程，还因此结识了他的女儿玛格丽特（Margaret）。

阿姆斯特朗的父亲希望他以后做律师，所以叫他跟从自己的律师朋友Armorer Donkin学习法律。他在伦敦攻读法学五年，在1833年回到纽卡斯尔。1835年，他入伙Donkin的公司，公司更名为Donkin, Stable and Armstrong。同年，阿姆斯特朗和玛格丽特结婚，婚后，他在纽卡斯尔东面杰斯蒙丹尼（Jesmond Dene）建了一栋房子。他当了11年律师。阿姆斯特朗把业余时间都花在工程学上。阿姆斯特朗很喜欢钓鱼。有一次，他到奔宁山脉Dent迪伊河（River Dee）钓鱼，看见一座为大理石采石场提供动力的水车在运转。阿姆斯特朗发现，这座水车对能源的浪费很严重。

在回到纽卡斯尔后，他设计了一种由水力驱动的旋转式发动机（Rotary engine），还建在朋友的亨利·沃森（Henry Watson）的桥上。不幸的是，阿姆斯特朗的设计没有带来多大利益。然后，他又设计了一种往复式发动机，代替先前的发动机。阿姆斯特朗觉得这种发动机适合驱动液压起重机（Hydraulic crane）。1846年，他入选皇家学会。

1845年，纽卡斯尔计划把远处的水库的蓄水，通过管道运送到居民家中。阿姆斯特朗参与了这个计划，向纽卡斯尔公司（Newcastle Corporation）提议，把城市低处的多余水压用在驱动Quayside的起重机的用途上。他向公司介绍了他的设计：卸载货物的速度更快，成本和普通起重机相比，更加低廉。阿姆斯特朗的设计很成功，公司后来又买了三台同类起重机。

设计获得成功后，阿姆斯特朗决定改行，制造起重机和其他由液压启动的设备。他退出了律师行。阿姆斯特朗得到了生意伙伴Donkin的支持，后者资金援助他。1847年，他的公司在纽卡斯尔Elswick买了5.5英亩（22,000平方米）地，兴建工厂。公司接到来自爱丁堡、北部、利物浦港和格里姆斯比的订单，制造液压起重机。公司扩张的速度很快。1850年，公司制造了45台起重机，两年后，制造了75台起重机。接下来的几十年里，公司每年平均制造100台起重机。1850年，公司雇员只有300人左右，到了1863年，雇员已经增加到3,800人。

公司成立了筑桥部门，第一个订单来自因弗内斯，工程在1855年完成。在水压不够的地方，阿姆斯特朗会建造水塔。然而，当他在纽荷兰（New Holland）和亨伯（Humber）进行工程时，遇到了难题：两地地质都已沙为主，难以承托水塔。阿姆斯特朗决定研发一种水力储蓄器（Hydraulic accumulator）。储能器由一个空心铸铁圆筒和一根柱塞组成，柱塞支撑着重物。柱塞在水中缓慢上升，迫使河水进入圆筒。

如果不引人注目的话，这个储蓄器意义重大，在此后能够得到多方面的应用。1854年，在克里米亚战争进行期间，阿姆斯特朗得知，英国陆军所使用的重型战地炮十分笨重，不易移动。他决定研发一种重量轻、机动性强、射程远、精准度高的新型战地炮。战地炮是后膛填装（Breech-loading）的，炮管很坚硬，内壁刻有旋转的膛线，发射圆筒形炮弹，而非传统的圆形炮弹。战地炮在测试中的表演很优秀，但委员会认为它口径太小。

阿姆斯特朗放大了最初的设计，他的设计最后击败其他人的设计，受到采纳。他把设计的专利权让出，没有借此牟利。因此，阿姆斯特朗在1859年获英女皇维多利亚册封为下级勋位爵士。同时，他获任为陆军部线膛武器工程师。为避免与自己的公司发生利益冲击，阿姆斯特朗建立了一间新公司，叫Elswick Ordnance Company，他不向这间公司投入资金。新公司只为英国晸府制造武器。他翻新了伍利奇兵工厂，以建造新型战地炮。

设计取得成功后，阿姆斯特朗遇到了来自军方和同行约瑟夫·惠特沃思（Joseph Whitworth）挑战。有关新型战地炮的负面消息不断出现，这些消息指战地炮难以操纵、价格高昂、使用危险、需要经常维护。阿姆斯特朗在多个晸府委员会面前，一一驳回了这些指控。1862年，晸府决定暂定订购新型战地炮，恢复采购前膛填装（Muzzle-loading）武器，位于Elswick的工厂因此停产。过了一段时间后，军火出口的禁令解除，公司得以向美利坚合众国和美利坚联盟国出售武器。

1864年，阿姆斯特朗的两间公司，W.G. Armstrong & Company和Elswick Ordnance Company合并为Sir W.G. Armstrong & Company。他还辞去了晸府职务，利益冲突不复存在。公司把注意力转移到舰炮上。1867年，阿姆斯特朗和查尔斯·米切尔（Charles Mitchell）达成了一个协议：战舰由米切尔的船厂的提供，舰炮由阿姆斯特朗的工厂提供。两人合作建造的第一艘战舰叫HMS Staunch，是一艘炮艇。

1876年，阿姆斯特朗的公司出资重建了纽卡斯尔的一条桥梁，因为旧的桥梁阻挡了航往Elswick装炮的战舰。1882年，阿姆斯特朗的公司和米切尔德公司合并为Sir William Armstrong, Mitchell and Co. Ltd.。两年后，公司在Elswick建了一个船厂。船厂建造的第一艘战舰是SMS Panther，第二艘战舰是SMS Leopard，两艘战舰的订购者都是奥匈帝国。

Elswick船厂建造的第一艘战列舰是HMS Victoria，在1887年下水。这艘战列舰原名为HMS Renown，为庆祝女皇金禧，临时改名。战列舰的第一颗和最后一颗铆钉，都是阿姆斯特朗钉下的。这艘战列舰很臃肿，在1893年和HMS Camperdown相撞沉没，造成358人丧生，当中包括海军中将乔治·特赖恩爵士（Vice-Admiral Sir George Tryon）。船厂的另一个大客户是日本，买下了几艘巡洋舰，当中有几艘参与了日俄战争。有人说，对马海峡海战中，日军的每一支舰炮都是Elswick船厂制造的。Elswick船厂是世界上唯一有能力完全独立建造（包括装上舰炮）战列舰的船厂。

Elswick船厂蒸蒸日上，在1870年，已经占据了四分之三英里河岸线。当地人口也由1851年的3,539人增长到1871年的27,800人。1894年，阿姆斯特朗的公司为伦敦塔桥建造了蒸汽泵水发动机、水力储蓄器和液压泵水发动机。1897年，阿姆斯特朗的公司和老对手约瑟夫·惠特沃思的公司合并为Sir W.G. Armstrong, Whitworth & Co Ltd.。这时，惠特沃思已经去世多年了。