楊廣全，車德慧，李祝鋒

(中國鐵道科學(xué)研究院 運輸及經(jīng)濟研究所，北京 100081)

鐵路集裝箱裝卸機械的發(fā)展及啟示

楊廣全，車德慧，李祝鋒

(中國鐵道科學(xué)研究院 運輸及經(jīng)濟研究所，北京 100081)

通過分析美國鐵路集裝箱的傳統(tǒng)裝卸機械和集裝箱裝卸機械應(yīng)用新趨向，西歐鐵路和波蘭 PCC 多式聯(lián)運公司的集裝箱裝卸機械布局和配置，以及我國港口集裝箱裝卸機械的技術(shù)發(fā)展概況，為我國鐵路集裝箱裝卸機械的發(fā)展提出經(jīng)驗和啟示。

鐵路；集裝箱運輸；裝卸機械

集裝箱運輸是鐵路貨運的主要運輸方式之一，我國鐵路正在加快發(fā)展集裝箱運輸，公鐵聯(lián)運集裝箱辦理站的建設(shè)面臨著裝卸設(shè)備的技術(shù)發(fā)展方向、選型及配置問題。通過研究美國、歐洲鐵路和我國港口集裝箱裝卸機械的發(fā)展情況，為我國鐵路集裝箱裝卸機械的發(fā)展提供啟示和參考。

1 美國鐵路集裝箱裝卸機械的發(fā)展

1.1 美國鐵路集裝箱的傳統(tǒng)裝卸機械

美國鐵路多式聯(lián)運起源于半掛車鐵路運輸，集裝箱出現(xiàn)后才由滾裝裝卸模式轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械裝卸，但仍然采用集裝箱和半掛車的輪式存儲方式。由于儲箱區(qū)與裝卸區(qū)分離，在存儲區(qū)和裝卸區(qū)之間采用內(nèi)燃拖車搬運集裝箱，裝卸機械只起裝卸作用，因而采用小跨度的輪胎式集裝箱門吊，或正面吊/叉車作為裝卸設(shè)備[1]。

輪胎式門吊無懸臂 (集裝箱無需過支腿)，跨度12.19~18.29 m，跨內(nèi)通常設(shè)置 1 條鐵路裝卸線、2 條汽車通道，跨內(nèi)沒有集裝堆存能力。該門吊起重能力約為 45.36 t，多采用剛性防搖方式。采用輪胎門吊作為主型裝卸機械的鐵路多式聯(lián)運車站，通常情況下 2條裝卸線間距為 7.9 m 或 9.14 m，由于作業(yè)線間有通過道口，易將輪胎式門吊轉(zhuǎn)移到另一條裝卸線進行作業(yè)。美國典型多式聯(lián)運站輪胎式門吊如圖 1 所示。

正面吊多用于鐵鐵或公鐵換裝作業(yè)，以正面吊作為輔助裝卸機械的多式聯(lián)運站，其作業(yè)通道涵蓋汽車通道和輪胎式門吊一側(cè)的走行通道，與輪胎式門吊配合進行換裝作業(yè)。以正面吊作為主型裝卸機械

的多式聯(lián)運站需要的作業(yè)通道寬度 (從裝卸線中心至箱位邊緣) 應(yīng)不少于 21.34 m，如果包括裝卸線在內(nèi)，其作業(yè)寬度應(yīng)不少于 22.86 m；如果 2 條裝卸線并列位于中間，線間距為 4.57 m，則從裝卸線兩側(cè)作業(yè)需要 45.72 m 的作業(yè)寬度。每增加 1 條裝卸線及 1 排作業(yè)通道需要增加 22.86 m 的寬度。正面吊作為輔助裝卸機械鐵鐵換裝作業(yè)如圖 2 所示。

圖1 美國典型多式聯(lián)運站輪胎式門吊

圖2 正面吊作為輔助裝卸機械鐵鐵換裝作業(yè)

美國多式聯(lián)運站輪胎式門吊主要采用基于 DGPS的定位和自動駕駛系統(tǒng)，可以使輪胎式門吊在直線和曲線路徑上自動行駛，并與機群管理系統(tǒng)進行集成，提升輪胎式門吊自動化水平，為用戶實時提供有價值的機械運行數(shù)據(jù)和性能數(shù)據(jù)，改進機械維護和事故報告的及時性和準確性。此外，為減少 CO2排放，該系統(tǒng)開發(fā)了電池組混合動力系統(tǒng)，采用包括免維護電池組、能源再生技術(shù)和專用計算機軟件，可以減少 70%燃油消耗，降低設(shè)備運行噪聲。

1.2 美國鐵路集裝箱裝卸機械應(yīng)用新趨向

傳統(tǒng)美國多式聯(lián)運站采用輪胎式門吊作業(yè)，存在空氣污染、存儲面積大，足夠多的底盤車等缺點。隨著社會環(huán)境保護意識的增強、美國土地價格的上漲，以及集裝箱運量遠遠超過掛車運量，存儲方式由單層輪式變?yōu)槎鄬佣讯馐剑瑥亩a(chǎn)生使用電動軌行式門吊作為裝卸機械的需求[2]。為此，美國 BNSF 鐵路公司率先在西雅圖、孟菲斯多式聯(lián)運站和堪薩斯州物流中心采用了大跨度、電力驅(qū)動的軌行式門吊，創(chuàng)新裝卸工藝，增加裝卸能力，減少站內(nèi)對搬運集裝箱的內(nèi)燃卡車需求，減少 CO2排放。

（1）西雅圖多式聯(lián)運站。安裝了 4 臺單懸臂軌行式門吊，采用 2 線束布置，門吊跨度 46.41 m，懸臂為 7.47 m，門吊下集裝箱的箱位有 4 排 (高度可堆 4層)，跨 3 條汽車通道、3 條鐵路裝卸線，采用可靠的鋼絲繩柔性防搖系統(tǒng)。

（2）孟菲斯多式聯(lián)運站。安裝了 8 臺高低架軌行式門吊，其中低架門吊 5 臺，高架門吊 3 臺，通過高低架門吊配合，形成接力式裝卸系統(tǒng)。低架門吊采用雙懸臂結(jié)構(gòu)，覆蓋寬度 79.55 m，用于裝卸鐵路車輛，覆蓋 8 條鐵路線，其中跨內(nèi) 5 條，一端懸臂下3 條 (2 條預(yù)留)，跨內(nèi) 2 條汽車通道 (1 條行駛通道、1 條裝卸通道)，另一端懸臂下布置 4 排箱位 (高度可堆 4 層)。高架門吊采用單懸臂結(jié)構(gòu)，覆蓋寬度為50.6 m，用于堆存集裝箱和裝卸汽車，懸臂端與低架門吊的懸臂端重疊，2 種門吊嵌套配合作業(yè)，共同覆蓋下方的 4 排箱位，跨內(nèi)覆蓋 5 排箱位 (高度可堆5 層) 和 2條汽車通道 (1 條行駛通道、1 條裝卸通道)。孟菲斯多式聯(lián)運站高低架軌行式門吊如圖 3 所示。

圖3 孟菲斯多式聯(lián)運站高低架軌行式門吊

（3）堪薩斯州物流中心。安裝了 5 臺大跨度軌

行式門吊，采用雙懸臂結(jié)構(gòu)，覆蓋寬度 79.55 m，覆蓋 8 條鐵路線，其中跨內(nèi) 5 條，一端懸臂下 3 條 (2 條預(yù)留)，跨內(nèi) 2 條汽車通道 (1 條行駛通道、1 條裝卸通道)，另一端懸臂下布置 4 排箱位 (高度可堆 4 層)。大跨度軌行式門吊具有半自動化裝卸作業(yè)能力，采用了基于主動載荷控制的吊具減搖技術(shù)，可以實現(xiàn)吊具和集裝箱快速對位；采用回轉(zhuǎn)式小車，回轉(zhuǎn)角度不小于270°；采用智能結(jié)構(gòu)，均衡大車走行輪壓；采用能量回饋技術(shù)，回收勢能，節(jié)能降耗；配置門吊遠程管理系統(tǒng)，采用該系統(tǒng)對門吊進行全壽命周期管理，快速遠程排除故障，并進行性能監(jiān)視；采用 T 型支腿，柔性支腿與主梁采用銷軸連接，提高軌行式門吊對場地的適應(yīng)性；整機無液壓系統(tǒng)，提升了維修可靠性；采用模塊化設(shè)計，實現(xiàn)專業(yè)化生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本，便于運輸、組裝和維修?？八_斯州物流中心 5 臺大跨度軌行式門吊如圖 4 所示。

圖4 堪薩斯州物流中心5臺大跨度軌行式門吊

2 歐洲鐵路集裝箱裝卸機械的發(fā)展

2.1 西歐典型的鐵路集裝箱裝卸機械布局

西歐的鐵路多式聯(lián)運車站面積不大，年辦理量 20 萬 TEU 的車站占地約 10 hm2，列車長度較短，大都在 750 m 以下，整列裝卸線的有效長度多在 720 m以下。長裝卸線一般長 600～700 m，可以容納一整列車；短裝卸線一般長 300～400 m，可以容納半整列車，主要采用集裝箱不落地的換裝作業(yè)方式。

在大中型集裝箱辦理站 (年辦理量在 5 萬～10 萬TEU 為中型站，10 萬～25 萬 TEU 為大型站) 采用大跨度集裝箱門吊作為裝卸機械?？鐑?nèi)設(shè)裝卸線 3～4條 (法國多為 3 條，德國多為 4 條)、2 條集卡通道、3排箱位，這樣布置有利于實現(xiàn)箱不落地直接進行公鐵換裝和鐵鐵換裝。由于廣泛采用箱不落地的換裝作業(yè)方式，門吊下儲箱區(qū)的利用率只有 31% 左右，而門吊外儲箱區(qū)的利用率更是近乎為零 (冷藏集裝箱等需要特種服務(wù)的集裝箱除外)。德國典型多式聯(lián)運車站如圖 5 所示。

圖5 德國典型多式聯(lián)運車站

德國車站裝卸機械布局特點：門吊跨下有 4 條裝卸線，長 300 m；1 條汽車作業(yè)通道；1 條汽車行駛通道；3 排集裝箱存放箱位；每條作業(yè)線使用 1 臺或 2臺門吊。法國車站的裝卸機械布局略有不同。裝卸線按整列車長度考慮，一般為 750 m；門吊跨下一般設(shè)置 3 條裝卸線；裝卸線兩端都與正線接駁，列車可從兩端進入；除了裝卸線之外還設(shè)置一定數(shù)量的到發(fā)線，而且到發(fā)線與裝卸線成縱列式布置[3]。

2.2 波蘭PCC多式聯(lián)運公司的集裝箱裝卸機械

波蘭 PCC 多式聯(lián)運公司從 2010 年開始，陸續(xù)建立了 5 個多式聯(lián)運站。車站建設(shè)初期，由于集裝箱裝卸量較少，主要配置正面吊進行裝卸，有 2 條鐵路裝卸線，采用正面吊裝卸。當車站年裝卸能力達到 10萬 TEU 時，車站考慮擴建，采用大跨度軌行式集裝箱門吊作為主型裝卸機械，正面吊作為輔助裝卸機械。波蘭 PCC 多式聯(lián)運站能力及裝卸機械配置如表 1所示，其中正面吊均采用 karlmar 的 45 t 正面吊，可以對 2 條相鄰的鐵路裝卸線進行裝卸作業(yè)，具有預(yù)防

維修保養(yǎng)服務(wù)能力。

Kutno 多式聯(lián)運站軌行式門吊采用單懸臂結(jié)構(gòu)，起重能力 41 t，大車走行速度 160 m/min，跨內(nèi)覆蓋4 條鐵路裝卸線，懸臂下涵蓋3排箱位，門吊走形軌道與堆箱區(qū)之間的空間滿足正面吊裝卸作業(yè)要求，Kutno 多式聯(lián)運站軌行式門吊如圖 6 所示。

表1 波蘭PCC多式聯(lián)運站能力及裝卸機械配置

圖6 Kutno多式聯(lián)運站軌行式門吊

Frankfurt多式聯(lián)運站的軌行式門吊采用雙懸臂結(jié)構(gòu)，額定起重量 41 t，大車走行速度 120 m/min，跨度 70 m，兩側(cè)懸臂各覆蓋 2 條鐵路裝卸線，跨內(nèi)中部涵蓋 4 排集裝箱箱位 (高度可堆 3 層)，集裝箱箱位兩側(cè)為正面吊作業(yè)通道，形成了以軌行式門吊為主、正面吊為輔的裝卸作業(yè)模式，F(xiàn)rankfurt 多式聯(lián)運站軌行式門吊如圖 7所示。

圖7 Frankfurt多式聯(lián)運站軌行式門吊

3 我國港口集裝箱裝卸機械的發(fā)展

隨著船舶的大型化，為了壓縮船舶停港時間，快裝快卸是沿海港口碼頭的典型特征，研發(fā)應(yīng)用了大型化、高效化、專業(yè)化、自動化、智能化的裝卸機械。雙 40 英尺 集裝箱岸橋、雙小車集裝箱岸橋等新型結(jié)構(gòu)的集裝箱裝卸機械在港口碼頭得到廣泛應(yīng)用，較大地提高了裝卸效率[4-5]。2006 年上海港與振華港機在上港集團振東碼頭分公司內(nèi)建成了中國首個集裝箱自動化無人堆場，通過圖像和激光測量相結(jié)合的定位系統(tǒng)，采用新型全自動化高低架軌道門式起重機接力式裝卸系統(tǒng)，集裝箱堆場的堆垛高度可堆 8 層，較大地提高了堆存能力[6]。2015 年廈門遠海自動化碼頭建成無人化全自動化碼頭系統(tǒng)，由 3 臺自動化雙小車岸橋、16 臺自動化軌道吊、18 臺自動導(dǎo)航運載車、8 臺自動化轉(zhuǎn)運平臺等電驅(qū)動設(shè)備組成，由中央控制室計算機控制操作，比傳統(tǒng)碼頭節(jié)省能源 25%，碳排放量減少 15%，效率提升 20%~40%，不僅降低了碼頭用工成本，而且提高了安全作業(yè)水平，極大地提高了裝卸效率。

另外，在集裝箱運輸向長江沿線及內(nèi)河發(fā)展的過程中，出現(xiàn)了大量中小型集裝箱碼頭堆場和中轉(zhuǎn)站，如果采用沿海的專業(yè)集裝箱堆場裝卸工藝，必將造成投資增加、經(jīng)濟效益下降，而一般的起重設(shè)備又很難完成集裝箱裝卸、堆碼、搬運的工作要求。為此，一種輕型電動輪胎式集裝箱門式起重機應(yīng)用四卷筒控制

技術(shù)，將驅(qū)動裝置和卷筒安裝在門架底梁上，大幅降低小車重量和整機重心，實現(xiàn)了整機結(jié)構(gòu)輕型化，以適應(yīng)經(jīng)濟性和實用性要求。此外，采用電力驅(qū)動和變頻調(diào)速技術(shù)，起升/小車驅(qū)動機構(gòu)采用帶 PG (編碼器)閉環(huán)矢量控制方式，實現(xiàn)了調(diào)速、控制一體化[7]。與通用型輪胎式集裝箱門吊相比，該設(shè)備自重和投資降低了 40%，單箱操作能耗降低約 64%，CO2排放量降低 64%，堆場基礎(chǔ)投資降低約 1/3[8]。

4 我國鐵路發(fā)展集裝箱裝卸機械的啟示

（1）集裝箱裝卸機械和裝卸工藝經(jīng)濟實用。與國外鐵路多式聯(lián)運站的集裝箱作業(yè)能力相比，我國鐵路集裝箱辦理站規(guī)模較小。根據(jù) 2015 年對全路 360個有集裝箱辦理業(yè)務(wù)車站的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，全年發(fā)送箱數(shù)569.49 萬 TEU，平均每個車站發(fā)送箱數(shù) 1.58萬 TEU。車站年發(fā)送箱數(shù)超過 10 萬 TEU 的 12 個，5 萬~10 萬TEU 的 16 個，1 萬~5 萬 TEU 的 89個，0.5 萬~1 萬 TEU的 64 個，0.1 萬~0.5 萬 TEU 的 104 個，500~1 000 TEU的 30 個，500 TEU 以下的 45 個。年發(fā)送箱數(shù)超過 1 萬TEU 的 117 個車站占總發(fā)送箱數(shù)的 87%，年發(fā)送箱數(shù)小于 1 萬 TEU 的243 個車站合計發(fā)送箱數(shù)占比 13%。由于我國絕大多數(shù)鐵路集裝箱辦理站的規(guī)模較小，而配置通用型的集裝箱裝卸機械，投入產(chǎn)出率低，因而需要研制適合鐵路中小型貨場的經(jīng)濟實用的集裝箱裝卸機械和裝卸工藝。

（2）集裝箱裝卸機械結(jié)構(gòu)輕量化和模塊化。集裝箱起重機械的金屬結(jié)構(gòu)約占整機成本的 1/3，質(zhì)量的 40%~70% 甚至更高?？颇?、德馬格等歐式起重機采用輕型環(huán)保材料或低合金高強鋼，選擇材料時考慮鋼材的強度、焊接性和可成型性，采用緊湊性結(jié)構(gòu)或機構(gòu)等方式，利用力學(xué)手段減輕整機重量[9]，降低輪壓和能耗。我國港口的輕型電動輪胎式集裝箱門式起重機，采用四卷筒控制技術(shù)，通過優(yōu)化整機布置，有效降低了整機重量。此外，美國鐵路采用科尼的軌行式門吊，采用模塊化設(shè)計，降低了設(shè)計周期，提高零部件可靠性和互換性，便于運輸、組裝和維修。我國鐵路發(fā)展集裝箱裝卸機械時，應(yīng)充分考慮輕量化和模塊化設(shè)計需求，減少設(shè)備成本、基礎(chǔ)設(shè)施投資和運營成本。

（3）集裝箱裝卸機械自動化、信息化和智能化。集裝箱裝卸機械發(fā)展的自動化趨勢較為明顯，美國 BNSF 鐵路公司采用基于 DGPS 的定位和自動駕駛系統(tǒng)，提高輪胎式集裝箱門吊的自動化裝卸能力；軌行式門吊具有的半自動化作業(yè)能力，而且實現(xiàn)了設(shè)備的在線智能維護。我國港口采用了自動化堆場和無人化全自動碼頭系統(tǒng)，減少了裝卸設(shè)備故障停時，壓縮了裝卸作業(yè)時間，降低了人員成本，提高設(shè)備利用率。隨著我國鐵路集裝箱運輸?shù)募涌彀l(fā)展，必將對辦理鐵路集裝箱的貨場及裝卸機械的自動化、信息化和智能化水平提出更高的技術(shù)要求。

（4）集裝箱裝卸機械維修管理現(xiàn)代化。集裝箱裝卸機械的管理維修，應(yīng)探索改變定期計劃維修制度，采用預(yù)知維修管理方式和在線智能維護技術(shù)。應(yīng)用預(yù)知維修管理方法，可及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備技術(shù)狀況的潛在變化，以便在故障發(fā)生前安排修理；也可提前做好維修準備，減少因維修停機而帶來的生產(chǎn)損失；還能延長修理間隔期，減少修理次數(shù)，提高利用率，降低維修費用；更有利于縮編維修隊伍，以推進設(shè)備維修向集團化、社會化發(fā)展。

（5）集裝箱裝卸機械節(jié)能環(huán)保。國外鐵路和我國港口集裝箱裝卸機械發(fā)展均注重節(jié)能環(huán)保技術(shù)，如美國鐵路輪胎式集裝箱門吊向電動軌行式門吊發(fā)展，我國港口集裝箱裝卸機械采用“油改電”技術(shù)，集裝箱起重機械采用能源回饋技術(shù)等。因此，鐵路集裝箱門吊或固定式的集裝箱裝卸設(shè)備應(yīng)以電力驅(qū)動為主，探索應(yīng)用能量回饋技術(shù)，內(nèi)燃驅(qū)動的集裝箱裝卸機械探索采用清潔燃料或電力驅(qū)動，研究節(jié)能低碳的裝卸工藝方案，以節(jié)能降耗，減少 CO2排放。

5 結(jié)束語

集裝箱多式聯(lián)運是鐵路現(xiàn)代物流的重要組成部分，我國鐵路正在加快發(fā)展集裝箱運輸，特別是發(fā)展鐵路寬體集裝箱，存在著集裝箱辦理站數(shù)量不足、裝卸機械能力不足等問題?？紤]到我國絕大多數(shù)鐵路集裝箱辦理站的規(guī)模較小，需要開發(fā)經(jīng)濟實用的集裝箱裝卸機械和裝卸工藝，集裝箱裝卸機械的設(shè)計應(yīng)充分

考慮輕量化和模塊化需求，兼顧集裝箱裝卸機械運用管理信息化、維修管理現(xiàn)代化和節(jié)能環(huán)保等技術(shù)要求，為我國鐵路集裝箱多式聯(lián)運的發(fā)展提供重要支撐。

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（責任編輯 呂 倩）

Development and Revelation of Railway Container Loading & Unloading Machines

YANG Guang-quan, CHE De-hui, LI Zhu-feng
(Transportation and Economics Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

Through analyzing the traditional loading & unloading machines of American railway container and new trend of the machines application, the layout and configuration of container loading & unloading machines of the west Europe railways and PCC Intermodal S.A, as well as the technical development status of container loading & unloading machines in Chinese ports, this paper puts forward experience and revelation of railway container loading & unloading machines development in China.

Railway; Container Transportation; Loading & Unloading Machines

1004-2024(2016)05-0049-06

F512.4

B

10.16669/j.cnki.issn.1004-2024.2016.05.11

2016-04-26

楊廣全 (1977—)，男，陜西渭南人，博士研究生。車德慧 (1960—)，男，廣東揭陽人，大學(xué)本科。李祝鋒 (1986—)，男，山西平陸人，博士研究生。

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃重點課題(Z2015-X003)