铁路集装箱装卸机械的发展及启示

FREIGHTLOADINGANDUNLOADING|货物装卸49文章编号：1004-2024(2016)05-0049-06中图分类号：F512.4文献标识码：BDOI：10.16669/j.cnki.issn.1004-2024.2016.05.11铁道货运｜第 34 卷 / 第 5 期 / 2016年RAILWAYFREIGHTTRANSPORT铁路集装箱装卸机械的发展及启示杨广全，车德慧，李祝锋(中国铁道科学研究院运输及经济研究所，北京100081)集装箱运输是铁路货运的主要运输方式之一，我国铁路正在加快发展集装箱运输，公铁联运集装箱办理站的建设面临着装卸设备的技术发展方向、选型及配置问题。通过研究美国、欧洲铁路和我国港口集装箱装卸机械的发展情况，为我国铁路集装箱装卸机械的发展提供启示和参考。1 美国铁路集装箱装卸机械的发展1.1 美国铁路集装箱的传统装卸机械美国铁路多式联运起源于半挂车铁路运输，集装箱出现后才由滚装装卸模式转变为机械装卸，但仍然采用集装箱和半挂车的轮式存储方式。由于储箱区与装卸区分离，在存储区和装卸区之间采用内燃拖车搬运集装箱，装卸机械只起装卸作用，因而采用小跨度的轮胎式集装箱门吊，或正面吊/叉车作为装卸设备[1]。轮胎式门吊无悬臂(集装箱无需过支腿)，跨度12.19~18.29m，跨内通常设置1条铁路装卸线、2条汽车通道，跨内没有集装堆存能力。该门吊起重能力约为45.36t，多采用刚性防摇方式。采用轮胎门吊作为主型装卸机械的铁路多式联运车站，通常情况下2条装卸线间距为7.9m或9.14m，由于作业线间有通过道口，易将轮胎式门吊转移到另一条装卸线进行作业。美国典型多式联运站轮胎式门吊如图1所示。正面吊多用于铁铁或公铁换装作业，以正面吊作为辅助装卸机械的多式联运站，其作业通道涵盖汽车通道和轮胎式门吊一侧的走行通道，与轮胎式门吊配合进行换装作业。以正面吊作为主型装卸机械收稿日期：2016-04-26作者简介：杨广全(1977—)，男，陕西渭南人，博士研究生。车德慧(1960—)，男，广东揭阳人，大学本科。李祝锋(1986—)，男，山西平陆人，博士研究生。基金项目：中国铁路总公司科技研究开发计划重点课题(Z2015-X003)摘 要：通过分析美国铁路集装箱的传统装卸机械和集装箱装卸机械应用新趋向，西欧铁路和波兰PCC多式联运公司的集装箱装卸机械布局和配置，以及我国港口集装箱装卸机械的技术发展概况，为我国铁路集装箱装卸机械的发展提出经验和启示。关键词：铁路；集装箱运输；装卸机械货物装卸|FREIGHTLOADINGANDUNLOADING50的多式联运站需要的作业通道宽度(从装卸线中心至箱位边缘)应不少于21.34m，如果包括装卸线在内，其作业宽度应不少于22.86m；如果2条装卸线并列位于中间，线间距为4.57m，则从装卸线两侧作业需要45.72m的作业宽度。每增加1条装卸线及1排作业通道需要增加22.86m的宽度。正面吊作为辅助装卸机械铁铁换装作业如图2所示。1.2 美国铁路集装箱装卸机械应用新趋向传统美国多式联运站采用轮胎式门吊作业，存在空气污染、存储面积大，足够多的底盘车等缺点。随着社会环境保护意识的增强、美国土地价格的上涨，以及集装箱运量远远超过挂车运量，存储方式由单层轮式变为多层堆垛式，从而产生使用电动轨行式门吊作为装卸机械的需求[2]。为此，美国BNSF铁路公司率先在西雅图、孟菲斯多式联运站和堪萨斯州物流中心采用了大跨度、电力驱动的轨行式门吊，创新装卸工艺，增加装卸能力，减少站内对搬运集装箱的内燃卡车需求，减少CO2排放。（1）西雅图多式联运站。安装了4台单悬臂轨行式门吊，采用2线束布置，门吊跨度46.41m，悬臂为7.47m，门吊下集装箱的箱位有4排(高度可堆4层)，跨3条汽车通道、3条铁路装卸线，采用可靠的钢丝绳柔性防摇系统。（2）孟菲斯多式联运站。安装了8台高低架轨行式门吊，其中低架门吊5台，高架门吊3台，通过高低架门吊配合，形成接力式装卸系统。低架门吊采用双悬臂结构，覆盖宽度79.55m，用于装卸铁路车辆，覆盖8条铁路线，其中跨内5条，一端悬臂下3条(2条预留)，跨内2条汽车通道(1条行驶通道、1条装卸通道)，另一端悬臂下布置4排箱位(高度可堆4层)。高架门吊采用单悬臂结构，覆盖宽度为50.6m，用于堆存集装箱和装卸汽车，悬臂端与低架门吊的悬臂端重叠，2种门吊嵌套配合作业，共同覆盖下方的4排箱位，跨内覆盖5排箱位(高度可堆5层)和2条汽车通道(1条行驶通道、1条装卸通道)。孟菲斯多式联运站高低架轨行式门吊如图3所示。铁路集装箱装卸机械的发展及启示杨广全等图 1 美国典型多式联运站轮胎式门吊图 2 正面吊作为辅助装卸机械铁铁换装作业美国多式联运站轮胎式门吊主要采用基于DGPS的定位和自动驾驶系统，可以使轮胎式门吊在直线和曲线路径上自动行驶，并与机群管理系统进行集成，提升轮胎式门吊自动化水平，为用户实时提供有价值的机械运行数据和性能数据，改进机械维护和事故报告的及时性和准确性。此外，为减少CO2排放，该系统开发了电池组混合动力系统，采用包括免维护电池组、能源再生技术和专用计算机软件，可以减少70%燃油消耗，降低设备运行噪声。图 3 孟菲斯多式联运站高低架轨行式门吊（3）堪萨斯州物流中心。安装了5台大跨度轨FREIGHTLOADINGANDUNLOADING|货物装卸51行式门吊，采用双悬臂结构，覆盖宽度79.55m，覆盖8条铁路线，其中跨内5条，一端悬臂下3条(2条预留)，跨内2条汽车通道(1条行驶通道、1条装卸通道)，另一端悬臂下布置4排箱位(高度可堆4层)。大跨度轨行式门吊具有半自动化装卸作业能力，采用了基于主动载荷控制的吊具减摇技术，可以实现吊具和集装箱快速对位；采用回转式小车，回转角度不小于270°；采用智能结构，均衡大车走行轮压；采用能量回馈技术，回收势能，节能降耗；配置门吊远程管理系统，采用该系统对门吊进行全寿命周期管理，快速远程排除故障，并进行性能监视；采用T型支腿，柔性支腿与主梁采用销轴连接，提高轨行式门吊对场地的适应性；整机无液压系统，提升了维修可靠性；采用模块化设计，实现专业化生产，降低生产成本，便于运输、组装和维修。堪萨斯州物流中心5台大跨度轨行式门吊如图4所示。跨度集装箱门吊作为装卸机械。跨内设装卸线3～4条(法国多为3条，德国多为4条)、2条集卡通道、3排箱位，这样布置有利于实现箱不落地直接进行公铁换装和铁铁换装。由于广泛采用箱不落地的换装作业方式，门吊下储箱区的利用率只有31%左右，而门吊外储箱区的利用率更是近乎为零(冷藏集装箱等需要特种服务的集装箱除外)。德国典型多式联运车站如图5所示。铁路集装箱装卸机械的发展及启示杨广全等图 4 堪萨斯州物流中心 5 台大跨度轨行式门吊2 欧洲铁路集装箱装卸机械的发展2.1 西欧典型的铁路集装箱装卸机械布局西欧的铁路多式联运车站面积不大，年办理量20万TEU的车站占地约10hm2，列车长度较短，大都在750m以下，整列装卸线的有效长度多在720m以下。长装卸线一般长600～700m，可以容纳一整列车；短装卸线一般长300～400m，可以容纳半整列车，主要采用集装箱不落地的换装作业方式。在大中型集装箱办理站(年办理量在5万～10万TEU为中型站，10万～25万TEU为大型站)采用大德国车站装卸机械布局特点：门吊跨下有4条装卸线，长300m；1条汽车作业通道；1条汽车行驶通道；3排集装箱存放箱位；每条作业线使用1台或2台门吊。法国车站的装卸机械布局略有不同。装卸线按整列车长度考虑，一般为750m；门吊跨下一般设置3条装卸线；装卸线两端都与正线接驳，列车可从两端进入；除了装卸线之外还设置一定数量的到发线，而且到发线与装卸线成纵列式布置[3]。2.2 波兰 PCC 多式联运公司的集装箱装卸机械波兰PCC多式联运公司从2010年开始，陆续建立了5个多式联运站。车站建设初期，由于集装箱装卸量较少，主要配置正面吊进行装卸，有2条铁路装卸线，采用正面吊装卸。当车站年装卸能力达到10万TEU时，车站考虑扩建，采用大跨度轨行式集装箱门吊作为主型装卸机械，正面吊作为辅助装卸机械。波兰PCC多式联运站能力及装卸机械配置如表1所示，其中正面吊均采用karlmar的45t正面吊，可以对2条相邻的铁路装卸线进行装卸作业，具有预防图 5 德国典型多式联运车站货物装卸|FREIGHTLOADINGANDUNLOADING52铁路集装箱装卸机械的发展及启示杨广全等维修保养服务能力。Kutno多式联运站轨行式门吊采用单悬臂结构，起重能力41t，大车走行速度160m/min，跨内覆盖4条铁路装卸线，悬臂下涵盖3排箱位，门吊走形轨道与堆箱区之间的空间满足正面吊装卸作业要求，Kutno多式联运站轨行式门吊如图6所示。构的集装箱装卸机械在港口码头得到广泛应用，较大地提高了装卸效率[4-5]。2006年上海港与振华港机在上港集团振东码头分公司内建成了中国首个集装箱自动化无人堆场，通过图像和激光测量相结合的定位系统，采用新型全自动化高低架轨道门式起重机接力式装卸系统，集装箱堆场的堆垛高度可堆8层，较大地提高了堆存能力[6]。2015年厦门远海自动化码头建成无人化全自动化码头系统，由3台自动化双小车岸桥、16台自动化轨道吊、18台自动导航运载车、8台自动化转运平台等电驱动设备组成，由中央控制室计算机控制操作，比传统码头节省能源25%，碳排放量减少15%，效率提升20%~40%，不仅降低了码头用工成本，而且提高了安全作业水平，极大地提高了装卸效率。另外，在集装箱运输向长江沿线及内河发展的过程中，出现了大量中小型集装箱码头堆场和中转站，如果采用沿海的专业集装箱堆场装卸工艺，必将造成投资增加、经济效益下降，而一般的起重设备又很难完成集装箱装卸、堆码、搬运的工作要求。为此，一种轻型电动轮胎式集装箱门式起重机应用四卷筒控制表 1 波兰 PCC 多式联运站能力及装卸机械配置车站名年装卸能力/万TEU存储能力/TEU装卸机械铁路装卸线Kutno2540002台轨行式门吊，6台正面吊4条，长700mBrzegDolny1127003台正面吊4条，长650mGliwice1529002台轨行式门吊，1台正面吊4条，长650mDebica512003台正面吊1条，长600mFrankfurt1010001台轨行式门吊，3台正面吊4条，长600m图 6 Kutno 多式联运站轨行式门吊Frankfurt多式联运站的轨行式门吊采用双悬臂结构，额定起重量41t，大车走行速度120m/min，跨度70m，两侧悬臂各覆盖2条铁路装卸线，跨内中部涵盖4排集装箱箱位(高度可堆3层)，集装箱箱位两侧为正面吊作业通道，形成了以轨行式门吊为主、正面吊为辅的装卸作业模式，Frankfurt多式联运站轨行式门吊如图7所示。3 我国港口集装箱装卸机械的发展随着船舶的大型化，为了压缩船舶停港时间，快装快卸是沿海港口码头的典型特征，研发应用了大型化、高效化、专业化、自动化、智能化的装卸机械。双40英尺集装箱岸桥、双小车集装箱岸桥等新型结图 7 Frankfurt 多式联运站轨行式门吊FREIGHTLOADINGANDUNLOADING|货物装卸53铁路集装箱装卸机械的发展及启示杨广全等技术，将驱动装置和卷筒安装在门架底梁上，大幅降低小车重量和整机重心，实现了整机结构轻型化，以适应经济性和实用性要求。此外，采用电力驱动和变频调速技术，起升/小车驱动机构采用带PG(编码器)闭环矢量控制方式，实现了调速、控制一体化[7]。与通用型轮胎式集装箱门吊相比，该设备自重和投资降低了40%，单箱操作能耗降低约64%，CO2排放量降低64%，堆场基础投资降低约1/3[8]。4 我国铁路发展集装箱装卸机械的启示（1）集装箱装卸机械和装卸工艺经济实用。与国外铁路多式联运站的集装箱作业能力相比，我国铁路集装箱办理站规模较小。根据2015年对全路360个有集装箱办理业务车站的统计数据，全年发送箱数569.49万TEU，平均每个车站发送