鐵路集裝箱裝卸機械的發展及啟示

楊廣全，車德慧，李祝鋒

(中國鐵道科學研究院 運輸及經濟研究所，北京 100081)

鐵路集裝箱裝卸機械的發展及啟示

楊廣全，車德慧，李祝鋒

(中國鐵道科學研究院 運輸及經濟研究所，北京 100081)

通過分析美國鐵路集裝箱的傳統裝卸機械和集裝箱裝卸機械應用新趨向，西歐鐵路和波蘭 PCC 多式聯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發展概況，為我國鐵路集裝箱裝卸機械的發展提出經驗和啟示。

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展集裝箱運輸，公鐵聯運集裝箱辦理站的建設面臨著裝卸設備的技術發展方向、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展情況，為我國鐵路集裝箱裝卸機械的發展提供啟示和參考。

1 美國鐵路集裝箱裝卸機械的發展

1.1 美國鐵路集裝箱的傳統裝卸機械

美國鐵路多式聯運起源于半掛車鐵路運輸，集裝箱出現后才由滾裝裝卸模式轉變為機械裝卸，但仍然采用集裝箱和半掛車的輪式存儲方式。由于儲箱區與裝卸區分離，在存儲區和裝卸區之間采用內燃拖車搬運集裝箱，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，跨內通常設置 1 條鐵路裝卸線、2 條汽車通道，跨內沒有集裝堆存能力。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，由于作業線間有通過道口，易將輪胎式門吊轉移到另一條裝卸線進行作業。美國典型多式聯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，以正面吊作為輔助裝卸機械的多式聯運站，其作業通道涵蓋汽車通道和輪胎式門吊一側的走行通道，與輪胎式門吊配合進行換裝作業。以正面吊作為主型裝卸機械

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

圖1 美國典型多式聯運站輪胎式門吊

圖2 正面吊作為輔助裝卸機械鐵鐵換裝作業

美國多式聯運站輪胎式門吊主要采用基于 DGPS的定位和自動駕駛系統，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據和性能數據，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，該系統開發了電池組混合動力系統，采用包括免維護電池組、能源再生技術和專用計算機軟件，可以減少 70%燃油消耗，降低設備運行噪聲。

1.2 美國鐵路集裝箱裝卸機械應用新趨向

傳統美國多式聯運站采用輪胎式門吊作業，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為多層堆垛式，從而產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、孟菲斯多式聯運站和堪薩斯州物流中心采用了大跨度、電力驅動的軌行式門吊，創新裝卸工藝，增加裝卸能力，減少站內對搬運集裝箱的內燃卡車需求，減少 CO2排放。

（1）西雅圖多式聯運站。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。

（2）孟菲斯多式聯運站。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。低架門吊采用雙懸臂結構，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 5 條，一端懸臂下3 條 (2 條預留)，跨內 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構，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，共同覆蓋下方的 4 排箱位，跨內覆蓋 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)。孟菲斯多式聯運站高低架軌行式門吊如圖 3 所示。

圖3 孟菲斯多式聯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，采用雙懸臂結構，覆蓋寬度 79.55 m，覆蓋 8 條鐵路線，其中跨內 5 條，一端懸臂下 3 條 (2 條預留)，跨內 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能力，采用了基于主動載荷控制的吊具減搖技術，可以實現吊具和集裝箱快速對位；采用回轉式小車，回轉角度不小于270°；采用智能結構，均衡大車走行輪壓；采用能量回饋技術，回收勢能，節能降耗；配置門吊遠程管理系統，采用該系統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性；整機無液壓系統，提升了維修可靠性；采用模塊化設計，實現專業化生產，降低生產成本，便于運輸、組裝和維修。堪薩斯州物流中心 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。跨內設裝卸線 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方式，門吊下儲箱區的利用率只有 31% 左右，而門吊外儲箱區的利用率更是近乎為零 (冷藏集裝箱等需要特種服務的集裝箱除外)。德國典型多式聯運車站如圖 5 所示。

圖5 德國典型多式聯運車站

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 條汽車作業通道；1 條汽車行駛通道；3 排集裝箱存放箱位；每條作業線使用 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置一定數量的到發線，而且到發線與裝卸線成縱列式布置[3]。

2.2 波蘭PCC多式聯運公司的集裝箱裝卸機械

波蘭 PCC 多式聯運公司從 2010 年開始，陸續建立了 5 個多式聯運站。車站建設初期，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，具有預防

維修保養服務能力。

Kutno 多式聯運站軌行式門吊采用單懸臂結構，起重能力 41 t，大車走行速度 160 m/min，跨內覆蓋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之間的空間滿足正面吊裝卸作業要求，Kutno 多式聯運站軌行式門吊如圖 6 所示。

表1 波蘭PCC多式聯運站能力及裝卸機械配置

圖6 Kutno多式聯運站軌行式門吊

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

圖7 Frankfurt多式聯運站軌行式門吊

3 我國港口集裝箱裝卸機械的發展

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，研發應用了大型化、高效化、專業化、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構的集裝箱裝卸機械在港口碼頭得到廣泛應用，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合的定位系統，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，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，由 3 臺自動化雙小車岸橋、16 臺自動化軌道吊、18 臺自動導航運載車、8 臺自動化轉運平臺等電驅動設備組成，由中央控制室計算機控制操作，比傳統碼頭節省能源 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河發展的過程中，出現了大量中小型集裝箱碼頭堆場和中轉站，如果采用沿海的專業集裝箱堆場裝卸工藝，必將造成投資增加、經濟效益下降，而一般的起重設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用四卷筒控制

技術，將驅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，實現了整機結構輕型化，以適應經濟性和實用性要求。此外，采用電力驅動和變頻調速技術，起升/小車驅動機構采用帶 PG (編碼器)閉環矢量控制方式，實現了調速、控制一體化[7]。與通用型輪胎式集裝箱門吊相比，該設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%，堆場基礎投資降低約 1/3[8]。

4 我國鐵路發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濟實用。與國外鐵路多式聯運站的集裝箱作業能力相比，我國鐵路集裝箱辦理站規模較小。根據 2015 年對全路 360個有集裝箱辦理業務車站的統計數據，全年發送箱數569.49 萬 TEU，平均每個車站發送箱數 1.58萬 TEU。車站年發送箱數超過 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。年發送箱數超過 1 萬TEU 的 117 個車站占總發送箱數的 87%，年發送箱數小于 1 萬 TEU 的243 個車站合計發送箱數占比 13%。由于我國絕大多數鐵路集裝箱辦理站的規模較小，而配置通用型的集裝箱裝卸機械，投入產出率低，因而需要研制適合鐵路中小型貨場的經濟實用的集裝箱裝卸機械和裝卸工藝。

（2）集裝箱裝卸機械結構輕量化和模塊化。集裝箱起重機械的金屬結構約占整機成本的 1/3，質量的 40%~70% 甚至更高。科尼、德馬格等歐式起重機采用輕型環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，采用緊湊性結構或機構等方式，利用力學手段減輕整機重量[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，通過優化整機布置，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，采用模塊化設計，降低了設計周期，提高零部件可靠性和互換性，便于運輸、組裝和維修。我國鐵路發展集裝箱裝卸機械時，應充分考慮輕量化和模塊化設計需求，減少設備成本、基礎設施投資和運營成本。

（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，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能力，而且實現了設備的在線智能維護。我國港口采用了自動化堆場和無人化全自動碼頭系統，減少了裝卸設備故障停時，壓縮了裝卸作業時間，降低了人員成本，提高設備利用率。隨著我國鐵路集裝箱運輸的加快發展，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要求。

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

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

5 結束語

集裝箱多式聯運是鐵路現代物流的重要組成部分，我國鐵路正在加快發展集裝箱運輸，特別是發展鐵路寬體集裝箱，存在著集裝箱辦理站數量不足、裝卸機械能力不足等問題。考慮到我國絕大多數鐵路集裝箱辦理站的規模較小，需要開發經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計應充分

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、維修管理現代化和節能環保等技術要求，為我國鐵路集裝箱多式聯運的發展提供重要支撐。

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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計劃重點課題(Z2015-X003)