適合于海陸聯運集裝箱裝載卷鋼的系固方案

黃崗　邢勝偉

摘要：

為研究集裝箱裝載卷鋼的系固方案，分別分析卷鋼在通過海上、鐵路和公路運輸的集裝箱內的受力情況，給出卷鋼橫向、縱向和垂向慣性力的計算方法，并確定C11型集裝箱船、鐵路和公路聯合運輸過程中卷鋼的橫向、縱向和垂向慣性加速度。通過對卷鋼進行水平移動和翻轉平衡分析，給出2卷卷鋼（每卷卷鋼的質量為10?t）在集裝箱內的系固方案并進行系固平衡校核，為卷鋼在集裝箱海陸聯運過程中的系固方案提供理論指導。

關鍵詞：

卷鋼;?集裝箱;?海陸聯運;?系固方案;?平衡校核

中圖分類號：U693

文獻標志碼：A

Steel?coil?securing?methods?in?containers?for

land-sea?combined?transport

HUANG?Gang，?XING?Shengwei

（Navigation?College，?Dalian?Maritime?University，?Dalian?116026，?Liaoning，?China）

Abstract：

In?order?to?study?the?steel?coil?securing?methods?in?a?container，?the?forces?of?steel?coils?in?the?container?transported?by?seaway，?railway?and?highway?are?analyzed，?respectively，?the?calculation?methods?for?the?transverse，?longitudinal?and?vertical?inertial?forces?on?steel?coils?are?given，?and?the?transverse，?longitudinal?and?vertical?inertial?accelerations?of?steel?coils?during?the?combined?transport?by?C11-type?container?ships，?railway?and?highway?are?figured?out.?By?carrying?out?horizontal?movement?and?roll-over?balance?analysis?on?steel?coils，?the?securing?method?for?2?steel?coils?（10?t?each?steel?coil）?in?one?container?is?given?and?the?balance?check?for?steel?coil?securing?is?carried?out.?It?provides?theoretic?guidance?for?securing?methods?of?steel?coils?in?a?container?in?the?process?of?the?land-sea?combined?transport.

Key?words：

steel?coil;?container;?land-sea?combined?transport;?securing?method;?balance?check

收稿日期：?2018-12-12

修回日期：?2019-03-15

基金項目：

國家自然科學基金（51709032）;中央高校基本科研業務費（3132017113）;遼寧省自然科學基金（2019-ZD-0149）;

遼寧省博士科研啟動基金（201601076）

作者簡介：

黃崗（1981—），男，河北張家口人，講師，碩士，研究方向為載運工具運用工程，（E-mail）bobhuanggang@126.com

0?引?言

國際貿易中，貨物通常需采用船舶、汽車和火車等運輸。目前海上運輸卷鋼多采用散裝方式，而鐵路、公路運輸卷鋼多采用敞車和平車運輸。散裝運輸過程中卷鋼容易受到外界環境的影響而損壞，海陸交接時需對卷鋼進行解綁和重新加固，從而導致運輸時間延長，運輸成本提高[1]。隨著世界經濟一體化發展，利用集裝箱可實現卷鋼海陸聯運，提高裝卸效率，加快貨物周轉，降低運輸成本，保證卷鋼質量。另外，集裝箱運輸卷鋼可實現一次托運、一次計費、一張單證和一次保險，提升了運輸和通關效率，簡化了貨運委托程序[2]。因此，利用集裝箱運輸卷鋼是未來卷鋼運輸發展的趨勢。

裝載卷鋼所使用的集裝箱有卷鋼專用集裝箱、普通集裝箱兩種。考慮到普通集裝箱使用廣泛，可裝載卷鋼尺度范圍大，隨時可進行裝掏箱作業且不用考慮空箱返回等優點[3]，本文主要研究普通集裝箱裝載卷鋼的系固問題。卷鋼在普通集裝箱中有立裝和臥裝兩種裝載方式，由于立裝方式的裝卸及綁扎非常困難且效果不好，因此實際的集裝箱運輸卷鋼多采用臥裝方式，而臥裝又分為卷鋼軸向橫向裝載和軸向縱向裝載兩種方式[4]。目前卷鋼在普通集裝箱內的系固通常采用各公司的習慣做法或參考已有的運輸經驗，而缺少標準的系固方法，也鮮有相應的理論計算支撐，因而在運輸過程中因系固不足而造成的卷鋼、集裝箱、運輸車輛或船舶受損甚至人員受傷等事故時有發生。因此，分析在海陸聯運過程中集裝箱內卷鋼的受力，確定卷鋼縱向、橫向和垂向最大加速度，并對其系固方案進行平衡校核，判斷是否滿足要求，為卷鋼在集裝箱海陸聯運過程中的系固方案提供理論指導。

1?慣性力計算

1.1?海上慣性力

船舶在海上航行時甲板上貨物所受外力包括慣性力、風壓力和波濺力[5]，由于集裝箱內卷鋼不受風壓力和波濺力的影響，所受外力只有慣性力（慣性力等于貨物質量與加速度的乘積）。假定卷鋼在集裝箱內綁扎牢固，集裝箱與船舶系固良好，則卷鋼與船舶具有相同加速度，故其受到的慣性力為

Fx=max，?Fy=may，?Fz=maz

式中：Fx、Fy和Fz分別為卷鋼所受縱向、橫向和垂向慣性力，kN;m為卷鋼質量，t;ax、ay和az分別為卷鋼在縱向、橫向和垂向上的慣性加速度，m·s-2。

根據中國船級社《鋼質海船入級規范》[6]，ax、ay和az計算式如下：

ay=a2y1+（ar（z-zrp）+10sin?φmax）2?（1）

式中：ay1為橫蕩加速度，m·s-2;ar為橫搖角加速度，rad·s-2;

φmax為最大橫搖角，rad;z為計算位置點與基線的垂向距離，m;

zrp為橫搖轉動軸和縱搖轉動軸與基線的垂直距離，m。

zrp=min{D/4+d1/2，D/2}，其中：D為船舶型深，m;d1為計算工況下的船舶吃水，m。

ay1=3a0，?a0=fr（3C/L+Cvv/L）

ar=φmax（6.28/Tr）2

φmax=min{frk（62.5-1.25Tr）/（B+75），0.523?rad}

式中：fr為航區系數;C為與船長有關的系數;L為船長，m;

v是最大服務航速，kn;Cv=L/50，取值不大于0.2;

Tr為橫搖周期（s），Tr=2kr/hGM，

kr為橫搖轉動半徑（m），hGM為計算工況下的初穩心高度（m）;

k為系數，與船舶減搖裝置有關;B為船寬，m。

ax=a2x1+（ap（z-zrp）+10sin?Ψmax）2

（2）

式中：ax為縱蕩加速度，m·s-2;ap為縱搖角加速度，rad·s-2;Ψmax為最大縱搖角，rad。ax1=2a0Cb，Cb為方形系數。ap=Ψmax

（6.28/Tp）2，其中：Ψmax=min{0.25a0/Cb，0.14};

Tp（=1.80×L/10）為縱搖周期，s。

az=max{a2z1+a2ry2，

a2z1+a2p（x-0.45L）2}（3）

式中：az1（=7a0/Cb）為升沉加速度，m·s-2;

x為計算位置點到尾垂線的縱向距離，m;y為計算位置點到縱中剖面的橫向距離，m。

國際多式聯運規范[7]《IMO/ILO/UNECE貨物運輸單元裝載規則》（以下簡稱《CTU規則》）建議海上運輸貨物加速度采用重力加速度與具體加速度系數的乘積表示。《CTU規則》給出了海上運輸各個方向上的加速度，見表1。

1.2?鐵路慣性力

鐵路運輸集裝箱時，每個集裝箱都與鐵路車輛處于緊固狀態，因此集裝箱及其內部的貨物會受到與鐵路車輛相同的慣性力作用。鐵路車輛在啟動、剎車或連接時都會對集裝箱內貨物產生較大的沖擊力，尤其是在車輛遇到緊急情況急剎車時，集裝箱內貨物產生的慣性力很大，貨物很容易出現移動;貨物受到的最大縱向慣性力發生在調車時車輛之間的相互沖擊[8]。

根據我國現行的《鐵路貨物裝載加固規則》[9]的相關規定，運輸過程中作用于貨物上的各種力（運輸速度v≤120?km/h，調車連掛速度≤5?km/h）計算方法如下：

T=T0×Q

式中：T為縱向慣性力;T0為每噸貨物的縱向慣性力，kN/t;Q為貨物質量，t。當對貨物進行柔性加固時，

T0=0.001?2Q2T-0.32QT+29.85（4）

式中：QT為重車總質量，t。當130?t150?t時

T0=5.88?kN/t。

N=N0×Q

式中：N為橫向慣性力，kN;N0為每噸貨物的橫向慣性力，kN/t。

N0=2.94+3.34a′/l?（5）

其中：l為貨物重心偏離車輛橫重心的距離，mm;a′為負重車銷距，mm。

P=P0×Q

式中：P為垂向慣性力，kN;P0為每噸貨物的垂向慣性力，kN/t。

P0=3.54+3.78a′/l（6）

《CTU規則》提供的鐵路運輸縱向、橫向加速度都為0.5g。

1.3?公路慣性力

公路運輸中，集裝箱與底盤車連接，在車輛加速、減速和轉向過程中，集裝箱及其內部貨物都會受到慣性力影響，尤其是車輛在高低不平的路面上行駛時，整個集裝箱會受到很大的振動，集裝箱內的貨物也會受振動影響而產生較大的慣性力。由于公路集裝箱運輸缺少相應的計算慣性力的方法，而公路運輸時集裝箱所受的慣性力與鐵路運輸時的相似，因此吳麗麗[10]、侯棟梁[11]和曹剛[12]等對公路運輸重大件貨物的受力和平衡性分析都采用了鐵路慣性力計算公式。《CTU規則》提供的公路運輸各個方向的加速度見表2。

以上為鐵路和公路集裝箱運輸貨物所受到的慣性力計算方法以及《CTU規則》規定的加速度，與海上慣性力的計算結果比較，不難發現公式中的T0、N0和P0其實就是慣性加速度，因此確定慣性加速度是關鍵。

2?慣性加速度的確定

海上慣性加速度的計算選取某C11型集裝箱船的危險位置點：甲板上第8層（ISO標準箱堆碼設計能力只能達到8層）、船首或船尾0.2L處[1]。C11型集裝箱船主要參數見表3。

利用式（1）～（3）計算海上慣性加速度，利用式（4）～（6）計算鐵路和公路慣性加速度（QT=120?t，a′=10?mm，l=900?mm），結果見表4。

根據以上計算可知，卷鋼所受的最大橫向慣性力和最大垂向慣性力發生在海上運輸時，最大縱向慣性力發生在鐵路或公路運輸時，這與實際情況相符：海上運輸卷鋼時，由于船舶橫搖和垂蕩劇烈，卷鋼所受橫向和垂向慣性力更大;鐵路或公路運輸卷鋼時，由于啟動、急剎車或調車時鐵路車輛之間的沖擊產生的縱向慣性力更大。

對比《CTU規范》推薦的貨物運輸各個方向加速度、用中國船級社《鋼質海船入級規范》和我國《鐵路貨物裝載加固規則》中計算方法得到的集裝箱裝載卷鋼在海陸聯運過程中的加速度可知：海上運輸時，《CTU規范》確定的各個方向上的加速度比用《鋼質海船入級規范》中計算方法得到的各值都大;鐵路運輸時，橫向加速度《CTU規則》規定值大，縱向加速度我國《鐵路貨物裝載加固規則》計算值大，垂向加速度《CTU規則》沒有規定;公路運輸時，由于缺少相應的計算慣性力的方法，本文采用《CTU規則》的規定值。為確保卷鋼在集裝箱內進行海陸聯運時的安全，取其中的較大者作為卷鋼系固應滿足的加速度要求。綜合以上分析，集裝箱卷鋼慣性加速度見表5。

3?卷鋼系固平衡分析

在海陸聯運過程中，卷鋼在集裝箱內所受的慣性

力或力矩可以產生4種運動[13]：（1）向左、右兩側橫向移動;（2）向前、后兩端縱向移動;（3）向左、右兩側橫向翻轉;（4）向前、后兩端縱向翻轉。

3.1?水平移動平衡分析

水平移動包括向左、右兩側的橫向移動和向前、后兩端的縱向移動。為防止集裝箱內的卷鋼受到慣性力而發生水平移動，必須對卷鋼進行綁扎和支撐，使卷鋼的摩擦力與系固力之和大于慣性力[14]，從而保證卷鋼在運輸過程中的安全。然而，任何系固和綁扎設備都不能達到最大系固強度，通常在計算時應考慮一安全因數。《貨物系固手冊編制指南》[15]中規定此安全因數為1.5，同時考慮到垂向加速度的影響，卷鋼所受的摩擦力可能減小。因此，在進行水平移動平衡分析時，將計算所得的約束力除以安全因數1.5，可得卷鋼的水平移動平衡

表達式：

ma≤（μmg+Fl+Fs）/1.5

式中：m為卷鋼質量，t;a為卷鋼水平方向上的慣性加速度，m/s2;μ為摩擦因數，卷鋼與木材之間的摩擦因數為0.3;Fl為鋼絲繩綁扎力，kN（通常鋼絲繩的破斷力大于集裝箱內系環的系固力，因此該系固力最大為集裝箱系環的最大系固力，每個系環的最大系固力為10?kN）;Fs為木條的支撐力，?kN

[6]中國船級社.?鋼質海船入級規范2015：?第2分冊[M].?北京：?人民交通出版社，?2015：?29-31.

[7]IMO/ILO/UNECE.?Code?of?practice?for?packing?of?cargo?transport?units[Z].?Economic?Commission?for?Europe，?2014.

[8]陳奇，?馬玉坤，?王延明.?卷鋼鐵路運輸裝載加固的技術條件分析[J].?鐵道運輸與經濟，?2007（10）：?61-62.

[9]中華人民共和國鐵道部.?鐵路貨物裝載加固規則[M].?北京：?中國鐵道出版社，?2006：?38-39.

[10]吳麗麗.?重大件公路運輸若干問題的研究[D].?哈爾濱：?東北林業大學，?2007.

[11]侯棟梁.?大件貨物運輸方案制定研究[D].?成都：?西南交通大學，?2009.

[12]曹剛.?大件物流運營與組織問題研究[D].?成都：?西南交通大學，?2007.

[13]KAPS?K?H.?Loading?and?transport?of?steel?coils?in?ISO-containers[EB/OL].?[2018-10-25].?http：//www.containerhandbuch.de/chb_e/stra/index.html.

[14]許菁.?鐵路集裝箱裝載加固研究[D].?長沙：?中南大學，?2008.

[15]中國船級社.?貨物系固手冊編制指南[M].?北京：?人民交通出版社，?2014：?23-24.

[16]ISO.?ISO?1496-1?series?1?freight?containers-specification?and?testing-part?1：?general?cargo?containers?for?general?purposes[S].?ISO，?2016：?10-11.

（編輯?趙勉）