軌道式門式起重機(jī)走行軌與 集裝箱裝卸線匹配研究

李建海，王 媛

(中國鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司 青島西車務(wù)段，山東 青島 266005)

鐵路集裝箱裝卸場主要辦理集裝箱的到達(dá)、發(fā)送和中轉(zhuǎn)作業(yè)，根據(jù)集裝箱裝卸機(jī)械的不同，裝卸場的平面布置方案也不同。鐵路集裝箱裝卸機(jī)械可分為軌道式門式起重機(jī)(以下簡稱“軌道式起重機(jī)”)、輪胎式門式起重機(jī)、集裝箱正面吊運(yùn)機(jī)、集裝箱叉車、空箱堆垛機(jī)、跨運(yùn)機(jī)等[1]。前三者適用于集裝箱主箱場，后三者一般用于輔助箱場。其中，軌道式起重機(jī)以性能優(yōu)越，用途廣泛，可靠性高的優(yōu)點(diǎn)成為鐵路集裝箱裝卸場最常見的裝卸機(jī)械。軌道式起重機(jī)走行軌是由鋼軌鋪設(shè)而成的起重機(jī)運(yùn)行路線，約束起重機(jī)沿規(guī)定線路移動，并向軌道面基礎(chǔ)傳遞貨物壓力，對線路基礎(chǔ)的強(qiáng)度和可靠性要求較高，如機(jī)械鉆孔樁基礎(chǔ)等造價很高[2]。因此，在滿足集裝箱裝卸需求的前提下，科學(xué)設(shè)置走行軌長度，與集裝箱裝卸線平面合理匹配，對節(jié)省工程投資提高集裝箱裝卸場地的利用率具有重要意義。

1 集裝箱裝卸線平面布置

集裝箱裝卸線的裝卸能力主要由裝卸線有效長決定，裝卸線有效長的合理取值主要考慮貨場實(shí)際貨運(yùn)量[3]。

1.1 基于運(yùn)量約束確定裝卸線有效長

集裝箱裝卸線所需有效長L1應(yīng)滿足平均一次的來車需要長度，基于運(yùn)量約束，L1可以表示為

式中：Q為年到發(fā)集裝箱數(shù)，TEU，按20 ft標(biāo)準(zhǔn)箱換算；θ為貨物到發(fā)波動系數(shù)；l0為集裝箱車輛平均長度，m，近似取值14 m；q為單個貨場車輛載運(yùn)集裝箱箱數(shù)，一般取2 TEU；c為每晝夜取送車次數(shù)，通常專用線取1 ～ 2次。

裝卸線有效長應(yīng)不小于L1，可以適當(dāng)增加長度以滿足貨運(yùn)量波動，但不宜過長造成投資浪費(fèi)[4]。

1.2 基于場地約束確定線路裝卸有效長

在實(shí)際情況中，集裝箱裝卸線的平面布置受到場地條件的限制。以江西定南國盛鐵路實(shí)業(yè)有限公司鐵路專用線擴(kuò)建工程為例，新建的集裝箱裝卸線與既有定南站內(nèi)股道平行布置，有利于最大程度利用預(yù)留場地作為集裝箱箱位。結(jié)合周邊建筑物的安全距離條件，可以確定新建集裝箱裝卸線的車擋里程與圓直點(diǎn)里程，進(jìn)而確定裝卸線有效長的終點(diǎn)和起點(diǎn)。裝卸線起點(diǎn)與股道圓直點(diǎn)示意圖如圖1所示。

圖1 裝卸線起點(diǎn)與股道圓直點(diǎn)示意圖Fig.1 Diagram of the starting point of the loading and unloading line and the track circle straight point

（1）車擋里程確定裝卸線有效長終點(diǎn)。依據(jù)危險(xiǎn)品專用線設(shè)計(jì)規(guī)范，危險(xiǎn)貨物盡頭式裝卸線路的末端應(yīng)設(shè)置擋車器和鋼筋混凝土車擋。最后一個車位的末端至擋車器的安全距離不應(yīng)小于20 m。擋車器后的安全距離不應(yīng)小于15 m[5]。因此，當(dāng)集裝箱裝卸場辦理危險(xiǎn)貨物時，裝卸線有效長終點(diǎn)距車擋的最小距離Y1= 20 m。當(dāng)集裝箱裝卸場不辦理危險(xiǎn)貨物時，盡頭式線路的末端不設(shè)擋車器，裝卸線有效長終點(diǎn)距車擋的最小距離Y1= 10 m。

（2）圓直點(diǎn)里程確定裝卸線有效長起點(diǎn)。依據(jù)站場設(shè)計(jì)規(guī)范，貨物裝卸線應(yīng)設(shè)在直線上。但為了便于機(jī)車與貨車車輛摘掛作業(yè)，車輛車鉤與機(jī)車車鉤中心線錯開的偏角與間距不能過大[6]，因而考慮裝卸線有效長起點(diǎn)與股道圓直點(diǎn)的最小距離，裝卸線起點(diǎn)與股道圓直點(diǎn)的距離Y2可以表示為

式中：X為車鉤連掛允許最大偏移距離；l為機(jī)車長度(車鉤中心距離)；l'為集裝箱載運(yùn)車輛轉(zhuǎn)向架中心距；α為機(jī)車與裝卸線的夾角；R為為線路曲線半徑。

以東風(fēng)4B型內(nèi)燃機(jī)車為例，l= 21.1 m，l'=15.6 m，R= 250 m。兩連掛車鉤中心橫向偏移距離不得超過75 mm，而13型車鉤的連掛間隙為19.5 mm[7]。因此，在一般工況下，X= 0.019 5 m，Y2= 10.89 m；在最不利工況下，X= 0.075 m，Y2= 8.74 m。設(shè)計(jì)中考慮最不利工況，Y2應(yīng)取8.74 m。

（3）裝卸線有效長。列車車鉤距車擋的距離不小于Y1，列車車鉤距圓直點(diǎn)的距離不小于Y2，則線路最大裝卸有效長的起點(diǎn)可以表示為K2+Y2，終點(diǎn)可以表示為K1-Y1(K1為車擋處的里程，K2為圓直點(diǎn)處的里程)。裝卸線有效長示意圖如圖2所示。

圖2 裝卸線有效長示意圖Fig.2 Diagram of the effective length of loading and unloading line

2 軌道式起重機(jī)走行軌與裝卸線的匹配設(shè)置

為了方便裝卸作業(yè)，軌道式起重機(jī)走行軌應(yīng)與集裝箱裝卸線平行布置。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，軌道式起重機(jī)大車停放位置距走行軌端部的走行安全距離D安，一般取值為2 m。記軌道式起重機(jī)寬度為B大車，車列端部箱位邊緣與車鉤外緣間的最小尺寸為B車鉤，車列端部集裝箱箱長為B箱。走行軌與裝卸線的匹配設(shè)置重點(diǎn)在于確定走行軌終端與裝卸線車擋的投影距離D1及走行軌始端與裝卸線圓直點(diǎn)的投影距離D2，走行軌與裝卸線投影示意圖如圖3所示。

圖3 走行軌與裝卸線投影示意圖Fig.3 Diagram of projection between the gantry cranes track and the loading and unloading line

2.1 投影距離D1和D2的計(jì)算

根據(jù)貨場實(shí)際走行軌與裝卸線位置關(guān)系，結(jié)合圖3中長度變量之間的關(guān)系，車列終端的集裝箱中心線與車擋的距離可以表示為D1+D安+B大車/2或Y1+B車鉤+B箱/2，兩者取值相等，則

集裝箱只能在列車上縱向裝車，因而無論裝卸場平面箱位與裝卸線呈橫向或縱向布置，均不會影響B(tài)箱值，通常集裝箱規(guī)格為20 ft箱和40 ft箱，對應(yīng)的B箱值分別為6.06 m和12.19 m。

通過分析比較得出，車列端部為40 ft箱時的D1值要大于20 ft箱時的情況，即20 ft箱的要求條件更嚴(yán)格(即同樣的運(yùn)量下20 ft箱情況時需要更長的走行軌有效長)，因而B箱宜取值為6.06 m。

同理，車列始端的集裝箱中心線與圓直點(diǎn)的距離可以表示為D2+D安+B大車/ 2或Y2+B車鉤+B箱/ 2，兩者取值相等，則

通過上述分析，可以得到走行軌的兩端點(diǎn)距離車列端部箱位邊緣的投影距離為D安+B大車/ 2 -B箱/ 2。

2.2 起重機(jī)走行軌與裝卸線的平面布置方案

裝卸線和起重機(jī)走行軌長度相匹配，最大程度地利用場地，應(yīng)滿足：車列上第一個集裝箱中心與軌道式起重機(jī)吊具中心與裝卸線最外側(cè)箱位中心三者對齊[8]。走行軌與裝卸線匹配示意圖如圖4所示。

圖4 走行軌與裝卸線匹配示意圖Fig.4 Diagram of matching between the gantry cranes track and the loading and unloading line

裝卸線直線區(qū)段的范圍為圓直點(diǎn)里程K2至車擋里程K1，裝卸線有效長為(車擋位于大里程方向)K1-Y1與K2+Y2的數(shù)值差。裝卸線最大有效長為Lmax=K1-Y1-K2-Y2。集裝箱載運(yùn)車輛的常用車型為C64K，X1K等，其長度分別為13.438 m，13.8 m，裝卸線設(shè)計(jì)有效長L0可以表示為

為保證不同換長的集裝箱車輛都可以完整的進(jìn)入裝卸線有效長范圍內(nèi)，(K1-Y1-K2-Y2) / 14的數(shù)值取整數(shù)部分。

裝卸線設(shè)計(jì)有效長應(yīng)滿足：Lmax≥L0≥L1。根據(jù)起重機(jī)走行軌和裝卸線的平面匹配關(guān)系，可知裝卸線有效長起訖點(diǎn)里程即走行軌有效長起訖點(diǎn)里程，也是集裝箱平面箱位邊緣箱位起止范圍(車擋位于大里程方向，圓直點(diǎn)位于小里程方向)。結(jié)合實(shí)際案例，因預(yù)留的集裝箱貨場可以滿足目前裝卸量需求且有場地余量，在集裝箱起重機(jī)走行軌和裝卸線的匹配布置中，考慮到機(jī)車取送摘掛車輛作業(yè)時盡可能在直線上作業(yè)；同時，考慮到將來的運(yùn)量增長裝卸線及走行軌有效長的延長等因素，則可以將集裝箱貨場裝卸線最大有效長的范圍兩端同時向內(nèi)收縮1/2 (Lmax-L0)，得到設(shè)計(jì)的裝卸線有效長范圍，進(jìn)而確定起重機(jī)走行軌的起止里程。

計(jì)算得到集裝箱裝卸線有效長的起止里程為K2+Y2+ 1 / 2 (Lmax-L0)和K1-Y1- 1 / 2 (Lmax-L0)。軌道式起重機(jī)走行軌的起止里程為K2+Y2+ 1/2 (Lmax-L0) -(D安+B大車/ 2 -B箱/ 2)和K1-Y1- 1 / 2 (Lmax-L0) +(D安+B大車/ 2 -B箱/ 2)。起重機(jī)走行軌長度為L0+2D安+B大車-B箱。

3 案例分析

3.1 匹配方案設(shè)計(jì)

江西定南國盛鐵路實(shí)業(yè)有限公司鐵路專用線擴(kuò)建工程從位于京九鐵路(北京西—九龍)的定南站貨物線引出，主要辦理集裝箱裝卸作業(yè)。預(yù)留的集裝箱裝卸場地西側(cè)為公司辦公樓，北側(cè)為危化品裝卸線，東側(cè)及南側(cè)為定南車站防護(hù)柵欄。

集裝箱裝卸線的平面布置受到場地條件的限制，為充分利用集裝箱貨場的空間，集裝箱裝卸線和起重機(jī)走行軌采用與定南車站的股道平行設(shè)置，采用曲線設(shè)計(jì)與定南站站內(nèi)貨物線接軌。根據(jù)擴(kuò)建場地的地形特點(diǎn)，專用線由曲線軌道和直線軌道組成。在設(shè)計(jì)中選用規(guī)格為50 t / 35 m箱型雙梁軌道式起重機(jī)，其起重機(jī)寬度B大車= 15.304 m，裝卸線設(shè)置為單股道。起重機(jī)走行軌與集裝箱裝卸線匹配示意圖如圖5所示。

3.2 匹配方案計(jì)算

新擴(kuò)建專用線不辦理危險(xiǎn)品裝卸作業(yè)，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，不辦理危險(xiǎn)貨物作業(yè)時盡頭式線路的末端不設(shè)擋車器，裝卸線有效長終點(diǎn)距車擋的最小距離Y1= 10 m。定南站對專用線取送作業(yè)使用東風(fēng)4B型內(nèi)燃機(jī)車，根據(jù)機(jī)車的尺寸數(shù)據(jù)，考慮最不利的工況條件由公式⑵求得裝卸線起點(diǎn)與圓直點(diǎn)的距離Y2=8.74 m。

圖5 起重機(jī)走行軌與集裝箱裝卸線匹配示意圖Fig.5 Diagram of matching between the gantry cranes track and the container loading and unloading line

設(shè)計(jì)中，將專用線與定南車站貨物線接軌處記為專用線里程起點(diǎn)(里程標(biāo)為0，裝卸線終點(diǎn)為大里程方向)。根據(jù)定南車站的集裝箱到發(fā)量和定南國盛鐵路實(shí)業(yè)有限公司的經(jīng)營需求，由公式 ⑴ 可以求得該專用線集裝箱裝卸線所需要的有效長L1= 153.35 m。實(shí)際勘測集裝箱貨場，最大限度利用貨場空間(裝卸線與定南站到發(fā)線股道平行設(shè)置)得到裝卸線的車擋里程K1= 335.13 m、圓直點(diǎn)的里程K2= 143.98 m ，則有裝卸線最大有效長Lmax=K1-Y1-K2-Y2= 170.26 m。為保證不同換長的集裝箱車輛都可以完整的進(jìn)入裝卸線有效長范圍內(nèi)，由公式 ⑹ 求得裝卸線有效長L0= 168 m。

為了使機(jī)車取送作業(yè)時盡可能在裝卸線的直線區(qū)段作業(yè)，同時考慮到將來的運(yùn)量增長等因素，可以將裝卸線最大有效長的范圍兩端同時向內(nèi)收縮1 / 2 (Lmax-L0)，得到設(shè)計(jì)的裝卸線有效長范圍，進(jìn)而確定起重機(jī)走行軌的起止里程。

經(jīng)計(jì)算得到，集裝箱裝卸線設(shè)計(jì)有效長的起點(diǎn)里程為K2+Y2+ 1 / 2 (Lmax-L0) = 157.13 m，終點(diǎn)里程為K1-Y1- 1 / 2 (Lmax-L0) = 322.87m，裝卸線設(shè)計(jì)有效長為165.74 m，起重機(jī)走行軌的起點(diǎn)里程為K2+Y2+1 / 2 (Lmax-L0) - (D安+B大車/ 2 -B箱/ 2) = 150.508 m，終點(diǎn)里程為K1-Y1- 1 / 2 (Lmax-L0) + (D安+B大車/ 2 -B箱/ 2) = 329.492 m，起重機(jī)走行軌設(shè)計(jì)長度為L0+2D安+B大車-B箱= 178.984 m。可見，該匹配方案能夠以最短的走行軌長度滿足集裝箱裝卸需求，充分利用場地且節(jié)省資金，驗(yàn)證了匹配方案的有效性。

4 研究結(jié)論

在滿足運(yùn)量需求的前提下，推導(dǎo)軌道式起重機(jī)走行軌與集裝箱裝卸線有效長平面匹配機(jī)制，對于節(jié)省工程投資、提高場地的利用率有重要意義。軌道式門式起重機(jī)走行軌與集裝箱裝卸線匹配研究為科學(xué)設(shè)置走行軌長度，實(shí)現(xiàn)軌道式門式起重機(jī)走行軌與集裝箱裝卸線平面合理匹配提供依據(jù)。結(jié)合案例分析及其他集裝箱貨場的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可以得到以下結(jié)論。

（1）集裝箱裝卸線有效長受到集裝箱貨場內(nèi)車擋、圓直點(diǎn)的制約。根據(jù)實(shí)際作業(yè)，集裝箱車列上第一個集裝箱中心與軌道式起重機(jī)吊具中心及裝卸線最外側(cè)箱位中心三者對齊，計(jì)算得到走行軌與裝卸線匹配的方案。

（2）在設(shè)計(jì)中考慮到集裝箱車輛的長度大多接近14 m，裝卸線有效長宜取值為14 m的整數(shù)倍。測量貨場得到裝卸線最大有效長，計(jì)算得到設(shè)計(jì)有效長后對裝卸線有效長及起止點(diǎn)里程進(jìn)行修正。既保證滿足運(yùn)量需求，又合理設(shè)置線路長度避免投資浪費(fèi)。

（3）在實(shí)際工程中根據(jù)集裝箱貨場的地形條件，可以采用多種裝卸機(jī)具協(xié)同作業(yè)；在長度不足但寬度滿足的情況下，可以設(shè)置橫跨多股道的軌道式起重機(jī)以提高裝卸效率。

（4）如果滿足運(yùn)量需求而集裝箱貨場有較多的剩余空間時，在資金有限的情況下，可以選擇按需建設(shè)但要有一定的安全余量以應(yīng)對運(yùn)量波動。如果當(dāng)前運(yùn)量不大，但運(yùn)量穩(wěn)步增長且資金允許時，則不應(yīng)局限在節(jié)省資金上，應(yīng)提前規(guī)劃裝卸線有效長，避免后期擴(kuò)建帶來的經(jīng)營不便并節(jié)省擴(kuò)建的費(fèi)用。