集裝箱空軌貨運系統裝卸工藝設計及應用

汪宇亮

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司 機動院，湖北 武漢 430063)

0 引言

目前國內集裝箱自動化碼頭均無法實現鐵水聯運的無縫轉運和換裝，在港口建設規劃中，由于貨輪的集裝箱運輸能力與鐵路的不匹配，往往也無法在港區后方直接建設鐵路貨運站，因而需要借助公路集卡運輸才能完成碼頭堆場和鐵路站場之間的轉運，港區碼頭內部存在大量的中轉箱需要通過陸路短途運輸，港內車流復雜，鐵路與港內公路的沖突日益增加，堵車情況時有發生。這樣既影響了鐵水聯運的換裝效率，也增加了物流成本[1]。研究提出一種空軌智能集裝箱運輸系統，借助空中軌道系統，實現港區各種集裝箱集散點之間的互聯互通，實現鐵路、水運、公路、航空等物流體系之間的有機銜接，達到“無縫化銜接”要求。

集裝箱空軌貨運系統作為一種解決多式聯運銜接問題的集疏運系統，目前還沒有進入實際應用階段，青島港規劃研究階段提出并設計了一種多式聯運空軌集疏運系統，該系統具有運行安全可靠、建設周期短、成本低、線路適應性強等特點，但如何提高自動化程度和裝卸效率，梳理港口和鐵路貨場之間的接駁，并充分利用土地，節省開支是目前亟需解決的問題[2]。

1 空軌線路概況

武漢陽邏港集裝箱空軌貨運工程將江北鐵路貨運站作為鐵路集裝箱集散地，線路以貨運站起點，經過江北鐵路線，再跨越索子長河后沿華能電廠西側的堤江路內側南向延伸，穿過江北快速路后，起坡越過江堤路，沿亞東水泥廠與江堤路之間的防洪林帶，一直延通到港口三期總規劃的碼頭堆場末端，線路全長約10.0 km。由于本項目要跨越江北電氣化鐵路線和快速路以及防洪林帶及煤炭皮帶運輸線，因而線路坡度最大可達10%，最小曲線半徑為50 m。

集裝箱港分一、二、三作業區，其中三作業區總體規劃17 個集裝箱泊位，將直接助推陽邏港達到500 萬TEU 的年吞吐能力。綜合預計，初期2025 年空軌貨運系統運量為30萬TEU。

集裝箱空軌集疏運系統負責港口作業區至鐵路貨場之間的集裝箱轉運，由貨運動車(指空軌裝載集裝箱的牽引車)、軌道系統、車輛停放與檢修設施和應急救援設施等組成，集裝箱空軌集疏運系統效果圖如圖1 所示，目前研究重點為貨運動車的選型和轉運站裝卸布局。

圖1 集裝箱空軌集疏運系統效果圖Fig.1 Container collection and transportation of air-rail freight system

2 集裝箱空軌貨運動車選型研究

2.1 貨運動車選型

空軌貨運動車主要由車體、轉向架、牽引傳動及控制系統、制動系統和走行裝置等組成[3]。貨運動車效果圖如圖2所示。

圖2 貨運動車效果圖Fig.2 Renderings of freight traction car

（1）走行裝置。貨運動車擬采用對稱膠輪型懸掛式單軌車輛，其主要特點是轉向架對稱布置于底部開口的軌道箱型梁內，轉向架上對稱設計了走行輪和導向輪。車體懸掛裝置通過箱型梁底部開口將車體和轉向架連接起來。車體由集裝箱和集裝箱吊具組成。集裝箱可通過集裝箱吊具靈活拆解。列車行駛方向的改變，通過道岔(箱型梁內的可動軌)的水平移動來實現。貨運動車及膠輪結構如圖3所示。

圖3 貨運動車及膠輪結構Fig.3 Freight traction car and rubber

對稱膠輪型懸掛式單軌車輛的主要技術優勢有以下4 點[4]。①運行安全。對稱膠輪式懸掛式單軌車輛，設計了橡膠材質走行輪和導向輪，其走行機理與傳統鋼輪鋼軌系統完全不同。在列車運行過程中，整個轉向架及運行軌道都在箱型軌道梁內部，沒有脫軌的可能性，安全可靠。②線路適應性強。橡膠材質走行輪的粘著性能好，最大坡度可達6%，能通過的最小曲線半徑可達25 m，對復雜地形有較好的適應性，選線容易，可減少拆遷量以及施工期間對地面交通的影響。③環境適應性好。車輪和軌道置于封閉軌道梁內，車輪采用膠輪，受力分散，梁體可吸收振動，運行噪音低。采用電力牽引，列車運行中無排放，利于保護城市環境。橋梁基本采用鋼結構、截面尺寸小，線路和車站可沿道路一側或中間綠化帶設計，對日照和景觀影響小。由于車輪封閉在箱型軌道梁內，受惡劣天氣影響小，當遇到雨雪、下霧、冰凍、大水等惡劣天氣時，可照常運營，適應天氣變化相對較大的環境。④施工簡便。橋梁和軌道梁以鋼結構為主，可實現工廠預制，現場組裝，施工難度小，土建工程簡單，可大大縮短建設工期[5]。

（2）轉向架。轉向架由構架、橡膠走行輪、橡膠導向輪、驅動裝置、基礎制動裝置、受流裝置、中央吊掛裝置等組成。每個轉向架安裝2 臺交流電機，單軸獨立驅動；采用中央懸吊裝置實現車體與轉向架連接，傳遞垂向力、縱向力和橫向力。中心銷底部與兩根懸吊臂的另一端也采用中央懸吊裝置的方式實現鉸接。設置安全鋼索連接吊具和中心銷，確保空軌貨物列車載運集裝箱時的安全。

（3）牽引系統。采用變頻變壓逆變器調速、永磁同步電動機驅動的交流牽引傳動系統。此系統與直流電機相比，構成較為簡單，價格便宜，后期運營維護工作量較小，可以滿足空軌列車小型化和高功率密度的要求。牽引電機采用輪轂電機牽引，對于空軌列車的單電機牽引驅動方式來說，輪轂電機的優勢是結構簡單，電機輸出軸可以與車輪直接裝配，減少了減速箱、傳動齒輪等部件。由于集裝箱空軌貨運系統主要進行集裝箱的運輸，速度要求低，可以適當犧牲舒適性來降低造價，提高傳動效率，并盡量縮小尺寸，因而采用輪轂電機牽引。

集裝箱空軌貨運動車作為純電動車輛，其功率全部來源于電機，為滿足使用需求，牽引系統需從集裝箱重量、最高車速、最大爬坡能力和加速時間4 個方面考慮。

根據本項目特點，全部采用20 ft 標準集裝箱，總質量不超過45 t，最高車速30 km/h，最大坡度為10%。牽引力計算公式為

式中：Ft為貨運動車驅動力，N；Ttg為電機轉矩，N·m；i0為最終傳動機構傳動比；θ為傳動效率，本次研究取0.95；γ為車輪半徑，m，本次研究車輪半徑按0.21 m考慮。

集裝箱貨運動車在空軌上運行時主要阻力有：水平行駛時車輪的滾動阻力和空氣阻力，上坡行駛時重力坡度方向的阻力，加速行駛時的加速阻力。集裝箱貨運動車在行駛時所有阻力之和為其總阻力。

式中：Ff為水平行駛時車輪的滾動阻力，N；Fw為空氣阻力，N；Fi為上坡行駛時重力坡度方向的阻力，N；Fj為加速行駛時的加速阻力，N。

由于集裝箱貨運動車采用對稱膠輪，滾動阻力Ff主要由膠體材料的滯變作用和空軌剛性軌道的塑性變形導致的，滾動阻力計算公式為

式中：G 為重量，N，本次研究按照車輛自重加上集裝箱質量來考慮，合計45 000 kg，重量合計45 000×9.8 N；f為摩擦系數，本次研究取0.016；α為軌面傾斜角度，取值本線最大坡度10%，傾斜角度為5.5°，cosα=0.996。

無風條件下空氣阻力計算公式為

式中：CD為空氣阻力系數，本次研究取0.6；A為集裝箱空軌迎風面積，m2，按照集裝箱和車身寬(2.44 m)×車身高(2.89 m)來計算，取7.051 6 m2；V為貨運動車速度，m/s，速度目標值為30 km/h，即8.33 m/s；ν為迎風系數，根據經驗取值21.15。

貨運動車在下坡行駛過程中，集裝箱及貨運動車的重力坡度方向的分力會產生加速，反之，在上坡行駛過程中，會減速。坡度阻力計算公式為

貨運動車加速過程中的加速阻力計算公式為

式中：δ為空軌集裝箱貨運動車旋轉質量換算系數，與列車旋轉部件的轉動慣量有關，根據經驗公式取1.2；m為質量，kg，本次研究按照車輛自重加上集裝箱重量來考慮，合計45 000 kg；t為加速時間，按照集裝箱運輸能力及安全考慮，速度從0 到30 km/h，取0.7 m/s2。

根據公式⑵至公式⑹計算可得

按最高車速30 km/h，公式⑴兩邊同時乘以速度并轉換單位，可推導出牽引電機功率Pn計算公式為

式中：Pn為牽引電機輸出功率，kW；i0為電機的傳動比率，牽引電機采用輪轂電機，電機輸出軸與車輪直接裝配，無減速箱傳動齒輪等部件，此時傳動機構傳動比i0=1。

貨運動車每個車輪采用輪轂電機單獨驅動，單個輪轂電機的功率計算公式為

式中：Pn1為單個車輪牽引電機輸出功率，kW，4 個車輪為160.4 kW，由上述計算可知輪轂電機可選用額定功率42 kW的電機。

取最終傳動機構傳動比i0為1，根據車輪直徑，最高運行速度，可得出車輪的最高轉速為

式中：nmax為車輛最高轉速，r/s。

本次研究輪轂電機主要參數如表1所示。

表1 輪轂電機主要參數Tab.1 Main parameters of hub motor

（4）制動系統。考慮到集裝箱空軌貨運動車需要搬運集裝箱通過橋涵的要求，制動系統推薦采用液壓方式制動，與空氣制動進行比較，液壓制動方式的結構更簡單，并且節省空間。

2.2 貨運動車編組形式

根據運量預測結果，本線近期(2030 年)、遠期(2040 年)年貨運量分別為25 萬TEU、30 萬TEU；按每天運營時間16 h計算，本線研究年度近、遠期單位小時貨運量22 TEU/h、26 TEU/h，近、遠期運用車分別為11列、23列，貨運動車運行交路如圖4所示。

圖4 貨運動車運行交路Fig.4 Operation road map of freight train

根據初步系統配置方案，本線采用基于無線通訊的列車自動控制系統，可實現貨運動車2 min 的最小行車間隔。本線輸送能力適應情況如表2所示。

表2 輸送能力適應情況Tab.2 Conveying capacity adaptation

通過分析，研究年度本線輸送能力可以滿足運量需求。本項目運輸能力受限于運輸車輛的編組輛數，近期車輛采用單輛編組，轉向架型式為：M+M，項目遠期采用長編組(2 輛及以上編組)可將系統年運輸能力提高到70萬TEU及以上。

2.3 車輛主要參數及適用條件

車輛主要參數及適用條件如表3所示。

表3 車輛主要參數及適用條件Tab.3 Main vehicle parameters and applicable conditions

3 集裝箱空軌貨運系統轉運站裝卸布局研究

本系統起點和終點兩端設集裝箱裝卸站各一處，起點端一般為鐵路中轉端，終點端一般為港口端，裝卸點的設置均按“到達卸載、出發裝載”的原則進行布設。

3.1 鐵路中轉中心端方案

鐵路中轉中心主要負責將從港口運輸過來的集裝箱進行卸載，并將空箱裝載至運輸系統中，因而在鐵路中轉中心站分設集裝箱裝載點1 處、集裝箱卸載點1 處。貨運動車經過卸載后，在線路終點，空載貨運動車可選擇回段停放或立即折返并發往港口站[6]。

貨運動車折返有以下2種方案。

（1）方案Ⅰ：方案Ⅰ鐵路裝卸站示意圖如圖5 所示，采用單渡線道岔進行過渡，道岔的側向最高通過速度為16 km/h，道岔轉轍時間≤15 s，滿足全線運行節拍的需求。

圖5 方案Ⅰ鐵路裝卸站示意圖Fig.5 Schematic diagram of the railway loading and unloading stations in scenario Ⅰ

（2）方案Ⅱ：在線路終點按三角線的方式設置，方案Ⅱ鐵路裝卸站示意圖如圖6 所示。當空車需要折返時，斷開道岔4、接通道岔3，實現折返；空車可通過道岔5 直接出段；當空車需要入段時，斷開道岔3、接通道岔4，可實現空車入段[7]。

圖6 方案Ⅱ鐵路裝卸站示意圖Fig.6 Schematic diagram of railway loading and unloading stations in scenario Ⅱ

2個方案對比如下。

（1）方案Ⅰ結構簡單，僅需要1 組道岔，控制方便、造價相對較低。

（2）方案Ⅱ結構復雜，需要多組道岔相互配合實現車輛的折返以及出入段，控制復雜且造價相對較高。

由于每組道岔都有限速要求，道岔越多，限速越嚴重，制約系統的運輸能力，因此，從造價、運輸效率等角度考慮，推薦采用方案Ⅰ。

根據鐵路中轉中心的規劃情況，鐵路中轉中心布置圖如圖7所示。

圖7 鐵路中轉中心布置圖Fig.7 Layout of the railway transit center

3.2 港口端方案

港口裝載是指港口站的集裝箱發往公路中轉中心時，空載貨運動車在港口裝卸點裝載，由港口站出發運往公路中轉中心；港口卸載是指貨運動車到達港口站，在卸載點卸載；空載貨運動車到達港口站，直接通行開往裝載點。

港口貨運動車折返有以下2種方案。

（1）方案Ⅰ：方案Ⅰ港口裝卸站示意圖如圖8 所示，采用單渡線道岔進行過渡，道岔的側向最高通過速度為16 km/h，道岔轉轍時間≤15 s，滿足全線運行節拍的需求。

（2）方案Ⅱ：方案Ⅱ港口裝卸站示意圖如圖9 所示，采用環線方式進行折返，從公路中轉中心過來的貨車經過卸載后，經過環線直接回段，環線曲線半徑50 m。

圖9 方案Ⅱ港口裝卸站示意圖Fig.9 Schematic diagram of port loading and unloading stations in scenario Ⅱ

采用環線折返方案占地較大，會對港區作業產生干擾，因而建議采用方案Ⅰ。

3.3 集裝箱轉運方式技術經濟比較

空軌貨運系統相對于其他的轉運方式，更加經濟、安全和靈活，比較適合港區集裝箱自動化碼頭的運輸體系(固定投入、維護成本，影響運費主要因素為運輸距離和運量)[8]，空軌、接駁船、鐵路、集卡轉運方式性能指標對比如表4所示。

從表4 中可以發現集裝箱空軌貨運系統是一種效率更高、成本更低的運輸方式，且其在運輸過程中無人駕駛，只是在裝卸過程中需要人工參與，可以達到智慧、環保、高效、節能的目的。集裝箱空軌貨運系統適用于陽邏港港區集裝箱貨物在鐵路與港口之間的中短距離轉運，隨著港口集裝箱逐漸增加，可以通過加配貨運動車來實現運輸能力的提高。

表4 空軌、接駁船、鐵路、集卡轉運方式性能指標對比Tab.4 Comparison of performance indicators of air-rail,feeder,railway,and collection truck transportation mode

4 結束語

集裝箱空軌貨運系統可以通過開辟空中通道，提升樞紐承載能力、銜接轉換能力，緩解現有通道不暢及運輸壓力。隨著“一帶一路”倡議的穩步推進，長江黃金水道沿線港口的集裝箱場站建設工程也將越來越多，鐵路貨運站與港口、公路集疏運區之間通過空軌貨運系統實現轉運將大大提高轉運效率，空軌多式聯運通道的建設應用前景廣闊。