集裝箱滾裝托盤物資裝載適箱高度研究

田潤(rùn)良，王 寧，王 泉，冒 云

(1.軍事交通學(xué)院 汽車指揮系，天津300161;2.軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，天津300161;3.66069 部隊(duì)，河北 保定071000;4.94942 部隊(duì)，上海200434)

物資裝載適箱高度作為集裝箱滾裝托盤應(yīng)用的一項(xiàng)重要指標(biāo)，對(duì)提高集裝化運(yùn)輸效率具有至關(guān)重要的作用。集裝箱滾裝托盤物資裝載量、裝卸時(shí)間都不同程度地受到物資裝載適箱高度的制約。按照合理的適箱高度裝載物資不僅能增大物資裝載量，還能縮短物資裝載時(shí)間，進(jìn)一步提高運(yùn)輸保障效率，使集裝化運(yùn)輸優(yōu)勢(shì)得到更大程度的提高，為我軍未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)保障任務(wù)的完成注入新的活力。

1 集裝箱滾裝托盤物資裝載工具

1.1 集裝箱

1C 集裝箱作為我軍優(yōu)選集裝箱型，是我軍集裝化運(yùn)輸中使用最多的集裝箱之一。其尺寸如下［1］:最小外部尺寸為6 058 mm(L)×2 438 mm(H)×2 438 mm(W)，最小內(nèi)部尺寸為5 867 mm(L)×2 197 mm(H)×2 330 mm(W)，最小門框開口尺寸為2 134 mm(H)×2 286 mm(W)。

1.2 整裝卸車

整裝卸車型號(hào)為MZX98-12。

1.2.1 技術(shù)要求

根據(jù)整裝卸車的設(shè)計(jì)要求，在裝載重物資時(shí)，裝載物資重心要盡量靠近滾裝托盤的中垂線上。如果裝載物資重心偏向車頭會(huì)引起轉(zhuǎn)向困難，偏向車尾會(huì)使前輪翹起，造成前輪抓地力不足，這些都會(huì)影響物資運(yùn)輸?shù)陌踩院涂焖傩?。因此，不論采用何種物資堆碼方式，都要求裝載物資重心靠近滾裝托盤中垂線。

1.2.2 技術(shù)參數(shù)

由整裝卸車參數(shù)可確定初始推入時(shí)刻推入角約為30°。吊鉤正好處于圓周運(yùn)動(dòng)的最高點(diǎn)，距地面4 229 mm，距集裝箱水平距離4 299 mm，吊鉤做圓周運(yùn)動(dòng)半徑為2 951 mm，圓心距地面1 278 mm，距集裝箱水平距離4 299 mm。等級(jí)公路裝載質(zhì)量為12 000 kg。吊鉤最大推力允許以0°角將最大額定載荷的滾裝托盤和物資推入集裝箱。一次性裝卸時(shí)間小于30 s［2］。

1.2.3 滾裝托盤

滾裝托盤自質(zhì)量小于2 000 kg，滿載總質(zhì)量小于14 000 kg，長(zhǎng)5 800 mm。掛鉤中心距底端垂直高度為1 570 mm，承載面高度為267 mm，掛鉤中心距托盤前端導(dǎo)輪中心6 008.7 mm，掛鉤中心和導(dǎo)輪中心的連線與托盤底之間的夾角為φ＇(如圖1 所示)［3］。

圖1 滾裝托盤幾何參數(shù)

2 集裝箱滾裝托盤物資裝載模型

由實(shí)際裝載過(guò)程可知，物資裝載可分為物資裝載準(zhǔn)備過(guò)程即滾裝托盤導(dǎo)輪未進(jìn)入集裝箱的裝載過(guò)程與物資箱內(nèi)裝載過(guò)程即滾裝托盤導(dǎo)輪進(jìn)入集裝箱后的裝載過(guò)程。裝載準(zhǔn)備過(guò)程是箱內(nèi)裝載過(guò)程的基礎(chǔ)。物資裝載高度只有在滿足可使?jié)L裝托盤導(dǎo)輪進(jìn)入并接觸集裝箱底的前提條件下，才能使物資進(jìn)一步裝入集裝箱。根據(jù)裝載要求，裝載前整裝卸車停在與集裝箱固定距離的位置，并保證在裝載過(guò)程中位置不變，駕駛員操縱裝載系統(tǒng)，使?jié)L裝托盤按照固定軌跡一次性推入集裝箱內(nèi)。

2.1 物資裝載準(zhǔn)備過(guò)程模型

物資裝載準(zhǔn)備過(guò)程模擬裝載如圖2 所示。以集裝箱底入口為原點(diǎn)，以集裝箱底為X軸，建立直角坐標(biāo)系(如圖3 所示)。

圖2 物資裝載準(zhǔn)備過(guò)程模擬裝載

圖3 物資裝載準(zhǔn)備過(guò)程建模坐標(biāo)

設(shè)集裝箱限制高度為H，長(zhǎng)為L(zhǎng)1，滾裝托盤長(zhǎng)為L(zhǎng)2;A點(diǎn)為吊臂驅(qū)動(dòng)源，B、C為吊臂端點(diǎn)，D為吊鉤，E為滾裝托盤導(dǎo)輪;集裝箱頂Q點(diǎn)與車尾P點(diǎn)構(gòu)成直線PQ，PQ與滾裝托盤夾角為α，PQ與輔助線夾角為α1;吊鉤D點(diǎn)與車尾P點(diǎn)構(gòu)成直線PD，PD與滾裝托盤夾角為α3，與輔助線夾角為α4;滾裝托盤與輔助線夾角為α2。

由物資裝載初始條件，整體自裝卸車、集裝箱及滾裝托盤等參數(shù)可確定:A點(diǎn)坐標(biāo)為(4 229，1 278)、P點(diǎn)坐標(biāo)為(2 458，1 278)、Q點(diǎn)坐標(biāo)為(0，2 134)、AD長(zhǎng)2 951 mm、PQ長(zhǎng)2 603 mm，DC為掛鉤中心距托盤的長(zhǎng)度，DC長(zhǎng)1 570 mm(固定不變)。D點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡是以A為圓心，AD為半徑的圓弧。

設(shè)任意時(shí)刻D點(diǎn)坐標(biāo)(x1，y1)，則

吊鉤D點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡方程為

吊鉤D點(diǎn)與車尾P點(diǎn)距離為集裝箱頂Q點(diǎn)與車尾P點(diǎn)距離為

PQ與輔助線夾角為

滾裝托盤與輔助線夾角為

PD與滾裝托盤夾角為PD與輔助線夾角為PQ與滾裝托盤夾角為

聯(lián)立式(1)—(8)，代入物資可裝載高度h=PQsin α，則

以上方程成立條件為PG+PF≤GE=L2，即

2.2 物資箱內(nèi)裝載過(guò)程模型

物資箱內(nèi)裝載過(guò)程模擬裝載如圖4 所示。以集裝箱底入口為原點(diǎn)，以集裝箱底為X軸，建立直角坐標(biāo)系(如圖5 所示)。

由整體自裝卸車，集裝箱以及滾裝托盤的參數(shù)可確定:A點(diǎn)坐標(biāo)、AD長(zhǎng)為2 951 mm、DE長(zhǎng)為6 008.7 mm;吊鉤D點(diǎn)與滾裝托盤導(dǎo)輪E點(diǎn)構(gòu)成直線DE和滾裝托盤承載面的夾角φ'=15.146°，且固定不變;D點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡是以A點(diǎn)為圓心，AD為半徑的圓弧，后做平行運(yùn)動(dòng)。

設(shè):任意時(shí)刻D點(diǎn)坐標(biāo)(x1，y1)，E點(diǎn)坐標(biāo)(x2，120.5)，滾裝托盤與集裝箱底夾角為θ，DE與集裝箱底夾角為φ。

2.2.1 吊鉤做圓周運(yùn)動(dòng)

D點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡方程為

E點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡方程為

由圖5 中的幾何關(guān)系可得

聯(lián)立式(11)—(14)，代入h=Hcos θ-x2sin θ，得

式中:y0為初始時(shí)刻D點(diǎn)縱坐標(biāo);yt為圓周運(yùn)動(dòng)結(jié)束時(shí)D點(diǎn)縱坐標(biāo)。

2.2.2 吊鉤做平行運(yùn)動(dòng)

D點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡方程為

E點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡方程為

且θ=θt=0°，聯(lián)立式(16)—(17)，代入h=Hcos θ-x2sin θ，得

綜上，物資箱內(nèi)裝載過(guò)程中滾裝托盤可裝載物資高度曲線方程為

綜合集裝箱物資裝載準(zhǔn)備過(guò)程以及物資箱內(nèi) 裝載過(guò)程得集裝箱滾裝托盤物資裝載模型為

將文中的已知數(shù)值代入式(19)，并由Matlab繪制標(biāo)準(zhǔn)1C 集裝箱物資可裝載高度曲線(如圖6所示)。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)1C 集裝箱物資可裝載高度曲線

圖中細(xì)實(shí)線為集裝箱內(nèi)部輪廓，右側(cè)為集裝箱開門側(cè)，虛線為滾裝托盤可裝載高度曲線。綜上，滾裝托盤可裝載物資高度曲線即為圖中集裝箱輪廓線以內(nèi)的虛曲線。

由滾裝托盤物可裝載物資高度曲線得出:只要物資實(shí)際裝載高度處于可裝載物資高度曲線以下就可把物資推入集裝箱;為了提高集裝箱空間利用率，裝載物資的堆碼形狀要接近集裝箱與可裝載高度曲線組成的輪廓形狀。

3 集裝箱滾裝托盤物資裝載實(shí)例應(yīng)用

研究集裝箱滾裝托盤物資裝載適箱高度的目的就是要得到集裝箱滾裝托盤裝載物資高度的特點(diǎn)，根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)選取合適的物資堆碼方式和合理的物資裝載適箱高度，增大物資裝載量，縮短物資裝載時(shí)間，進(jìn)一步提高運(yùn)輸效率，使集裝化運(yùn)輸優(yōu)勢(shì)在實(shí)戰(zhàn)中得到更大限度地發(fā)揮。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)1C 集裝箱輕物資裝載應(yīng)用

輕物資指每立方米質(zhì)量不足333 kg 的物資［4］，這類物資密度小，裝載時(shí)主要受體積限制，且可以混裝而不對(duì)整裝卸車裝載物資重心技術(shù)要求產(chǎn)生影響。軍用物資集裝化運(yùn)輸、貯存和供應(yīng)的運(yùn)輸包裝采用直方體包裝，為了適應(yīng)滾裝托盤物資裝載高度曲線必須分段裝載。

以軍用物資直方體包裝尺寸系列標(biāo)準(zhǔn)［4］為依據(jù)，選取長(zhǎng)度最長(zhǎng)但適應(yīng)性最強(qiáng)的1 200 mm 作為分段基準(zhǔn)。滾裝托盤長(zhǎng)度限制為5 800 mm，最終將滾裝托盤裝載物資分為5 段，其中4 段長(zhǎng)1 200 mm，1段長(zhǎng)600 mm，共計(jì)5 400 mm，其余400 mm 為A 型架和裝載空隙預(yù)留。

由于物資裝載分段為5 段，則共有5 種排列方式，根據(jù)物資可裝載高度曲線，得到最優(yōu)裝載方式結(jié)果見表1(段數(shù)按照由滾裝托盤導(dǎo)輪端到A 型架所在端的順序，高度選取低于物資可裝載高度曲線100 mm 為安全距離)。

表1 物資最優(yōu)裝載方式

由以上結(jié)果得物資最優(yōu)裝載方式即滾裝托盤導(dǎo)輪端到A 型架所在端的順序，裝載物資長(zhǎng)度為1 200、1 200、1 200、1 200、600 mm 的方式裝載量最大，可裝載物資總體積為15.35 m3。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)1C 集裝箱彈藥類重資裝載應(yīng)用

彈藥類重物資具有密度大、在集裝箱滾裝托盤上的裝載一定是同類彈藥按照軍用物資堆碼方式堆放成勻質(zhì)長(zhǎng)方體形狀的特點(diǎn)。這符合整裝卸車對(duì)裝載物資的技術(shù)要求，但其堆放形狀與滾裝托盤裝載曲線的差別決定了其空間利用率不會(huì)很高。對(duì)于這類物資裝載時(shí)的要求載貨量最大為在滿足相關(guān)裝載限制的前提下裝載質(zhì)量最大。由于其裝載為均質(zhì)長(zhǎng)方體，裝載時(shí)不必分段，最需滿足裝載高度在裝載高度曲線的最低點(diǎn)以下，以物資可裝載曲線以下100 mm為安全距離，則裝載高度為990 mm。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文首次對(duì)集裝箱滾裝托盤物資裝載適箱高度問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)研究，對(duì)提高滾裝托盤物資裝載能力具有重要意義。通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型的方法對(duì)集裝箱滾裝托盤適箱高度進(jìn)行定量研究。在模型基礎(chǔ)上，結(jié)合軍用物資直方體包裝標(biāo)準(zhǔn)，給出具體的物資裝載方法和高度限制，為實(shí)際應(yīng)用提供依據(jù)。在實(shí)際裝載過(guò)程建立模型，普適性強(qiáng)，可根據(jù)實(shí)際情況改變模型參數(shù)，適應(yīng)更加復(fù)雜條件下的裝載情況。

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