適合于海陸聯(lián)運(yùn)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(guò)海上、鐵路和公路運(yùn)輸?shù)募b箱內(nèi)的受力情況，給出卷鋼橫向、縱向和垂向慣性力的計(jì)算方法，并確定C11型集裝箱船、鐵路和公路聯(lián)合運(yùn)輸過(guò)程中卷鋼的橫向、縱向和垂向慣性加速度。通過(guò)對(duì)卷鋼進(jìn)行水平移動(dòng)和翻轉(zhuǎn)平衡分析，給出2卷卷鋼（每卷卷鋼的質(zhì)量為10?t）在集裝箱內(nèi)的系固方案并進(jìn)行系固平衡校核，為卷鋼在集裝箱海陸聯(lián)運(yùn)過(guò)程中的系固方案提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：

卷鋼;?集裝箱;?海陸聯(lián)運(yùn);?系固方案;?平衡校核

中圖分類號(hào)：U693

文獻(xiàn)標(biāo)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(xiàng)目：

國(guó)家自然科學(xué)基金（51709032）;中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)（3132017113）;遼寧省自然科學(xué)基金（2019-ZD-0149）;

遼寧省博士科研啟動(dòng)基金（201601076）

作者簡(jiǎn)介：

黃崗（1981—），男，河北張家口人，講師，碩士，研究方向?yàn)檩d運(yùn)工具運(yùn)用工程，（E-mail）bobhuanggang@126.com

0?引?言

國(guó)際貿(mào)易中，貨物通常需采用船舶、汽車和火車等運(yùn)輸。目前海上運(yùn)輸卷鋼多采用散裝方式，而鐵路、公路運(yùn)輸卷鋼多采用敞車和平車運(yùn)輸。散裝運(yùn)輸過(guò)程中卷鋼容易受到外界環(huán)境的影響而損壞，海陸交接時(shí)需對(duì)卷鋼進(jìn)行解綁和重新加固，從而導(dǎo)致運(yùn)輸時(shí)間延長(zhǎng)，運(yùn)輸成本提高[1]。隨著世界經(jīng)濟(jì)一體化發(fā)展，利用集裝箱可實(shí)現(xiàn)卷鋼海陸聯(lián)運(yùn)，提高裝卸效率，加快貨物周轉(zhuǎn)，降低運(yùn)輸成本，保證卷鋼質(zhì)量。另外，集裝箱運(yùn)輸卷鋼可實(shí)現(xiàn)一次托運(yùn)、一次計(jì)費(fèi)、一張單證和一次保險(xiǎn)，提升了運(yùn)輸和通關(guān)效率，簡(jiǎn)化了貨運(yùn)委托程序[2]。因此，利用集裝箱運(yùn)輸卷鋼是未來(lái)卷鋼運(yùn)輸發(fā)展的趨勢(shì)。

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?？紤]到普通集裝箱使用廣泛，可裝載卷鋼尺度范圍大，隨時(shí)可進(jìn)行裝掏箱作業(yè)且不用考慮空箱返回等優(yōu)點(diǎn)[3]，本文主要研究普通集裝箱裝載卷鋼的系固問(wèn)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(shí)際的集裝箱運(yùn)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(nèi)的系固通常采用各公司的習(xí)慣做法或參考已有的運(yùn)輸經(jīng)驗(yàn)，而缺少標(biāo)準(zhǔn)的系固方法，也鮮有相應(yīng)的理論計(jì)算支撐，因而在運(yùn)輸過(guò)程中因系固不足而造成的卷鋼、集裝箱、運(yùn)輸車輛或船舶受損甚至人員受傷等事故時(shí)有發(fā)生。因此，分析在海陸聯(lián)運(yùn)過(guò)程中集裝箱內(nèi)卷鋼的受力，確定卷鋼縱向、橫向和垂向最大加速度，并對(duì)其系固方案進(jìn)行平衡校核，判斷是否滿足要求，為卷鋼在集裝箱海陸聯(lián)運(yùn)過(guò)程中的系固方案提供理論指導(dǎo)。

1?慣性力計(jì)算

1.1?海上慣性力

船舶在海上航行時(shí)甲板上貨物所受外力包括慣性力、風(fēng)壓力和波濺力[5]，由于集裝箱內(nèi)卷鋼不受風(fēng)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(zhì)量與加速度的乘積）。假定卷鋼在集裝箱內(nèi)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(zhì)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(jù)中國(guó)船級(jí)社《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》[6]，ax、ay和az計(jì)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(jì)算位置點(diǎn)與基線的垂向距離，m;

zrp為橫搖轉(zhuǎn)動(dòng)軸和縱搖轉(zhuǎn)動(dòng)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(jì)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(qū)系數(shù);C為與船長(zhǎng)有關(guān)的系數(shù);L為船長(zhǎng)，m;

v是最大服務(wù)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(zhuǎn)動(dòng)半徑（m），hGM為計(jì)算工況下的初穩(wěn)心高度（m）;

k為系數(shù)，與船舶減搖裝置有關(guān);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(shù)。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(jì)算位置點(diǎn)到尾垂線的縱向距離，m;y為計(jì)算位置點(diǎn)到縱中剖面的橫向距離，m。

國(guó)際多式聯(lián)運(yùn)規(guī)范[7]《IMO/ILO/UNECE貨物運(yùn)輸單元裝載規(guī)則》（以下簡(jiǎn)稱《CTU規(guī)則》）建議海上運(yùn)輸貨物加速度采用重力加速度與具體加速度系數(shù)的乘積表示。《CTU規(guī)則》給出了海上運(yùn)輸各個(gè)方向上的加速度，見(jiàn)表1。

1.2?鐵路慣性力

鐵路運(yùn)輸集裝箱時(shí)，每個(gè)集裝箱都與鐵路車輛處于緊固狀態(tài)，因此集裝箱及其內(nèi)部的貨物會(huì)受到與鐵路車輛相同的慣性力作用。鐵路車輛在啟動(dòng)、剎車或連接時(shí)都會(huì)對(duì)集裝箱內(nèi)貨物產(chǎn)生較大的沖擊力，尤其是在車輛遇到緊急情況急剎車時(shí)，集裝箱內(nèi)貨物產(chǎn)生的慣性力很大，貨物很容易出現(xiàn)移動(dòng);貨物受到的最大縱向慣性力發(fā)生在調(diào)車時(shí)車輛之間的相互沖擊[8]。

根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行的《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》[9]的相關(guān)規(guī)定，運(yùn)輸過(guò)程中作用于貨物上的各種力（運(yùn)輸速度v≤120?km/h，調(diào)車連掛速度≤5?km/h）計(jì)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(zhì)量，t。當(dāng)對(duì)貨物進(jìn)行柔性加固時(shí)，

T0=0.001?2Q2T-0.32QT+29.85（4）

式中：QT為重車總質(zhì)量，t。當(dāng)130?t150?t時(shí)

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(fù)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(guī)則》提供的鐵路運(yùn)輸縱向、橫向加速度都為0.5g。

1.3?公路慣性力

公路運(yùn)輸中，集裝箱與底盤車連接，在車輛加速、減速和轉(zhuǎn)向過(guò)程中，集裝箱及其內(nèi)部貨物都會(huì)受到慣性力影響，尤其是車輛在高低不平的路面上行駛時(shí)，整個(gè)集裝箱會(huì)受到很大的振動(dòng)，集裝箱內(nèi)的貨物也會(huì)受振動(dòng)影響而產(chǎn)生較大的慣性力。由于公路集裝箱運(yùn)輸缺少相應(yīng)的計(jì)算慣性力的方法，而公路運(yùn)輸時(shí)集裝箱所受的慣性力與鐵路運(yùn)輸時(shí)的相似，因此吳麗麗[10]、侯棟梁[11]和曹剛[12]等對(duì)公路運(yùn)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(jì)算公式?！禖TU規(guī)則》提供的公路運(yùn)輸各個(gè)方向的加速度見(jiàn)表2。

以上為鐵路和公路集裝箱運(yùn)輸貨物所受到的慣性力計(jì)算方法以及《CTU規(guī)則》規(guī)定的加速度，與海上慣性力的計(jì)算結(jié)果比較，不難發(fā)現(xiàn)公式中的T0、N0和P0其實(shí)就是慣性加速度，因此確定慣性加速度是關(guān)鍵。

2?慣性加速度的確定

海上慣性加速度的計(jì)算選取某C11型集裝箱船的危險(xiǎn)位置點(diǎn)：甲板上第8層（ISO標(biāo)準(zhǔn)箱堆碼設(shè)計(jì)能力只能達(dá)到8層）、船首或船尾0.2L處[1]。C11型集裝箱船主要參數(shù)見(jiàn)表3。

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

根據(jù)以上計(jì)算可知，卷鋼所受的最大橫向慣性力和最大垂向慣性力發(fā)生在海上運(yùn)輸時(shí)，最大縱向慣性力發(fā)生在鐵路或公路運(yùn)輸時(shí)，這與實(shí)際情況相符：海上運(yùn)輸卷鋼時(shí)，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(yùn)輸卷鋼時(shí)，由于啟動(dòng)、急剎車或調(diào)車時(shí)鐵路車輛之間的沖擊產(chǎn)生的縱向慣性力更大。

對(duì)比《CTU規(guī)范》推薦的貨物運(yùn)輸各個(gè)方向加速度、用中國(guó)船級(jí)社《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》和我國(guó)《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》中計(jì)算方法得到的集裝箱裝載卷鋼在海陸聯(lián)運(yùn)過(guò)程中的加速度可知：海上運(yùn)輸時(shí)，《CTU規(guī)范》確定的各個(gè)方向上的加速度比用《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》中計(jì)算方法得到的各值都大;鐵路運(yùn)輸時(shí)，橫向加速度《CTU規(guī)則》規(guī)定值大，縱向加速度我國(guó)《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》計(jì)算值大，垂向加速度《CTU規(guī)則》沒(méi)有規(guī)定;公路運(yùn)輸時(shí)，由于缺少相應(yīng)的計(jì)算慣性力的方法，本文采用《CTU規(guī)則》的規(guī)定值。為確保卷鋼在集裝箱內(nèi)進(jìn)行海陸聯(lián)運(yùn)時(shí)的安全，取其中的較大者作為卷鋼系固應(yīng)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(jiàn)表5。

3?卷鋼系固平衡分析

在海陸聯(lián)運(yùn)過(guò)程中，卷鋼在集裝箱內(nèi)所受的慣性

力或力矩可以產(chǎn)生4種運(yùn)動(dòng)[13]：（1）向左、右兩側(cè)橫向移動(dòng);（2）向前、后兩端縱向移動(dòng);（3）向左、右兩側(cè)橫向翻轉(zhuǎn);（4）向前、后兩端縱向翻轉(zhuǎn)。

3.1?水平移動(dòng)平衡分析

水平移動(dòng)包括向左、右兩側(cè)的橫向移動(dòng)和向前、后兩端的縱向移動(dòng)。為防止集裝箱內(nèi)的卷鋼受到慣性力而發(fā)生水平移動(dòng)，必須對(duì)卷鋼進(jìn)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(yùn)輸過(guò)程中的安全。然而，任何系固和綁扎設(shè)備都不能達(dá)到最大系固強(qiáng)度，通常在計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮一安全因數(shù)?！敦浳锵倒淌謨?cè)編制指南》[15]中規(guī)定此安全因數(shù)為1.5，同時(shí)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(jìn)行水平移動(dòng)平衡分析時(shí)，將計(jì)算所得的約束力除以安全因數(shù)1.5，可得卷鋼的水平移動(dòng)平衡

表達(dá)式：

ma≤（μmg+Fl+Fs）/1.5

式中：m為卷鋼質(zhì)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(shù)，卷鋼與木材之間的摩擦因數(shù)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(nèi)系環(huán)的系固力，因此該系固力最大為集裝箱系環(huán)的最大系固力，每個(gè)系環(huán)的最大系固力為10?kN）;Fs為木條的支撐力，?kN

[6]中國(guó)船級(jí)社.?鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范2015：?第2分冊(cè)[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(yùn)輸裝載加固的技術(shù)條件分析[J].?鐵道運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)，?2007（10）：?61-62.

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

[10]吳麗麗.?重大件公路運(yùn)輸若干問(wèn)題的研究[D].?哈爾濱：?東北林業(yè)大學(xué)，?2007.

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

[12]曹剛.?大件物流運(yùn)營(yíng)與組織問(wèn)題研究[D].?成都：?西南交通大學(xué)，?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(zhǎng)沙：?中南大學(xué)，?2008.

[15]中國(guó)船級(jí)社.?貨物系固手冊(cè)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）