一種新型全折疊式集裝箱的設(shè)計與運用

趙衷彬，劉偉，程蘇欣

一種新型全折疊式集裝箱的設(shè)計與運用

趙衷彬1,2，劉偉2，程蘇欣2

（1.北京交通大學(xué) 交通運輸學(xué)院，北京 100044；2.上海海事大學(xué) 交通運輸學(xué)院，上海 201306）

為降低港航企業(yè)的集裝箱空箱堆存和調(diào)運成本，提升全球集裝箱市場的供應(yīng)鏈效率，加速箱源周轉(zhuǎn)。提出一項空箱儲運成本“減肥法”，即設(shè)計出一項新型全折疊式標準集裝箱及其輔助工具?；谡郫B式集裝箱和空箱調(diào)運領(lǐng)域的參考文獻和創(chuàng)新成果，以及《系列1集裝箱技術(shù)要求和試驗方法》，通過Adobe Illustrator和SolidWorks設(shè)計出新型全折疊式標準集裝箱及其輔助工具各要件的平面圖和3D圖，并研究其工作機理；借助Workbench對折疊箱進行模擬試驗，以研究折疊箱在最大應(yīng)力和變形量下的強度和剛性。研究表明該折疊箱最大應(yīng)力（131.75 MPa）和最大變形量（4.1255 mm）均在ISO 1496—1標準容許的范圍內(nèi)，同時折疊狀態(tài)下的空箱體積僅為普通空箱的三分之一，宜用于碼頭堆場、集裝箱貨運站、貨主倉庫和集裝箱班輪等場景。該項發(fā)明有助于為港口企業(yè)減少空箱的堆存成本、為運輸企業(yè)降低空箱調(diào)運成本、為貨主提供充足箱源運輸貨物，有較好的應(yīng)用價值。

空箱儲運成本；全折疊式集裝箱；伸展工具；操作流程

集裝箱改變了世界[1]。作為標準化的運輸容器，集裝箱不僅加快了貨物的裝卸和周轉(zhuǎn)速度[2]，減少了包裝費用和營運費用，而且大大降低了貨損貨差，因而其應(yīng)用也越來越廣泛。雖然集裝箱運拉近了各國之間的距離，但這個小箱子并不常是既滿載而去又滿載而歸的，存儲和運輸空箱產(chǎn)生的成本即為空箱堆存和調(diào)運成本，這給港航企業(yè)帶來了不小的成本負擔(dān)。

1 空箱問題分析

因世界各主要貿(mào)易地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平不同，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)差距較大，貨物需求變化多樣，且運輸需求時間具有較強的規(guī)律性波動等原因，國際海運集裝箱的流量和流向呈現(xiàn)出明顯的不對稱性。其直接后果是部分國家和地區(qū)的港口積壓著大量空箱，而另一些港口則集裝箱嚴重短缺。在運輸需求的高峰時期，如2005年至2008年，以及當(dāng)前的COVID-19疫情期間，集裝箱運輸業(yè)甚至出現(xiàn)“一箱難求”和“天價箱”的情況。以中國出口集裝箱運價指數(shù)年度綜合指數(shù)CCFI（China Export Container Freight Index）Composite Index為例（見圖1），可以看出2006年至2021年中國出口集裝箱運價的波動趨勢。其中，造成一定時期內(nèi)集裝箱運價上漲的原因之一在于我國出口貨量猛增但箱源相對短缺。

在此背景下，研究提出一種新型全折疊式標準集裝箱及其配套工具，致力于為在復(fù)雜的政治經(jīng)濟博弈以及疫情擾亂全球集運市場供應(yīng)鏈的當(dāng)下提供一個參考思路。

2 研究回顧與方法概述

目前，國內(nèi)外不少專家學(xué)者都做過有關(guān)空箱調(diào)運和折疊箱的研究。在空箱調(diào)運方面，沈二樂和汪傳旭[3]在低碳化背景下構(gòu)建了基于隨機機會約束規(guī)劃的海運空箱調(diào)運優(yōu)化模型；高曉潔等[4]提出并驗證了使用折疊式集裝箱的空重箱協(xié)同運輸?shù)慕?jīng)濟效益高于其他運輸模式；Song等[5]在單一運輸方式的前提下，研究了多船多航次的空箱調(diào)運優(yōu)化問題；Xie等[6]在多式聯(lián)運下研究了內(nèi)陸鐵路與海港班輪聯(lián)運系統(tǒng)的空箱調(diào)運問題，探討了鐵路箱與海運箱的共享與最優(yōu)調(diào)運策略。在折疊式集裝箱的應(yīng)用方面，Wang等[7]通過建立網(wǎng)絡(luò)流模型以確定班輪運輸使用折疊箱的條件；張麗娜等[8]針對空箱調(diào)運問題，找出了影響折疊箱使用的關(guān)鍵因素；劉華存等[9]和張志松等[10]分別設(shè)計了一種均需通過人力拆除固定桿然后踩壓側(cè)壁才能實現(xiàn)折疊的集裝箱。

上述研究中，大部分致力于從數(shù)學(xué)理論模型層面探討空箱調(diào)運問題，也有少部分學(xué)者將折疊箱的運用搭配到空箱調(diào)運中，具有一定的創(chuàng)新性，但對折疊箱的購置成本和操作成本（折疊與壓縮過程產(chǎn)生的人力成本和機械成本等）缺乏考慮。此外，有一部分專業(yè)人士設(shè)計出了實實在在的折疊箱，但目前都或多或少存在操作復(fù)雜、耗時耗力、強度不足、成本較高和容易損壞等問題，難以滿足市場需求，推廣難度大。隨著集裝箱運輸市場的發(fā)展，需要新技術(shù)和方法解決空箱難題，提升集裝箱運輸效益。其中，折疊式集裝箱是一個重要的突破口，它具有占用空間資源少、單位存儲和運輸成本低、運輸效率高等顯著優(yōu)勢。

注：數(shù)據(jù)來源于上海航運交易所

該研究與前人不同，并不依賴算法或模型，而是通過對當(dāng)前市場上的折疊式集裝箱進行調(diào)研總結(jié)和市場需求分析，并在Adobe Illustrator的輔助下結(jié)合GB/T 16563—2017《系列1集裝箱技術(shù)要求和試驗方法》等標準和技術(shù)規(guī)范設(shè)計開發(fā)出一種新型全折疊式標準集裝箱與配套的裝卸工具。同時利用Ansys Workbench對折疊箱進行頂?shù)鹾投汛a試驗等項目的仿真模擬，通過測試最大應(yīng)力和變形量反映折疊箱的強度和剛性，最后對該研究進行歸納總結(jié)，并提出思考和展望。

3 新型全折疊式標準集裝箱的開發(fā)設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)與工作原理

折疊箱壓縮的既是空間，也是成本。方案旨在設(shè)計出一種全折疊式標準集裝箱，由于該箱空箱狀態(tài)下折疊后的體積減小約三分之一，在有限的場地下可成組堆疊，從而有效降低空箱在碼頭堆場、集裝箱貨運站和倉庫外場等地的存儲成本。當(dāng)某地出現(xiàn)貨運需求增長、箱子短缺時，相較于傳統(tǒng)的空箱返程轉(zhuǎn)運，如中歐班列返程時的“滿列不滿載”和歐亞班輪航線回程時的“滿艙不滿載”，若采用該新型全折疊式標準集裝箱方案，可迅速從另一地通過集裝箱船、集運專列、集卡等運輸工具一次性調(diào)運大量折疊式空箱，以減少運輸次數(shù)和運輸成本。該折疊式集裝箱通過配套的“折疊箱液壓作業(yè)車”實現(xiàn)折疊、伸展和裝卸。

該折疊箱的主要技術(shù)難點包括折疊轉(zhuǎn)軸裝置設(shè)計，側(cè)壁卷簾裝置設(shè)計，液壓作業(yè)車設(shè)計，箱體各要件形狀、尺寸設(shè)計，箱子自重、載重、箱容和強度等，將逐一介紹。其中，轉(zhuǎn)軸裝置既是實現(xiàn)集裝箱端壁（箱門）折疊功能的主要裝置，也是支撐箱體的關(guān)鍵部件；側(cè)壁卷簾裝置為實現(xiàn)集裝箱側(cè)壁伸縮提供了解決方法，搭配防滲漏零件保證箱體一定程度的水密性；以上兩大裝置借助特殊設(shè)計的叉槽和液壓作業(yè)車為折疊箱提供的外力實現(xiàn)伸展和折疊，這是該方案的創(chuàng)新所在。然后利用模擬軟件測試折疊箱的強度和可靠性，最后以集裝箱伸展過程為例，演示了箱子的操作流程。

3.1.1 轉(zhuǎn)軸與箱門設(shè)計

轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)軸器是實現(xiàn)集裝箱折疊的主要裝置。如圖2—4所示，在集裝箱的四柱分別設(shè)置2根轉(zhuǎn)軸，每根轉(zhuǎn)軸的兩端連接著轉(zhuǎn)軸器，轉(zhuǎn)軸器置于轉(zhuǎn)軸器包殼內(nèi)。轉(zhuǎn)軸器包殼整體為一個鏤空了四分之一圓柱（柱高=半徑）的水平垂直雙向開口正方體，包殼內(nèi)柱表面設(shè)計為轉(zhuǎn)軸器滑軌，包殼兩側(cè)分別設(shè)置一個側(cè)桿卡口，底部和后部各設(shè)置一個鎖卡卡孔，見圖5。

在轉(zhuǎn)軸器內(nèi)設(shè)有鎖卡和彈簧裝置，兩側(cè)分別連接有轉(zhuǎn)軸側(cè)桿，其中在箱體向外一側(cè)的側(cè)桿還連接一轉(zhuǎn)軸手柄與鎖孔。鎖卡裝置類似于通常的門鎖，其主要作用是為了使箱子在完全折疊和完全伸展時轉(zhuǎn)軸能夠固定不動，從而使整個箱子保持完全折疊或伸展的狀態(tài)。另外，轉(zhuǎn)軸主桿在箱體朝側(cè)壁方向鏤出側(cè)壁卷簾導(dǎo)軌，導(dǎo)軌深度=轉(zhuǎn)軸主桿半徑，見圖6。

圖2 折疊箱伸展狀態(tài)

圖3 折疊箱半折疊狀態(tài)（折疊過程中）

圖4 折疊箱全折疊狀態(tài)

圖5 轉(zhuǎn)軸器包殼

將連接轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)軸器置于包殼內(nèi)，當(dāng)整個箱體處于完全折疊狀態(tài)時，兩轉(zhuǎn)軸均在水平方向，轉(zhuǎn)軸器被鎖卡裝置固定（鎖卡插入后部卡孔）。當(dāng)箱體需要伸展時，解鎖裝置（鎖卡收入轉(zhuǎn)軸器內(nèi)），轉(zhuǎn)軸器沿滑軌滑動，直至鎖卡對準滑入底部卡孔，再將轉(zhuǎn)軸器鑰匙插入鎖孔反轉(zhuǎn)固定裝置。此時，集裝箱四立柱上分別設(shè)置的2根轉(zhuǎn)軸垂直對接，集裝箱完全伸展。

為適應(yīng)折疊箱伸縮要求，箱門需在傳統(tǒng)集裝箱的基礎(chǔ)上做一定程度的改變。以中心轉(zhuǎn)軸器對應(yīng)的中線為界，將箱門劃分為上下2部分，左右各一扇折疊門。門把手和鎖桿設(shè)置在下半部分，上半部分箱門設(shè)計有凹陷存放區(qū)，目的是為了在折疊狀態(tài)下門把手和鎖桿正好能夠填入凹陷區(qū)內(nèi)，從而實現(xiàn)完全折疊，見圖7。

圖6 轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)軸器

3.1.2 側(cè)壁卷簾與防滲漏裝置設(shè)計

集裝箱側(cè)壁卷簾裝置主要由側(cè)壁簾、導(dǎo)軌、卷軸、罩殼（箱頂側(cè)壁簾存放區(qū)）、導(dǎo)向和驅(qū)動裝置，以及固定水密口和水密膠條等部件組成[11-15]，見圖8—10。該裝置無法靠自身動力驅(qū)動卷簾伸展和卷縮，需借助液壓作業(yè)車施加的外力，這將在3.1.3節(jié)中介紹。

首先，箱體兩側(cè)的側(cè)壁卷簾下部是固定連接在箱底板上的，并且是水密的。當(dāng)整個箱體處于折疊狀態(tài)時，見圖10b，側(cè)壁卷簾在自身卷曲拉力作用下全部收縮至罩殼內(nèi)。當(dāng)箱體逐漸伸展時，側(cè)壁卷簾將從罩殼內(nèi)隨之慢慢拉出，直至箱體完全伸展，見圖10a。同時，在側(cè)壁卷簾左右兩端各設(shè)置有水密導(dǎo)軌，如3.1.1節(jié)所述，導(dǎo)軌置于轉(zhuǎn)軸主桿內(nèi)，深度為5 cm。

3.1.3 叉槽與液壓作業(yè)車設(shè)計

該折疊式集裝箱在整個箱體寬度方向設(shè)置有2個平行的箱底叉槽，叉槽長度=集裝箱整體寬度= 243.8 cm，叉槽寬度=高度=10 cm；在整個箱體長度方向設(shè)置有2個共線的箱頂叉槽，各尺寸與箱底叉槽一致，見圖9—10。

圖7 箱門示意

圖8 側(cè)壁卷簾裝置

圖9 箱頂與箱底

圖10 側(cè)壁卷簾裝置箱門視圖

液壓作業(yè)車由水平伸縮液壓機、垂直升降液壓機、水平支撐臂、水平伸縮桿、上下叉臂，以及后方車輛主體部分等組成，見圖11。下叉臂固定不動，連接支撐臂的上叉臂在垂直升降液壓機的驅(qū)動下做上下運動，在水平伸縮液壓機和水平伸縮桿的作用下做水平運動。作業(yè)車非工作時上叉臂水平面距下叉臂水平面的垂直距離為40 cm，在集裝箱處于完全折疊狀態(tài)時正好使得上、下叉臂可以插入上、下叉槽，且留有一定余量。上、下叉臂長度為200 cm，寬度為8 cm，高度為8 cm。

3.1.4 尺寸、質(zhì)量與容積性能設(shè)計

根據(jù)行業(yè)習(xí)慣，目前設(shè)計的全折疊式標箱外 尺寸同應(yīng)用最廣泛的系列一1CC型20英尺（1英尺=0.3048米）（20 ft×8 ft×8.5 ft）和1AA型40英尺（40 ft×8 ft×8.5 ft）2種通用箱一致，見表1和表2。

根據(jù)ISO 1496—1要求，標準集裝箱須通過堆碼試驗，頂?shù)踉囼灒?、底板強度試驗，橫、縱向剛性試驗，叉舉試驗等試驗項目。該研究以40英尺伸展狀態(tài)的標準式集裝箱為例，根據(jù)不同試驗項目的參數(shù)要求，分別設(shè)置邊界條件，施加載荷。研究過程參考張志松等[10]和王威濤等[16]的試驗方法，借助SolidWorks建立3D模型圖，然后利用Ansys導(dǎo)入并模擬仿真求解得到靜態(tài)分析結(jié)果，具體操作細節(jié)此處不作贅述。

其中，最大應(yīng)力可反映裝備材料的力學(xué)屬性并用于強度矯正，總變形量反映了箱體結(jié)構(gòu)在施加載荷情況下的剛度。折箱體垂直方向上的最大應(yīng)力主要集中在轉(zhuǎn)軸裝置上，為131.75 MPa，且發(fā)生在裝置的中間腰部，符合實際情況和規(guī)范要求。最大變形發(fā)生在箱頂中部朝兩端的延伸方向，這是因為折疊箱的箱頂設(shè)置有側(cè)壁卷簾存放區(qū)，其最大變形量為4.1255 mm，在ISO設(shè)計標準容許的范圍之內(nèi)。

圖11 液壓作業(yè)車

表1 全折疊式標準集裝箱外尺寸、質(zhì)量與容積參數(shù)

Tab.1 Dimensions, weights and volume parameters of fully collapsible standard containers

表2 全折疊式標準集裝箱各主要部件規(guī)格參數(shù)

Tab.2 Specifications and parameters of main components of fully collapsible standard containers cm

3.2 操作流程

以集裝箱伸展過程為例，見圖12。當(dāng)集裝箱處于完全折疊狀態(tài)時，首先將箱體四柱的轉(zhuǎn)軸裝置解鎖，鎖卡由轉(zhuǎn)軸器包殼的底部卡孔收縮至轉(zhuǎn)軸器內(nèi)。然后液壓作業(yè)車的下叉臂對準箱底叉槽前進即叉入，上叉臂在水平伸縮液壓機的驅(qū)動作用下從箱頂兩側(cè)叉入頂部叉槽，垂直升降液壓機驅(qū)動支撐臂和上叉臂抬升。在這個過程中，箱體四柱上的每4個轉(zhuǎn)軸器帶動2根轉(zhuǎn)軸主桿逐漸由水平方向旋轉(zhuǎn)至垂直方向。此時，鎖卡沿滑軌滑入轉(zhuǎn)軸器包殼后部卡孔，轉(zhuǎn)軸裝置鎖定，箱體完全伸展固定。最后，液壓作業(yè)車上叉臂先抽出，然后倒車，下叉臂抽出，即完成整個伸展過程。該全折疊式集裝箱的折疊過程逆向操作上述流程即可。

折疊箱在完全折疊后的空間僅為伸展狀態(tài)下的三分之一左右，這意味著在相同的堆場面積和空間下可以多堆存相較之原來近2倍的空箱。在相同的集裝箱船箱位下也可一次性多運輸近2倍的空箱，大大提高了運輸效率，有利于節(jié)省空箱調(diào)運時間和費用，緩解箱源短缺壓力，既能滿足貨主們的運輸需求，又使得承運人獲得更豐厚的運費收入。

圖12 液壓作業(yè)車操作流程

4 結(jié)語

新型全折疊式標準集裝箱與配套的液壓伸縮作業(yè)車操作流程簡便，作業(yè)靈活，可快速實現(xiàn)箱體的折疊、伸展、堆垛和裝卸，宜廣泛用于集裝箱碼頭堆場CY（Container Terminal Yard）、集裝箱貨運站CFS（Container Freight Station）和貨主倉庫Door等場景。其以壓縮空間為出發(fā)點提高單次載箱量，從而減少運輸次數(shù)、節(jié)省運輸時間，有助于降低因貨流不平衡導(dǎo)致的集裝箱空箱堆存和調(diào)運成本，為集裝箱港口、航運、物流等相關(guān)企業(yè)提效降負，可助力我國“一帶一路”發(fā)展戰(zhàn)略。經(jīng)模擬仿真試驗和市場分析，該折疊箱設(shè)計強度高、水密性好、容積性能和載重能力能達到普通標準箱的水平，且外尺寸與ISO系列1標準集裝箱一致；同時其各零部件設(shè)計制作工藝簡單，現(xiàn)有技術(shù)能滿足生產(chǎn)需求，適合批量投產(chǎn)，有較好的市場前景。

雖然該研究是基于理論層面提出的，相應(yīng)的設(shè)計方法和操作流程，以及與之相關(guān)的數(shù)據(jù)均來自模擬仿真試驗，與實際的折疊箱可能會有一定的偏差，但該方案對于中歐班列、班輪和公路集運企業(yè)、相關(guān)研究機構(gòu)和集裝箱物流裝備生產(chǎn)企業(yè)而言有一定的參考價值。關(guān)于折疊箱的經(jīng)濟和商業(yè)性論證還有待深入探討和更多數(shù)據(jù)支撐，未來將從這兩方面繼續(xù)努力做進一步研究。

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Design and Application of a New Type of Fully Folding Container

ZHAO Zhong-bin1,2, LIU Wei2, CHENG Su-xin2

(1.School of Traffic and Transportation, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 2.College of Transport & Communications, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

The work aims to reduce the empty container storage and repositioning cost of port and shipping enterprises, improve the supply chain efficiency of the global container shipping market and increase the container turnover. A ''lose weight'' method of empty container storage and repositioning cost, namely a new fully folding container and its auxiliary tools, was proposed and designed. Based on the references and innovative achievements in relevant field, as well as ''Series 1 Freight Containers-Specification and Testing'', the planar graph and 3D diagram of this folding container and its auxiliary tools were designed through Adobe Illustrator and SolidWorks. With the help of Workbench, the simulation test of the folding container was conducted to study its strength and rigidity under the maximum stress and deformation. Result showed that the maximum stress of 131.75 MPa and the maximum deformation of 4.1255 mm of the folding container were within the allowable range of ISO 1496—1. At the same time, the volume of the empty container in the folded state was only one-third of that of the ordinary empty container, which was suitable for wharf yard, container freight station, cargo warehouse and container liner. This invention is helpful to reduce the storage cost of empty containers for port enterprises, decrease the repositioning cost of empty containers for liner shipping firms, and provide sufficient container source for shippers to transport cargoes. It has high value of application.

cost of empty container storage and repositioning; fully folding container; stretching tool; operating process

U169

A

1001-3563(2022)05-0179-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.05.025

2021-05-05

國家自然科學(xué)基金（71272219）

趙衷彬（1998—），男，北京交通大學(xué)博士生，主要研究方向為交通規(guī)劃、多式聯(lián)運和港航物流。