集裝箱空軌貨運(yùn)系統(tǒng)裝卸工藝設(shè)計(jì)及應(yīng)用

汪宇亮

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 機(jī)動(dòng)院，湖北 武漢 430063)

0 引言

目前國(guó)內(nèi)集裝箱自動(dòng)化碼頭均無(wú)法實(shí)現(xiàn)鐵水聯(lián)運(yùn)的無(wú)縫轉(zhuǎn)運(yùn)和換裝，在港口建設(shè)規(guī)劃中，由于貨輪的集裝箱運(yùn)輸能力與鐵路的不匹配，往往也無(wú)法在港區(qū)后方直接建設(shè)鐵路貨運(yùn)站，因而需要借助公路集卡運(yùn)輸才能完成碼頭堆場(chǎng)和鐵路站場(chǎng)之間的轉(zhuǎn)運(yùn)，港區(qū)碼頭內(nèi)部存在大量的中轉(zhuǎn)箱需要通過陸路短途運(yùn)輸，港內(nèi)車流復(fù)雜，鐵路與港內(nèi)公路的沖突日益增加，堵車情況時(shí)有發(fā)生。這樣既影響了鐵水聯(lián)運(yùn)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(yùn)輸系統(tǒng)，借助空中軌道系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)港區(qū)各種集裝箱集散點(diǎn)之間的互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)鐵路、水運(yùn)、公路、航空等物流體系之間的有機(jī)銜接，達(dá)到“無(wú)縫化銜接”要求。

集裝箱空軌貨運(yùn)系統(tǒng)作為一種解決多式聯(lián)運(yùn)銜接問題的集疏運(yùn)系統(tǒng)，目前還沒有進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段，青島港規(guī)劃研究階段提出并設(shè)計(jì)了一種多式聯(lián)運(yùn)空軌集疏運(yùn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有運(yùn)行安全可靠、建設(shè)周期短、成本低、線路適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，但如何提高自動(dòng)化程度和裝卸效率，梳理港口和鐵路貨場(chǎng)之間的接駁，并充分利用土地，節(jié)省開支是目前亟需解決的問題[2]。

1 空軌線路概況

武漢陽(yáng)邏港集裝箱空軌貨運(yùn)工程將江北鐵路貨運(yùn)站作為鐵路集裝箱集散地，線路以貨運(yùn)站起點(diǎn)，經(jīng)過江北鐵路線，再跨越索子長(zhǎng)河后沿華能電廠西側(cè)的堤江路內(nèi)側(cè)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(guī)劃的碼頭堆場(chǎng)末端，線路全長(zhǎng)約10.0 km。由于本項(xiàng)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(yùn)輸線，因而線路坡度最大可達(dá)10%，最小曲線半徑為50 m。

集裝箱港分一、二、三作業(yè)區(qū)，其中三作業(yè)區(qū)總體規(guī)劃17 個(gè)集裝箱泊位，將直接助推陽(yáng)邏港達(dá)到500 萬(wàn)TEU 的年吞吐能力。綜合預(yù)計(jì)，初期2025 年空軌貨運(yùn)系統(tǒng)運(yùn)量為30萬(wàn)TEU。

集裝箱空軌集疏運(yùn)系統(tǒng)負(fù)責(zé)港口作業(yè)區(qū)至鐵路貨場(chǎng)之間的集裝箱轉(zhuǎn)運(yùn)，由貨運(yùn)動(dòng)車(指空軌裝載集裝箱的牽引車)、軌道系統(tǒng)、車輛停放與檢修設(shè)施和應(yīng)急救援設(shè)施等組成，集裝箱空軌集疏運(yùn)系統(tǒng)效果圖如圖1 所示，目前研究重點(diǎn)為貨運(yùn)動(dòng)車的選型和轉(zhuǎn)運(yùn)站裝卸布局。

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

2 集裝箱空軌貨運(yùn)動(dòng)車選型研究

2.1 貨運(yùn)動(dòng)車選型

空軌貨運(yùn)動(dòng)車主要由車體、轉(zhuǎn)向架、牽引傳動(dòng)及控制系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)和走行裝置等組成[3]。貨運(yùn)動(dòng)車效果圖如圖2所示。

圖2 貨運(yùn)動(dòng)車效果圖Fig.2 Renderings of freight traction car

（1）走行裝置。貨運(yùn)動(dòng)車擬采用對(duì)稱膠輪型懸掛式單軌車輛，其主要特點(diǎn)是轉(zhuǎn)向架對(duì)稱布置于底部開口的軌道箱型梁內(nèi)，轉(zhuǎn)向架上對(duì)稱設(shè)計(jì)了走行輪和導(dǎo)向輪。車體懸掛裝置通過箱型梁底部開口將車體和轉(zhuǎn)向架連接起來(lái)。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(nèi)的可動(dòng)軌)的水平移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。貨運(yùn)動(dòng)車及膠輪結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 貨運(yùn)動(dòng)車及膠輪結(jié)構(gòu)Fig.3 Freight traction car and rubber

對(duì)稱膠輪型懸掛式單軌車輛的主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)有以下4 點(diǎn)[4]。①運(yùn)行安全。對(duì)稱膠輪式懸掛式單軌車輛，設(shè)計(jì)了橡膠材質(zhì)走行輪和導(dǎo)向輪，其走行機(jī)理與傳統(tǒng)鋼輪鋼軌系統(tǒng)完全不同。在列車運(yùn)行過程中，整個(gè)轉(zhuǎn)向架及運(yùn)行軌道都在箱型軌道梁內(nèi)部，沒有脫軌的可能性，安全可靠。②線路適應(yīng)性強(qiáng)。橡膠材質(zhì)走行輪的粘著性能好，最大坡度可達(dá)6%，能通過的最小曲線半徑可達(dá)25 m，對(duì)復(fù)雜地形有較好的適應(yīng)性，選線容易，可減少拆遷量以及施工期間對(duì)地面交通的影響。③環(huán)境適應(yīng)性好。車輪和軌道置于封閉軌道梁內(nèi)，車輪采用膠輪，受力分散，梁體可吸收振動(dòng)，運(yùn)行噪音低。采用電力牽引，列車運(yùn)行中無(wú)排放，利于保護(hù)城市環(huán)境。橋梁基本采用鋼結(jié)構(gòu)、截面尺寸小，線路和車站可沿道路一側(cè)或中間綠化帶設(shè)計(jì)，對(duì)日照和景觀影響小。由于車輪封閉在箱型軌道梁內(nèi)，受惡劣天氣影響小，當(dāng)遇到雨雪、下霧、冰凍、大水等惡劣天氣時(shí)，可照常運(yùn)營(yíng)，適應(yīng)天氣變化相對(duì)較大的環(huán)境。④施工簡(jiǎn)便。橋梁和軌道梁以鋼結(jié)構(gòu)為主，可實(shí)現(xiàn)工廠預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)組裝，施工難度小，土建工程簡(jiǎn)單，可大大縮短建設(shè)工期[5]。

（2）轉(zhuǎn)向架。轉(zhuǎn)向架由構(gòu)架、橡膠走行輪、橡膠導(dǎo)向輪、驅(qū)動(dòng)裝置、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置、受流裝置、中央吊掛裝置等組成。每個(gè)轉(zhuǎn)向架安裝2 臺(tái)交流電機(jī)，單軸獨(dú)立驅(qū)動(dòng)；采用中央懸吊裝置實(shí)現(xiàn)車體與轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)鉸接。設(shè)置安全鋼索連接吊具和中心銷，確?？哲壺浳锪熊囕d運(yùn)集裝箱時(shí)的安全。

（3）牽引系統(tǒng)。采用變頻變壓逆變器調(diào)速、永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的交流牽引傳動(dòng)系統(tǒng)。此系統(tǒng)與直流電機(jī)相比，構(gòu)成較為簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)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(jī)采用輪轂電機(jī)牽引，對(duì)于空軌列車的單電機(jī)牽引驅(qū)動(dòng)方式來(lái)說(shuō)，輪轂電機(jī)的優(yōu)勢(shì)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電機(jī)輸出軸可以與車輪直接裝配，減少了減速箱、傳動(dòng)齒輪等部件。由于集裝箱空軌貨運(yùn)系統(tǒng)主要進(jìn)行集裝箱的運(yùn)輸，速度要求低，可以適當(dāng)犧牲舒適性來(lái)降低造價(jià)，提高傳動(dòng)效率，并盡量縮小尺寸，因而采用輪轂電機(jī)牽引。

集裝箱空軌貨運(yùn)動(dòng)車作為純電動(dòng)車輛，其功率全部來(lái)源于電機(jī)，為滿足使用需求，牽引系統(tǒng)需從集裝箱重量、最高車速、最大爬坡能力和加速時(shí)間4 個(gè)方面考慮。

根據(jù)本項(xiàng)目特點(diǎn)，全部采用20 ft 標(biāo)準(zhǔn)集裝箱，總質(zhì)量不超過45 t，最高車速30 km/h，最大坡度為10%。牽引力計(jì)算公式為

式中：Ft為貨運(yùn)動(dòng)車驅(qū)動(dòng)力，N；Ttg為電機(jī)轉(zhuǎn)矩，N·m；i0為最終傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比；θ為傳動(dòng)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(yùn)動(dòng)車在空軌上運(yùn)行時(shí)主要阻力有：水平行駛時(shí)車輪的滾動(dòng)阻力和空氣阻力，上坡行駛時(shí)重力坡度方向的阻力，加速行駛時(shí)的加速阻力。集裝箱貨運(yùn)動(dòng)車在行駛時(shí)所有阻力之和為其總阻力。

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

由于集裝箱貨運(yùn)動(dòng)車采用對(duì)稱膠輪，滾動(dòng)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(dǎo)致的，滾動(dòng)阻力計(jì)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(zhì)量來(lái)考慮，合計(jì)45 000 kg，重量合計(jì)45 000×9.8 N；f為摩擦系數(shù)，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(wú)風(fēng)條件下空氣阻力計(jì)算公式為

式中：CD為空氣阻力系數(shù)，本次研究取0.6；A為集裝箱空軌迎風(fēng)面積，m2，按照集裝箱和車身寬(2.44 m)×車身高(2.89 m)來(lái)計(jì)算，取7.051 6 m2；V為貨運(yùn)動(dòng)車速度，m/s，速度目標(biāo)值為30 km/h，即8.33 m/s；ν為迎風(fēng)系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值21.15。

貨運(yùn)動(dòng)車在下坡行駛過程中，集裝箱及貨運(yùn)動(dòng)車的重力坡度方向的分力會(huì)產(chǎn)生加速，反之，在上坡行駛過程中，會(huì)減速。坡度阻力計(jì)算公式為

貨運(yùn)動(dòng)車加速過程中的加速阻力計(jì)算公式為

式中：δ為空軌集裝箱貨運(yùn)動(dòng)車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，與列車旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量有關(guān)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式取1.2；m為質(zhì)量，kg，本次研究按照車輛自重加上集裝箱重量來(lái)考慮，合計(jì)45 000 kg；t為加速時(shí)間，按照集裝箱運(yùn)輸能力及安全考慮，速度從0 到30 km/h，取0.7 m/s2。

根據(jù)公式⑵至公式⑹計(jì)算可得

按最高車速30 km/h，公式⑴兩邊同時(shí)乘以速度并轉(zhuǎn)換單位，可推導(dǎo)出牽引電機(jī)功率Pn計(jì)算公式為

式中：Pn為牽引電機(jī)輸出功率，kW；i0為電機(jī)的傳動(dòng)比率，牽引電機(jī)采用輪轂電機(jī)，電機(jī)輸出軸與車輪直接裝配，無(wú)減速箱傳動(dòng)齒輪等部件，此時(shí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比i0=1。

貨運(yùn)動(dòng)車每個(gè)車輪采用輪轂電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，單個(gè)輪轂電機(jī)的功率計(jì)算公式為

式中：Pn1為單個(gè)車輪牽引電機(jī)輸出功率，kW，4 個(gè)車輪為160.4 kW，由上述計(jì)算可知輪轂電機(jī)可選用額定功率42 kW的電機(jī)。

取最終傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比i0為1，根據(jù)車輪直徑，最高運(yùn)行速度，可得出車輪的最高轉(zhuǎn)速為

式中：nmax為車輛最高轉(zhuǎn)速，r/s。

本次研究輪轂電機(jī)主要參數(shù)如表1所示。

表1 輪轂電機(jī)主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of hub motor

（4）制動(dòng)系統(tǒng)?？紤]到集裝箱空軌貨運(yùn)動(dòng)車需要搬運(yùn)集裝箱通過橋涵的要求，制動(dòng)系統(tǒng)推薦采用液壓方式制動(dòng)，與空氣制動(dòng)進(jìn)行比較，液壓制動(dòng)方式的結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，并且節(jié)省空間。

2.2 貨運(yùn)動(dòng)車編組形式

根據(jù)運(yùn)量預(yù)測(cè)結(jié)果，本線近期(2030 年)、遠(yuǎn)期(2040 年)年貨運(yùn)量分別為25 萬(wàn)TEU、30 萬(wàn)TEU；按每天運(yùn)營(yíng)時(shí)間16 h計(jì)算，本線研究年度近、遠(yuǎn)期單位小時(shí)貨運(yùn)量22 TEU/h、26 TEU/h，近、遠(yuǎn)期運(yùn)用車分別為11列、23列，貨運(yùn)動(dòng)車運(yùn)行交路如圖4所示。

圖4 貨運(yùn)動(dòng)車運(yùn)行交路Fig.4 Operation road map of freight train

根據(jù)初步系統(tǒng)配置方案，本線采用基于無(wú)線通訊的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)貨運(yùn)動(dòng)車2 min 的最小行車間隔。本線輸送能力適應(yīng)情況如表2所示。

表2 輸送能力適應(yīng)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(yùn)量需求。本項(xiàng)目運(yùn)輸能力受限于運(yùn)輸車輛的編組輛數(shù)，近期車輛采用單輛編組，轉(zhuǎn)向架型式為：M+M，項(xiàng)目遠(yuǎn)期采用長(zhǎng)編組(2 輛及以上編組)可將系統(tǒng)年運(yùn)輸能力提高到70萬(wàn)TEU及以上。

2.3 車輛主要參數(shù)及適用條件

車輛主要參數(shù)及適用條件如表3所示。

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

3 集裝箱空軌貨運(yùn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)運(yùn)站裝卸布局研究

本系統(tǒng)起點(diǎn)和終點(diǎn)兩端設(shè)集裝箱裝卸站各一處，起點(diǎn)端一般為鐵路中轉(zhuǎn)端，終點(diǎn)端一般為港口端，裝卸點(diǎn)的設(shè)置均按“到達(dá)卸載、出發(fā)裝載”的原則進(jìn)行布設(shè)。

3.1 鐵路中轉(zhuǎn)中心端方案

鐵路中轉(zhuǎn)中心主要負(fù)責(zé)將從港口運(yùn)輸過來(lái)的集裝箱進(jìn)行卸載，并將空箱裝載至運(yùn)輸系統(tǒng)中，因而在鐵路中轉(zhuǎn)中心站分設(shè)集裝箱裝載點(diǎn)1 處、集裝箱卸載點(diǎn)1 處。貨運(yùn)動(dòng)車經(jīng)過卸載后，在線路終點(diǎn)，空載貨運(yùn)動(dòng)車可選擇回段停放或立即折返并發(fā)往港口站[6]。

貨運(yùn)動(dòng)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(jìn)行過渡，道岔的側(cè)向最高通過速度為16 km/h，道岔轉(zhuǎn)轍時(shí)間≤15 s，滿足全線運(yùn)行節(jié)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(diǎn)按三角線的方式設(shè)置，方案Ⅱ鐵路裝卸站示意圖如圖6 所示。當(dāng)空車需要折返時(shí)，斷開道岔4、接通道岔3，實(shí)現(xiàn)折返；空車可通過道岔5 直接出段；當(dāng)空車需要入段時(shí)，斷開道岔3、接通道岔4，可實(shí)現(xiàn)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(gè)方案對(duì)比如下。

（1）方案Ⅰ結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅需要1 組道岔，控制方便、造價(jià)相對(duì)較低。

（2）方案Ⅱ結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要多組道岔相互配合實(shí)現(xiàn)車輛的折返以及出入段，控制復(fù)雜且造價(jià)相對(duì)較高。

由于每組道岔都有限速要求，道岔越多，限速越嚴(yán)重，制約系統(tǒng)的運(yùn)輸能力，因此，從造價(jià)、運(yùn)輸效率等角度考慮，推薦采用方案Ⅰ。

根據(jù)鐵路中轉(zhuǎn)中心的規(guī)劃情況，鐵路中轉(zhuǎn)中心布置圖如圖7所示。

圖7 鐵路中轉(zhuǎn)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(fā)往公路中轉(zhuǎn)中心時(shí)，空載貨運(yùn)動(dòng)車在港口裝卸點(diǎn)裝載，由港口站出發(fā)運(yùn)往公路中轉(zhuǎn)中心；港口卸載是指貨運(yùn)動(dòng)車到達(dá)港口站，在卸載點(diǎn)卸載；空載貨運(yùn)動(dòng)車到達(dá)港口站，直接通行開往裝載點(diǎn)。

港口貨運(yùn)動(dòng)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(jìn)行過渡，道岔的側(cè)向最高通過速度為16 km/h，道岔轉(zhuǎn)轍時(shí)間≤15 s，滿足全線運(yùn)行節(jié)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(huán)線方式進(jìn)行折返，從公路中轉(zhuǎn)中心過來(lái)的貨車經(jīng)過卸載后，經(jīng)過環(huán)線直接回段，環(huán)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(huán)線折返方案占地較大，會(huì)對(duì)港區(qū)作業(yè)產(chǎn)生干擾，因而建議采用方案Ⅰ。

3.3 集裝箱轉(zhuǎn)運(yùn)方式技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

空軌貨運(yùn)系統(tǒng)相對(duì)于其他的轉(zhuǎn)運(yùn)方式，更加經(jīng)濟(jì)、安全和靈活，比較適合港區(qū)集裝箱自動(dòng)化碼頭的運(yùn)輸體系(固定投入、維護(hù)成本，影響運(yùn)費(fèi)主要因素為運(yùn)輸距離和運(yùn)量)[8]，空軌、接駁船、鐵路、集卡轉(zhuǎn)運(yùn)方式性能指標(biāo)對(duì)比如表4所示。

從表4 中可以發(fā)現(xiàn)集裝箱空軌貨運(yùn)系統(tǒng)是一種效率更高、成本更低的運(yùn)輸方式，且其在運(yùn)輸過程中無(wú)人駕駛，只是在裝卸過程中需要人工參與，可以達(dá)到智慧、環(huán)保、高效、節(jié)能的目的。集裝箱空軌貨運(yùn)系統(tǒng)適用于陽(yáng)邏港港區(qū)集裝箱貨物在鐵路與港口之間的中短距離轉(zhuǎn)運(yùn)，隨著港口集裝箱逐漸增加，可以通過加配貨運(yùn)動(dòng)車來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸能力的提高。

表4 空軌、接駁船、鐵路、集卡轉(zhuǎn)運(yùn)方式性能指標(biāo)對(duì)比Tab.4 Comparison of performance indicators of air-rail,feeder,railway,and collection truck transportation mode

4 結(jié)束語(yǔ)

集裝箱空軌貨運(yùn)系統(tǒng)可以通過開辟空中通道，提升樞紐承載能力、銜接轉(zhuǎn)換能力，緩解現(xiàn)有通道不暢及運(yùn)輸壓力。隨著“一帶一路”倡議的穩(wěn)步推進(jìn)，長(zhǎng)江黃金水道沿線港口的集裝箱場(chǎng)站建設(shè)工程也將越來(lái)越多，鐵路貨運(yùn)站與港口、公路集疏運(yùn)區(qū)之間通過空軌貨運(yùn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)運(yùn)將大大提高轉(zhuǎn)運(yùn)效率，空軌多式聯(lián)運(yùn)通道的建設(shè)應(yīng)用前景廣闊。