铁路集装箱装卸机械的发展及启示

杨广全，车德慧，李祝锋

(中国铁道科学研究院 运输及经济研究所，北京 100081)

铁路集装箱装卸机械的发展及启示

杨广全，车德慧，李祝锋

(中国铁道科学研究院 运输及经济研究所，北京 100081)

通过分析美国铁路集装箱的传统装卸机械和集装箱装卸机械应用新趋向，西欧铁路和波兰 PCC 多式联运公司的集装箱装卸机械布局和配置，以及我国港口集装箱装卸机械的技术发展概况，为我国铁路集装箱装卸机械的发展提出经验和启示。

铁路；集装箱运输；装卸机械

集装箱运输是铁路货运的主要运输方式之一，我国铁路正在加快发展集装箱运输，公铁联运集装箱办理站的建设面临着装卸设备的技术发展方向、选型及配置问题。通过研究美国、欧洲铁路和我国港口集装箱装卸机械的发展情况，为我国铁路集装箱装卸机械的发展提供启示和参考。

1 美国铁路集装箱装卸机械的发展

1.1 美国铁路集装箱的传统装卸机械

美国铁路多式联运起源于半挂车铁路运输，集装箱出现后才由滚装装卸模式转变为机械装卸，但仍然采用集装箱和半挂车的轮式存储方式。由于储箱区与装卸区分离，在存储区和装卸区之间采用内燃拖车搬运集装箱，装卸机械只起装卸作用，因而采用小跨度的轮胎式集装箱门吊，或正面吊/叉车作为装卸设备[1]。

轮胎式门吊无悬臂 (集装箱无需过支腿)，跨度12.19~18.29 m，跨内通常设置 1 条铁路装卸线、2 条汽车通道，跨内没有集装堆存能力。该门吊起重能力约为 45.36 t，多采用刚性防摇方式。采用轮胎门吊作为主型装卸机械的铁路多式联运车站，通常情况下 2条装卸线间距为 7.9 m 或 9.14 m，由于作业线间有通过道口，易将轮胎式门吊转移到另一条装卸线进行作业。美国典型多式联运站轮胎式门吊如图 1 所示。

正面吊多用于铁铁或公铁换装作业，以正面吊作为辅助装卸机械的多式联运站，其作业通道涵盖汽车通道和轮胎式门吊一侧的走行通道，与轮胎式门吊配合进行换装作业。以正面吊作为主型装卸机械

的多式联运站需要的作业通道宽度 (从装卸线中心至箱位边缘) 应不少于 21.34 m，如果包括装卸线在内，其作业宽度应不少于 22.86 m；如果 2 条装卸线并列位于中间，线间距为 4.57 m，则从装卸线两侧作业需要 45.72 m 的作业宽度。每增加 1 条装卸线及 1 排作业通道需要增加 22.86 m 的宽度。正面吊作为辅助装卸机械铁铁换装作业如图 2 所示。

图1 美国典型多式联运站轮胎式门吊

图2 正面吊作为辅助装卸机械铁铁换装作业

美国多式联运站轮胎式门吊主要采用基于 DGPS的定位和自动驾驶系统，可以使轮胎式门吊在直线和曲线路径上自动行驶，并与机群管理系统进行集成，提升轮胎式门吊自动化水平，为用户实时提供有价值的机械运行数据和性能数据，改进机械维护和事故报告的及时性和准确性。此外，为减少 CO2排放，该系统开发了电池组混合动力系统，采用包括免维护电池组、能源再生技术和专用计算机软件，可以减少 70%燃油消耗，降低设备运行噪声。

1.2 美国铁路集装箱装卸机械应用新趋向

传统美国多式联运站采用轮胎式门吊作业，存在空气污染、存储面积大，足够多的底盘车等缺点。随着社会环境保护意识的增强、美国土地价格的上涨，以及集装箱运量远远超过挂车运量，存储方式由单层轮式变为多层堆垛式，从而产生使用电动轨行式门吊作为装卸机械的需求[2]。为此，美国 BNSF 铁路公司率先在西雅图、孟菲斯多式联运站和堪萨斯州物流中心采用了大跨度、电力驱动的轨行式门吊，创新装卸工艺，增加装卸能力，减少站内对搬运集装箱的内燃卡车需求，减少 CO2排放。

（1）西雅图多式联运站。安装了 4 台单悬臂轨行式门吊，采用 2 线束布置，门吊跨度 46.41 m，悬臂为 7.47 m，门吊下集装箱的箱位有 4 排 (高度可堆 4层)，跨 3 条汽车通道、3 条铁路装卸线，采用可靠的钢丝绳柔性防摇系统。

（2）孟菲斯多式联运站。安装了 8 台高低架轨行式门吊，其中低架门吊 5 台，高架门吊 3 台，通过高低架门吊配合，形成接力式装卸系统。低架门吊采用双悬臂结构，覆盖宽度 79.55 m，用于装卸铁路车辆，覆盖 8 条铁路线，其中跨内 5 条，一端悬臂下3 条 (2 条预留)，跨内 2 条汽车通道 (1 条行驶通道、1 条装卸通道)，另一端悬臂下布置 4 排箱位 (高度可堆 4 层)。高架门吊采用单悬臂结构，覆盖宽度为50.6 m，用于堆存集装箱和装卸汽车，悬臂端与低架门吊的悬臂端重叠，2 种门吊嵌套配合作业，共同覆盖下方的 4 排箱位，跨内覆盖 5 排箱位 (高度可堆5 层) 和 2条汽车通道 (1 条行驶通道、1 条装卸通道)。孟菲斯多式联运站高低架轨行式门吊如图 3 所示。

图3 孟菲斯多式联运站高低架轨行式门吊

（3）堪萨斯州物流中心。安装了 5 台大跨度轨

行式门吊，采用双悬臂结构，覆盖宽度 79.55 m，覆盖 8 条铁路线，其中跨内 5 条，一端悬臂下 3 条 (2 条预留)，跨内 2 条汽车通道 (1 条行驶通道、1 条装卸通道)，另一端悬臂下布置 4 排箱位 (高度可堆 4 层)。大跨度轨行式门吊具有半自动化装卸作业能力，采用了基于主动载荷控制的吊具减摇技术，可以实现吊具和集装箱快速对位；采用回转式小车，回转角度不小于270°；采用智能结构，均衡大车走行轮压；采用能量回馈技术，回收势能，节能降耗；配置门吊远程管理系统，采用该系统对门吊进行全寿命周期管理，快速远程排除故障，并进行性能监视；采用 T 型支腿，柔性支腿与主梁采用销轴连接，提高轨行式门吊对场地的适应性；整机无液压系统，提升了维修可靠性；采用模块化设计，实现专业化生产，降低生产成本，便于运输、组装和维修。堪萨斯州物流中心 5 台大跨度轨行式门吊如图 4 所示。

图4 堪萨斯州物流中心5台大跨度轨行式门吊

2 欧洲铁路集装箱装卸机械的发展

2.1 西欧典型的铁路集装箱装卸机械布局

西欧的铁路多式联运车站面积不大，年办理量 20 万 TEU 的车站占地约 10 hm2，列车长度较短，大都在 750 m 以下，整列装卸线的有效长度多在 720 m以下。长装卸线一般长 600～700 m，可以容纳一整列车；短装卸线一般长 300～400 m，可以容纳半整列车，主要采用集装箱不落地的换装作业方式。

在大中型集装箱办理站 (年办理量在 5 万～10 万TEU 为中型站，10 万～25 万 TEU 为大型站) 采用大跨度集装箱门吊作为装卸机械。跨内设装卸线 3～4条 (法国多为 3 条，德国多为 4 条)、2 条集卡通道、3排箱位，这样布置有利于实现箱不落地直接进行公铁换装和铁铁换装。由于广泛采用箱不落地的换装作业方式，门吊下储箱区的利用率只有 31% 左右，而门吊外储箱区的利用率更是近乎为零 (冷藏集装箱等需要特种服务的集装箱除外)。德国典型多式联运车站如图 5 所示。

图5 德国典型多式联运车站

德国车站装卸机械布局特点：门吊跨下有 4 条装卸线，长 300 m；1 条汽车作业通道；1 条汽车行驶通道；3 排集装箱存放箱位；每条作业线使用 1 台或 2台门吊。法国车站的装卸机械布局略有不同。装卸线按整列车长度考虑，一般为 750 m；门吊跨下一般设置 3 条装卸线；装卸线两端都与正线接驳，列车可从两端进入；除了装卸线之外还设置一定数量的到发线，而且到发线与装卸线成纵列式布置[3]。

2.2 波兰PCC多式联运公司的集装箱装卸机械

波兰 PCC 多式联运公司从 2010 年开始，陆续建立了 5 个多式联运站。车站建设初期，由于集装箱装卸量较少，主要配置正面吊进行装卸，有 2 条铁路装卸线，采用正面吊装卸。当车站年装卸能力达到 10万 TEU 时，车站考虑扩建，采用大跨度轨行式集装箱门吊作为主型装卸机械，正面吊作为辅助装卸机械。波兰 PCC 多式联运站能力及装卸机械配置如表 1所示，其中正面吊均采用 karlmar 的 45 t 正面吊，可以对 2 条相邻的铁路装卸线进行装卸作业，具有预防

维修保养服务能力。

Kutno 多式联运站轨行式门吊采用单悬臂结构，起重能力 41 t，大车走行速度 160 m/min，跨内覆盖4 条铁路装卸线，悬臂下涵盖3排箱位，门吊走形轨道与堆箱区之间的空间满足正面吊装卸作业要求，Kutno 多式联运站轨行式门吊如图 6 所示。

表1 波兰PCC多式联运站能力及装卸机械配置

图6 Kutno多式联运站轨行式门吊

Frankfurt多式联运站的轨行式门吊采用双悬臂结构，额定起重量 41 t，大车走行速度 120 m/min，跨度 70 m，两侧悬臂各覆盖 2 条铁路装卸线，跨内中部涵盖 4 排集装箱箱位 (高度可堆 3 层)，集装箱箱位两侧为正面吊作业通道，形成了以轨行式门吊为主、正面吊为辅的装卸作业模式，Frankfurt 多式联运站轨行式门吊如图 7所示。

图7 Frankfurt多式联运站轨行式门吊

3 我国港口集装箱装卸机械的发展

随着船舶的大型化，为了压缩船舶停港时间，快装快卸是沿海港口码头的典型特征，研发应用了大型化、高效化、专业化、自动化、智能化的装卸机械。双 40 英尺 集装箱岸桥、双小车集装箱岸桥等新型结构的集装箱装卸机械在港口码头得到广泛应用，较大地提高了装卸效率[4-5]。2006 年上海港与振华港机在上港集团振东码头分公司内建成了中国首个集装箱自动化无人堆场，通过图像和激光测量相结合的定位系统，采用新型全自动化高低架轨道门式起重机接力式装卸系统，集装箱堆场的堆垛高度可堆 8 层，较大地提高了堆存能力[6]。2015 年厦门远海自动化码头建成无人化全自动化码头系统，由 3 台自动化双小车岸桥、16 台自动化轨道吊、18 台自动导航运载车、8 台自动化转运平台等电驱动设备组成，由中央控制室计算机控制操作，比传统码头节省能源 25%，碳排放量减少 15%，效率提升 20%~40%，不仅降低了码头用工成本，而且提高了安全作业水平，极大地提高了装卸效率。

另外，在集装箱运输向长江沿线及内河发展的过程中，出现了大量中小型集装箱码头堆场和中转站，如果采用沿海的专业集装箱堆场装卸工艺，必将造成投资增加、经济效益下降，而一般的起重设备又很难完成集装箱装卸、堆码、搬运的工作要求。为此，一种轻型电动轮胎式集装箱门式起重机应用四卷筒控制

技术，将驱动装置和卷筒安装在门架底梁上，大幅降低小车重量和整机重心，实现了整机结构轻型化，以适应经济性和实用性要求。此外，采用电力驱动和变频调速技术，起升/小车驱动机构采用带 PG (编码器)闭环矢量控制方式，实现了调速、控制一体化[7]。与通用型轮胎式集装箱门吊相比，该设备自重和投资降低了 40%，单箱操作能耗降低约 64%，CO2排放量降低 64%，堆场基础投资降低约 1/3[8]。

4 我国铁路发展集装箱装卸机械的启示

（1）集装箱装卸机械和装卸工艺经济实用。与国外铁路多式联运站的集装箱作业能力相比，我国铁路集装箱办理站规模较小。根据 2015 年对全路 360个有集装箱办理业务车站的统计数据，全年发送箱数569.49 万 TEU，平均每个车站发送箱数 1.58万 TEU。车站年发送箱数超过 10 万 TEU 的 12 个，5 万~10 万TEU 的 16 个，1 万~5 万 TEU 的 89个，0.5 万~1 万 TEU的 64 个，0.1 万~0.5 万 TEU 的 104 个，500~1 000 TEU的 30 个，500 TEU 以下的 45 个。年发送箱数超过 1 万TEU 的 117 个车站占总发送箱数的 87%，年发送箱数小于 1 万 TEU 的243 个车站合计发送箱数占比 13%。由于我国绝大多数铁路集装箱办理站的规模较小，而配置通用型的集装箱装卸机械，投入产出率低，因而需要研制适合铁路中小型货场的经济实用的集装箱装卸机械和装卸工艺。

（2）集装箱装卸机械结构轻量化和模块化。集装箱起重机械的金属结构约占整机成本的 1/3，质量的 40%~70% 甚至更高。科尼、德马格等欧式起重机采用轻型环保材料或低合金高强钢，选择材料时考虑钢材的强度、焊接性和可成型性，采用紧凑性结构或机构等方式，利用力学手段减轻整机重量[9]，降低轮压和能耗。我国港口的轻型电动轮胎式集装箱门式起重机，采用四卷筒控制技术，通过优化整机布置，有效降低了整机重量。此外，美国铁路采用科尼的轨行式门吊，采用模块化设计，降低了设计周期，提高零部件可靠性和互换性，便于运输、组装和维修。我国铁路发展集装箱装卸机械时，应充分考虑轻量化和模块化设计需求，减少设备成本、基础设施投资和运营成本。

（3）集装箱装卸机械自动化、信息化和智能化。集装箱装卸机械发展的自动化趋势较为明显，美国 BNSF 铁路公司采用基于 DGPS 的定位和自动驾驶系统，提高轮胎式集装箱门吊的自动化装卸能力；轨行式门吊具有的半自动化作业能力，而且实现了设备的在线智能维护。我国港口采用了自动化堆场和无人化全自动码头系统，减少了装卸设备故障停时，压缩了装卸作业时间，降低了人员成本，提高设备利用率。随着我国铁路集装箱运输的加快发展，必将对办理铁路集装箱的货场及装卸机械的自动化、信息化和智能化水平提出更高的技术要求。

（4）集装箱装卸机械维修管理现代化。集装箱装卸机械的管理维修，应探索改变定期计划维修制度，采用预知维修管理方式和在线智能维护技术。应用预知维修管理方法，可及时发现设备技术状况的潜在变化，以便在故障发生前安排修理；也可提前做好维修准备，减少因维修停机而带来的生产损失；还能延长修理间隔期，减少修理次数，提高利用率，降低维修费用；更有利于缩编维修队伍，以推进设备维修向集团化、社会化发展。

（5）集装箱装卸机械节能环保。国外铁路和我国港口集装箱装卸机械发展均注重节能环保技术，如美国铁路轮胎式集装箱门吊向电动轨行式门吊发展，我国港口集装箱装卸机械采用“油改电”技术，集装箱起重机械采用能源回馈技术等。因此，铁路集装箱门吊或固定式的集装箱装卸设备应以电力驱动为主，探索应用能量回馈技术，内燃驱动的集装箱装卸机械探索采用清洁燃料或电力驱动，研究节能低碳的装卸工艺方案，以节能降耗，减少 CO2排放。

5 结束语

集装箱多式联运是铁路现代物流的重要组成部分，我国铁路正在加快发展集装箱运输，特别是发展铁路宽体集装箱，存在着集装箱办理站数量不足、装卸机械能力不足等问题。考虑到我国绝大多数铁路集装箱办理站的规模较小，需要开发经济实用的集装箱装卸机械和装卸工艺，集装箱装卸机械的设计应充分

考虑轻量化和模块化需求，兼顾集装箱装卸机械运用管理信息化、维修管理现代化和节能环保等技术要求，为我国铁路集装箱多式联运的发展提供重要支撑。

[1] 杨清波.我国集装箱门式起重机起重能力参数的选择[J].铁道运输与经济，2005，27(4)：68-70.

[2] 杨 磊，杨清波.美国铁路多式联运办理站装卸作业的新模式[J].铁道货运，2009，27(7)：47-49.YANG Lei，YANG Qing-bo.New Model of Loading and Unloading Operation in Railway Inter-model Transport Handling Stations of United States[J].Railway Freight Transport，2009，27(7)：47-49.

[3] 杨清波.集装箱铁路多式联运箱型及办理站[M].北京：中国铁道出版社，2008.

[4] 孙 凯.集装箱码头双 40 英尺岸桥装卸工艺[J].集装箱化，2013，24(7)：17-19.

[5] 周 崎，张 氢，张 勇，等.双小车岸边集装箱起重机自动装卸集装箱的关键技术[J].起重运输机械，2016(3)：70-74.ZHOU Qi，ZHANG Qing，ZHANG Yong，et al.Critical Technology of Automatic Loading and Unloading Container of Dual-trolley Quayside Container Crane[J].Hoisting and Conveying Machinery，2016 (3)：70-74.

[6] 包起帆.集装箱自动化无人堆场[J].上海海事大学学报，2007，28(2)：58-61.BAO Qi-fan.Automated and Unmanned Container Yard[J].Journal of Shanghai Maritime University，2007，28(2)：58-61.

[7] 胡思唐，饶京川，宋志国，等.轻型轮胎式集装箱门式起重机[J].港口装卸，2004(3)：31-33.HU Si-tang，RAO Jing-chuan，SONG Zhi-guo，et al. Light Rubber Tyre Container Gantry Crane[J].Port Operation，2004 (3)：31-33.

[8] 黄 平，刘晋川.轻型电动轮胎式集装箱门式起重机[J].起重运输机械，2009(6)：72-74.HUANG Ping，LIU Jin-chuan.Light Electric-diesel Hybrid Rubber Tyre Container Gantry Crane[J].Hoisting and Conveying Machinery，2009 (6)：72-74.

[9] 程文明，李亚民，张则强.桥式起重机与门式起重机轻量化设计的关键要素[J].中国工程机械学报，2012，10(1)：41-49.CHENG Wen-ming，LI Ya-min，ZHANG Ze-qiang.Criteria on Lightweight Design for Gantry and Overhead Cranes[J]. Chinese Journal of Construction Machinery，2012，10(1)：41-49.

（责任编辑 吕 倩）

Development and Revelation of Railway Container Loading & Unloading Machines

YANG Guang-quan, CHE De-hui, LI Zhu-feng
(Transportation and Economics Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

Through analyzing the traditional loading & unloading machines of American railway container and new trend of the machines application, the layout and configuration of container loading & unloading machines of the west Europe railways and PCC Intermodal S.A, as well as the technical development status of container loading & unloading machines in Chinese ports, this paper puts forward experience and revelation of railway container loading & unloading machines development in China.

Railway; Container Transportation; Loading & Unloading Machines

1004-2024(2016)05-0049-06

F512.4

B

10.16669/j.cnki.issn.1004-2024.2016.05.11

2016-04-26

杨广全 (1977—)，男，陕西渭南人，博士研究生。车德慧 (1960—)，男，广东揭阳人，大学本科。李祝锋 (1986—)，男，山西平陆人，博士研究生。

中国铁路总公司科技研究开发计划重点课题(Z2015-X003)