一种新型全折叠式集装箱的设计与运用

赵衷彬，刘伟，程苏欣

一种新型全折叠式集装箱的设计与运用

赵衷彬1,2，刘伟2，程苏欣2

（1.北京交通大学 交通运输学院，北京 100044；2.上海海事大学 交通运输学院，上海 201306）

为降低港航企业的集装箱空箱堆存和调运成本，提升全球集装箱市场的供应链效率，加速箱源周转。提出一项空箱储运成本“减肥法”，即设计出一项新型全折叠式标准集装箱及其辅助工具。基于折叠式集装箱和空箱调运领域的参考文献和创新成果，以及《系列1集装箱技术要求和试验方法》，通过Adobe Illustrator和SolidWorks设计出新型全折叠式标准集装箱及其辅助工具各要件的平面图和3D图，并研究其工作机理；借助Workbench对折叠箱进行模拟试验，以研究折叠箱在最大应力和变形量下的强度和刚性。研究表明该折叠箱最大应力（131.75 MPa）和最大变形量（4.1255 mm）均在ISO 1496—1标准容许的范围内，同时折叠状态下的空箱体积仅为普通空箱的三分之一，宜用于码头堆场、集装箱货运站、货主仓库和集装箱班轮等场景。该项发明有助于为港口企业减少空箱的堆存成本、为运输企业降低空箱调运成本、为货主提供充足箱源运输货物，有较好的应用价值。

空箱储运成本；全折叠式集装箱；伸展工具；操作流程

集装箱改变了世界[1]。作为标准化的运输容器，集装箱不仅加快了货物的装卸和周转速度[2]，减少了包装费用和营运费用，而且大大降低了货损货差，因而其应用也越来越广泛。虽然集装箱运拉近了各国之间的距离，但这个小箱子并不常是既满载而去又满载而归的，存储和运输空箱产生的成本即为空箱堆存和调运成本，这给港航企业带来了不小的成本负担。

1 空箱问题分析

因世界各主要贸易地区经济发展水平不同，产业结构差距较大，货物需求变化多样，且运输需求时间具有较强的规律性波动等原因，国际海运集装箱的流量和流向呈现出明显的不对称性。其直接后果是部分国家和地区的港口积压着大量空箱，而另一些港口则集装箱严重短缺。在运输需求的高峰时期，如2005年至2008年，以及当前的COVID-19疫情期间，集装箱运输业甚至出现“一箱难求”和“天价箱”的情况。以中国出口集装箱运价指数年度综合指数CCFI（China Export Container Freight Index）Composite Index为例（见图1），可以看出2006年至2021年中国出口集装箱运价的波动趋势。其中，造成一定时期内集装箱运价上涨的原因之一在于我国出口货量猛增但箱源相对短缺。

在此背景下，研究提出一种新型全折叠式标准集装箱及其配套工具，致力于为在复杂的政治经济博弈以及疫情扰乱全球集运市场供应链的当下提供一个参考思路。

2 研究回顾与方法概述

目前，国内外不少专家学者都做过有关空箱调运和折叠箱的研究。在空箱调运方面，沈二乐和汪传旭[3]在低碳化背景下构建了基于随机机会约束规划的海运空箱调运优化模型；高晓洁等[4]提出并验证了使用折叠式集装箱的空重箱协同运输的经济效益高于其他运输模式；Song等[5]在单一运输方式的前提下，研究了多船多航次的空箱调运优化问题；Xie等[6]在多式联运下研究了内陆铁路与海港班轮联运系统的空箱调运问题，探讨了铁路箱与海运箱的共享与最优调运策略。在折叠式集装箱的应用方面，Wang等[7]通过建立网络流模型以确定班轮运输使用折叠箱的条件；张丽娜等[8]针对空箱调运问题，找出了影响折叠箱使用的关键因素；刘华存等[9]和张志松等[10]分别设计了一种均需通过人力拆除固定杆然后踩压侧壁才能实现折叠的集装箱。

上述研究中，大部分致力于从数学理论模型层面探讨空箱调运问题，也有少部分学者将折叠箱的运用搭配到空箱调运中，具有一定的创新性，但对折叠箱的购置成本和操作成本（折叠与压缩过程产生的人力成本和机械成本等）缺乏考虑。此外，有一部分专业人士设计出了实实在在的折叠箱，但目前都或多或少存在操作复杂、耗时耗力、强度不足、成本较高和容易损坏等问题，难以满足市场需求，推广难度大。随着集装箱运输市场的发展，需要新技术和方法解决空箱难题，提升集装箱运输效益。其中，折叠式集装箱是一个重要的突破口，它具有占用空间资源少、单位存储和运输成本低、运输效率高等显著优势。

注：数据来源于上海航运交易所

该研究与前人不同，并不依赖算法或模型，而是通过对当前市场上的折叠式集装箱进行调研总结和市场需求分析，并在Adobe Illustrator的辅助下结合GB/T 16563—2017《系列1集装箱技术要求和试验方法》等标准和技术规范设计开发出一种新型全折叠式标准集装箱与配套的装卸工具。同时利用Ansys Workbench对折叠箱进行顶吊和堆码试验等项目的仿真模拟，通过测试最大应力和变形量反映折叠箱的强度和刚性，最后对该研究进行归纳总结，并提出思考和展望。

3 新型全折叠式标准集装箱的开发设计

3.1 结构与工作原理

折叠箱压缩的既是空间，也是成本。方案旨在设计出一种全折叠式标准集装箱，由于该箱空箱状态下折叠后的体积减小约三分之一，在有限的场地下可成组堆叠，从而有效降低空箱在码头堆场、集装箱货运站和仓库外场等地的存储成本。当某地出现货运需求增长、箱子短缺时，相较于传统的空箱返程转运，如中欧班列返程时的“满列不满载”和欧亚班轮航线回程时的“满舱不满载”，若采用该新型全折叠式标准集装箱方案，可迅速从另一地通过集装箱船、集运专列、集卡等运输工具一次性调运大量折叠式空箱，以减少运输次数和运输成本。该折叠式集装箱通过配套的“折叠箱液压作业车”实现折叠、伸展和装卸。

该折叠箱的主要技术难点包括折叠转轴装置设计，侧壁卷帘装置设计，液压作业车设计，箱体各要件形状、尺寸设计，箱子自重、载重、箱容和强度等，将逐一介绍。其中，转轴装置既是实现集装箱端壁（箱门）折叠功能的主要装置，也是支撑箱体的关键部件；侧壁卷帘装置为实现集装箱侧壁伸缩提供了解决方法，搭配防渗漏零件保证箱体一定程度的水密性；以上两大装置借助特殊设计的叉槽和液压作业车为折叠箱提供的外力实现伸展和折叠，这是该方案的创新所在。然后利用模拟软件测试折叠箱的强度和可靠性，最后以集装箱伸展过程为例，演示了箱子的操作流程。

3.1.1 转轴与箱门设计

转轴与转轴器是实现集装箱折叠的主要装置。如图2—4所示，在集装箱的四柱分别设置2根转轴，每根转轴的两端连接着转轴器，转轴器置于转轴器包壳内。转轴器包壳整体为一个镂空了四分之一圆柱（柱高=半径）的水平垂直双向开口正方体，包壳内柱表面设计为转轴器滑轨，包壳两侧分别设置一个侧杆卡口，底部和后部各设置一个锁卡卡孔，见图5。

在转轴器内设有锁卡和弹簧装置，两侧分别连接有转轴侧杆，其中在箱体向外一侧的侧杆还连接一转轴手柄与锁孔。锁卡装置类似于通常的门锁，其主要作用是为了使箱子在完全折叠和完全伸展时转轴能够固定不动，从而使整个箱子保持完全折叠或伸展的状态。另外，转轴主杆在箱体朝侧壁方向镂出侧壁卷帘导轨，导轨深度=转轴主杆半径，见图6。

图2 折叠箱伸展状态

图3 折叠箱半折叠状态（折叠过程中）

图4 折叠箱全折叠状态

图5 转轴器包壳

将连接转轴的转轴器置于包壳内，当整个箱体处于完全折叠状态时，两转轴均在水平方向，转轴器被锁卡装置固定（锁卡插入后部卡孔）。当箱体需要伸展时，解锁装置（锁卡收入转轴器内），转轴器沿滑轨滑动，直至锁卡对准滑入底部卡孔，再将转轴器钥匙插入锁孔反转固定装置。此时，集装箱四立柱上分别设置的2根转轴垂直对接，集装箱完全伸展。

为适应折叠箱伸缩要求，箱门需在传统集装箱的基础上做一定程度的改变。以中心转轴器对应的中线为界，将箱门划分为上下2部分，左右各一扇折叠门。门把手和锁杆设置在下半部分，上半部分箱门设计有凹陷存放区，目的是为了在折叠状态下门把手和锁杆正好能够填入凹陷区内，从而实现完全折叠，见图7。

图6 转轴与转轴器

3.1.2 侧壁卷帘与防渗漏装置设计

集装箱侧壁卷帘装置主要由侧壁帘、导轨、卷轴、罩壳（箱顶侧壁帘存放区）、导向和驱动装置，以及固定水密口和水密胶条等部件组成[11-15]，见图8—10。该装置无法靠自身动力驱动卷帘伸展和卷缩，需借助液压作业车施加的外力，这将在3.1.3节中介绍。

首先，箱体两侧的侧壁卷帘下部是固定连接在箱底板上的，并且是水密的。当整个箱体处于折叠状态时，见图10b，侧壁卷帘在自身卷曲拉力作用下全部收缩至罩壳内。当箱体逐渐伸展时，侧壁卷帘将从罩壳内随之慢慢拉出，直至箱体完全伸展，见图10a。同时，在侧壁卷帘左右两端各设置有水密导轨，如3.1.1节所述，导轨置于转轴主杆内，深度为5 cm。

3.1.3 叉槽与液压作业车设计

该折叠式集装箱在整个箱体宽度方向设置有2个平行的箱底叉槽，叉槽长度=集装箱整体宽度= 243.8 cm，叉槽宽度=高度=10 cm；在整个箱体长度方向设置有2个共线的箱顶叉槽，各尺寸与箱底叉槽一致，见图9—10。

图7 箱门示意

图8 侧壁卷帘装置

图9 箱顶与箱底

图10 侧壁卷帘装置箱门视图

液压作业车由水平伸缩液压机、垂直升降液压机、水平支撑臂、水平伸缩杆、上下叉臂，以及后方车辆主体部分等组成，见图11。下叉臂固定不动，连接支撑臂的上叉臂在垂直升降液压机的驱动下做上下运动，在水平伸缩液压机和水平伸缩杆的作用下做水平运动。作业车非工作时上叉臂水平面距下叉臂水平面的垂直距离为40 cm，在集装箱处于完全折叠状态时正好使得上、下叉臂可以插入上、下叉槽，且留有一定余量。上、下叉臂长度为200 cm，宽度为8 cm，高度为8 cm。

3.1.4 尺寸、质量与容积性能设计

根据行业习惯，目前设计的全折叠式标箱外 尺寸同应用最广泛的系列一1CC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种通用箱一致，见表1和表2。

根据ISO 1496—1要求，标准集装箱须通过堆码试验，顶吊试验，顶、底板强度试验，横、纵向刚性试验，叉举试验等试验项目。该研究以40英尺伸展状态的标准式集装箱为例，根据不同试验项目的参数要求，分别设置边界条件，施加载荷。研究过程参考张志松等[10]和王威涛等[16]的试验方法，借助SolidWorks建立3D模型图，然后利用Ansys导入并模拟仿真求解得到静态分析结果，具体操作细节此处不作赘述。

其中，最大应力可反映装备材料的力学属性并用于强度矫正，总变形量反映了箱体结构在施加载荷情况下的刚度。折箱体垂直方向上的最大应力主要集中在转轴装置上，为131.75 MPa，且发生在装置的中间腰部，符合实际情况和规范要求。最大变形发生在箱顶中部朝两端的延伸方向，这是因为折叠箱的箱顶设置有侧壁卷帘存放区，其最大变形量为4.1255 mm，在ISO设计标准容许的范围之内。

图11 液压作业车

表1 全折叠式标准集装箱外尺寸、质量与容积参数

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

表2 全折叠式标准集装箱各主要部件规格参数

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

3.2 操作流程

以集装箱伸展过程为例，见图12。当集装箱处于完全折叠状态时，首先将箱体四柱的转轴装置解锁，锁卡由转轴器包壳的底部卡孔收缩至转轴器内。然后液压作业车的下叉臂对准箱底叉槽前进即叉入，上叉臂在水平伸缩液压机的驱动作用下从箱顶两侧叉入顶部叉槽，垂直升降液压机驱动支撑臂和上叉臂抬升。在这个过程中，箱体四柱上的每4个转轴器带动2根转轴主杆逐渐由水平方向旋转至垂直方向。此时，锁卡沿滑轨滑入转轴器包壳后部卡孔，转轴装置锁定，箱体完全伸展固定。最后，液压作业车上叉臂先抽出，然后倒车，下叉臂抽出，即完成整个伸展过程。该全折叠式集装箱的折叠过程逆向操作上述流程即可。

折叠箱在完全折叠后的空间仅为伸展状态下的三分之一左右，这意味着在相同的堆场面积和空间下可以多堆存相较之原来近2倍的空箱。在相同的集装箱船箱位下也可一次性多运输近2倍的空箱，大大提高了运输效率，有利于节省空箱调运时间和费用，缓解箱源短缺压力，既能满足货主们的运输需求，又使得承运人获得更丰厚的运费收入。

图12 液压作业车操作流程

4 结语

新型全折叠式标准集装箱与配套的液压伸缩作业车操作流程简便，作业灵活，可快速实现箱体的折叠、伸展、堆垛和装卸，宜广泛用于集装箱码头堆场CY（Container Terminal Yard）、集装箱货运站CFS（Container Freight Station）和货主仓库Door等场景。其以压缩空间为出发点提高单次载箱量，从而减少运输次数、节省运输时间，有助于降低因货流不平衡导致的集装箱空箱堆存和调运成本，为集装箱港口、航运、物流等相关企业提效降负，可助力我国“一带一路”发展战略。经模拟仿真试验和市场分析，该折叠箱设计强度高、水密性好、容积性能和载重能力能达到普通标准箱的水平，且外尺寸与ISO系列1标准集装箱一致；同时其各零部件设计制作工艺简单，现有技术能满足生产需求，适合批量投产，有较好的市场前景。

虽然该研究是基于理论层面提出的，相应的设计方法和操作流程，以及与之相关的数据均来自模拟仿真试验，与实际的折叠箱可能会有一定的偏差，但该方案对于中欧班列、班轮和公路集运企业、相关研究机构和集装箱物流装备生产企业而言有一定的参考价值。关于折叠箱的经济和商业性论证还有待深入探讨和更多数据支撑，未来将从这两方面继续努力做进一步研究。

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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

国家自然科学基金（71272219）

赵衷彬（1998—），男，北京交通大学博士生，主要研究方向为交通规划、多式联运和港航物流。