楊廣全，楊 旭

(1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所，北京 100081；2.中國國家鐵路集團(tuán)有限公司 貨運(yùn)部，北京 100844)

國家“公轉(zhuǎn)鐵”政策及鐵路大宗貨物“散改集”舉措連續(xù)推動鐵路集裝箱發(fā)送量快速增長，2020 年鐵路集裝箱發(fā)送量為2 241.5 萬TEU、4.58 億t，分別比2019 年增長26.9%，37.0%，根據(jù)2019 年中國國家鐵路集團(tuán)有限公司印發(fā)的《鐵路集裝箱運(yùn)輸發(fā)展規(guī)劃》，到2025 年鐵路集裝箱發(fā)送量約為7 600 萬TEU，未來鐵路集裝箱發(fā)展空間巨大[1]。為促進(jìn)鐵路集裝箱業(yè)務(wù)快速增長，將既有鐵路中小型貨場改造為集裝箱辦理站、同時(shí)提升辦理站集裝箱裝卸能力是支撐集裝箱發(fā)送量增長的有效途徑。目前，集裝箱裝卸機(jī)械主要分為集裝箱門吊和集裝箱正面吊2 種型式，由于集裝箱正面吊起吊能力大、堆碼層數(shù)高、機(jī)動靈活等特點(diǎn)，已經(jīng)成為鐵路集裝箱辦理站主型裝卸機(jī)械的首選。為滿足配置合理、性能穩(wěn)定、功能適用的要求，在回顧集裝箱正面吊產(chǎn)生和技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)上，探討鐵路集裝箱正面吊的技術(shù)發(fā)展方向，為我國鐵路集裝箱正面吊的技術(shù)發(fā)展提供參考。

1 集裝箱正面吊技術(shù)發(fā)展概況

1.1 集裝箱正面吊技術(shù)發(fā)展及鐵路行業(yè)應(yīng)用

世界第1 臺集裝箱正面吊由意大利百樂提公司于20 世紀(jì)70 年代后期設(shè)計(jì)制造，具體型號為B75 型集裝箱正面吊，奠定了集裝箱正面吊的整機(jī)結(jié)構(gòu)型式，由輪式底盤、框架式車架、二級伸縮臂架和伸縮式吊具等組成，以柴油機(jī)為動力，采用液力機(jī)械傳動方式[2]。20 世紀(jì)80 年代之后，集裝箱正面吊技術(shù)逐步成熟，國外知名公司逐漸開始生產(chǎn)集裝箱正面吊，陸續(xù)提高了集裝箱正面吊技術(shù)參數(shù)，并在基本配置和外觀造型設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行完善。與B75 型集裝箱正面吊相比，技術(shù)提升后的集裝箱正面吊可滿足高2 896 mm的5層堆碼要求，起重量為41 ～ 45 t；采用了箱型梁結(jié)構(gòu)型式車架；俯仰油缸實(shí)現(xiàn)下支點(diǎn)前移，優(yōu)化了油缸受力；二級伸縮臂架采用滑塊支承結(jié)構(gòu)；吊具具備減搖功能，提高了集裝箱作業(yè)穩(wěn)定性；同時(shí)在液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、制動、轉(zhuǎn)向等方面進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)。由于集裝箱正面吊優(yōu)良的作業(yè)性能，在歐美鐵路多式聯(lián)運(yùn)站得到了廣泛的應(yīng)用。在美國作業(yè)量較大的鐵路多式聯(lián)運(yùn)站，集裝箱正面吊作為輔助裝卸機(jī)械，多用于鐵鐵或公鐵換裝作業(yè)；在作業(yè)量較小的鐵路多式聯(lián)運(yùn)站，集裝箱正面吊作為主型機(jī)械，用于集裝箱裝卸作業(yè)。在西歐鐵路多式聯(lián)運(yùn)站，當(dāng)集裝箱裝卸量較小時(shí)，主要配置集裝箱正面吊進(jìn)行裝卸，當(dāng)車站年裝卸能力達(dá)到10 萬TEU 時(shí)，集裝箱門吊作為主型裝卸機(jī)械，集裝箱正面吊作為輔助裝卸機(jī)械。

我國鐵路行業(yè)最早于1990 年引進(jìn)歐洲集裝箱正面吊進(jìn)行集裝箱裝卸作業(yè)，由于存在購置成本偏高、配件依賴進(jìn)口、維修成本高、維修不及時(shí)等問題，未能在鐵路集裝箱場站進(jìn)行廣泛應(yīng)用，仍然以集裝箱門吊作業(yè)為主。近年來，隨著我國鐵路大力發(fā)展集裝箱運(yùn)輸及集裝箱正面吊國產(chǎn)化技術(shù)趨于成熟，集裝箱正面吊的購置和運(yùn)用成本逐漸降低，在鐵路貨場得到廣泛應(yīng)用。截至2019 年12 月，中國鐵路國家集團(tuán)有限公司擁有集裝箱正面吊322 臺。目前在鐵路貨場應(yīng)用的集裝箱正面吊主要為標(biāo)準(zhǔn)型正面吊，起重能力均為45 t，起升高度15 100 mm，采用伸縮式集裝箱吊具，適合20 ft，40 ft 國際標(biāo)準(zhǔn)集裝箱和我國內(nèi)陸標(biāo)準(zhǔn)(系列2)集裝箱裝卸。吊具與臂架頭部之間普遍設(shè)置減搖油缸，減少正面吊啟動、制動和行駛時(shí)集裝箱晃動，提高集裝箱作業(yè)穩(wěn)定性。隨著起重量的提高，發(fā)動機(jī)、變速箱、驅(qū)動橋等配置標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步提升，相應(yīng)也提高了正面吊對第1 排最高層及第2 排和第3 排箱隔箱作業(yè)的能力。

1.2 鐵路集裝箱正面吊技術(shù)參數(shù)對比

標(biāo)準(zhǔn)集裝箱正面吊是針對港口集裝箱裝卸作業(yè)工況設(shè)計(jì)的裝卸機(jī)械，可實(shí)現(xiàn)集裝箱5 層堆碼。而在集裝箱作業(yè)量較大的鐵路貨場一般堆碼3 層，集裝箱作業(yè)量較小的中小型貨場堆碼1 層或2 層，標(biāo)準(zhǔn)正面吊涵蓋了鐵路集裝箱作業(yè)所有工況，一定程度形成富余的裝卸作業(yè)能力。通過對鐵路貨場應(yīng)用的主型標(biāo)準(zhǔn)正面吊型號進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，部分主型標(biāo)準(zhǔn)正面吊的技術(shù)參數(shù)對比情況如表1 所示。在滿足正面吊經(jīng)濟(jì)合理配置的前提下，研究設(shè)計(jì)適用于鐵路中小型貨場作業(yè)工況的專用正面吊，采用合理的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)，統(tǒng)一零部件供應(yīng)和保養(yǎng)維修標(biāo)準(zhǔn)，有助于進(jìn)一步降低正面吊購置運(yùn)用維修成本，符合中小型貨場的現(xiàn)實(shí)需要。

1.3 新型集裝箱正面吊技術(shù)探索

為適應(yīng)綠色發(fā)展要求，減少碳排放，降低企業(yè)投入成本，同時(shí)適應(yīng)集裝箱作業(yè)場地條件，近年來國內(nèi)外相關(guān)企業(yè)陸續(xù)研發(fā)了輕型可變軸距、混合動力、動力分配優(yōu)化、純電動等節(jié)能環(huán)保的集裝箱正面吊技術(shù)。

（1）輕型可變軸距技術(shù)。輕型可變軸距正面吊采用輕量化設(shè)計(jì)，相對標(biāo)準(zhǔn)機(jī)型，整機(jī)重量減輕了8 t，能較大幅度地降低設(shè)備油耗，減輕對地面的輪壓，提高場地使用壽命；可自動變換軸距的設(shè)計(jì)使正面吊的最大可變軸距達(dá)2.5 m，能夠承擔(dān)不同工況下的作業(yè)，大幅減少設(shè)備自重和轉(zhuǎn)彎半徑；利用電液控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高效的吊具、吊臂伸縮、吊臂俯仰三聯(lián)動功能，提高作業(yè)效率和精準(zhǔn)度；配備了復(fù)合油缸可進(jìn)行能量回收，節(jié)約能耗，降低綜合使用成本。

（2）混合動力正面吊技術(shù)?；旌蟿恿φ娴鮿恿ο到y(tǒng)由柴油發(fā)動機(jī)直接驅(qū)動發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)行駛系統(tǒng)電氣化驅(qū)動，液壓起升系統(tǒng)由電動機(jī)直接驅(qū)動；配備能量儲存裝置超級電容能源可再生系統(tǒng)，用于回收和儲存能源，滿足牽引、提升等操作需求，其油耗僅為8 ～ 10 L/h，具有顯著的環(huán)保和節(jié)支優(yōu)勢[3]。

（3）動力分配優(yōu)化技術(shù)。與標(biāo)準(zhǔn)正面吊配備的11 L 或13 L 發(fā)動機(jī)相比，ECO 環(huán)保型正面吊選用8 L發(fā)動機(jī)，將沃爾沃發(fā)動機(jī)、德納力士多HVT 無級變速箱和智能液壓系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)智能化的動力優(yōu)化和精準(zhǔn)分配，可降低燃料消耗和噪音，節(jié)油總量20% ～ 40%；而Gloria 正面吊 則 采用K-Motion 動力方案，將靜壓技術(shù)和機(jī)械技術(shù)相結(jié)合，顯著提高了變速箱效率，使用小型功率發(fā)動機(jī)，可減少高達(dá)40%的燃油能耗和廢氣排放。其中，K-Motion 動力方案的智能控制系統(tǒng)在低速和高速模式下均能提升精確度，通過分散動力提供整體驅(qū)動來提升效率[4]。

表1 部分主型標(biāo)準(zhǔn)正面吊的技術(shù)參數(shù)對比情況Tab.1 Comparison of technical parameters of some main container reach stackers

（4）純電動正面吊技術(shù)。隨著電池組技術(shù)的逐步成熟，正面吊生產(chǎn)廠家開始研制應(yīng)用純電動正面吊，探索應(yīng)用各種新技術(shù)例如采用200 kW 大扭矩驅(qū)動電機(jī)，匹配專用AMT 變速箱、大速比驅(qū)動橋，達(dá)到最大牽引力300 kN、最高車速25 km/h，運(yùn)用235 kWh大容量免維護(hù)動力電池和雙槍充電技術(shù)，具備勢能回收功能，行駛時(shí)由雙電機(jī)驅(qū)動，無級調(diào)速，換擋沖擊，易于操作；電機(jī)驅(qū)動電控泵系統(tǒng)，動作流量可以精確分配；臂架伸縮、臂架俯仰、吊具動作及行駛由不同電機(jī)驅(qū)動，產(chǎn)生良好的聯(lián)動效果；電池單元適用220V 或380V 電源充電，可匹配不同功率固定式移動電動汽車通用充電樁，充電時(shí)間1.5 h，可續(xù)航6 ～ 8 h。

綜上，應(yīng)用輕型可變軸距、混合動力和純電動正面吊等節(jié)能技術(shù)，輔以能量回收技術(shù)和動力分配優(yōu)化技術(shù)，集成發(fā)展新型集裝箱正面吊，有利于降低集裝箱正面吊綜合運(yùn)用成本，減少空氣污染物排放，適應(yīng)國家低碳綠色環(huán)保發(fā)展目標(biāo)。

2 鐵路集裝箱正面吊技術(shù)發(fā)展方向

隨著國家鐵路大力發(fā)展集裝箱運(yùn)輸業(yè)務(wù)，特別是利用鐵路中小型貨場辦理集裝箱業(yè)務(wù)的發(fā)展方向，需要研發(fā)適合鐵路不同貨場裝卸作業(yè)工況的集裝箱正面吊，在滿足鐵路集裝箱裝卸需求和安全防護(hù)要求的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)整機(jī)輕量化，并符合國家環(huán)保規(guī)定、滿足遠(yuǎn)程監(jiān)控和可靠性要求。

2.1 滿足鐵路集裝箱裝卸需求

根據(jù)《鐵路集裝箱運(yùn)輸發(fā)展規(guī)劃》，鐵路大部分貨運(yùn)站將開辦集裝箱業(yè)務(wù)，并且新增集裝箱辦理站基本為中小型貨場，配置傳統(tǒng)的通用型集裝箱正面吊，投入產(chǎn)出率較低，難以滿足現(xiàn)場實(shí)際需要。因此，研發(fā)配置適合中小型貨場的適用、經(jīng)濟(jì)和可靠的集裝箱正面吊，可以為推進(jìn)鐵路中小型貨場開辦集裝箱業(yè)務(wù)創(chuàng)造條件。

據(jù)抽樣調(diào)查，目前辦理集裝箱業(yè)務(wù)的中小型貨場集裝箱作業(yè)量為60 ～ 80 TEU/d，堆碼高度為2 層，對裝卸作業(yè)效率要求不高，因而集裝箱正面吊的起升高度應(yīng)滿足裝卸敞車和堆碼2 層的需要。鑒于ISO668 最新版集裝箱國際標(biāo)準(zhǔn)將集裝箱總重提高至36 t，鐵路集裝箱正面吊應(yīng)滿足20 ft，40 ft 國際標(biāo)準(zhǔn)集裝箱和我國內(nèi)陸標(biāo)準(zhǔn)(系列2)集裝箱裝卸作業(yè)要求，具有防搖或減搖功能，在集裝箱正面吊前輪中心到軌道中心線≥2 870 mm、起升高度為7 500 mm條件下，吊具起重能力不小于36 t。綜合考慮作業(yè)量、成本和配置，要求鐵路中小型貨場的正面吊的起升速度≥120 mm/s (滿載)，下降速度≥200 mm/s(滿載)；行駛速度≥6 km/h (滿載)和≥12 km/h (空載)。對于鐵路中小型貨場，地面坡度不大，只需要滿足通過平交道口即可，集裝箱正面吊爬坡能力設(shè)計(jì)為≥11.3°(空載) / 8.5°(滿載)。為方便對位作業(yè)和滿足20 ft 集裝箱門對門裝載作業(yè)要求，吊具側(cè)移量按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為±800 mm，吊具回轉(zhuǎn)角度設(shè)置為+105°/-195°。為滿足中小型貨場作業(yè)場地需要，規(guī)定集裝箱正面吊的最小轉(zhuǎn)彎半徑≤8 000 mm，通過可變軸距技術(shù)，可調(diào)節(jié)集裝箱正面吊轉(zhuǎn)彎半徑，增加了集裝箱正面吊對場地條件的適應(yīng)性和作業(yè)靈活性。

2.2 遵守國家環(huán)保規(guī)定

發(fā)動機(jī)是排放指標(biāo)、振動和噪音的重要產(chǎn)生源，是集裝箱正面吊中對環(huán)境影響最大的部件，因而要應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和手段，減少或消除發(fā)動機(jī)工作過程中產(chǎn)生的有害激振力，降低燃油消耗，減少有害氣體排放。生態(tài)環(huán)境部于2020 年12 月發(fā)布了《非道路移動機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及測量方法(中國第三、四階段)》(GB 20891—2014)修改單，并發(fā)布了其配套技術(shù)規(guī)范《非道路柴油移動機(jī)械污染物排放控制技術(shù)要求》(HJ 1014—2020)[5]，確定國四標(biāo)準(zhǔn)將在2022 年12 日全面實(shí)施，此后國三及以前階段集裝箱正面吊將不得在國內(nèi)生產(chǎn)、銷售與進(jìn)口。國家環(huán)保要求更加注重整機(jī)的實(shí)際排放、更加注重有效監(jiān)管和排放控制，控制集裝箱正面吊排放所采用的主要技術(shù)路線為加裝氧化型催化轉(zhuǎn)化器(DOC)、顆粒捕集器(DPF)和選擇性催化還原裝置(SCR)。

長期以來，集裝箱正面吊使用柴油發(fā)動機(jī)提供動力，采用電控燃油噴射、廢氣渦輪增壓等技術(shù)來提高燃油經(jīng)濟(jì)性。但是，隨著綠色發(fā)展理念深入人心，正面吊生產(chǎn)制造廠家大力探索應(yīng)用其他節(jié)能環(huán)保動力方式，如采用混合動力、動力分配優(yōu)化技術(shù)以減小柴油發(fā)動機(jī)功率、采用電池組驅(qū)動純電動技術(shù)等，以減少污染物排放，降低設(shè)備運(yùn)行噪音。我國鐵路可適時(shí)探索應(yīng)用純電動等動力方式的集裝箱正面吊，完善配套技術(shù)管理措施，適應(yīng)集裝箱正面吊節(jié)能環(huán)保技術(shù)發(fā)展要求。

2.3 采用輕量化設(shè)計(jì)

集裝箱正面吊總質(zhì)量越大，其滾動阻力、坡道阻力和加速阻力越大，整機(jī)的燃油消耗越大。研究發(fā)現(xiàn)，整機(jī)質(zhì)量每降低10%，其能耗可降低6% ～ 8%[3]。另外，集裝箱正面吊屬于垂直起升裝卸機(jī)械，集裝箱在起升過程中的能耗所占比重較大，選用較輕的吊具能夠大幅降低正面吊起升過程能耗。與標(biāo)準(zhǔn)集裝箱正面吊相比，中小型貨場集裝箱正面吊可采用高強(qiáng)鋼優(yōu)化整機(jī)結(jié)構(gòu)、選用輕型吊具進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，滿足鐵路中小型貨場作業(yè)工況的集裝箱正面吊總質(zhì)量可降低10 t 以上，從而顯著降低正面吊運(yùn)用成本和場地維護(hù)成本。

2.4 適應(yīng)遠(yuǎn)程監(jiān)控要求

根據(jù)《柴油貨車污染治理攻堅(jiān)戰(zhàn)行動計(jì)劃》的要求，對工程機(jī)械提出了加裝遠(yuǎn)程排放管理終端的要求。集裝箱正面吊屬于工程機(jī)械領(lǐng)域，為實(shí)現(xiàn)對集裝箱正面吊有效監(jiān)管，在國家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)《非道路柴油移動機(jī)械污染物排放控制技術(shù)要求》中提出了定位及遠(yuǎn)程在線監(jiān)控的要求，實(shí)時(shí)監(jiān)測尾氣排放狀況，利用大數(shù)據(jù)分析，篩查高排放機(jī)械。按照規(guī)定車載遠(yuǎn)程終端應(yīng)具有發(fā)送監(jiān)測信息的功能，監(jiān)測信息包括定位信息、發(fā)動機(jī)性能信息和排放關(guān)鍵零部件狀態(tài)信息等，主管部門通過遠(yuǎn)程終端讀取機(jī)械的實(shí)時(shí)信息，判斷正面吊的實(shí)際排放狀況、各項(xiàng)排放控制策略是否有效運(yùn)行以及排放相關(guān)故障是否及時(shí)維修等[5]。此外，除了對遠(yuǎn)程在線排放遠(yuǎn)程監(jiān)控外，對集裝箱正面吊的胎壓、油耗、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間、作業(yè)量、走行距離、人機(jī)安全信息、維修保養(yǎng)提示等進(jìn)行監(jiān)控，保障集裝箱正面吊運(yùn)用安全[6]。

2.5 符合安全防護(hù)要求

鑒于正面吊作業(yè)過程中存在F-TR 鎖集裝箱卸車作業(yè)掛鎖、正面吊超載傾覆、倒車作業(yè)視線盲角等安全隱患，為保證正面吊作業(yè)安全需求，鐵路集裝箱正面吊要求具有卸車自動點(diǎn)動起升和F-TR 鎖未脫鎖防護(hù)、超載防護(hù)、倒車防護(hù)功能。另外，通過正面吊程序控制，實(shí)現(xiàn)重箱緩放、垂直起吊[7]、動態(tài)防傾翻[8]、起升高度自主限定等技術(shù)防護(hù)功能。特別在人機(jī)安全防撞方面，由于集裝箱正面吊在作業(yè)區(qū)域內(nèi)碰撞行人而造成人身傷亡事故時(shí)有發(fā)生，有必要推廣應(yīng)用基于深度學(xué)習(xí)的人機(jī)安全防撞智能預(yù)警系統(tǒng)，以提升集裝箱正面吊人機(jī)作業(yè)安全。

2.6 提高可靠性能

為保障正面吊的可靠性，經(jīng)過實(shí)踐篩選，選用通用成熟的零部件基礎(chǔ)配置，發(fā)動機(jī)與相關(guān)傳動機(jī)構(gòu)合理匹配。提高可靠性的重點(diǎn)是吊具、液壓系統(tǒng)和安全保護(hù)系統(tǒng)，吊具應(yīng)具有機(jī)械式和電氣式雙重聯(lián)鎖保護(hù)裝置，設(shè)備結(jié)構(gòu)和吊具應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)采用先進(jìn)的液電控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、靈敏的控制，在防止誤操作、應(yīng)急備用等方面有充分的保護(hù)裝置和措施。

3 結(jié)束語

發(fā)展集裝箱多式聯(lián)運(yùn)是降低鐵路全程物流成本、促進(jìn)運(yùn)輸結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要舉措。為了大力發(fā)展集裝箱多式聯(lián)運(yùn)，鐵路以中小型貨場為基礎(chǔ)新增集裝箱辦理站，提升集裝箱裝卸能力。集裝箱正面吊技術(shù)成熟，在貨場配置方便、運(yùn)用靈活，成為中小型貨場集裝箱作業(yè)需求的主體，也是大型物流中心的集裝箱裝卸作業(yè)主型機(jī)械。隨著智能化、信息化、新能源技術(shù)發(fā)展，節(jié)能環(huán)保理念深入人心，配置符合國家環(huán)保要求的標(biāo)準(zhǔn)集裝箱正面吊，研究設(shè)計(jì)符合中小型貨場作業(yè)工況的輕量化集裝箱正面吊，探索應(yīng)用節(jié)能環(huán)保動力需求的集裝箱正面吊，并完善配套技術(shù)管理措施，是滿足鐵路集裝箱裝卸需求的必由之路。