高架桥式集装箱装卸系统的设计与特性分析

文/大连海事大学交通运输管理学院 赵越超

高架桥式集装箱装卸系统的设计与特性分析

文/大连海事大学交通运输管理学院 赵越超

介绍高架桥式集装箱系统的结构、运行模式、特性和优缺点以及其缺点的弥补方法。现代集装箱码头的发展趋势决定了传统模式的局限性，本系统的开发与应用具有广阔的发展空间。

高架桥式；集装箱系统；装卸；结构

一、背景

目前，对于集装箱的装卸、处理大多数港口采用岸桥对船作业，堆场上多采用集卡和场桥配合作业的龙门吊系统，也有的港口采用跨运车方式。只有极少数港口使用自动导引车系统，效率虽有大幅提高，但仍未摆脱传统模式的束缚，港口的布置和各种作业方式也都没有多大改观。尤其在土地日益减少、深水岸线难得的现状下，迫切需要一种装卸速度快、堆场利用率高的新型装卸系统。本文介绍一种正在设计中的集装箱装卸系统——高架桥式装卸系统。

二、结构及运行方式

1. 系统结构

高架桥式装卸系统的整体俯视效果如图1所示。此系统采用架设与码头岸线方向垂直的高架轨道的方式，形成对堆场和泊位的全覆盖。高架轨道侧视效果如图2所示。每列高架轨道上运行一定数量的大车桥，类似桥式起重机。小车则在大车桥上运行，也可以由大车桥携带运行。大车桥上可以设置多于一条的单轨道，这样就可以携带两台或者更多的小车，从而使得小车与大车桥的数量匹配更灵活。同时，这样的大车桥只需要一套行走机构，显然会降低初始投资。当两列轨道间的大车桥运行到一条直线上时，其上的小车就可以沿着接轨的单轨道由一个大车桥移动到另一个大车桥上，实现小车的跨轨运行。高架轨道、大车桥和小车的连接关系及小车的跨轨动作如图3所示。当所有轨道上都有一个大车桥位于这条直线上时，一条平行于码头岸线的临时轨道就建立起来了。这样的临时轨道可以建立多条，也可以分段建立，且可以移动，从而实现小车对堆场的无缝全覆盖。高架桥式集装箱装卸系统整体效果如图4所示。

2.运行方式

高架桥式集装箱装卸系统的小车宜采用“团队”化作业方式，即小车总是三五成群地运动，尽量保持动作步调一致。当有船舶到港时，大车桥带动小车携带吊具直接移动到船舶的上方卸下集装箱，再通过轨道移动到堆场，小车在建立的临时轨道上跨轨运行，集装箱便可以到达堆场的任意位置进行堆载。此时小车可以原路返回船舶上方，也可以直接向船舶方向移动（只要不影响此高架轨道上其他小车运行即可），至此便完成了一个工作循环。在整个系统对船舶进行全覆盖作业时，可以建立多个相邻的小车运行回路，类似临时的自动导引车的运行轨道，上面运行始终朝一个方向做循环周期运动的多个大车桥及小车。每两个相邻的运行回路共用一条中间高架轨道，两回路逆向运行，解决了小车跨轨运行后大车桥的重新归位问题。小车沿大车桥建立的临时单轨道跨轨运行离开了携带其到达临时轨道的大车桥后，相邻回路中的小车由于共用高架轨道，就会运动到这个大车桥上，并由其携带运动到大车桥的原出发地点，同时也达到了大车桥回位的目的，如图3所示。

3. 相适应的堆场平面布置

鉴于系统的结构特点和运行方式完全突破了传统的集装箱码头的固有模式，其堆场的布局规划也相应作了适当调整。高架桥式集装箱装卸系统下的码头堆场按照泊位数划分为相对应的几个部分。每个部分都以码头岸线为起点，沿高架轨道的平行方向划分。例如，将从码头岸线到后方堆场系统所能覆盖的区域依次划分为出口重箱区、中转箱区、进口重箱区、冷藏箱区、特种箱区、空箱区。其中，出口重箱区又可细分为A船出口箱、B船出口箱、C船出口箱等，也可沿着高架轨道的方向依次排列。同样，出口箱区和空箱区等其他箱区也可以按此方式划分。

每个泊位的箱区划分不一定都相同，要根据泊位靠船的情况和箱子数量、箱型的比例具体划分。这样的划分方式有利于整个系统的控制软件设计和高架轨道上的大车桥迅速自动定位，大大减少了小车的跨轨运行，为整个系统的自动化和高效化奠定了基础。

三、特性分析

1.高效率

高架桥式集装箱装卸系统的这种结构特点和作业方式决定了它的作业空间非常广阔，可以容纳多个小车同时作业。当在船舶上方建立多条由大车桥形成的临时单轨道时，合理规划小车的运行路线，同一时间内的作业小车数量可以远远超过传统的多岸桥作业时的小车数量，实现对船舶的“全覆盖作业”，因此效率可以成倍提高。

其次，高架桥式集装箱装卸系统采用的是单机作业，每个集装箱从起吊点到目的地只经过一次吊具对位和装卸过程，大大减少了传统集装箱码头作业所需要的衔接环节，既增强了安全性又节省了装卸时间，提高了效率。

2. 精确定位，自动化程度高

高架桥式集装箱装卸系统的另一大特点是精确的坐标定位系统。由于高架轨道是固定不动的，所以很容易在其覆盖的范围内建立精确的二维平面及三维立体坐标，其精确度可以到毫米。这样的精确度对于集装箱吊具的对位来说已经足够了，也使得集装箱吊具的对位变得十分容易。如此便可以真正实现集装箱码头的整体无人操作，而且三维的立体坐标还可以根据集装箱箱位的高度合理控制吊具的收放速度，以保证效率和安全。综上所述，使用本系统将大大降低劳动力的使用量，加快吊具的对位速度，优化吊具的收放速度，提高整体效率。

3. 翻箱、倒垛便捷

高架桥式集装箱装卸系统在堆场的集装箱倒垛、翻箱作业上有着得天独厚的优势。传统场桥或者其他堆场作业机械只能一个一个地将箱子取出后依次放于他处，将要提取的箱子提走后再依次把其他箱子取回。这其中包含了大量的场桥移动、吊具的对位起吊和放置。而本系统可以多个小车同时上阵，起吊后随大车桥沿高架轨道移动一段距离后停止不动，其他小车依次动作。最后一个小车提走箱子后，之前的各小车再依次返回。这样就省去了很多步骤，减少了对位过程，大大提高了效率。

4. 提高堆场的利用率和通过能力

在堆场的利用率上，采用本系统的集装箱码头取消了码头前沿的岸桥运行空间和大部分集卡车道，堆场内部只需要很少的集卡通道以备不时之需。实际上可以让集卡在闸门口直接卸箱由高架桥系统上的小车运送到箱位。但为了作业更灵活，可以预留少量的集卡通道。传统场桥运行需要相当大的安全空间，这样就节省出来用来设置箱位。堆场内的机构设置可以省去大部分的集卡停车场，可以大大减小维修车间、加油点等的规模。加之系统在翻箱上存在无可比拟的优势，并且高架轨道的高度很高，所以堆场内的集装箱可以适当地增加层数。通过这两方面的改进，堆场的通过能力也会大幅提高。堆场利用率得到了很可观的提高，就可以在码头规划时减少面积，节省投资。

5. 运行成本低

没有了前方堆场，在装卸船时就必须由小车直接提箱。这虽对集装箱的堆场配积载计划提出了更高的要求，但也避免了将集装箱提前提取到前方堆场再进行装船的二次操作，节省了大量时间和成本。而且由于系统本身装卸效率高，翻箱简易，在船舶上方的装船顺序及位置都很灵活，因此可降低配积载的难度。

6. 技术成熟实用

高架桥式装卸系统虽然突破了传统运行模式，采用了全新的装卸工艺，但大部分机械原理和技术都借鉴现有技术，极少有科研和工程上的难题，所以很容易实现。例如，系统采用市网供电，借鉴现在的电车供电体系技术和轮胎式龙门吊的“油改电”经验，建设轨道时借鉴的现代大跨度的斜拉桥工程技术、高大建筑物的防雷击技术等，都是现成的成熟技术，可操作性和实用性都很强。

7. 初始投资成本高

本系统的最大缺点是初始投资成本较高，因此必须合理设置高架轨道间的距离。距离太大虽然会减少大车桥的数量，节省初始投资，但也会增加大车桥的长度，降低运行速度，进而影响整体的运行效率。同时，也要根据港口的不同情况合理安排小车的数量，使设备的整体利用率达到最优化。

8. 间接节省大量投资

虽然本系统初始投资较高，但采用本系统作为集装箱码头的装卸系统后，码头前沿及堆场在建设时就不再需要考虑高轮压的破坏作用而刻意加大地面强度了。这样一来，码头的建设成本就会降低很多。加之上文所述堆场面积的节省，码头的初期投资会有一个很可观的折扣。

采用本系统后，人力资源的减少、全电力驱动的节能环保也会减少码头以后的运营成本。由于本系统是单一机械系统，涵盖了对场内所有的操作流程，基本不需要或很少需要其他种类机械的配合，因此在整机购买时会比单独分别购买和更新岸桥、场桥、集卡、跨运车、堆高机、自动导引车等更有利一些，而且可以避免单独更新造成的各种机械种类之间的通过能力的不匹配，避免多机种联合作业难以协调一致 、容易一环不畅全盘卡死的问题。同时，单一机种的维护保养也比多机种联合保养维修要容易得多，人力、维修车间的成本都会大幅降低。

四、发展的必要性及存在的问题

（1）现代集装箱船舶大型化趋势已是不可否认的事实，这一方面要求港口的装卸能力要适应船舶大型化和班轮航线高速运营、班期密度加大、在港停泊时间有限的现状；另一方面，越来越大的集装箱船舶也有了净空高度愈来愈高的特点。

由于本系统取代了岸桥的功能，直接覆盖船舶进行装卸作业，因此本系统的轨道架设高度一定要足够高，以适应集装箱船舶大型化的趋势。轨道架设高度不是什么难题，从工程角度分析完全有能力做到架设轨道至60 m以上的高度。如此，堆场上空的可利用空间就大大增加了。就现有条件来说，堆场内的集装箱高度虽可以加大，层数可以加多，但是远不会达到如此之高。所以小车在高速运行和停止时就要克服吊具摇摆的问题。本系统采用液压油耗散减摇和电子防摇装置的双重减摇措施，同时加以吊具和小车减摇钢柱抵紧的运行方式来解决这个难题。高度的增加也会给防雷击措施带来更高的要求，但目前很多工程都有此问题，现有的技术已完全可以解决，故设施的安全运行还是可以保证的。

（2）为提高装卸效率，充分发挥系统作业空间大的优势，系统的小车及大车桥数量较多，这会给各机构运行路线的设计及优化带来一定的困难。一旦处理不好，就会直接导致系统的运行效率大大下降，达不到预期效果。所以，一定要慎重合理地规划设计小车和大车桥的数量配置比例，优化运行路线，为实现系统的自动化和高效化铺平道路。

五、结 论

高架桥式集装箱装卸系统非常适用于集装箱吞吐量大、水水中转箱比例高、班轮发班密度高、航线众多而码头纵深又十分有限的现代化码头。它有初始投资高和高度高的不足，但更有装卸效率高、定位坐标系统设定精确、无人操作、翻箱高效简易、堆场利用率高、对码头地面要求低、运营成本低、维护保养方便等众多显著优势。所以，可以断定，在未来的集装箱码头上一定会有高架桥式装卸系统的用武之地。

[1]杨茅甄.国际集装箱港口管理实务[M].北京:人民交通出版社, 2007.

[2]中交水运规划设计院.现代集装箱港区规划设计与研究[M].北京:人民交通出版社,2006.

[3]包起帆,罗文斌. 现代集装箱码头的建设与营运技术[M]. 上海:上海科学技术出版社,2006.

Analysis on viaduct container handling system

ZHAO Yue-chao