适合于海陆联运集装箱装载卷钢的系固方案

黄岗　邢胜伟

摘要：

为研究集装箱装载卷钢的系固方案，分别分析卷钢在通过海上、铁路和公路运输的集装箱内的受力情况，给出卷钢横向、纵向和垂向惯性力的计算方法，并确定C11型集装箱船、铁路和公路联合运输过程中卷钢的横向、纵向和垂向惯性加速度。通过对卷钢进行水平移动和翻转平衡分析，给出2卷卷钢（每卷卷钢的质量为10 t）在集装箱内的系固方案并进行系固平衡校核，为卷钢在集装箱海陆联运过程中的系固方案提供理论指导。

关键词：

卷钢; 集装箱; 海陆联运; 系固方案; 平衡校核

中图分类号：U693

文献标志码：A

Steel coil securing methods in containers for

land-sea combined transport

HUANG Gang， XING Shengwei

（Navigation College， Dalian Maritime University， Dalian 116026， Liaoning， China）

Abstract：

In order to study the steel coil securing methods in a container， the forces of steel coils in the container transported by seaway， railway and highway are analyzed， respectively， the calculation methods for the transverse， longitudinal and vertical inertial forces on steel coils are given， and the transverse， longitudinal and vertical inertial accelerations of steel coils during the combined transport by C11-type container ships， railway and highway are figured out. By carrying out horizontal movement and roll-over balance analysis on steel coils， the securing method for 2 steel coils （10 t each steel coil） in one container is given and the balance check for steel coil securing is carried out. It provides theoretic guidance for securing methods of steel coils in a container in the process of the land-sea combined transport.

Key words：

steel coil; container; land-sea combined transport; securing method; balance check

收稿日期： 2018-12-12

修回日期： 2019-03-15

基金項目：

国家自然科学基金（51709032）;中央高校基本科研业务费（3132017113）;辽宁省自然科学基金（2019-ZD-0149）;

辽宁省博士科研启动基金（201601076）

作者简介：

黄岗（1981—），男，河北张家口人，讲师，硕士，研究方向为载运工具运用工程，（E-mail）bobhuanggang@126.com

0 引 言

国际贸易中，货物通常需采用船舶、汽车和火车等运输。目前海上运输卷钢多采用散装方式，而铁路、公路运输卷钢多采用敞车和平车运输。散装运输过程中卷钢容易受到外界环境的影响而损坏，海陆交接时需对卷钢进行解绑和重新加固，从而导致运输时间延长，运输成本提高[1]。随着世界经济一体化发展，利用集装箱可实现卷钢海陆联运，提高装卸效率，加快货物周转，降低运输成本，保证卷钢质量。另外，集装箱运输卷钢可实现一次托运、一次计费、一张单证和一次保险，提升了运输和通关效率，简化了货运委托程序[2]。因此，利用集装箱运输卷钢是未来卷钢运输发展的趋势。

装载卷钢所使用的集装箱有卷钢专用集装箱、普通集装箱两种。考虑到普通集装箱使用广泛，可装载卷钢尺度范围大，随时可进行装掏箱作业且不用考虑空箱返回等优点[3]，本文主要研究普通集装箱装载卷钢的系固问题。卷钢在普通集装箱中有立装和卧装两种装载方式，由于立装方式的装卸及绑扎非常困难且效果不好，因此实际的集装箱运输卷钢多采用卧装方式，而卧装又分为卷钢轴向横向装载和轴向纵向装载两种方式[4]。目前卷钢在普通集装箱内的系固通常采用各公司的习惯做法或参考已有的运输经验，而缺少标准的系固方法，也鲜有相应的理论计算支撑，因而在运输过程中因系固不足而造成的卷钢、集装箱、运输车辆或船舶受损甚至人员受伤等事故时有发生。因此，分析在海陆联运过程中集装箱内卷钢的受力，确定卷钢纵向、横向和垂向最大加速度，并对其系固方案进行平衡校核，判断是否满足要求，为卷钢在集装箱海陆联运过程中的系固方案提供理论指导。

1 惯性力计算

1.1 海上惯性力

船舶在海上航行时甲板上货物所受外力包括惯性力、风压力和波溅力[5]，由于集装箱内卷钢不受风压力和波溅力的影响，所受外力只有惯性力（惯性力等于货物质量与加速度的乘积）。假定卷钢在集装箱内绑扎牢固，集装箱与船舶系固良好，则卷钢与船舶具有相同加速度，故其受到的惯性力为

Fx=max， Fy=may， Fz=maz

式中：Fx、Fy和Fz分别为卷钢所受纵向、横向和垂向惯性力，kN;m为卷钢质量，t;ax、ay和az分别为卷钢在纵向、横向和垂向上的惯性加速度，m·s-2。

根据中国船級社《钢质海船入级规范》[6]，ax、ay和az计算式如下：

ay=a2y1+（ar（z-zrp）+10sin φmax）2 （1）

式中：ay1为横荡加速度，m·s-2;ar为横摇角加速度，rad·s-2;

φmax为最大横摇角，rad;z为计算位置点与基线的垂向距离，m;

zrp为横摇转动轴和纵摇转动轴与基线的垂直距离，m。

zrp=min{D/4+d1/2，D/2}，其中：D为船舶型深，m;d1为计算工况下的船舶吃水，m。

ay1=3a0， a0=fr（3C/L+Cvv/L）

ar=φmax（6.28/Tr）2

φmax=min{frk（62.5-1.25Tr）/（B+75），0.523 rad}

式中：fr为航区系数;C为与船长有关的系数;L为船长，m;

v是最大服务航速，kn;Cv=L/50，取值不大于0.2;

Tr为横摇周期（s），Tr=2kr/hGM，

kr为横摇转动半径（m），hGM为计算工况下的初稳心高度（m）;

k为系数，与船舶减摇装置有关;B为船宽，m。

ax=a2x1+（ap（z-zrp）+10sin Ψmax）2

（2）

式中：ax为纵荡加速度，m·s-2;ap为纵摇角加速度，rad·s-2;Ψmax为最大纵摇角，rad。ax1=2a0Cb，Cb为方形系数。ap=Ψmax

（6.28/Tp）2，其中：Ψmax=min{0.25a0/Cb，0.14};

Tp（=1.80×L/10）为纵摇周期，s。

az=max{a2z1+a2ry2，

a2z1+a2p（x-0.45L）2}（3）

式中：az1（=7a0/Cb）为升沉加速度，m·s-2;

x为计算位置点到尾垂线的纵向距离，m;y为计算位置点到纵中剖面的横向距离，m。

国际多式联运规范[7]《IMO/ILO/UNECE货物运输单元装载规则》（以下简称《CTU规则》）建议海上运输货物加速度采用重力加速度与具体加速度系数的乘积表示。《CTU规则》给出了海上运输各个方向上的加速度，见表1。

1.2 铁路惯性力

铁路运输集装箱时，每个集装箱都与铁路车辆处于紧固状态，因此集装箱及其内部的货物会受到与铁路车辆相同的惯性力作用。铁路车辆在启动、刹车或连接时都会对集装箱内货物产生较大的冲击力，尤其是在车辆遇到紧急情况急刹车时，集装箱内货物产生的惯性力很大，货物很容易出现移动;货物受到的最大纵向惯性力发生在调车时车辆之间的相互冲击[8]。

根据我国现行的《铁路货物装载加固规则》[9]的相关规定，运输过程中作用于货物上的各种力（运输速度v≤120 km/h，调车连挂速度≤5 km/h）计算方法如下：

T=T0×Q

式中：T为纵向惯性力;T0为每吨货物的纵向惯性力，kN/t;Q为货物质量，t。当对货物进行柔性加固时，

T0=0.001 2Q2T-0.32QT+29.85（4）

式中：QT为重车总质量，t。当130 t150 t时

T0=5.88 kN/t。

N=N0×Q

式中：N为横向惯性力，kN;N0为每吨货物的横向惯性力，kN/t。

N0=2.94+3.34a′/l （5）

其中：l为货物重心偏离车辆横重心的距离，mm;a′为负重车销距，mm。

P=P0×Q

式中：P为垂向惯性力，kN;P0为每吨货物的垂向惯性力，kN/t。

P0=3.54+3.78a′/l（6）

《CTU规则》提供的铁路运输纵向、横向加速度都为0.5g。

1.3 公路惯性力

公路运输中，集装箱与底盘车连接，在车辆加速、减速和转向过程中，集装箱及其内部货物都会受到惯性力影响，尤其是车辆在高低不平的路面上行驶时，整个集装箱会受到很大的振动，集装箱内的货物也会受振动影响而产生较大的惯性力。由于公路集装箱运输缺少相应的计算惯性力的方法，而公路运输时集装箱所受的惯性力与铁路运输时的相似，因此吴丽丽[10]、侯栋梁[11]和曹刚[12]等对公路运输重大件货物的受力和平衡性分析都采用了铁路惯性力计算公式。《CTU规则》提供的公路运输各个方向的加速度见表2。

以上为铁路和公路集装箱运输货物所受到的惯性力计算方法以及《CTU规则》规定的加速度，与海上惯性力的计算结果比较，不难发现公式中的T0、N0和P0其实就是惯性加速度，因此確定惯性加速度是关键。

2 惯性加速度的确定

海上惯性加速度的计算选取某C11型集装箱船的危险位置点：甲板上第8层（ISO标准箱堆码设计能力只能达到8层）、船首或船尾0.2L处[1]。C11型集装箱船主要参数见表3。

利用式（1）～（3）计算海上惯性加速度，利用式（4）～（6）计算铁路和公路惯性加速度（QT=120 t，a′=10 mm，l=900 mm），结果见表4。

根据以上计算可知，卷钢所受的最大横向惯性力和最大垂向惯性力发生在海上运输时，最大纵向惯性力发生在铁路或公路运输时，这与实际情况相符：海上运输卷钢时，由于船舶横摇和垂荡剧烈，卷钢所受横向和垂向惯性力更大;铁路或公路运输卷钢时，由于启动、急刹车或调车时铁路车辆之间的冲击产生的纵向惯性力更大。

对比《CTU规范》推荐的货物运输各个方向加速度、用中国船级社《钢质海船入级规范》和我国《铁路货物装载加固规则》中计算方法得到的集装箱装载卷钢在海陆联运过程中的加速度可知：海上运输时，《CTU规范》确定的各个方向上的加速度比用《钢质海船入级规范》中计算方法得到的各值都大;铁路运输时，横向加速度《CTU规则》规定值大，纵向加速度我国《铁路货物装载加固规则》计算值大，垂向加速度《CTU规则》没有规定;公路运输时，由于缺少相应的计算惯性力的方法，本文采用《CTU规则》的规定值。为确保卷钢在集装箱内进行海陆联运时的安全，取其中的较大者作为卷钢系固应满足的加速度要求。综合以上分析，集装箱卷钢惯性加速度见表5。

3 卷钢系固平衡分析

在海陆联运过程中，卷钢在集装箱内所受的惯性

力或力矩可以产生4种运动[13]：（1）向左、右两侧横向移动;（2）向前、后两端纵向移动;（3）向左、右两侧横向翻转;（4）向前、后两端纵向翻转。

3.1 水平移动平衡分析

水平移动包括向左、右两侧的横向移动和向前、后两端的纵向移动。为防止集装箱内的卷钢受到惯性力而发生水平移动，必须对卷钢进行绑扎和支撑，使卷钢的摩擦力与系固力之和大于惯性力[14]，从而保证卷钢在运输过程中的安全。然而，任何系固和绑扎设备都不能达到最大系固强度，通常在计算时应考虑一安全因数。《货物系固手册编制指南》[15]中规定此安全因数为1.5，同时考虑到垂向加速度的影响，卷钢所受的摩擦力可能减小。因此，在进行水平移动平衡分析时，将计算所得的约束力除以安全因数1.5，可得卷钢的水平移动平衡

表达式：

ma≤（μmg+Fl+Fs）/1.5

式中：m为卷钢质量，t;a为卷钢水平方向上的惯性加速度，m/s2;μ为摩擦因数，卷钢与木材之间的摩擦因数为0.3;Fl为钢丝绳绑扎力，kN（通常钢丝绳的破断力大于集装箱内系环的系固力，因此该系固力最大为集装箱系环的最大系固力，每个系环的最大系固力为10 kN）;Fs为木条的支撑力， kN

[6]中国船级社. 钢质海船入级规范2015： 第2分册[M]. 北京： 人民交通出版社， 2015： 29-31.

[7]IMO/ILO/UNECE. Code of practice for packing of cargo transport units[Z]. Economic Commission for Europe， 2014.

[8]陳奇， 马玉坤， 王延明. 卷钢铁路运输装载加固的技术条件分析[J]. 铁道运输与经济， 2007（10）： 61-62.

[9]中华人民共和国铁道部. 铁路货物装载加固规则[M]. 北京： 中国铁道出版社， 2006： 38-39.

[10]吴丽丽. 重大件公路运输若干问题的研究[D]. 哈尔滨： 东北林业大学， 2007.

[11]侯栋梁. 大件货物运输方案制定研究[D]. 成都： 西南交通大学， 2009.

[12]曹刚. 大件物流运营与组织问题研究[D]. 成都： 西南交通大学， 2007.

[13]KAPS K H. Loading and transport of steel coils in ISO-containers[EB/OL]. [2018-10-25]. http：//www.containerhandbuch.de/chb_e/stra/index.html.

[14]许菁. 铁路集装箱装载加固研究[D]. 长沙： 中南大学， 2008.

[15]中国船级社. 货物系固手册编制指南[M]. 北京： 人民交通出版社， 2014： 23-24.

[16]ISO. ISO 1496-1 series 1 freight containers-specification and testing-part 1： general cargo containers for general purposes[S]. ISO， 2016： 10-11.

（编辑 赵勉）