铁路集装箱正面吊技术发展方向研究

杨广全，杨 旭

(1.中国铁道科学研究院集团有限公司 运输及经济研究所，北京 100081；2.中国国家铁路集团有限公司 货运部，北京 100844)

国家“公转铁”政策及铁路大宗货物“散改集”举措连续推动铁路集装箱发送量快速增长，2020 年铁路集装箱发送量为2 241.5 万TEU、4.58 亿t，分别比2019 年增长26.9%，37.0%，根据2019 年中国国家铁路集团有限公司印发的《铁路集装箱运输发展规划》，到2025 年铁路集装箱发送量约为7 600 万TEU，未来铁路集装箱发展空间巨大[1]。为促进铁路集装箱业务快速增长，将既有铁路中小型货场改造为集装箱办理站、同时提升办理站集装箱装卸能力是支撑集装箱发送量增长的有效途径。目前，集装箱装卸机械主要分为集装箱门吊和集装箱正面吊2 种型式，由于集装箱正面吊起吊能力大、堆码层数高、机动灵活等特点，已经成为铁路集装箱办理站主型装卸机械的首选。为满足配置合理、性能稳定、功能适用的要求，在回顾集装箱正面吊产生和技术发展基础上，探讨铁路集装箱正面吊的技术发展方向，为我国铁路集装箱正面吊的技术发展提供参考。

1 集装箱正面吊技术发展概况

1.1 集装箱正面吊技术发展及铁路行业应用

世界第1 台集装箱正面吊由意大利百乐提公司于20 世纪70 年代后期设计制造，具体型号为B75 型集装箱正面吊，奠定了集装箱正面吊的整机结构型式，由轮式底盘、框架式车架、二级伸缩臂架和伸缩式吊具等组成，以柴油机为动力，采用液力机械传动方式[2]。20 世纪80 年代之后，集装箱正面吊技术逐步成熟，国外知名公司逐渐开始生产集装箱正面吊，陆续提高了集装箱正面吊技术参数，并在基本配置和外观造型设计等方面进行完善。与B75 型集装箱正面吊相比，技术提升后的集装箱正面吊可满足高2 896 mm的5层堆码要求，起重量为41 ～ 45 t；采用了箱型梁结构型式车架；俯仰油缸实现下支点前移，优化了油缸受力；二级伸缩臂架采用滑块支承结构；吊具具备减摇功能，提高了集装箱作业稳定性；同时在液压系统、电气系统、制动、转向等方面进行了技术改进。由于集装箱正面吊优良的作业性能，在欧美铁路多式联运站得到了广泛的应用。在美国作业量较大的铁路多式联运站，集装箱正面吊作为辅助装卸机械，多用于铁铁或公铁换装作业；在作业量较小的铁路多式联运站，集装箱正面吊作为主型机械，用于集装箱装卸作业。在西欧铁路多式联运站，当集装箱装卸量较小时，主要配置集装箱正面吊进行装卸，当车站年装卸能力达到10 万TEU 时，集装箱门吊作为主型装卸机械，集装箱正面吊作为辅助装卸机械。

我国铁路行业最早于1990 年引进欧洲集装箱正面吊进行集装箱装卸作业，由于存在购置成本偏高、配件依赖进口、维修成本高、维修不及时等问题，未能在铁路集装箱场站进行广泛应用，仍然以集装箱门吊作业为主。近年来，随着我国铁路大力发展集装箱运输及集装箱正面吊国产化技术趋于成熟，集装箱正面吊的购置和运用成本逐渐降低，在铁路货场得到广泛应用。截至2019 年12 月，中国铁路国家集团有限公司拥有集装箱正面吊322 台。目前在铁路货场应用的集装箱正面吊主要为标准型正面吊，起重能力均为45 t，起升高度15 100 mm，采用伸缩式集装箱吊具，适合20 ft，40 ft 国际标准集装箱和我国内陆标准(系列2)集装箱装卸。吊具与臂架头部之间普遍设置减摇油缸，减少正面吊启动、制动和行驶时集装箱晃动，提高集装箱作业稳定性。随着起重量的提高，发动机、变速箱、驱动桥等配置标准进一步提升，相应也提高了正面吊对第1 排最高层及第2 排和第3 排箱隔箱作业的能力。

1.2 铁路集装箱正面吊技术参数对比

标准集装箱正面吊是针对港口集装箱装卸作业工况设计的装卸机械，可实现集装箱5 层堆码。而在集装箱作业量较大的铁路货场一般堆码3 层，集装箱作业量较小的中小型货场堆码1 层或2 层，标准正面吊涵盖了铁路集装箱作业所有工况，一定程度形成富余的装卸作业能力。通过对铁路货场应用的主型标准正面吊型号进行统计，部分主型标准正面吊的技术参数对比情况如表1 所示。在满足正面吊经济合理配置的前提下，研究设计适用于铁路中小型货场作业工况的专用正面吊，采用合理的技术参数指标，统一零部件供应和保养维修标准，有助于进一步降低正面吊购置运用维修成本，符合中小型货场的现实需要。

1.3 新型集装箱正面吊技术探索

为适应绿色发展要求，减少碳排放，降低企业投入成本，同时适应集装箱作业场地条件，近年来国内外相关企业陆续研发了轻型可变轴距、混合动力、动力分配优化、纯电动等节能环保的集装箱正面吊技术。

（1）轻型可变轴距技术。轻型可变轴距正面吊采用轻量化设计，相对标准机型，整机重量减轻了8 t，能较大幅度地降低设备油耗，减轻对地面的轮压，提高场地使用寿命；可自动变换轴距的设计使正面吊的最大可变轴距达2.5 m，能够承担不同工况下的作业，大幅减少设备自重和转弯半径；利用电液控制系统，实现高效的吊具、吊臂伸缩、吊臂俯仰三联动功能，提高作业效率和精准度；配备了复合油缸可进行能量回收，节约能耗，降低综合使用成本。

（2）混合动力正面吊技术。混合动力正面吊动力系统由柴油发动机直接驱动发电机，实现整个行驶系统电气化驱动，液压起升系统由电动机直接驱动；配备能量储存装置超级电容能源可再生系统，用于回收和储存能源，满足牵引、提升等操作需求，其油耗仅为8 ～ 10 L/h，具有显著的环保和节支优势[3]。

（3）动力分配优化技术。与标准正面吊配备的11 L 或13 L 发动机相比，ECO 环保型正面吊选用8 L发动机，将沃尔沃发动机、德纳力士多HVT 无级变速箱和智能液压系统相结合，实现智能化的动力优化和精准分配，可降低燃料消耗和噪音，节油总量20% ～ 40%；而Gloria 正面吊 则 采用K-Motion 动力方案，将静压技术和机械技术相结合，显著提高了变速箱效率，使用小型功率发动机，可减少高达40%的燃油能耗和废气排放。其中，K-Motion 动力方案的智能控制系统在低速和高速模式下均能提升精确度，通过分散动力提供整体驱动来提升效率[4]。

表1 部分主型标准正面吊的技术参数对比情况Tab.1 Comparison of technical parameters of some main container reach stackers

（4）纯电动正面吊技术。随着电池组技术的逐步成熟，正面吊生产厂家开始研制应用纯电动正面吊，探索应用各种新技术例如采用200 kW 大扭矩驱动电机，匹配专用AMT 变速箱、大速比驱动桥，达到最大牵引力300 kN、最高车速25 km/h，运用235 kWh大容量免维护动力电池和双枪充电技术，具备势能回收功能，行驶时由双电机驱动，无级调速，换挡冲击，易于操作；电机驱动电控泵系统，动作流量可以精确分配；臂架伸缩、臂架俯仰、吊具动作及行驶由不同电机驱动，产生良好的联动效果；电池单元适用220V 或380V 电源充电，可匹配不同功率固定式移动电动汽车通用充电桩，充电时间1.5 h，可续航6 ～ 8 h。

综上，应用轻型可变轴距、混合动力和纯电动正面吊等节能技术，辅以能量回收技术和动力分配优化技术，集成发展新型集装箱正面吊，有利于降低集装箱正面吊综合运用成本，减少空气污染物排放，适应国家低碳绿色环保发展目标。

2 铁路集装箱正面吊技术发展方向

随着国家铁路大力发展集装箱运输业务，特别是利用铁路中小型货场办理集装箱业务的发展方向，需要研发适合铁路不同货场装卸作业工况的集装箱正面吊，在满足铁路集装箱装卸需求和安全防护要求的基础上，实现整机轻量化，并符合国家环保规定、满足远程监控和可靠性要求。

2.1 满足铁路集装箱装卸需求

根据《铁路集装箱运输发展规划》，铁路大部分货运站将开办集装箱业务，并且新增集装箱办理站基本为中小型货场，配置传统的通用型集装箱正面吊，投入产出率较低，难以满足现场实际需要。因此，研发配置适合中小型货场的适用、经济和可靠的集装箱正面吊，可以为推进铁路中小型货场开办集装箱业务创造条件。

据抽样调查，目前办理集装箱业务的中小型货场集装箱作业量为60 ～ 80 TEU/d，堆码高度为2 层，对装卸作业效率要求不高，因而集装箱正面吊的起升高度应满足装卸敞车和堆码2 层的需要。鉴于ISO668 最新版集装箱国际标准将集装箱总重提高至36 t，铁路集装箱正面吊应满足20 ft，40 ft 国际标准集装箱和我国内陆标准(系列2)集装箱装卸作业要求，具有防摇或减摇功能，在集装箱正面吊前轮中心到轨道中心线≥2 870 mm、起升高度为7 500 mm条件下，吊具起重能力不小于36 t。综合考虑作业量、成本和配置，要求铁路中小型货场的正面吊的起升速度≥120 mm/s (满载)，下降速度≥200 mm/s(满载)；行驶速度≥6 km/h (满载)和≥12 km/h (空载)。对于铁路中小型货场，地面坡度不大，只需要满足通过平交道口即可，集装箱正面吊爬坡能力设计为≥11.3°(空载) / 8.5°(满载)。为方便对位作业和满足20 ft 集装箱门对门装载作业要求，吊具侧移量按标准设置为±800 mm，吊具回转角度设置为+105°/-195°。为满足中小型货场作业场地需要，规定集装箱正面吊的最小转弯半径≤8 000 mm，通过可变轴距技术，可调节集装箱正面吊转弯半径，增加了集装箱正面吊对场地条件的适应性和作业灵活性。

2.2 遵守国家环保规定

发动机是排放指标、振动和噪音的重要产生源，是集装箱正面吊中对环境影响最大的部件，因而要应用现代设计方法和手段，减少或消除发动机工作过程中产生的有害激振力，降低燃油消耗，减少有害气体排放。生态环境部于2020 年12 月发布了《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法(中国第三、四阶段)》(GB 20891—2014)修改单，并发布了其配套技术规范《非道路柴油移动机械污染物排放控制技术要求》(HJ 1014—2020)[5]，确定国四标准将在2022 年12 日全面实施，此后国三及以前阶段集装箱正面吊将不得在国内生产、销售与进口。国家环保要求更加注重整机的实际排放、更加注重有效监管和排放控制，控制集装箱正面吊排放所采用的主要技术路线为加装氧化型催化转化器(DOC)、颗粒捕集器(DPF)和选择性催化还原装置(SCR)。

长期以来，集装箱正面吊使用柴油发动机提供动力，采用电控燃油喷射、废气涡轮增压等技术来提高燃油经济性。但是，随着绿色发展理念深入人心，正面吊生产制造厂家大力探索应用其他节能环保动力方式，如采用混合动力、动力分配优化技术以减小柴油发动机功率、采用电池组驱动纯电动技术等，以减少污染物排放，降低设备运行噪音。我国铁路可适时探索应用纯电动等动力方式的集装箱正面吊，完善配套技术管理措施，适应集装箱正面吊节能环保技术发展要求。

2.3 采用轻量化设计

集装箱正面吊总质量越大，其滚动阻力、坡道阻力和加速阻力越大，整机的燃油消耗越大。研究发现，整机质量每降低10%，其能耗可降低6% ～ 8%[3]。另外，集装箱正面吊属于垂直起升装卸机械，集装箱在起升过程中的能耗所占比重较大，选用较轻的吊具能够大幅降低正面吊起升过程能耗。与标准集装箱正面吊相比，中小型货场集装箱正面吊可采用高强钢优化整机结构、选用轻型吊具进行轻量化设计，满足铁路中小型货场作业工况的集装箱正面吊总质量可降低10 t 以上，从而显著降低正面吊运用成本和场地维护成本。

2.4 适应远程监控要求

根据《柴油货车污染治理攻坚战行动计划》的要求，对工程机械提出了加装远程排放管理终端的要求。集装箱正面吊属于工程机械领域，为实现对集装箱正面吊有效监管，在国家环境保护标准《非道路柴油移动机械污染物排放控制技术要求》中提出了定位及远程在线监控的要求，实时监测尾气排放状况，利用大数据分析，筛查高排放机械。按照规定车载远程终端应具有发送监测信息的功能，监测信息包括定位信息、发动机性能信息和排放关键零部件状态信息等，主管部门通过远程终端读取机械的实时信息，判断正面吊的实际排放状况、各项排放控制策略是否有效运行以及排放相关故障是否及时维修等[5]。此外，除了对远程在线排放远程监控外，对集装箱正面吊的胎压、油耗、运转时间、作业量、走行距离、人机安全信息、维修保养提示等进行监控，保障集装箱正面吊运用安全[6]。

2.5 符合安全防护要求

鉴于正面吊作业过程中存在F-TR 锁集装箱卸车作业挂锁、正面吊超载倾覆、倒车作业视线盲角等安全隐患，为保证正面吊作业安全需求，铁路集装箱正面吊要求具有卸车自动点动起升和F-TR 锁未脱锁防护、超载防护、倒车防护功能。另外，通过正面吊程序控制，实现重箱缓放、垂直起吊[7]、动态防倾翻[8]、起升高度自主限定等技术防护功能。特别在人机安全防撞方面，由于集装箱正面吊在作业区域内碰撞行人而造成人身伤亡事故时有发生，有必要推广应用基于深度学习的人机安全防撞智能预警系统，以提升集装箱正面吊人机作业安全。

2.6 提高可靠性能

为保障正面吊的可靠性，经过实践筛选，选用通用成熟的零部件基础配置，发动机与相关传动机构合理匹配。提高可靠性的重点是吊具、液压系统和安全保护系统，吊具应具有机械式和电气式双重联锁保护装置，设备结构和吊具应具有足够的强度和刚度，同时采用先进的液电控制系统，实现精准、灵敏的控制，在防止误操作、应急备用等方面有充分的保护装置和措施。

3 结束语

发展集装箱多式联运是降低铁路全程物流成本、促进运输结构调整的重要举措。为了大力发展集装箱多式联运，铁路以中小型货场为基础新增集装箱办理站，提升集装箱装卸能力。集装箱正面吊技术成熟，在货场配置方便、运用灵活，成为中小型货场集装箱作业需求的主体，也是大型物流中心的集装箱装卸作业主型机械。随着智能化、信息化、新能源技术发展，节能环保理念深入人心，配置符合国家环保要求的标准集装箱正面吊，研究设计符合中小型货场作业工况的轻量化集装箱正面吊，探索应用节能环保动力需求的集装箱正面吊，并完善配套技术管理措施，是满足铁路集装箱装卸需求的必由之路。