基本信息
- 项目名称：
- 轮式集装箱系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 轮式集装箱系统将提高海陆联运的效率，降低作业成本，利用这套系统直接快速的将集装箱从船上卸下，不需要岸吊等设施并顺畅的衔接至陆上运输系统中 本案例中的集装箱是一种配有类似机车轮子和滑道的新式集装箱，可脱离集装箱专列在陆上行进。同时，配合集装箱的集装箱运输梯轨道系统和机械手臂使集装箱能在轨道上匀速滑动卸载是这套系统中的另一创意点，高效率的实现了集装箱的卸载作业。
- 详细介绍：
- 轮式集装箱系统 摘要：集装箱运输已经成为航运市场上最常见的一种运输方式之一，并且越来越受到船公司，货主及承运人的重视，但是传统集装箱只是将货物标准化，使之成为标准基本运输单元。然而，在竞争越来越激烈的航运市场上，传统集装箱在某些方面已经满足不了运输需求，尤其在装运卸载，海铁联运方面体现出效率低下的局面，降低了各方的利润。在这种局面下，航运市场急需一种新型的集装箱来改善传统集装箱的缺陷，发挥其优势，来刺激集装箱运输业更好的发展，更稳健的连接海运与铁路运输。 关键词：轮式集装箱系统 集装箱轨道 海铁联运 （一）项目功能概述 1957年，当第一艘集装箱轮船在美国诞生时，它也就意味着集装箱作为一种独特的运输工具单元，掀开了人类运输史上的新一页。时至今日，在经历了漫长的半个世纪的发展，集装箱运输已经成为一整套完整的物流运输系统中不可或缺的重要环节。俗话说：“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。”人类也在寻求交通运输合理方法中不断地奋斗与探索，我们向着更快速，更高效，更合理的目标不断地追寻。 我们团队研究的轮式集装箱项目就是在这样的不断追求下应运而生的。 一、传统的集装箱只单纯起货柜的作用，把货物单元化，标准化，统一化是它最大的特点和功能。但装卸的负担并无多少减轻，并且比起网兜来说，还要更重一些。 二、随着国际物流的发展，以及海铁联运、海陆联运等三方物流日益结合，传统集装箱在三方间的转换中需要协调，而轮式集装箱则有利于联运发展。 三、在这个日益强调效率的社会，速度和效率的提高就意味着资金的提升，而成本的降低有利于国民经济的发展和人民生活水平的提高。 “要致富先修路”这条路说大了就是泛指各种交通运输工具，运输系统。畅通的物流和便捷的交通会提高整个社会的通达度和人民的幸福感。虽然交通运输无处不在并进行的有条不紊，但探索新的运输方式及道路是实现成本更低化，效率更高化地重要途径。 （二）创意来源 本队的轮式集装箱创意是鉴于现行集装箱在运输转运方面的缺点，进行改良而产生的。 现阶段集装箱在结束海运向陆运方向转运的时候，并不能良好的发挥集装箱的便捷性，需经过场桥的调节与帮助才能装上集卡，运往堆场。在进行通过集装箱专列运往内陆终端时，仍需工具将其放置于列车底衬上进行运输。 无论是场桥，叉车，还是相对价格低廉却需要巨大数量的列车底衬，都是港口、航运企业巨大的固定成本，占用了大量资金，大大削弱了企业资金周转的灵活性，从而错失了一些极佳的投资机会。 本队认为，轮式集装箱有其使用价值。作为一种特种集装箱，有其服役的某些特殊物质，我们认为，在商品个性化的今天，异型商品数量逐渐增加，而这样的物质通常由于装卸与用途的特殊需求而增加其工作量与工作人数，轮式集装箱正可以解决这方面的问题。 集装箱采用在四个箱脚安装轮子的办法，通过轮子将集装箱的转运便捷化，左右轮子的间距为列车轨道间距，便于直接在轨道上行驶由于集装箱属于消耗品，轮子质量应尽可能与列车相同，以便于与列车实施同种运输方式。 集装箱上部设计特定形状的轨道凹槽，经过对40英尺集装箱的尺寸测算，凹槽不会影响集装箱内部货物的装卸与保管。其次，对于在船上的运输以及双层集装箱班列运输中的集装箱还起到固定作用，可以抵抗大于原先预设强度的外力冲击。此种集装箱在规模生产的条件下会是成本大大降低，但是由于其特殊形状，无法通过对现有集装箱的改良达到，也无法适用现有集装箱生产线对其进行大规模生产。(下图) 集装箱一侧增加四枚挂钩处，便于集装箱班列运输时起到接挂车厢的作用。为了防止挂钩及箱体意外发生，将挂钩数量升至四枚，以确保一次以上的意外情况，并及时发现和及时维修。 集装箱另一侧铺设四个与上述挂钩对称的凹槽用于悬挂挂钩，为确保每一条挂钩可以经受住拉力的考验，连接材料要确保刚性与韧性的平衡。 相对于轮式集装箱，仍有以下配件： 集装箱运输滑轨，通过移动式悬梯的原理进行设计，使得堆叠在高处的集装箱能够顺着滑轨进行卸货，滑轨上通过特定的机械手来完成集装箱的上下运输。整个过程可以实现无人操作，但要有较为先进的系统支持与跟进。（下图） （三）项目实现介绍 新型集装箱的运作需要一套完整的体系，要使本项目成功的完成，配套的一些技术及原理支持必不可少。 一、 集装箱构架及材料选择 新型集装箱有别于传统集装箱。传统的集装箱主要用于将货物集中便于运输，只需保证适合货物的装运以及装卸期间能够承受货物的重量即可。而与之不同的是，新式轮式集装箱除了满足作为容器集中货物的目的外，仍需能够适用于轨道运输，需要承受由于串联运输产生的巨大张力，对底架的要求比较高。因此，该新型集装箱的钢材选择和框架结构是必须攻克的一个难题。 二、 钢材的选择 整个车体结构既要承受静力载荷,又要承受动力载荷,其结构强度应保证在弹性变形范围以内，同时要保证较轻的自身重量。材料的选择应该考虑的因素有钢材的质地、硬度、耐用度、柔韧性、抗疲劳能力等等。初步考虑采用与一般列车同等材质，相对于一般集装箱而言强度加强。若不考虑成本因素，用铝合金和复合材料代替钢材将是更好的选择。 框架的结构改造：主要是集装箱底架的重新改造，用于承受直接串联运输巨大的张力。可按照一般列车与集装箱比例仿造列车框架进行构造。 三、 制动装置 本项目中轮式集装箱的制动装置将主要通过机械手来实现。 通过机械手与集装箱接触，有效通过推力与拉力控制集装箱速度，使其在特定速度范围内安全装卸。机械手由传感装置进行探测，由信息端发送推拉指令，实现对集装箱的控制与辅助。（下图） 集装箱轮处的制动片主要为固定集装箱在航运过程中和在堆场中堆放的稳定而设计，不会在集装箱转运时充当制动装置。 与普通铁路相比,这套制动系统具有以下特点: (1)操纵灵活,制动减速快,制动作用灵敏可靠,前后车辆制动、缓解作用一致。 (2)具有足够的制动能力,保证动车组在规定的制动距离内停车。 (3)具有动力制动能力,在正常制动过程中,可尽量充分发挥动力制动能力,以降低运行成本。 (4)具有动力制动与磨擦制动的联合制动能力。 (5)制动系统应保证动车组在长大下坡道上运行时,其制动力不会衰减。 (6)各车辆的制动力保持一致,制动系统可根据集装箱量的变化,具有载荷调整能力,以减少制动时候的纵向冲动。 (7)具有紧急制动性能,遇紧急情况时,能使车组在规定距离内安全停车。 (8)在运行中发生如列车分离,制动系统故障等危及行车安全的事故时,应能自动起紧急制动作用。 四、 卸货装置 现行的集装箱的卸载过程是一个比较费时费力的过程，且不能很好的与本项目中的轮式集装箱配合运作，因此，我们需要设计出一套新的传输设备。该设备应保证集装箱及货物安全的前提下，快速、便捷、经济的将集装箱从集装箱船上直接运送到陆上轨道，完成海陆运输完美衔接的过程。 该传输装置主要由一斜长滑轨与支撑系统构成，置于大型卡车上，以便于能够灵活的变动位置。滑轨与铁路系统的轨道同宽，为1435mm，并采用铁路轨道材质。滑轨上端通过支撑系统可自由调节高度和位置，下端与陆上铁路系统的轨道相连接。轨道在完成卸货后可自行折叠，由卡车运回，待下次卸货时使用。 卸载集装箱时，卡车载运这套装置与恰当位置，展开滑轨。滑轨上端调节到与待卸集装箱同等高度，将轮式集装箱引入滑轨（集装箱车轮驶上滑轨），使其顺滑轨由船上滑到陆上铁路系统。滑落过程中，由集装箱上的制动装置提供制动力，保证集装箱在滑轨上的稳定。在上一个集装箱未落地之前，轨道上端可调节至另一个集装箱处并将其引入轨道，从而，实现集装箱连续卸载，提高了卸载效率。在完成卸货之后，轮式集装箱全部进入铁路系统运输至他处，滑轨折叠，这套卸货装置由卡车装运撤回。 五、机械手臂 该装置有其自有轨道，与集装箱运输梯轨道分离，装置与轨道紧密粘合，不分离，只可在轨道上水平运动，通过其自带的动力装置可匀速运动于其轨道上。该装置分为底座与手臂两部分，底座安装动力装置和轮子，固定在其轨道路线上，通过控制系统实现其在轨道上的匀速运动；手臂由底座向上延伸，为硬质钢材料，末端配有挂钩与集装箱上挂钩实现挂靠。装置轨道与集装箱滑轨轨道方向一致，实现装置来回运动。在滑轨与集装箱靠接，机械手臂与集装箱挂靠后，其开始拖拽集装箱离开原地进入轨道，并在轨道上提供推力作用于集装箱上使集装箱随其一起匀速运动，直至到达陆上轨道，分离，机械手臂进入下一次作业。 滑轨的铺设与集装箱轨道相互独立，铺设于集装箱轨道下方，呈闭合回路，机械手由下降一侧进行推拉作业，完成一次操作之后通过滑轨另一侧运动回移动装置上方，进行第二次操作，由于集装箱近乎匀速的作业特征，每个滑轨上可配置多组机械手装置，可以大大提高装卸速度，并完全可以保证作业的安全进行。机械手通过轨道进行运动，推拉集装箱到底端之后，运用传动装置控制使其转向轨道下方，也可以通过铸造特性轨道使机械手就自动转向下方，再通过另一侧的传送轨道运送回移动轨道上方，完成一次作业。即便移动轨道上有正在作业机械手与集装箱，集装箱运输梯轨道依然可以运动，对下一个集装箱作业做准备。 （四）与传统集装箱相比，轮式集装箱系统在卸载货物时的优点 效率 成本 灵活性 相容性 传统集装箱 卸载货物时需要场桥，叉车等大型设备，在工作效率方面，人工4/6个装卸工，35次/h/头（岸吊） 据调查，每座场桥大概为4000万，此外还有人工费和叉车费，维护费等 场桥属于大型机械，笨重，不易搬运，大多都是固定在泊位 轮式集装箱系统 利用轮式集装箱，集装箱轨道车和机械手臂等小型机械设备可以自动化的使集装箱匀速卸下 中小型机械耗费少，而且采用全自动作业 集装箱轨道车只是根据现有卡车进行改装，在其上面安装轨道舷梯和机械手臂，可以根据卸载货物的不同位置，随时进行作业，并且可以直接进行海铁联运，在铁轨上行驶。 可以适应现有的集装箱船和集装箱滚装船 （五）应用前景 集装箱这一新型运输方式在现代航运市场上越来越受到贸易双方的喜欢，2010年6月份中国港口集装箱吞吐量依然保持稳步增长状态，全国规模以上的港口完成国际标准集装箱吞吐量1226.30万TEU，由此可见集装箱运输在航运市场上变得赤手可热了。 然而，集装箱在装卸货和进行海铁联运的过程中却需要场桥进行很多的作业，降低了作业效率，也提高了成本。为了缓解这一问题，本方案设计就是从实用入手，通过实际的生产生活需求组织技术，整合功能，具有很强的针对性。在设计的过程中，不断查找资料，向业内的专家请教，更是到实际的港口码头中考察，观察场桥在装卸集装箱的过程，这使得本设计方案更有实际作用，不脱离实际的作业。据了解，一座装卸场桥大概需要4000万元，几乎每个大型港口多达数十座，在此基础外还有叉车等辅助机械设备，并且在装卸过程中还需要的人工费，装卸费和维护费，这些都是一笔巨大的成本。 而本设计这是在现有的集装箱的的底外部安装滑倒和轮子，利用集装箱轨道装置上的机械手臂产生的推力和拉力，自由地使集装箱本身能够匀速滑下，实现自由卸货这一过程，减少了机械费用和装卸费用，由于方案设计简单，维护费用也大大的降低这对于交易双方来说不可不谓是个好事。在作业效率方面，由于龙门吊设备较大，装卸速度较慢，降低了工作效率，而本设计方案运用可拉伸的装于集装箱底部的滑道和轮子和与之配套滑轨设施，再运用集装箱的重力势能，将集装箱从滑道顶端直接滑倒集装箱的堆场进行开箱检验。进行海铁联运就可直接挂靠在火车皮上，不再需要将集装箱再次装到火车的平板车皮上，只需用特质挂钩将每两个集装箱连接起来，保证在铁轨上的运输安全。由于各个国家的铁轨规格不同意，所以这个轮式集装箱下面的轮子将会被设计成不同的规格，到达不同的目的地时即可根据不同的需要替换集装箱。这样，在很大程度上提高了作业效率，降低了成本。这种新型的新型的集装箱系统弥补了传统集装箱的不足，使卸载的过程实现自动化，减少了集疏运过程中繁琐的衔接的步骤，相信这样的设计最终应用可以让现代的集装箱运输业务更加进步，为贸易双方提供更好，更便捷的服务。 （六）团队介绍 本团队是由五名大三的学生组成的，其中四名物流管理专业，一名航运管理专业。虽然不是身处一个班级，一个专业，但是共同的理念，共同的理想使我们走在一起为了共同的目标一起努力。由于我们五人刚刚接触专业课，专业功底不强，然而在这从组队，到定题，查资料，做实验，再到现在的完成论文这半年的时间，大家互相学习，咨询老师，培养出战友般的感情。团队五人的专业都是航运类的，但是在这次的设计方案中涉及到很多工程力学的知识，通过这次合作，我们都多多少少的掌握了一些力学的知识，并学会了如何运用AUTOCAD电脑制图方法，使抽象的理论知识和现代化的直观设计图很好的结合在一起，在不断地讨论与实践中，我们培养了团队精神并且锻炼了顽强的意志品质，这对我们五个人今后的工作生活中都会产生深厚的影响。 （七）关于轮式集装箱系统的设计过程 为了实现轮式集装箱的功能及作用，我们需要做以下几步的工作： 一、材料的选择 由于本队设计的集装箱有别于传统的集装箱，新式集装箱除了要满足作为容器集中货物的目的外，还需要能够适用于轨道运输 ，需要承受由于串联运输产生的巨大张力，对外壳的耐受力要求比较高。在材料的选择上，我们需要考虑材料的质地、硬度、耐用度、容忍性等因素。所以，本队的初步的想法是采用复合钢材。我们的当期目标也是找到一种能够同时满足社会与经济利益的材料。 二、结构设计： A、框架结构设计： 考虑到轮式集装箱要用于轨道运输，所以，其框架大小要与目前火车轨道上的车厢大小相当。 B、细节部分设计： 首先，在集装箱顶部设计一个特定形状的凹槽，用于轮子的滑动与固定。凹槽形状如图所示。 三、附加设备：设计一个移动轨道车，该车由一个大型卡车，装载一个可调节高度的轨道组成，用于将高处的集装箱滑至地面，以便运输。 四、制动系统： 机械手臂：该装置有其自有轨道，与集装箱运输梯轨道分离，装置与轨道紧密粘合，不分离，只可在轨道上水平运动，通过其自带的动力装置可匀速运动于其轨道上。该装置分为底座与手臂两部分，底座安装动力装置和轮子，固定在其轨道路线上，通过控制系统实现其在轨道上的匀速运动；手臂由底座向上延伸，为硬质钢材料，末端配有挂钩与集装箱上挂钩实现挂靠。装置轨道与集装箱滑轨轨道方向一致，实现装置来回运动。在滑轨与集装箱靠接，机械手臂与集装箱挂靠后，其开始拖拽集装箱离开原地进入轨道，并在轨道上提供推力作用于集装箱上使集装箱随其一起匀速运动，直至到达陆上轨道，分离，机械手臂进入下一次作业。 （八）小结 本方案整合了诸多先进技术，通过轨道，轮装，动车组连接装置，机械手臂等一系列的先进技术，以及沟通海运、陆运、铁路运输等希望实现集装箱的自行运输化以期实现装卸量的减少，效率的提高，取得集装箱运输的新突破。整个项目都是由本科生构思完成的，对于本科生探索技术的新领域是一种尝试，更重要的是在项目完成的过程中，项目成员分工协作，充分体现了团队精神，最终完成一个综合性较强的方案，这在本科生课外科技活动中也是一次有益探索。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 轮式集装箱系统将提高海陆联运的效率，降低作业成本，利用这套系统直接快速的将集装箱从船上卸下，不需要岸吊等设施并顺畅的衔接至陆上运输系统中 本案例中的集装箱是一种配有类似机车轮子和滑道的新式集装箱，可脱离集装箱专列在陆上行进。同时，配合集装箱的集装箱运输梯轨道系统和机械手臂使集装箱能在轨道上匀速滑动卸载是这套系统中的另一创意点，高效率的实现了集装箱的卸载作业。 这套系统中的装置都为中小型机械，对于机械的设计的精度和准度都有较高要求。
科学性、先进性
- 本队的轮式集装箱创意是鉴于现行集装箱在运输转运方面的缺点，进行改良而产生的。 现阶段集装箱在结束海运向陆运方向转运的时候，并不能良好的发挥集装箱的便捷性，需经过场桥、通过集装箱专列、叉车等的配合，这些设备都是港口、航运企业巨大的固定成本，占用了大量资金，大大削弱了企业资金周转的灵活性。 而采用本队的新式集装箱，在很大程度上提高了作业效率，降低了成本。这种新型的新型的集装箱系统弥补了传统集装箱的不足，使卸载的过程实现自动化，减少了集疏运过程中繁琐的衔接的步骤，相信这样的设计最终应用可以让现代的集装箱运输业务更加进步，为贸易双方提供更好，更便捷的服务。 参考文献：郑州铁路职业技术学院学报 罗伟 《动车组制动系统分析》
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- A 实验室阶段
技术转让方式
- 租赁
作品可展示的形式
- 模型 图纸
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 该设备主要用于各类集装箱码头，除了实现传统集装箱作为容器的功能外，还可作像车厢一样作为运载工具，在海陆联运中可以高效的运作，节省企业的人力物力，并且实现航运门到门服务的要求，快捷便利。尤其在卸载过程中，传统集装箱在卸载和堆放的时候需要叉车等大型辅助设备进行协助，而新型集装箱则可通过轨道和机械手被等小型设备进行自由作业。 本套系统舍弃了传统集装箱码头的多种辅助设备，转而用相对较小成本的新式集装箱及其辅助系统代替，从而可以为企业减少大量固定资产的投入，实现企业财务上的收获。 通过一次性对固定设施的设计采集与购买，后续资金流较小，易于实现规模经济，在现有的大宗货物运输的条件下，有着极大地可行性与优势。
同类课题研究水平概述
- 本作品相关案例： 轮式集装箱于1991年有贵州省瓮安煤矿宋锡义设计。其义在于利用轮式集装箱易于移动的特性，以直接贯通方式在运输工具及转运货场上作货物转运。该方法适用于火车、汽车、飞机、轮船作货物转运。 本团队设计的轮式集装箱与其有本质的区别，我们的设计为全套集装箱运输系统。与其并不冲突。
