厦门港集装箱码头装卸设备优化配置的初步研究.doc

上海海事大学硕士学位论文第一章 绪论1.1 课题的背景和研究意义 3612厦门港位于中国南海及台湾海峡西岸，是我国东南沿海主要对外贸易港之一，其优越的自然地理条件和重要的战略位置历来为世人所瞩目。目前的厦门港，周边围绕着经济特区、沿海开放城市、经济开发区、台湾投资区和自由贸易区，北连长江三角洲，南接珠江三角洲经济带，是中国最发达的地区之一。厦门港的通航与对外贸易可追溯到唐宋时期，发展到明朝已颇具规模。鸦片战争后，丧权辱国的清王朝又将厦门港作为“五口通商口岸”之一，被迫“对外开放”，除了台湾、香港、东南亚、日本、朝鲜以外，还开通了英国、荷兰、非洲等航线。新中国成立以后，随着国民经济的复苏，厦门港也引来了新生。1976年1月厦门港东渡港区期工程正式开工，拉开了厦门港新一轮发展的序幕。而在此之前的很长一段时间里，厦门港的年货物吞吐量一直在100万吨上下徘徊。1983年2月23日，厦门港集装箱公司成立，3月28日香港“华胜”号集装箱轮首靠新建成的东渡港区1# 泊位作业，4月5日举行“厦门香港”集装箱班轮通航典礼，又为厦门港的发展注入了新的推动力。1984年12月28日东渡港区期工程4个万吨级泊位通过国家验收，正式交付使用。其中，1# 泊位为集装箱专用泊位，引进配备了具有八十年代先进水平的日本“HITACHI”集装箱岸桥（额定负荷30.5t，外伸距30m，轨上起升高度22m，轨下12m）和TCM集装箱跨运车，成为全国唯一采用跨运车装卸工艺的集装箱码头。厦门港东渡港区期工程中的海天集装箱码头6#8# 泊位于1993年初步建成。当时，厦门港泊位紧张，船舶压港现象较为严重。为了缓解泊位不足，并让投资早日见到效益，海天码头于1993年4月28日在岸桥、龙门吊等设备尚未到位的情况下，利用集装箱船上的吊机和驳吊配合几台跨运车进行集装箱装卸作业，开始了试投产，创下当年吞吐6千多TEU的佳绩，而当时的厦门港集装箱年吞吐量只有15万TEU。随着订购的集装箱专用设备陆续到货，海天码头于1994年12月正式投产。紧接着建设的厦门港东渡港区期工程海天码头5#、9#11# 泊位也于2002年竣工投入使用。至此，海天码头共拥有5#11# 共7个泊位，1510m的岸线，33万m2的堆场，成为厦门港最大的集装箱专用码头。与此同时，随着码头堆场的改造，跨运车的使用量也越来越少，仅局限于提箱查验等场合，码头的整体布局逐渐被龙门吊工艺所占据。同中国许多沿海港口一样，厦门港口的发展十分迅速，这一点可以从以下全港1983年2004年货物吞吐量和集装箱吞吐量增长示意图中管中窥豹。图1-1 厦门港19832004年货物吞吐量增长示意图图1-2 厦门港19832004年集装箱吞吐量增长示意图近年来，随着我国经济的高速发展，特别是在我国加入WTO和全球经济一体化的形势下，集装箱运输在我国以至全世界范围内均空前高速发展，第五、第六代集装箱大型船舶已成为世界远洋干线运输的主要船型，由此对深水集装箱码头的要求越来越迫切。但厦门港现有的东渡及海沧港区的集装箱码头中，除了正在建设的海沧1#、4#、5# 泊位外，均不能适应这一战略发展要求。为满足这一要求，必须规划建设能满足集装箱运输发展趋势和干线港要求的大型集装箱港区。2004年开始，厦门港与马士基APMT合资建设厦门港嵩屿国际集装箱码头。该项目期工程拥有三个泊位，岸线长1246m，码头面积70公顷，码头前沿设计水深-17m，可靠泊10万吨级（第六代）集装箱船舶，年吞吐能力不小于260万TEU。码头拟采用“堆五过六”的龙门吊操作模式，龙门吊堆场布局为背靠背布置，外加一条集卡超车道，堆存长度为32TEU（约217m）。在龙门吊跨距的选择上，马士基APMT建议采用跨7排集装箱的龙门吊（跨距为26.40m），认为该布局会比跨6排箱的增加317堆存能力。码头配套装卸设备的采购工作将在2005年下半年启动。本文正是在这个背景下展开的，希望能解决以下问题：1. 海天码头，利用现有的统计数据，研究论证其在现阶段及未来发展过程中，集装箱装卸设备配备数量同码头通过能力以及运营成本的关系。如何让设备发挥最佳的投资效益，使设备的配置与其它资源、生产量相适应？从而提高码头的竞争力。2. 嵩屿港区，在投产初期如何借助其它码头的经验，结合吞吐量预测，合理科学地配置装卸设备，既充分发挥设备的效能，保证集装箱船舶装卸的高效率和及时性，为将来集装箱吞吐量的增长打下坚实基础，同时又可以控制先期投资，尽量减少由于设备空闲造成的浪费。我国经济和贸易的高速发展，推动了我国集装箱运输市场的迅猛发展。据统计资料显示：2004年我国集装箱总量达到6180万TEU，继续保持世界第一，预计在2010年前后中国将成为全球最大的集装箱航运中心。16以上问题是集装箱码头在建设和发展中都必须面对和解决的，本文的研究工作可以为上述问题的解决起到一定的借鉴作用。1.2 目前的研究现状 1现代工业大规模专业化生产，必然带来大量物资交流。相比陆运和空运，水运是最省力、最经济、最方便的运输方式。现代发达国家货物运输，集装箱方式占的比例很高。标准化的集装箱运输大大提高了装卸速度，实现了门到门运输，减少了货损，大大改变了过去码头的杂乱局面。世界上最早的海上集装箱运输出现在上世纪五十年代后半期，最初只限于美国和澳大利亚本国的国内沿海运输航线。六十年代后半期逐步发展到欧洲、北美、日本等工业发达的国家。七十年代后，逐渐形成了以海运为中心的两端向内地延伸的集装箱运输体系。1978年，上海港开辟了军工路码头至澳大利亚的我国第一条集装箱班轮航线，拉开了我国集装箱运输的序幕。表1-1 2000年2004年全球集装箱吞吐量前十五名序号港口国家（地区）2004年2003年2002年2001年2000年吞吐量(万TEU)同比增长吞吐量(万TEU)同比增长吞吐量(万TEU)同比增长吞吐量(万TEU)同比增长吞吐量(万TEU)1香港中国21939%20105%19148%1780-2%18102新加坡新加坡206014%18108%16808%1552-9%17043上海中国145629%112831%86136%63313%5614深圳中国136529%106139%76150%50827%3995釜山韩国114310%103710%94519%7915%7546高雄台湾97110%8844%84913%7542%7427鹿特丹荷兰83017%7109%6527%610-3%6308洛杉矶美国7322%71818%61118%5186%4889汉堡德国70014%61414%53715%46910%42510迪拜阿联酋64325%51523%41920%35014%30611安特卫普比利时60611%54514%47813%4223%40812长滩美国57824%4663%4531%446-3%46013巴生港马来西亚5249%4806%45321%37617%32114青岛中国51421%42424%34129%26425%21215纽约/新泽西美国4406%41511%37513%3329%30526厦门中国28723%23333%17536%12919%108资料来源：港口科技动态和“中国港口集装箱网”从以上近几年全球集装箱吞吐量前15名港口所完成的集装箱吞吐量可以看出，集装箱海上运输的发展十分迅速，可以说已经到了如火如荼的地步，尤其是中国大陆的集装箱码头都保持每年两位数的箱量增长。然而多年来，在码头泊位的规划建设中，从工艺设备部分在设计院编制的工可、初设报告中所占的篇幅和内容，足可以说明目前的研究状况，大多还是凭以往的经验。其中的经验公式和数据难免有些陈旧过时。影响码头水工的潮汐可以通过做流体动力实验来验证其对建设模式的影响程度，而影响码头作业效率的工艺配套组合却没有通过实验手段来予验证。在有关集装箱码头装卸工艺的教科书中，也大都只有码头通过能力和设备生产能力的计算公式，并没有给出如何对码头装卸设备进行优化配置，使其生产效率最高、综合成本最为合理的方法。从参考文献资料来看，已经有许多科研部门或院校对码头装卸设备优化配置进行了积极的研究，并取得一定的成效。只不过他们的研究针对性很强，同实际应用结合也不够紧密，特别是很少贯穿码头建设和管理全过程，所以结论偏于理想化，直接应用有一定的局限性。但是，他们研究问题的思想和方法还是非常有价值，也是很值得借鉴的。1.3 本文的组织结构本文共分六章，具体如下：第一章为绪论，主要介绍研究的背景、意义及研究现状；第二章首先系统详尽地介绍本文的研究对象集装箱码头、集装箱装卸设备、以及各类装卸工艺及其比较，既进一步阐述研究对象的现状和问题的由来，又为下一步工作做好准备；第三章以厦门港为例，进一步了解集装箱码头装卸工艺应用情况以及各类装卸设备的使用状况，并通过统计数据对装卸设备生产能力和运行成本等方面做简单介绍，为后边的设备选型提供经验和依据；第四章结合设备选型研究，在介绍影响装卸设备优化配置的因素之后，引入综合成本模型。第五章介绍为计算综合成本模型编写的Matlab开发的GUI程序，并利用该程序对厦门港海天码头的装卸设备优化配置进行分析研究，帮助管理者进一步认识设备配置与生产成本之间的关系；第六章为结论，给出通过以上分析研究后在实际工作中厦门港海天码头应采取的对策，以及本文的基本结论，并指出下一步的工作方向。第二章 集装箱码头装卸设备与装卸工艺认识和研究本章首先对集装箱码头及其装卸设备与装卸工艺进行系统的论述和研究，为下一步工作做好准备。集装箱码头是专业化生产的产物，码头采用专门的设备和特殊的工艺，实现机械化、标准化、自动化，提高生产技术水平和劳动熟练程度，大大增加产量，提高质量，降低成本。2.1 集装箱码头概述港口码头是水路运输和陆路运输的连接点。码头泊位的形式主要有顺岸式、凸堤式、栈桥式等几种。厦门港的码头几乎全部是顺岸式重力码头。码头泊位长度是根据泊位上所停靠的集装箱船的长度来确定的，而泊位的纵深则要考虑集装箱船的到港密度、载箱量、码头装卸工艺方式、以及泊位通过能力等因素。为了使船舶进出港不受潮位制约，泊位还必须有足够的水深。集装箱码头（Container Terminal）的主要设施有：前沿、堆场、道路、货运站、检查口、维修车间、供电站、办公楼、调度楼等。航道是船舶进入港口到达码头泊位的一条水道，它的宽度和深度决定了港口所能接纳的船舶的大小。泊位前的航道较宽，便于船舶靠离泊和调头，成为“港池”，有的还专门辟出“调头区”来。厦门港期航道疏浚工程完工后，10万吨船舶可以长驱直入了。每个集装箱装载的货物都是不同的，可能有不同的货主、品种、重量、抵达港，所以每个集装箱有唯一的号码予以识别。在集装箱船装卸作业前必须进行配载，以明确每个作业箱在船上的位置，便于顺序装船、保证船舶的平衡；在装卸作业时，必须记住每个箱子存放在堆场的位置，便于提取。在吞吐量大的码头，以上这些都由计算机管理系统来处理。而信息的传递，则从人工纸卡、语音通讯，发展到无线数据传输系统，使得能够实时地对码头作业进行管理、控制，效率高，不易出错。总之，现代化的港口必须为大规模和高效率进行集装箱装卸、保管、加速车船周转提供必要的技术手段。2.2 集装箱码头装卸设备分析 5对于货运码头来说，货物装卸设备是至关重要的。集装箱码头之所以快速发展，就是因为它使用了大量技术含量高的现代化装卸设备，大大提高了装卸效率。码头装卸设备一般分为起重机械、运输机械和装卸搬运车辆等三类。起重机械是一种循环、间歇运动的机械，用来垂直升降物品或兼作物品的水平移动，以满足物品的装卸、转载和安装等作业要求。码头起重机械则是专门设计、制造，用在码头和货场，担负货物装卸、转载的起重机械，具有工作速度快、装卸效率高、起制动频繁等特点。起重机械由金属结构、运行机构、电气系统等部分组成。常见的码头起重机械有门座起重机、轮胎起重机、汽车起重机、装卸桥、门式起重机、浮式起重机等。码头运输机械是指可以沿一定的输送路线从装料点到卸料点均匀连续输送物料的输送机械，有些输送机械还具有取料和堆料的功能。运输机械一般都用于大宗散货如煤、矿石、散粮、化肥、水泥等的运输装卸，动作单一，结构简单，通用性差，每种机型只能适用于一定类型的货种。常见的码头运输机械有带式输送机、埋刮板输送机、斗式提升机、链斗卸船机、气力卸船机、装船机、堆取料机等。近来，也有人想把这种连续输送机械的概念引入集装箱堆场，用连续运转的集装箱托盘取代牵引挂车作为集装箱的水平运输设备。码头装卸搬运车辆主要是在码头货场、仓库、船舱等处对各种件杂货、散货和集装箱进行装卸、堆垛、清理、转运等作业，可独立或与其它码头机械配合作业。机动性好、可到处行走的车辆底盘和配备多种工属具等是装卸搬运车辆的显著特点，装卸搬运车辆一般由动力装置、行走底盘、电器设备、工作装置等组成。码头常见的装卸搬运车辆多是以柴油机为动力的。常见的装卸搬运车辆有具备装卸和搬运两种功能的叉车、装载机、集装箱跨运车、正面吊、堆高机等，和只具备搬运功能的载货汽车、牵引车、挂车等。随着集装箱运输的迅速发展，装卸工艺方式不断革新，装卸搬运机械的机型、品种和规格日益增多，其性能和结构日趋完善。以下分岸边、堆场、水平运输三方面，着重对集装箱码头常用的装卸设备作逐一介绍。2.2.1 岸边装卸设备岸边装卸设备的任务是将集装箱从船上卸下或将集装箱装上船，它的作业效率和可靠性直接影响码头的生产效率和装卸船的及时与否。2.2.1.1 驳吊在某些地区集装箱海运初期，人们沿用了过去重大件货物运输装卸的经验和设备，驳吊就是其中之一。在很长的一段时间里，海面上来来往往的拖轮和驳吊，成为香港维多利亚湾里的一道风景线。厦门港最多的时候曾同时使用5艘驳吊。图2-1 驳吊当码头泊位紧张或岸边设备缺乏时，可以进行装卸船和过驳作业的驳吊成为投资少、见效快的一种装卸工具。驳吊还可以用来装卸一些重大件货物，如大型机器等。它一般都是用旧船体改装而成，有的甚至连柴油机也是旧的。起重量从二三十吨到近百吨都有，载货量可达二三千吨。航行时需要拖轮拖带。结构是在船舱的一头设置生活区，另一头竖起一个坚固的人字架，用来安装滑轮组拉住圆管制成的起重臂。动力部分则由一台柴油机通过分动箱再分别驱动起升、变幅、旋转机构工作，而这三大机构最终都是使用钢丝绳牵引动作的。货物的下降动作采用动力下降，所以装卸效率还比较高的。另外，为了在系泊后可自行沿岸壁移动，驳吊一般还在生活区的甲板上安装了一套绞车。2.2.1.2 门机门机是货运码头用的最多的装卸船起重机械，几乎已成为货运码头的标志，在设计制造上已标准化、系列化。由于门机下方还要通行载货汽车，甚至是火车，所以门机的下部结构做得像门座，故称为门座式起重机（Portal Crane），简称门机。一般使用吊钩装卸件杂货，或使用抓斗装卸散货，也可以直接用吊钩配以索具吊空箱或配上专用吊具装卸集装箱。海天码头在很长的一段时间里，曾使用门机装卸空箱，不仅效率高，成本也很低。1-变幅机构2-司机室3-回转机构4-起升机构5-电气系统6-电缆卷筒7-行走机构8-门架9-转柱10-转盘11-机器房12-人字架13-平衡系统14-臂架系统15-吊钩门机是一种典型的、用途最广泛的起重机，其构造可分为上部回转和下部运行两部分。上部回转部分包括臂架系统、人字架、回转平台、机器房、司机室等；下部运行部分由门架、平衡梁、运行台车等组成。它有起升、变幅、旋转、行走四大机构，工作面广、幅度大，灵活简便，适应性强。图2-2 门机上图所示的门机是目前码头使用的最具有代表性的机型，它的回转支承采用了转柱式。货运码头用于集装箱的门机规格主要为16t/33m和40t/43m（额定起重量/最大工作幅度）等。轨距一般是10.5m和16m。2.2.1.3 高架吊一种在上世纪七十年代末期开始出现，而现在发展速度较快的自行式高架集装箱轮胎起重机正在为中小型集装箱码头和新开发的集装箱码头所接受，同时它也被大型集装箱码头当成较好的临时应急补充设备，作业繁忙时可调来使用，不需要时可移到其它地方使用。1-补偿滑轮组2-起重臂 3-立柱 4-变幅驱动装置 5-回转部分6-底盘 7-抓斗 8-集装箱吊具 9-吊钩图2-3 高架吊自行式高架吊（Mobile Harbor Crane，MHC）可以进行使用抓斗、集装箱吊具、吊钩等进行作业，它的主要结构是在轮胎起重机的底盘基础上，在回转转盘上部增设较高的立柱，用来支撑长起重臂、变幅驱动机构和滑轮补偿装置。除了具有起升、变幅、回转和运行功能外，它的起重臂和立柱还可以放倒，以方便转移使用。从结构图可以看出，高架吊的起重臂下铰点很高，对船舶进行装卸作业时，即使伸幅较大，起重臂也不致于与船舷相碰。由于采用了滑轮补偿装置，高架吊还同一般门座式起重机一样，在变幅过程中实现货物水平移动。同时，它又具有轮胎起重机的基本特点，可以在公路、码头上不受轨道限制自由运行。高架吊的最大起重能力一般在2475t之间，作业幅度在1047m，支腿压力5001800KN。我们国家海港的码头生产专业化程度都较高，这种自行式高架吊造价又不菲，所以很少看到它的身影。2.2.1.4 岸桥岸边集装箱起重机（简称岸桥或桥吊，Quayside Container Crane，简称QC或STS），是集装箱码头前沿装卸集装箱船舶的专用起重机械，它是随着集装箱海上运输的发展，由装卸桥演化而来的。现在的岸桥越造越高大，早已成为集装箱码头单机造价最高的设备，同时它的装卸效率也是最高的。岸桥的基本结构是：由海侧和陆侧门框与斜撑拉杆组合成门架结构，用于支撑垂直于码头岸线的大梁，运行小车沿着大梁前后运动，通过悬挂在运行小车下的吊具完成对集装箱船舶上的集装箱的装卸作业。为方便司机观察吊具对箱和开闭锁动作，习惯上将司机室布置在运行小车后下方并跟随小车运行。为避让船舶，岸桥的前伸梁必须仰起或缩进海侧门框内。随着集装箱船舶的大型化发展，岸桥也越造越高大。目前许多集装箱码头，特别是自动化码头，已逐渐采用新型双小车岸桥来取代常规单小车岸桥，以追求更高的装卸效率，以及实现岸桥与水平运输设备间的自动衔接。下图是ZPMC最新的一种双小车岸桥总图，它的吊具下起重量达到61t，可以满足双20 箱作业，前伸距63m，轨上起升高度42m。前小车由司机驾驶，卸船时把集装箱从船上卸到海侧立柱后的转运平台上，该步骤也可实现全自动或半自动（对箱由司机操作，后边的动作自动完成）。后小车可实现无人驾驶，自动地把转运平台上的集装箱卸到拖挂车上。由于将卸船动作分成二个步骤，并且前小车省去陆侧对箱的时间，所以装卸效率可大大提高。图2-4 双小车岸桥外形图就在最近，几家岸桥制造商又推出了双40 吊具或双40 起升系统的岸桥，目的在于最大可能地提高设备工作效率，加快船舶周转。这些岸桥的轮压达到100t以上，对码头主体建筑的要求也越来越高了。2.2.2 水平运输设备水平运输设备的任务是把集装箱从码头岸边的起重机下运输到堆场，或货运站、仓库等地方，实现码头前沿和后方的货物连接。2.2.2.1 拖挂车 拖挂车是被世界上大多数集装箱码头所使用的水平运输设备，它分为牵引车（俗称拖头）和半挂车两部分，且可以分离，不仅有助于产品功能专业化，还提高了牵引车的周转利用率。在集装箱码头，人们普遍称集装箱拖挂车为“集卡”。牵引车（Trailer or Truck）其实就象只有驾驶室和底盘的载重汽车，在后轴的主梁上安装了一个鞍座，又称第五轮，用来同半挂车的牵引销相连接。根据牵引吨位的大小，牵引车有双轴式和三轴式之分，驱动方式有单轴驱动、双轴驱动和三轴驱动三种，一般常见的有42型和64型的。1-牵引车； 2-半挂车图2-5 集装箱拖挂车半挂车又称底盘车（Chassis），它以可伸缩的支腿代替前轴，比较便宜，也更为通用。根据载重量的不同，后轴常见的有二轴和三轴的。根据底盘骨架上是否铺设平板，又分为平板式和骨架式两种，前者不但可以放集装箱，还可以装其它货物。半挂车四周相应位置设有旋锁，在公路运输时必须锁住集装箱。在码头内使用的半挂车，为了提高装卸效率，可以不设旋锁，但增加导板以方便司机对箱并限制集装箱移动。码头上俗称这类半挂车为“聪明架”。牵引车通过可快速插拔的气管和电缆向半挂车提供制动气源和信号电源。拖挂车除了油耗外，轮胎是比较大的成本支出，所以码头上经常会使用翻胎。轮胎寿命的长短同码头前沿和道路的路面好坏有关系。为了提高装卸船效率和安全性，目前海天码头大量采用低速的码头专用牵引车和带导板的专用半挂车。2.2.2.2 跨运车集装箱跨运车（Stacker Carriers or Straddle Carriers，SC）是一种应用于集装箱码头和货运站的集装箱专用装卸机械，其作用是实现集装箱的水平搬运、堆码、以及对集装箱半挂车进行装卸作业。跨运车不仅可以一机多用，减少作业环节，还有机动性好，作业灵活，取箱对位快，作业效率高等优点。但因其结构、机构较复杂，又过多地依赖液压系统，所以维修保养困难，配件成本较高；作为水平运输车辆，跨运车的车体窄、质心高，行走稳定性较差，对路面和司机操作技术水平的要求都比较高。1- 车架2- 动力及传动系统3- 液压系统4- 电控系统5- 吊具与升降系统6- 转向、行驶和制动系统图2-6 集装箱跨运车跨运车的车架由两片门型的框架连接而成，下部净空可跨过拖挂车或堆垛的集装箱，又可带箱运行，故此得名。跨运车采用柴油机作为动力，一般有顶置单发动机和两侧分置双发动机两种。传动系统将柴油机的动力传递到车轮使车辆行驶，并驱动液压系统带动吊具工作。除此之外，有些制造厂商也采用电传动系统来替代复杂的机械传动。同其它车辆一样，跨运车也配备有行驶、转向、制动和电器等系统，这里就不一一赘述了。值得一提的是，为了能提供尽量小的转弯半径，跨运车通常都采用全轮（8轮）同时转向。跨运车的司机室一般设在上部门框的一侧，在方便司机驾驶的同时，还要兼顾有良好的对箱视角。跨运车的吊具常用液压油缸链条、液压马达链条或钢丝绳卷筒等方式实现升降运动，以往曾采用组合式（子母式）的，目前多采用可伸缩式的，能适应ISO标准的2040 集装箱。跨运车的额定起重量多为30.5t40t，堆码和通过能力基本上有堆二过三、堆三过四等两种，行驶速度小于30km/h，升降速度在200mm/s300mm/s之间，最小转弯半径在10m左右，自重40t58t，轮压12t左右，发动机功率131kw243kw。厦门港使用的跨运车有日本TCM、芬兰VALMET、美国CLARK制造的，由于国内集装箱码头很少使用跨运车，所以国内港机制造厂都还处于研制阶段。2.2.2.3 自动导向车国外也有些大型的集装箱港口，如荷兰鹿特丹港采用自动导向车（AGV）水平运输系统，AGV是目前国际上最先进的自动化水平运输系统，该系统建设投资高，技术水平高，适用于集装箱货运量大、劳动成本高的大型集装箱枢纽港。自动导向车系统是无人操纵的自动化运输系统，主要由自动导向车（Automatic Guided Vehicle）、地面管理系统（VSM）、导引系统、地址编码系统、通讯系统、停车站、充电站和周边设备等基本单元组成。AGV系统可以实现柔性运输、使用灵活、运输效率高、节能、系统工作可靠、无公害，可以改善工作环境，所以被广泛应用于汽车制造业、家用电器业、电子业、食品加工业等许多领域。AGV装有微电脑和先进的电子电路，智能水平高，操作简单容易掌握，安全措施齐全。比如：在车前、车后都装有超声波或红外线障碍物检测装置，确保接近物2米内停车；车上设有完备的运行状态检测系统，能及时发现诸如车辆脱线行驶、车速异常、电瓶亏电、马达超负荷以及前面遇障碍物等事故，及时停车并向VSM报告；等等。码头上使用的AGV行驶速度可达到20km/h以上。2.2.3 堆场装卸设备堆场装卸设备的任务是在堆场对集装箱进行堆码存放和提箱作业。2.2.3.1 叉车叉车（也叫铲车、叉式装卸车，Fork Lifts）是应用最为广泛的港口装卸搬运机械，不夸张地说，在世界任何港口码头都可以见到它的身影。叉车是一种以货叉为主要工作装置，依靠液压升降装置实现对货物的叉取、升降，并由轮胎式运行机构来完成货物的水平搬运的自行式流动机械。在不同形式的工作属具的配合下，叉车可以适用于件货及其它货物的装卸、堆垛和短距离搬运，还可以辅助生产或维修作业。作为一种通用、批量生产的工业搬运车辆，叉车早已标准化、系列化，在港口常用的是内燃平衡重式正面叉车，其起重量在1.5t60t范围内。在港口集装箱应用领域，叉车主要有两种用途，一是直接用于装卸和搬运集装箱，二是用于拆装箱作业，即进入集装箱对箱内货物进行装卸。需要进箱作业的叉车，需要选用全自由提升（即内门架未升起时货叉就能提升到一定高度）功能，否则在箱内是无法堆码货物的。厦门港使用的小吨位叉车现已基本是林德（厦门）叉车公司生产的静压传动叉车的天下，因为这种叉车操作简便、转弯半径小、可靠性较高。图2-7 叉车外形图直接装卸集装箱的专用叉车，是在门架前安装顶部或侧面起吊的吊具，利用旋锁件同集装箱连接起吊；或利用货叉插入集装箱底部的叉槽内举升集装箱。集装箱叉车的起重量都较大，机动灵活，作业范围广，成熟可靠，费用低廉，但是由于单机作业效率低，满载轮压大，堆码高度不足，又不能够跨排作业，所以只适用于集装箱码头的初期和吞吐量不大的综合性码头。厦门港曾使用过的几台集装箱重叉，现在都变成了用之不便、弃之可惜的“鸡肋”。2.2.3.2 正面吊集装箱正面吊运机（简称正面吊，Reach Stackers）是一种用来完成集装箱装卸、堆码和水平运输的专用设备，它的结构由类似重型叉车的底盘，和类似汽车吊的伸缩起重臂，加上吊具组成，既能堆码多层集装箱，也可跨排作业。正面吊配备的多功能伸缩式吊具，除了能适用于2040 集装箱外，还具有左右回转、横移、倾斜功能，便于对箱和通过狭窄的通道。图2-8 集装箱正面吊正面吊的起重臂由基本臂和一节伸缩臂组成，由油缸系统实现其伸缩和俯仰。由于整机惯性大，正面吊的动力传动系统一般都采用液力变矩器和动力换档变速箱。同汽车吊一样，正面吊的堆码能力也受载荷中心的限制，目前多为5层3排。其它性能参数为：行驶速度在每小时20公里左右，转弯半径8m，自重70t左右，发动机功率在182203kW之间，轮胎规格为18.00-25。2.2.3.3 堆高机空箱堆高机（Front Loaders）是专门用来堆码空集装箱的设备，它的外形跟重型叉车没有什么区别，只是门架比较高，配备侧面起吊的集装箱吊具，最高可堆码78层集装箱。为了方便司机对箱操作，有些堆高机的司机室还可以升降。2.2.3.4 跨运车前面已经提到，跨运车除了可以作为水平运输车辆外，还可以进行堆垛和装卸拖挂车作业。跨运车一般只能堆二过三，另需留出足够的转弯通道以方便其对拖挂车进行装卸作业，所以堆场利用率比较低。2.2.3.5 龙门吊龙门吊是集装箱码头的堆场专用起重机械，全称是轮胎集装箱龙门式起重机（Rubber Tyred Container Gantry Cranes，RTG），简称龙门吊或场桥，可用于集装箱的堆场堆垛和拖挂车装卸作业。图2-9 集装箱龙门吊外形尺寸图目前较常用的龙门吊由8只橡胶轮胎支撑，采用柴油机带动交流发电机，经可控整流变频后，作为机械的驱动动力，因此可在集装箱堆场内移动而不受拖带电缆以及外接电源的影响。龙门吊配有能起吊20 和40 集装箱的伸缩吊具。为提高装卸效率，减少集装箱的摇摆，以及方便对箱，龙门吊一般都配有吊具减摇装置和吊具回转装置。跨距为23.47m的龙门吊能跨越6排集装箱和一条集装箱拖挂车通道，起升高度从“堆三过四”已发展到“堆六过七”。以下是海天码头使用的一种“堆五过六”龙门吊的主要参数：表2-1 “堆五过六”龙门吊的主要参数跨度23.47m基距7.4m起升高度18m小车有效行程18.47m吊具下起重量41t起升速度满载23m/min，空载52m/min小车运行速度70m/min大车运行速度满载50m/min，空载100m/min吊具回转5，0.5/s吊具伸缩2040，30s整机重量131t外形尺寸252701164025100mm最大工作轮压34.5t柴油机功率504kw轮胎18.00-25龙门吊的新技术主要集中在高可靠性的交流变频驱动、大车自动纠偏、自动化作业、故障诊断与监测等方面。2.2.3.6 轨道吊轨道式集装箱门式起重机（Rail Mounted Gantry Cranes，RMG），简称轨道吊，主要用于集装箱铁路转运站和大规模集装箱堆场的集装箱装卸、搬运和堆放。轨道吊其实有点象是岸桥和龙门吊的衍生物，它的外形象龙门吊，只不过行驶在轨道上，而且也是采用电缆卷筒将电力输送上机驱动机构运行的。图2-10 轨道龙门吊根据场地、装卸工艺要求，轨道吊可分别选用无悬臂、单悬臂或双悬臂等形式。由于跨距一般都较大，为了避免大车车轮在行走时发生啃轨现象，轨道吊大多采用“一刚一柔”门腿结构。以往轨道吊的堆垛能力和运行参数都较低，现在基本上与龙门吊相当，大轨距轨道吊的小车运行速度比龙门吊的还要大。除了需要在堆场内增设轨道和供电电缆外，轨道吊在堆垛高度、堆垛定位精度控制、防摇性能、以及钢结构受力状态等方面均优于龙门吊。另外轨道吊的能耗低，噪音小，可以通过车轮数量的增加来承受更大的负载实现大轨距，并且容易实现自动化无人操作，所以现在很多枢纽港的集装箱码头都采用轨道吊来充当堆场装卸设备。海天码头于2003年投入了2台轨距50m的轨道吊，用于冷藏集装箱的装卸堆存作业。值得一提的是，为了实现集装箱堆场上轮胎龙门吊和轨道龙门吊的共用，ZPMC已开发出共轨轨道吊。它的跨距同轮胎龙门吊的一致，大车车轮的轮缘嵌入铺在轮胎龙门吊跑道上的下沉式轨道内，以约束整机直行。这种设备的推出，为那些原来采用轮胎龙门吊作业工艺，在码头扩建时又打算采用轨道龙门吊工艺的集装箱码头提供了一种可行方案。图2-11 共轨轨道龙门吊的大车车轮与轨道厦门港海沧港区1# 泊位将与2#、3# 泊位一样同香港和记黄浦HPH合资经营，为了能提高堆场设备的安全性、可靠性、操作性、运营经济性，以及将来自动作业的可能性，又能同原有的轮胎龙门吊互补使用，管理层正考虑是否可采用上述的共轨轨道龙门吊作为堆场装卸设备。2.2.3.7 高架桥吊高架桥式起重机，简称高架桥吊，英文缩写HDS。高架桥式起重机的基本形式同桥式起重机，相比轨道吊，它是将门腿换成固定的混凝土高架廊，上面铺设轨道，轨道距地面28m，可堆存空箱9层高，跨10个集装箱。这种布置方式降低了起重机的成本，且增加了稳定性和安全性，大车运行速度也得以提高，迄今为止取得了很好的效果，被公认为是现今最高效的堆场装卸方式。图2-12 高架桥吊高架吊的供电可采用滑触线和电缆卷筒两种方式。2.3 集装箱码头装卸工艺分析 13港口的主要任务是装卸。装卸工艺是指港口装卸货物的方法，就是如何将装卸设备有机地结合起来，完成货物在码头系统中的装卸、堆垛、提取等作业要求。装卸工艺是港口生产的基础。选用不同的装卸设备，就会形成不同的装卸工艺。研究装卸工艺就是分析和改进装卸方法，就是要体现出设备配备的合理程度，使通过港口的物流更经济、更合理，从而达到安全、优质、高效、低成本地完成装卸任务的目的。装卸工艺追求的是合理的投入、高效安全、以及满足外围环境。现在大型专业化码头的装卸工艺基本上实现了现代化、信息化，这为码头设备的配置、优化和分析研究提供了可靠的技术基础。2.3.1 集装箱码头装卸工艺类型及比较集装箱船舶在港口码头的装卸作业方式可分为滚上滚下方式和吊上吊下方式两种。滚上滚下方式，需采用专门的滚装船，利用牵引车直接将放置在半挂车上的集装箱拉到船上，连同半挂车一起堆放在船舱内，船舶到港后再用牵引车拉到堆场存放。该方式装卸速度快，码头设施简单，装卸费用低，有利于组织集装箱的“门到门”运输；但集装箱滚装船的造价高，载重利用系数低，码头所需的堆场面积大。所以，一般只适用于国内沿海、大陆与岛屿、近邻国家之间的短距离运输。吊上吊下方式则用的最为广泛，它是指在码头前沿采用起重机进行集装箱的装卸。在现代化的集装箱专用码头上，为了追求规模效益和尽量高的装卸效率，无不采用岸桥作为岸边装卸船的起重设备，所以集装箱码头的装卸工艺就按照堆场装卸设备和平面运输的不同而进行分类。常见的装卸工艺有：全底盘车工艺、跨运车工艺、龙门吊工艺、轨道吊工艺、高架桥吊工艺等。2.3.1.1 全底盘车工艺卸船：桥吊把集装箱从船上卸到底盘车（半挂车）上，用牵引车把底盘车拖到码头堆场，按顺序排列存放。装船：用牵引车把堆场上装有集装箱的底盘车拉到码头前沿，再用桥吊把集装箱装上船。优点：码头堆场的作业环节少，搬运方便，取箱容易，疏运能力高，集装箱破损率很小，除牵引车外不需要其它装卸设备，堆场场地铺装成本低，最适合开展“门到门”运输。缺点：全底盘车工艺需配备与集装箱堆存量等同数量的底盘车，投资大，占用堆场面积大，堆场利用率相当低。该工艺方式首先由美国海陆（Sea Land）航运公司采用，所以也叫“海陆方式”。2.3.1.2 跨运车工艺卸船：桥吊将集装箱从船上卸到码头前沿，然后用跨运车把集装箱搬运到堆场码放。装船：用跨运车将堆场上的集装箱搬运到码头前沿，在用桥吊把集装箱装上船。优点：机动性强，跨运车集装卸、堆垛、水平运输于一身，作业效率高；投入的机种少，设备容易调配；桥吊卸船时，可以把集装箱直接吊放在码头前沿的地上，不用准确对位，有利于提高桥吊的装卸效率；跨运车能堆码24层集装箱，堆场利用率较高，投资也较少。缺点：跨运车造价较高，液压部件多，故障率较高，维修费用大；对司机操作熟练程度要求高；跨运车本身的轮压较大，道路和堆场的土建工程投资大；跨运车转弯运行时占用的道路面积大。图2-13 跨运车装卸工艺示意图另外，利用跨运车直接到岸桥下换装集装箱，岸桥下横梁净空还必须大于14m，以保证跨运车能安全通过。跨运车堆场箱与箱之间的净距离一般为1.4m，跨运车门腿与集装箱之间需保留500mm的净距离。2.3.1.3 龙门吊工艺卸船：桥吊将集装箱从船上卸到码头前沿的拖挂车上，然后拖到堆场，由龙门吊堆码。装船：在堆场用龙门吊将集装箱装到拖挂车上，然后拖到码头前沿，再用桥吊把集装箱装上船。优点：机动性较好，可转场作业；操作较简单，维修费用较低；龙门吊最大可堆码6层，单位面积堆存量大，堆场利用率高；采用90转向移场作业，占用通道面积小；便于实现自动化作业。缺点：需要拖挂车配合，投入设备多；堆垛层数多，翻箱率高；轮压大，土建工程投资较大；装备功率大，整机重量也大，如果经常在堆场内移动，或长时间等待作业，则油耗较高；噪声大；容易跑偏以及较难确定在堆场上的位置等。图2-14 龙门吊装卸工艺示意图国内集装箱码头绝大多数采用跨距为23.47m（跨6排箱和1条拖挂车车道）规格的龙门吊。早期的码头在设计建设时多选择“33”模式，即将拖挂车车道安排在中间，两边各布置3排箱位。这种模式的堆存量相对会大一些，翻箱量也少，但对码头作业系统的精确度要求高，也不适合多台龙门吊同在一个堆场（跑道）作业的情形。现在，越来越多的集装箱码头都采用“61背靠背布置”的模式，即将拖挂车车道安排在一侧，6排箱位集中布置，同时有意将相邻堆场（跑道）的拖挂车车道作交错布置，并在相邻两条车道中间留出一条应急车道，以适应多台龙门吊同在一个堆场作业时拖挂车通行的需要。图2-15 “堆五过六”型龙门吊“6+1背靠背布置”堆场布局2.3.1.4 轨道吊工艺卸船：桥吊将集装箱卸到码头前沿的拖挂车上，然后拖到堆场，采用轨道吊堆码。装船：在堆场用轨道吊将集装箱装到拖挂车上，然后拖到码头前沿，用桥吊把集装箱装上船。优点：轨道吊结构较为简单，操作容易，维修费用和运营成本都较低，因而装卸成本低；轨道吊最大可堆码6层以上，跨距最大可达50m，占用堆场面积更小，堆场利用率最高；可实现作业自动化。缺点：轨道吊不能转场作业，因此机动性差，作业范围受到限制；所以初期投入较大。轨道式龙门起重机一般都由码头专门的电力供电驱动，环保性好。其构造比较简单、使用寿命长、故障少、维修工作量小、运行成本低，在轨道上运行的操作简单，实现自动化比较容易。其跨距和堆高都比较大，一般跨越1020列集装箱，堆高56层，最高可达8层，可对集装箱进行密集堆放，因此堆场利用率比较高。由于带有悬臂梁，可布置铁路轨道，便于进出堆场货物的转载。而且水平运输车辆互相干涉少，可缩短生产区域内机械设备的作业循环时间。轨道式龙门起重机上除吊具液压系统外，其余部件都是标准型，这样就保证了整机作业的可靠性，大大降低了维修管理费用。但其不足之处是只能在轨道上运行，作业的灵活性较差，对于大型集装箱堆场需要增加机械数量来弥补其灵活性的不足。2.3.1.5 高架桥吊工艺高架桥吊现被唯一应用在新加坡港Pasir Panjang自动化集装箱码头空箱堆场上，由码头中控室的工作人员远程控制，一人可同时监控6台。运用这种方式，该码头的年通过能力为75万TEU/泊位，大大超出了其它实施自动化的码头，因此在我国集装箱码头自动化堆场的装卸设备选型上，应对此设备给予足够的重视。只是采用这种工艺的码头建筑投资比较大，抗风性要求高。2.3.1.6 几种装卸工艺类型的比较以上几种装卸工艺方式的技术经济性比较如下表：表2-2 集装箱装卸工艺方式技术经济性比较工艺方式项 目全底盘车跨运车龙门吊轨道吊高架桥吊基建投资小小中高最高堆场堆存能力小中大大最大堆场装卸效率高中高高高设备操作难易程度易较难中易易设备维修费用低高中低低能耗低中高中中机动性高高中低低集装箱的损坏率低高中中中实现自动化的可能性难难易更易最易上世纪八十年代，在集装箱运输的初期，大多数码头采用跨运车或全底盘车工艺。后来，通过实际使用，人们越来越感到，跨运车的完好率低，维修费用高，装卸成本加大，且对跨运车的操作技术要求高；全底盘车方式投资大，占用货场面积大，货场面积利用率相当低，往往受到码头陆域条件的限制。因此，逐步为轮胎式龙门吊和轨道式龙门吊方式所取代。采用不同的装卸工艺，码头的通过能力是不同的。而作业线上设备能力的匹配对提高作业效率尤为重要。堆场装卸设备的配备数量和能力，应与码头前沿桥吊的生产能力相适应，以保证桥吊不停顿地进行装卸船作业，并考虑提箱、移垛、以及设备维修的需要，所以堆场装卸设备的综合能力应稍大于前沿桥吊的能力。在确定堆场装卸设备的实际数量时，应根据其技术性能、生产效率和运行路线，通过计算来确定。2.3.2 装卸工艺追求的目标和存在的问题总的来说，装卸工艺追求的目标是高效率的组织和协调，充分发挥设备和设施的效能，追求装卸效率的最大化和投入成本的合理性。集装箱码头的生产组织模式、通关规则，码头堆垛管理模式，堆场布局，道路设置，设备配置，作业线管理水平等都会对装卸效率和生产成本产生影响。因此，如果选用、配置装卸设备不当，不是导致码头生产能力不足，就是造成投资浪费。这也是装卸工艺方针存在的最大问题。随着电子计算机和现代通讯技术的更广泛和深入的应用，新的管理和运作模式层出不穷。以及面对大物流、大航贸所要求的及时信息，对装卸设备上信息的传递提出更高的要求。而船舶大型化，对装卸设备的作业能力、自动化程度也提出更高的要求。所以，大型高效、自动化和智能化，以及环保化将是未来码头装卸设备发展的方向。第三章 厦门港集装箱码头装卸设备使用现状分析研究设备的优化配置，除了研究相应的装卸工艺外，还必须对设备的实际使用现状进行分析比较研究。下面就以厦门港务集团下属的集装箱码头为例，了解一下现有集装箱装卸设备的使用状况，并介绍那些同生产效率和运行成本有关的指标因素及其水平。3.1 厦门港集装箱码头介绍首先，先简单介绍一下厦门港集装箱码头的情况，并进一步了解装卸工艺在码头生产中的具体应用。3.1.1 厦门港集装箱公司东渡港区1# 泊位是全国唯一采用跨运车装卸工艺的集装箱码头，于1983年建成投入使用，最高峰时期曾使用3台岸桥，年