Turanov_Bondarenko_Vlasova_Kreplenie_gruzov_v_vagonakh

Рис.7.10,б. Ослабление растяжек железобетонных изделий на вагоне

На рис.7.11 приведена фотография полуприцепов-контейнеровозов с об- щим весом 18 тс, размещенных на платформе. У полуприцепа-контейнеровоза, размещенного в верхнем ярусе, колеса прикреплены вблизи аутригеров. Полу- прицепы-контейнеровозы уложены друг на друга и надежно закреплены между собой распорками, тумбами и стяжками. Груз от продольных сдвигов удержи- вается упорными брусками, уложенными вплотную

к колесам нижнего полуприцепа-контейнеровоза и прибитыми к полу ва- гона крепежными элементами (гвоздями), а также аутригерами, опирающимися к полу платформы. Для обеспечения устойчивости головной (консольной) час- ти полуприцепов-контейнеровозов дополнительно использованы составные подкладки, уложенные ярусом. Сдвиг груза поперек вагона удерживается силой трения между контактирующимися поверхностями аутригера и двумя растяж- ками 6 мм в 8 нитей.

В пути следования произошли ослабления (провисания) растяжек консоль- ной части полуприцепов-контейнеровозов и развал составных подкладок (см. рис.7.11). Причинами ослабления растяжек является, по-видимому, допущенная неточность расчета и необоснованно выбранное количество растяжек, а развала составных подкладок - отсутствие проверок на их устойчивость от опрокиды- вания вдоль и поперек вагона.

160

Рис.7.11. Ослабление растяжек и развал составных подкладок полуприцепов- контейнеровозов

На рис.7.12 (см. также рис. 4.10,а,б) приведены фотографии развала (рас- стройства) рулонных листов, которые прикреплены стяжками к специальным приспособлениям, в свою очередь, опирающимися к полу вагона двумя двутав- рами №20 через подкладки. Расстройства креплений грузов произошли по при- чине того, что погрузка была осуществлена с нарушением ТУ по размещению и креплению. Здесь нарушение крепления и неточность методики п.10.5.3 главы 1 ТУ, связанная с раздельным вычислением усилий в растяжках от действия про- дольных и поперечных сил инерции.

Рис. 7.12. Развал первого рулонного листа (по ходу движения полувагона), где видно выворачивание двутавра №20 на 900.

161

8. РАЗРАБОТКА УТОЧНЕННОЙ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ГИБКИХ ЭЛЕМЕНТОВ КРЕПЛЕНИЙ ГРУЗА С ПЛОСКИМ ОСНОВАНИЕМ ПРИ СИММЕТРИЧНОМ ЕГО РАЗМЕЩЕНИИ ОТНОСИТЕЛЬНО ОСЕЙ СИММЕТРИИ ВАГОНА22

ELABORATION OF SPECIFIED METHOD OF СALCULATION THE FLEXIBLE ELEMENTS OF CARGO FASTENINGS WITH PLAT BASУ WITH ITS SYMMETRICAL ALLOCATION CONCERNING AXIS OF SYMMETRY OF

Вданном разделе усилия в гибких элементах креплений груза определены

врезультате решения статической неопределимой задачи механической систе-

мы “груз−крепление−вагон” численным методом с использованием возможно- сти вычислительной среды MathCAD. Такой подход к решению задачи позво- лил найти не только усилия в гибких элементах креплений, но и смещения гру- за вдоль и поперек вагона. Это, в свою очередь, дала возможность заранее оп- ределить место установки упорных брусков, как дополнительных элементов креплений груза. В пособии рассмотрены теория, методика, программа и ре-

зультаты расчётов усилий в гибких элементах креплений и сдвигов груза вдоль и поперек вагона. Приведенные в пособии формулы позволяют выполнить рас- четы усилий в гибких элементах креплений грузов с плоским основанием с уче- том изменения климатических условий перевозок от одновременного приложе- ния на механическую систему “груз−крепление−вагон” продольных, попереч-

ных и вертикальных сил с широким применением вычислительной среды

MathCAD.

8.1. Обоснование необходимости совершенствования методики расчета крепления грузов с плоским основанием

Grounding the necessity of improvement the method of сalculation cargoes fastenings with plat basу

Усовершенствование методики расчета крепления грузов, в первую оче- редь, должно быть направлено на обеспечение безопасности движения поездов, а затем и сохранности перевозимых грузов, исключение повреждений элемен- тов подвижного состава в пути следования.

Безопасная и сохранная перевозка грузов в пути следования на открытом подвижном составе может быть достигнута разработкой уточненной методики расчета их крепления, позволяющей учитывать одновременное приложение на них продольных, поперечных и вертикальных сил. По этим данным с учетом

топологии гибких элементов креплений усовершенствованная методика расчета крепления грузов позволяет непосредственно определять в усилия в элементах креплений численным методом (метод итерации) с использованием возможно-

22 Данный раздел написан д.т.н., профессором Турановым Х.Т. совместно с к.т.н., доцентом МИИТ Бондаренко А.Н. и к.т.н., и.о. доцента ИрГУПС Власовой Н.В.

162

сти современных вычислительных средств MathCAD. В частности, по сущест-

вующему техническому условию размещения и крепления грузов (см. положе-

ния главы I ТУ [2]) при расчете креплений груза от действия продольных сил не принимаются во внимание отдельное действие на груз, как вертикальных сил, так и ветровых нагрузок, воспринимаемых, как с боковой, так и с лобовой сто- роны, не говоря об учете их одновременного действия. Действие же вертикаль- ной силы учитывается лишь косвенно для определения силы трения, необходи-

мой для расчета усилий в гибких элементах крепления от действия поперечных сил.

=====================================================================

Власова Наталья Васильевна родилась в 1976 г. Окончила факультет управления процессами перевозок Иркутского института инженеров же- лезнодорожного транспорта (ИрИИТ) в 1998 г.

Кандидат технических наук (2005), и.о. доцента. С 1998 г. работает на кафедре “Управление эксплуатационной работой” Иркутского государст- венного университета путей сообщения (ИрГУПС).

Область научных исследований – совершенствование метода расчета гибких и упорных элементов креплений, обеспечивающих безопасность перевозок груза с плоским основанием при одновременном действии продольных, поперечных и вертикальных сил с применением вычислительных средств.

Имеет более 30 научных работ в указанной области.

=====================================================================

Усовершенствованная методика по существу представляет собой обоб-

щенную математическую модель системы “груз – крепление − вагон” с пло- ским основанием с симметричным его размещением относительно оси симмет-

рии вагона. Отличительными особенностями предлагаемой обобщенной ма-

тематической модели от всех известных частных моделей являются то, что в ней:

● исходные данные в виде геометрических размеров гибких элементов кре- плений и координаты точки их закрепления к стоечным скобам вагона и мон- тажным петлям груза математически представлены в удобном виде для исполь- зования вычислительной среды. Такой подход к подготовке исходных данных в последующем упрощает составление математической модели, позволяя автома- тизировать расчет по определению усилий в элементах крепления грузов. Эти

данные являются неотъемлемыми составляющими при описании уравнения равновесия в статически неопределимой механической системе “груз – крепле- ние − вагон” с плоским основанием. Не имея таких данных, невозможно соз-

дать обобщенную математическую модель механической системы “груз – крепление − вагон”;

● аналитическое решение статически неопределимой задачи по определе- нию усилий в гибких элементах креплений системы “груз – крепление − вагон” от одновременного действия продольных, поперечных и вертикальных сил пе- реложено на возможности вычислительной среды MathCAD, что делает такой

163

подход современным. Решение статически неопределимой задачи по определе- нию усилий в гибких элементах креплений механической системы “груз – креп- ление − вагон” осуществлено численным методом (методом итераций);

● применение численного метода позволило непосредственно определить неизвестные усилия в гибких элементах креплений и возможные значения сдвигов груза вдоль и поперек вагона при различных значениях коэффициента трения, продольных, поперечных и вертикальных сил и ветровых нагрузок.

Это, в свою очередь, позволило аналитически обосновать расположение

элементов креплений в виде упорных брусков от торца груза при совместном его закреплении гибкими элементами креплений и упорными брусками.

►Приведенные ниже результаты аналитических исследований необходи- мы лишь для углубленного изучения решения статической неопределимой зада- чи по определению усилий в гибких элементах креплений системы “груз – кре- пление - вагон” от действий сил различного характера.

►Следует помнить, что грузоотправитель является лишь пользователем

программы автоматизированного расчета усилий в гибких элементах креплений и его мало интересует ее теоретическое обоснование. Программа расчета уси-

лий в креплениях груза должна быть универсальной для всех грузов с плоским основанием, она должна обладать как можно большей простотой обращения, т.е. быть доступной для широкого круга пользователей.

►Например, в составленной программе расчета творческая работа грузо- отправителя состоит лишь в подстановке в ней массы и геометрических разме- ров конкретного груза, а также проекции гибких элементов крепления на про- дольную, поперечную и вертикальную оси. Затем, нажимая клавишу ЭВМ “Ctrl + End”, непосредственно получить наиболее важные результаты расчетов. На- пример таких, как конкретные значения усилий в гибких элементах креплений, смещения груза по продольной и поперечной оси симметрии вагона и возмож- ный его поворот вокруг вертикальной оси.

============================================================

8.2.Математическое моделирование усилий

вгибких элементах креплений груза с плоским основанием

Mathematical modeling of exertions in flexible elements of cargo fastenings with plat basу

8.2.1.Постановка задачи и методы решения

Постановка задачи. Действующая методика расчета элементов крепления (в виде рас- тяжек, обвязок и брусков) груза на вагоне по ТУ позволяет вести расчет по определению усилий в этих элементах отдельно от действия продольных и поперечных сил как в статиче- ской определимой механической системе “груз – крепление - вагон”. Действие вертикальных сил косвенно учитывается лишь для определения сил трения, необходимых для расчета уси- лий в растяжках от действия поперечных сил. При расчете усилий в гибких элементах креп- ления от действия продольных сил вертикальные силы не учитываются. В действительно- сти же элементы крепления груза в механической системе “груз – крепление − вагон” испы-

164

тывают одновременное действие продольных, поперечных и вертикальных сил (сил инерции, силы сухого трения Амонтона и ветровой нагрузки). К сожалению, до настоящего времени

не разработан метод непосредственного определения усилий в гибких элементах креплений груза, к которым и приложены одновременно продольные, поперечные и вертикальные силы, как в статической неопределимой задаче.

Методы решения. Поставленная задача по определению усилий в гибких элементах креплений груза решена с использованием основных положений общей механики и вычис- лительной математики с применением инструментальной среды MathCAD23 .

Обобщенную динамическую схему размещения и крепления груза с плоским основани- ем, как абсолютно жесткого тела, с симметричным расположением центра массы относи- тельно центра пересечения осей платформы представим в виде, показанном на рис. 8.1,а,б, соответствующей схеме размещения и крепления груза, показанной для примера на рис. 8.2.

Рис. 8.1,а. Обобщенная динамическая схема размещения и крепления груза

Рассматривая вынужденные колебания груза при кинематическом возбуждении, пред- положили, что причиной колебаний груза служат заданные колебания точки крепления груза с вагоном с заданным законом в виде xe(t), ye(t), ze(t). Так, например, причиной боковых коле-

баний груза служат переносные поперечные колебания точки крепления груза с вагоном с заданным законом в виде ye(t). Известно24, что даже идеально собранная (без зазоров, разбе- гов и перекосов) тележка с коническими поверхностями катания колес во время движения по прямому пути совершает колебания виляния (т.е. извилистое движение). Извилистое движе-

ние пятников тележек вызывает боковые колебания кузова вагона на рессорах, создавая

231. Кудрявцев Е.М. MathCAD 2000 Pro. - М.: Пресс, 2001. - 576 с.

2.Дьяконов В.П. MathCAD 2001: учебный курс. - СПб.: Питер, - 2001. - 624 с.

24Вершинский С.В., Данилов В.Н., Хусидов В.Д. Динамика вагона. - М.: Транспорт, 1991. -

360с.

165

Рис. 8.1,б. Обобщенная динамическая схема размещения и крепления груза (вид сбоку)

Рис. 8.2. Схема размещения и крепления груза

повышенное динамическое воздействие на конструкцию вагона и пути, а также на пере- возимые грузы.

Используя принцип Даламбера, действие этих связей можно заменить соответствую- щими силами инерции, равнымиΦex , Φey иΦez .

На расчетной схеме показаны эти силы: продольная - Φx=Φex , возникающая при манев- ровых соударениях и при движении поезда, как по прямой, так и по кривым участкам пути,

166

поперечная - Φy= Φey , возникающая от бокового относа; вертикальная - Φz=Φez , возникаю-

щая от подпрыгивания при прохождении волны неровностей пути.

Кроме этого, к грузу дополнительно прикладывается ветровая нагрузка, действующая как по боковой (Wy) стороне, так и по лобовой (Wx). Равнодействующая сила трения Fтр, и нормальная реакция связи N приложены в точке с координатами – xN и yN.

Подготовка исходных данных в виде геометрических размеров гибких элементов креп-

лений и координаты точки их закрепления к стоечным скобам вагона и монтажным петлям груза для определения неизвестных усилий в гибких элементах крепления Si (например, i=1…20 – количество гибких элементов крепления) (в кН), нормальной реакции связи N и силы трения Fтр (в кН), которые приложены к точкам с координатами – xN и yN (в м), также подлежащими нахождению, совместно с отыскиваемыми значениями малых, но возможных перемещений груза x и y соответственно по оси Ox и Oy (в м) и его поворота φ вокруг оси Oz (в рад.) являются неотъемлемыми составляющими при описании уравнения равнове- сия в статически неопределимой системе “груз-крепление-вагон” с плоским основанием.

Ниже приводим принятые допущения и последовательность подготовки таких исход- ных данных.

Допускаем, что координатная плоскость Oxy совпадает с верхней горизонтальной плос- костью груза, начало координат находится в середине левой грани груза, а ось Oz направлена вверх.

Примем следующие обозначения, характеризующие:

● параметры возвышения наружного рельса в м: lк – ширина колеи (lк = 1.6 м), Rк - ра-

диус кривой (например, Rк = 650 м), h - возвышение наружного рельса (например, h = 0.12

●размеры груза и его крепежных элементов, а также внутренние размеры пола вагона

вм: h – высота груза (например, h =2.1), b – ширина груза (например, b=2.0), b0i –расстояние монтажных петель крайних растяжек до оси Ox (например, растяжки с номерами i =5, 10, 15

и 20 имеют b0i = 1.0 м), l – длина груза (например, l = 9.1 м), bп - поперечное расстояние ме- жду стоечными скобами или, что одно и то же, ширина вагона (например, для платформы bп = 2.87 м); с1, с2, с3, с4 – пролеты стоечных скоб или увязочных устройств вагона (например, для платформы с1 = 0.980, с2 = 1.574, с3 = 1.620, с4 = 1.706 м), с0 – расстояние от края груза до первой стоечной скобы вагона (например, для платформы с0 = 0.5l - (1.5с3 +с4) = 0.414);

●координаты расположения центра масс груза и приложения ветровой нагрузки по осям Oy и Ox в м:

zC - координата расположения центра масс груза в м (например, zC = - 1.05 м), zW - коорди- ната приложения ветровой нагрузки по оси Oy (например, zW= - 0.914 м), xC - координата расположения центра масс груза по оси Ox в м (например, xC = 0.5l), xW - координата при- ложения ветровой нагрузки по оси Ox в м (например, xW = 0.5l);

h5= h10= h15= h20=-1.54 м);

● координаты x верхних монтажных петель растяжек в м, например, в виде:

x1 = с0 + с3 + с4 – а1, x2 = с0 + с3 + с4 – а2, x3 = с0 + а3, x4 = с0 + а4,

x5 =0, x6 = с0 + 2с3 + с4 + а6, x7 = с0 + 2с3 + с4 + а7,

x8 = с0 + 3с3 + 2с4 – а8, x9 = с0 + 3с3 + 2с4 – а9, x10 = а10, x11 = x1,

x12 = x2, x13 = x3, x14 = x4, x15 = x5, x16 = x6, x17 = x7, x18 = x8, x19 = x9, x20 = x10,

167

где, например, а1= а6=0.395; а2= а7=0.695; а3= а8=0.345; а4=а9=0.275; а5=а15=2.034; а10=

а20= 2.034– проекции гибких элементов крепления груза на продольную ось, взятые из чертежа, м;

● координаты y верхних монтажных петель растяжек в м, например, в виде:

● проекции длин растяжек на плоскость платформы в м, например, в виде: s( x, y) = x2 + y 2 ;

● длины растяжек в м, например, в виде:

l1 = s( s1 , z1 ) ,…, l20 = s( s20 , z20 ) .

Таким образом, полученные исходные данные в виде геометрических размеров гибких элементов креплений и координаты точек их закрепления к стоечным скобам вагона и мон-

тажным петлям груза являются неотъемлемыми составляющими при описании уравнения равновесия в статически неопределимой системе “груз – крепление – вагон” с плоским осно-

ванием, без которых невозможно создать обобщенную математическую модель этой сис-

темы.

Такой подход к подготовке исходных данных в последующем упрощает составление математической модели, позволяя автоматизировать расчет по определению усилий в эле- ментах крепления грузов. При этом в математической модели усилия в гибких элементах крепления учитываются только с положительными знаками независимо от направления про- екции этих усилий относительно принятых координатных осей, поскольку все это уже учте- но автоматически. Задача теперь состоит лишь в том, чтобы, соблюдая общепринятые пра- вила знаков, включить в число уравнений равновесия внешние силы и моменты, действую- щие на систему “груз – крепление – вагон” с плоским основанием.

Ниже покажем результаты составления уравнений равновесия с использованием такого подхода.

168

8.2.2. Результаты решения задачи по разработке обобщенной

математической модели статической неопределимой системы “груз – крепление - вагон”

На основе применения общих формулировок и решения статически неопределимых за- дач по отысканию усилий в креплениях грузов с использованием вышеприведенных обозна- чений составлены соотношения, необходимые для нахождения усилий в гибких элементах креплений груза, по существу представляющих обобщенную математическую модель систе- мы “груз-крепление-вагон” с плоским основанием:

сдвигающая сила по оси Ox

(отметим, что данное условие представляет собой физическую сторону статической неоп- ределимой системы “груз-крепление-вагон” с плоским основанием);

сумма проекций сил на ось Ox

(отметим, что данное условие также представляет собой физическую сторону статической неопределимой системы “груз – крепление - вагон” с плоским основанием);

сумма моментов сил вокруг оси Oy

169