Turanov_Bondarenko_Vlasova_Kreplenie_gruzov_v_vagonakh
.pdfВпособии формулы для расчета элементов креплений груза в вагоне, при- ведены в удобном для применения вычислительной среды, чем оно и отвечает требованиям современной технологии обучения дисциплин в вузе. Последствия нарушения основных требований ТУ к размещению и креплению грузов в ваго- нах, приводившие к угрозе безопасности движения поездов, в пособии проил- люстрированы картинками, что подтверждает его практическую значимость и представляет интерес для грузоотправителей, ответственных за подготовку и отправку грузов по железной дороге. В нем все выкладки и основные норма- тивные положения по рациональному размещению и креплению грузов в ваго- не, расчеты элементов креплений в вагоне необходимы для выполнения курсо- вой и дипломной работы, а также полезны для аспирантов и преподавателей транспортных вузов, для грузоотправителей и инженерно-технических работ- ников, занимающихся расчетом крепления грузов.
Вучебном пособии содержание раздела «Крепления грузов в вагонах» дисциплины «Грузоведение» изложено в соответствии с календарным планом лекционных и практических занятий, читаемых и проводимых для студентов всех форм обучения специальности 190701 «Организация перевозок и управле- ние на транспорте (железнодорожный транспорт)». В содержательную часть этой дисциплины входит выполнение курсовой работы по размещению и креп- лению груза в вагоне. В учебном пособии всё то, что набраны мелким шриф- том являются дополнительным материалом для углубленного изучения дисци- плины. Поэтому они при первом чтении могут быть опущены.
Авторы, по мере своих возможностей, постарались полностью автоматизи- ровать расчет усилий в креплениях грузов, и тем самым, стараясь освободить грузоотправителей от рутинной работы, связанной с ручным расчетом, а иногда
ипересчетом. Авторы постарались доказать неоспоримое преимущество пред-
лагаемой методики расчета сравнительно с действующими ТУ и облегчить процесс освоения содержания данной дисциплины. Однако ясно, что насильно читателя научить нельзя. Так, например, задача определение усилий в гибких элементах креплений груза является статически неопределимой, а механиче-
ская система «груз − крепления − вагон» − статически неопределимой систе- мой. Примером статически неопределенной задачи является определение натя- жений (внутренних усилий) в гибких элементах креплений штучного груза, размещенного на открытом железнодорожном подвижном составе, при любом количестве этих элементов креплений с учетом усилий предварительных натя- жений, а механическая система «груз − крепления − вагон» − статически неоп- ределимой системой. В такой задаче гибкие элементы креплений штучного гру- за относительно боковой стороне груза и пола вагона размещаются пространст-
венно и в ней число неизвестных реакций внешних связей и перемещений груза равно 8, число гибких элементов креплений в зависимости от массы перевози- мого груза может достигать от 4 до 24 и более. Число уравнений равновесия, как известно, равно 6.
10
Задача определения усилий в гибких элементах креплений, в зависимости от числа неизвестных, возможно, аналитически станет неразрешимой. Здесь вполне возможно привлечение численного метода решения таких задач.
Определения усилий в гибких элементах крепления грузов на открытом подвижном составе представляет собой достаточно сложную и до настоящего времени в полном объеме не решенную прикладную задачу.
Авторы осознают, что проблемы перевозки грузов в вагонах, а также ра-
ционального размещения и крепления грузов широкой номенклатуры в вагонах и контейнерах с целью их сохранной и безопасной перевозки по железной до- роге не могут быть в полном объеме изложены в одном учебном пособии. В связи с этим, авторы будут признательны всем, кто выскажет свои пожелания и сделает замечания по улучшению содержанию пособия, которые будут, несо- мненно, учтены при его переработке и переиздании.
Авторы
11
Dedicated to the 50th Anniversary of
Ural State university of Railway Communications
P R E F A C E4
The discipline you are going to study will supply you with the basic knowledge every specialist working in cargo handling entity in commercial services needs to know. This knowledge will help you greatly in your future work that is why you should study hard.
Safety traffic is the main terms of railway operation, passenger and cargo transportation. All technical and organized measures on railway should meet demands of safe and regular train traffic. Safety traffic depends not only on railway buildings in good condition, tracks, rolling-stock, all electric interlocking devices in order, but also due to safety fastening of cargoes.
This manual is dedicated to the theory, methods and practical calculation of rational allocation and fastening of freight in a wagon to assure safety of freight train traffic and of cargo transportation in open rolling-stock and reliability of rolling-stock elements during their operation.
All the aspects mentioned above and some other problems influencing the choice of more rational cargo fastenings are the subject of studying chapter “Fastening cargoes in wagons” of “Cargoes science” discipline.
In this manual it is taken in to consideration that the text-books5 being written before are a bit outdated and don’t meet the demands of teaching in a higher educational establishments. Besides they don’t show the methods of calculation of cargo fastening described in technical specification of allocation and cargo fastening in wagons and containers (Spec.)6.
The manual is not intended to replace new technical specifications (Spec.) and other normative documents concerning fastening of cargoes, but it completes and makes the sphere of their application wider. All the gaps and misprints which unfortunately were in points 6 and 10 chapter 1 Spec. are removed from the manual. There are given several formulae interesting not only for users of the manual but also for consignors.
According to the syllabus the manual “Cargoes science” presents the main theoretical points of cargo preparation for transportation, and also the practical examples and the solutions of the most interesting applied problems, taking into consideration
4Перевод осуществлен преподавателем кафедры «Иностранные языки» Ур- ГУПС Татьяной Николаевной Коротенко.
5Cargoes science, safety and cargo fastening / Edited of by of A.A. Smekhova - Moscow: Transport, 1989. - 247 pages.
6Technical conditions of allocation and cargo fastening in wagons and containers. - Moscow: Yurtrans, 2003. - 544 pages.
12
the specific features of cargo during each step of transportation process using calculating machines.
To stimulate the students’ individual activity during practical classes the manual has several topics of more difficult tasks and some recommendations for their solution. All the formulae for calculating elements of cargo fastening presented in the manual are very handy for future computer processing. Therefore this manual is in compliance with the modern requirements of the training procedure in higher educational establishments. In the manual there are given some pictures showing the consequences of breaking the main requirement standards of Spec. for allocation and cargo fastening in wagons endangering the safety of safety of train operation.
All the examples and the normative statements for rational and cargo fastening in a wagon, the calculation of elements of fastening in a wagon are necessary for course and diploma papers, and they are also very useful for post-graduate students and teachers working in transport higher educational institutions, for consignors and technical engineers making calculations of cargo fastenings.
The subject “Cargoes science” described in this manual is written in accordance with the syllabus which consists of lectures and practical classes, conducted for students of all forms of studying on specialty 190701 “Organization of Transportation and Management on Transport (Railway Transport)”. In this essay a student should reflect the following problems: methods of cargo preparation for transportation, preparation of rolling-stock transportation, cargo allocation in a wagon, calculation of freight weight in a wagon, some measures to assure safe keeping of cargo, consumer’s characteristic of cargo and ways of its getting.
The practical part of “Cargoes science” also consists of writing a course paper on freight allocation and its fastening in a wagon. Everything in the manual that is printed in small letters is additional for profound studying of the subject.
That is why this information may be missed during the 1st reading.
The authors made their efforts to automate the calculation of forces for cargo fastening, thus making consignors free from routine work, connected with manual calculation and sometimes with recalculation. The incontestable advantage of the method given to determine the forces of cargo fastening in comparison with the previous methods of technical specifications (Spec.) and to facilitate the process of studying this subject. But it is obvious that nobody will manage to teach you by force.
The authors also understand that everything mentioned above i. e. the problems of cargo transportation in wagons, rational allocation and fastening of freight in wagons and containers, etc., can not be showed to the full in a single manual. In this connection the authors will be grateful to everybody who express their wishes, opinions and ideas to make this manual better. The authors will appreciate all the opinions and will try to take them into consideration in the following course of studying the subject matte and possible next editions.
Authors
13
ВВЕДЕНИЕ
Груз − это объект железнодорожной перевозки (изделия, предметы, полез- ные ископаемые, материалы и другие), принятый железной дорогой в установ- ленном порядке к перевозке, за своевременную доставку и сохранность которо- го железная дорога несет предусмотренную Уставом железнодорожного транс- порта РФ ответственность [1].
Cargo is special prepared for transportation on railroad or other types of transport production of different areas of industry and agriculture. More particular cargo – object of railroad transportation (manufacture, items, minerals, materials and etc.), accepted by railways in given order to transportation, for timely delivery and safety of which railways are bears provided by regulations of railroads transport responsibility.
Для исключения случаев угрозы безопасности движения грузовых поездов и сохранности перевозимых на открытом подвижном составе (платформы, по- лувагоны и транспортеры) различного рода грузов с плоским основанием (на- пример, крупногабаритных и тяжеловесных) также большое значение имеет их рациональное размещение и надежное крепление на этих средствах перевозки.
Расстройства крепления груза происходят даже при незначительных рас- стояниях перевозок вследствие загрузки вагона сверх установленной нормы, неравномерной погрузки груза в вагоне и неправильной его подготовки к пере- возке, из-за чего нередко происходят повреждения элементов крепления груза и подвижного состава под действием динамических нагрузок при транспортиров- ке. Все это и есть свидетельство нарушения технологического процесса погруз- ки (как человеческого фактора), а также действующих Технических условий
(ТУ) (англ. - specifications (Specs.)) [2].
В связи с этим, одним из важных составляющих содержательной части раздела «Крепления грузов в вагоне» дисциплины «Грузоведение», которые не- посредственно влияют на безопасную погрузку грузов в вагон, обеспечивают
сохранную его перевозку в пути следования и исключают угрозу безопасности движения поездов, являются определение сил, действующих на груз; проверка устойчивости вагона с грузом и груза в вагоне; выполнение расчета и обосно- вание выбора крепления груза по методике ТУ и по предлагаемой методике.
Пособие состоит из введения и двенадцати глав. Во введении изложено понятие транспортной характеристики грузов и ее связь с технико- технологическими элементами перевозочного процесса.
В первом разделе «Основные формулы математики и прикладной механи- ки» приведены основные формулы и понятия из элементарной математики, фи- зики и прикладной механики (теоретическая механика и сопротивление мате- риалов), которые могут быть с пользой применены при дальнейшем изучении дисциплины «Крепление грузов на открытом подвижном составе».
Во втором разделе «Выбор подвижного состава и грузозахватного приспо- собления» описан выбор подвижного состава и грузозахватного приспособле-
14
ния, а также подготовка вагона и груза к перевозке на примере переработки тя- желовесного груза.
Втретьем разделе «Размещения грузов в вагоне» приведены технические требования на размещение грузов в вагоне и результаты регрессионного анали-
за продольного и поперечного смещения общего центра тяжести груза в вагоне по данным табл. 10 и 11 ТУ.
Вчетвертом разделе «Выбор расположения подкладок по длине груза и выполнение проверочного расчета изгибающего момента в раме платформы»
изложены последовательность выбора места установки подкладок по длине груза и результаты регрессионного анализа расположения подкладок, находя- щихся в пределах и за пределами базы платформы, по данным табл. 13 и 14 ТУ.
Вданном разделе также выполнен проверочный расчет изгибающего момента на раме платформы с использованием основных положений пп.6.4, 6.5 главы 1 ТУ.
Впятом разделе «Определение сил, действующих на груз» даны формулы для определения продольной, поперечной и вертикальной динамической силы, а также ветровой нагрузки и силы трения с некоторыми замечаниями по их вы- водам.
Вшестом разделе «Проверка устойчивости вагона с грузом и груза в ваго- не» подробно изложены последовательность проверки устойчивости вагона с грузом и груза в вагоне с приведением формул от опрокидывания вдоль и попе- рек вагона от действий усилий в креплениях, а также доказательством их выво- да. Все выкладки сопровождены конкретными примерами расчета.
Вседьмом разделе «Выполнение расчета и выбор крепления груза» приве- дены выводы формул, по которым вычисляются усилия в креплениях грузов по методике ТУ, и некоторые существенные замечания к ним, а также результаты расчетов на конкретном примере. Кроме того, приведены результаты уточнен- ного расчета усилий в креплениях груза в соответствии с пунктами 1 и 2 П8 ТУ и некоторые замечания по выводу формул, использованных в этой методике.
Впособии аналитически и численно доказано, что:
-формулы (34) и (35) ТУ выведены из уравнения равновесия плоской сис- темы сил в упрощенной постановке. В связи с этим, усилия во всех гибких эле- ментах креплений независимо от их физико-геометрических параметров, топо- логии и их предварительных натяжений получаются одинаковыми, что не соот- ветствуют действительности;
-по формулам (1)…(4) П8 ТУ невозможно рассчитать усилия в растяжках
иобвязках, расположенных перпендикулярно к боковой поверхности груза, от действия продольных сил;
-усилия в гибких элементах креплений (растяжках), вычисленные по фор- мулам (1) и (3) П8 ТУ, всегда больше, чем вычисленные по формулам (34) и (35) ТУ, и в некоторых из них превышают допустимые значения. По этой при- чине при расчете усилий в растяжках по формулам (1) и (3) П8 ТУ груз следует закреплять дополнительными элементами креплений.
15
Таким образом, замечено существенное расхождение результатов расчетов по формулам (34), (35) ТУ и (1), (3) П8 ТУ.
Ввосьмом разделе «Разработка уточненной методики расчета гибких эле- ментов креплений груза с плоским основанием при симметричном его разме- щении относительно осей симметрии вагона» определение усилий в гибких элементах крепления груза осуществлено на основе рассмотрения механиче- ской системы «груз-крепление-вагон» как статической неопределимой систе- мы. Такой подход к решению задачи позволил найти не только усилия в гибких элементах крепления, но и смещения груза вдоль и поперек вагона. Это, в свою очередь, дало возможность заранее определить место установки упорных бру- сков, как дополнительных элементов креплений груза. В связи с этим в пособии рассмотрены теория, методика, программа и результаты расчётов усилий в гиб- ких элементах крепления и сдвигов груза вдоль и поперек вагона.
Приведенные в книге формулы позволяют выполнить расчеты усилий в гибких элементах креплений грузов с плоским основанием с учетом изменения климатических условий перевозок от одновременного приложения на механи- ческую систему «груз-крепление-вагон» продольных, поперечных и вертикаль- ных сил с использованием возможности вычислительной среды MathCAD.
Впособии учтено, что грузоотправитель является лишь пользователем программы расчета усилий в гибких элементах креплений и его мало интересу- ет ее теоретическое обоснование. Учитывая это, программа расчета усилий в креплениях груза с применением ЭВМ составлена так, что является доступной для широкого круга пользователей. Например, в составленной программе рас- чета творческая работа грузоотправителя состоит лишь в подстановке в исход- ных данных массы и геометрических размеров конкретного груза, а также про- екции гибких элементов крепления на продольную, поперечную и вертикаль- ную оси. Затем, нажимая клавишу ЭВМ «Ctrl + End», можно непосредственно получить наиболее важные результаты расчетов. Например, таких, как кон- кретные значения усилий в гибких элементах креплений, смещения груза по продольной и поперечной оси симметрии вагона и возможный его поворот во- круг вертикальной оси.
Таким образом, расчет усилий в гибких элементах креплений грузов пол- ностью автоматизирован, и грузоотправитель освобожден от рутинной работы, связанной с ручным расчетом, а иногда и пересчетом. Тем самым доказано не-
оспоримое преимущество предлагаемой методики расчета по определению усилий в креплениях грузов.
Вдевятом разделе «Проверочный расчет на прочность подкладок» изло- жена последовательность проверочного расчета на прочность подкладок с при- ведением примера расчета.
Вдесятом разделе «Расчет креплений грузов цилиндрической формы и грузов на колесном ходу» приведены формулы для расчета крепления грузов
цилиндрической формы и на колесном ходу с последующими выводами этих формул. В нем также изложены некоторые замечания по выводу приведенных в ТУ конечных аналитических формул.
16
В одиннадцатом разделе «Допускаемые нагрузки на элементы конструкции вагонов. Требования к способам крепления. Характеристика элементов крепле- ния и груза» изложены нормативные значения допускаемых нагрузок на эле-
менты конструкции вагонов по данным ТУ и результаты расчетов сварного шва в приспособлениях, используемых для крепления груза, а также описаны тре-
бования к способам крепления и характеристики элементов крепления и груза с использованием ТУ по размещению и креплению грузов в вагонах и контейне- рах.
В двенадцатом разделе «Габаритные и негабаритные грузы» описаны основные положения, проверка габаритности погрузки, условия и порядок перевозок негабаритных грузов, определение зоны и степени негабаритности груза, а также расчетной негабаритности. Для примера приведены результа- ты расчета вибростоек СВ 16.4–12 на четырехосной железнодорожной плат- форме с вагоном прикрытием на устойчивость, негабаритность, натяжений в креплениях и прочность подкладок на смятия, реализованных в вычисли- тельной среде MathCAD.
Таким образом, в учебном пособии освещены вопросы подготовки грузов и вагонов к перевозке, а также современная теория, охватывающая широкий круг задач рационального размещения и крепления грузов в вагонах, и последова- тельность расчета гибких элементов креплений грузов.
17
Introduction7
To avoid precarious cases of transportation safety of freight trains on open roll- ing-stock (platforms, open wagon and conveyers) of diverse type of cargoes with flat base (for example, bulky or heavyweight) also significant sense has its rational allocation and reliable fastening on this vehicles.
Cargo fastening disorder even at insignificant distances of transportation, in consequence of loading wagon over stated norm, irregular cargo loading and its incorrect preparement to transportation, and because of it often happens damages of cargo fastening elements and rolling-stock under force of dynamic loadings at transportation. All of it is the evidence of loading cargo technological process violation (as human factor), also acting Specifications (Specs.) [2].
In this connection, one of the important component chapter «Fasterning cargoes in wagons» of «Cargoes science» discipline contents which are directly affects on safety loading of cargoes in wagon, provides safety its transportations and avoid menace of safety of train operation are:
∙basis of rolling-stock and cargo fastening device selection depending on type, configuration and cargo weight;
∙computation performance of cargo weight in wagon and its rational scheme of allocation in wagon;
∙check out performance of overall dimension loading cargoes;
∙basis of selection of allocation of supports on length of cargo and controlling computation of bending moment on carriage under frame;
∙determination of forces, acting on cargo;
∙checking of wagon stability with cargo and cargo inside the wagon;
∙computation performance and basis of cargo fastening selection;
∙definition of requirements to ways of fastening and characteristics of elements fastening and cargo.
The manual consists of introduction and 12 chapters. In the introduction it is given the notion of transport characteristic and its connection with technology and technical elements of the process of transportation.
In the fist chapter «Basic formulae of Mathematics and Applied Mechanics» there are given basic formulae and notions from Elementary Mathematics, Physics and Applied Mechanics (Theoretical Mechanics and Strength of Materials), which can be successfully used in the future studying suck subject as «Cargo Science and Cargoes Fastening».
In the second chapter «Selection of the rolling-stock and load fixture» there have been distinguished selections of the rolling-stock and handling device and also preparation of a wagon and cargo for transportation on example of utilization of heavyweight cargo.
7 Перевод осуществлен преподавателем кафедры «Иностранные языки» Ур- ГУПС Татьяной Николаевной Коротенко.
18
In the third chapter «Allocation of cargoes in the wagon» there are given technical requirements of allocation of cargoes in the wagon and results of regression analysis of longitudinal and transverse displacement of centre of gravity, using data from tables 10 and 11 of Specifications (Spec.).
In the fourth chapter «Allocation of supports along the length of cargo, execution of testing calculation of bending moment in the truck frame», there are given sequence of selection the places of setting supports along the length of cargo and results of regression analysis of requirements of allocation of cargoes in the wagon and results of regression analysis of allocation of supports allocated in and outside the limits of truck wheelbase, using data from tables 13 and 14 of Spec. In this chapter there is also executed the testing calculation of the bending moment in the truck frame, using main regulations of points 6.4; 6.5 of chapter 1 of Spec.
In the fifth chapter «Determination of forces acting on cargo», there are given formulae for determination, transverse and vertical dynamic forcers, wind load, frictional force with some remarks about their derivations.
In the sixth chapter «Stability of a wagon with cargo and cargo a wagon», there are distinguished in details the sequence of testing the stability of a wagon with cargo and cargo in the wagon, including the formulae for tipping over the wagon length wide and transverse from exertions in fastenings with their derivations.
In the seventh chapter «Calculation and selection of cargo fastening» there are given derivations of formulae to calculate exertions in fastening of cargo using method of Spec. and some useful remarks to them and also results of calculation on the concrete example. Besides on can find here results of specified calculation of exertions in cargo’s fastenings, according to the points 1 and 2 P.8 of Spec. and some other remarks to the derivation of formulae used in this method.
In the manual analytically and practically is proved that:
-formulae (34)and (35) of Spec. have been derivated from equation of flat system of balance in the simplified formulation. According to this exertions in all flexible elements of fastenings do not depend on their physical and geometrical parameters, that is not right;
-formulae 1…4 P.8 of Spec. can not be used to calculate exertions in tension members and bindings, allocated perpendicular to the side surface of cargo from acting of transverse forces;
-exertions in flexible elements of fastenings (bindings) calculated with the help of formulae 1 and 3 P.8 of Spec. are always more than calculated with formulae 34 and 35 P.8 of Spec. and some of them are more than permissible value. And cargo should be fixed with extra elements of fastening, if you use formulae 1 and 3 P.8 of Spec.
Thus, there is a great difference between the results of calculations of formulae (34), (35) of Spec. and 3 P.8 of Spec., make us decline the formulae (34), (35) of Spec.
In the eighth chapter «Elaboration of Specified method of calculation the flexible elements of cargo fastenings with flat base and its symmetrical allocation concerning the axis of symmetry of wagon», determination of exertions in the flexible elements
19