Исходные данные для расчета крепления грузов с плоской поверхностью

УДК 656.212

D–32

Демянкова Т.В., Лысенко Н.Е., Новиков В.М.

Размещение и крепление грузов, перевозимых на открытом подвижном составе: Практическое пособие. М.: МИИТ; 2006г. — 60 с.

Практическое пособие содержит порядок размещения и крепления грузов, перевозимых на открытом подвижном составе: габариты погрузки, технические характеристики вагонов, допускаемые нагрузки на средства крепления и их технические характеристики; порядок расчета сил, действующих на груз и вагон в процессе движения поезда.

В пособии подробно рассмотрены примеры размещения и крепления грузов прямоугольной и цилиндрической формы на одиночном вагоне.

ИЛ.22 библиогр.5 назв.

Рецензенты:

Введение

Цель настоящего учебного пособия состоит в том, чтобы закрепить и развить теоретические знания студентов в области размещения и крепления грузов, перевозимых на открытом подвижном составе. Правильный выбор способа размещения грузов в вагоне и расчеты элементов крепления должны обеспечивать сохранность грузов при перевозке, безопасность движения поездов, наиболее полное использование грузоподъемности и вместимости подвижного состава, безопасность и механизацию выполнения погрузочно-разгрузочных работ.

Учебное пособие состоит из двух разделов и приложений, необходимых для выполнения расчетов по размещению и креплению грузов.

В первом разделе изложены методические основы определения способов размещения груза в вагоне: рассмотрены габариты погрузки, средства крепления грузов, размещение грузов в вагонах, силы, действующие на груз и порядок их расчета для обеспечения устойчивости груза, вагона и безопасности движения.

Во втором разделе приведены примеры расчетов крепления грузов с плоскими опорами и грузов цилиндрической формы на платформах.

Пособие рекомендуется для студентов, обучающихся по специальности «Организация перевозок и управление на транспорте (железнодорожном)»; может быть использовано при написании дипломного проекта и на практических занятиях.

Авторы будут весьма признательны всем читателям данного пособия за пожелания и замечания.

1. Методика определения способов
размещения и крепления грузов в вагонах

1.1 Общие положения

На открытом подвижном составе перевозятся грузы, не боящиеся атмосферных осадков или не вмещающиеся в крытых вагонах. Перечень таких грузов приводится в «Правилах перевозок грузов» [1].

Размещение и крепление грузов, перевозимых на открытом подвижном составе, должно выполняться в соответствии с требованиями «Технических условий размещения и крепления грузов в вагонах и контейнерах» [2], а также «Инструкции по перевозке негабаритных и тяжеловесных грузов на железнодорожных дорогах СНГ, Латвийской Республики, Литовской Республики, Эстонской Республики» [3].

Груз, предъявленный к перевозке на открытом подвижном составе, должен быть подготовлен отправителем так, чтобы обеспечить безопасность движения поездов, сохранность самого груза, сохранность вагона и лучшее его использование по грузоподъемности и вместимости.

Размещение и крепление грузов, поступающих от железнодорожных администраций других государств, должно соответствовать действующим на железнодорожном транспорте Российской Федерации требованиям, если иное не предусмотрено в международных соглашениях, участником которых является Российская Федерация.

1.2 Габариты погрузки

Погруженный на подвижной состав груз с учетом упаковки и крепления должен находиться в пределах установленного габарита погрузки при условии нахождения вагона на прямом горизонтальном участке пути. Техническими условиями размещения и крепления грузов в вагонах (далее ТУ) установлены следующие габариты погрузки: основной, льготный и зональный (рис. 1—4).

Рис. 1. Очертание основного габарита погрузки	Рис. 2. Очертание льготного габарита погрузки
Рис. 3. Очертание зонального габарита погрузки	Рис. 4. Соотношение очертаний габаритов погрузки: 1 — основной габарит погрузки; 2 — льготный габарит погрузки; 3 — зональный габарит погрузки.

Основной габарит погрузки (рис. 1) распространяется на все виды грузов, перевозимых железнодорожным транспортом.

Льготный габарит погрузки (рис. 2) предназначен для грузов, размещаемых в пределах погрузочной длины платформы (полувагона) — таких как автомобили, тракторы сельскохозяйственные и дорожно-строительные машины, железобетонные и металлические конструкции. Этот габарит имеет увеличенную ширину погрузки на всей высоте от 1300мм до 5300мм над уровнем головки рельса (УГР).

Зональный габарит погрузки (рис. 3) используется для лесных грузов, погружаемых по ТУ и МТУ (местные технические условия) или для грузов, размещаемых на основании специального разрешения.

Льготный и зональный габариты применяются на всех участках сети железных дорог Российской Федерации, за исключением участков, указанных в ТУ.

1.3 Средства крепления грузов в вагоне

Для крепления грузов в вагоне применяются растяжки, обвязки, стяжки (в том числе многозвенные), увязки, деревянные стойки, бруски и щиты, упорные башмаки «шпоры», каркасы, кассеты, пирамиды, ложементы, турникетные устройства и другие приспособления. Средства крепления могут быть одноразового и многоразового использования. Многоразовые средства крепления должны отвечать требованиям, указанным в ТУ.

Общие понятия о наиболее часто применяемых средствах крепления грузов на открытом подвижном составе:

- растяжка — средство крепления, закрепляемое одним концом за увязочное устройство на грузе, другим — за специально предназначенное для этого увязочное устройство на кузове вагона или платформы;

- обвязка — средство крепления, охватывающее груз
и закрепляемое обоими концами за увязочные устройства на вагоне;

- стяжка — средство крепления, предназначенное для соединения между собой и натяжения других средств крепления (как правило, растяжек, обвязок, стоек);

- увязка — средство крепления, предназначенное для объединения отдельных единиц груза в одно грузовое место.

Для изготовления указанных средств крепления (согласно ТУ) могут использоваться следующие материалы:

- стальная проволока в термообработанном состоянии круглого сечения с диаметром не менее 5 мм;

- прокат-полоса стальная;

- стальные цепи, тросы и другие изделия.

Для крепления грузов растяжками или обвязками
на платформах могут быть использованы:

- боковые и торцовые стоечные скобы;

- опорные кронштейны на концевых балках;

- напольные увязочные устройства (при наличии);

- боковые скобы на платформах для крупнотоннажных контейнеров и колесной техники.

Для крепления грузов растяжками или обвязками
в полувагонах могут быть использованы:

- нижние увязочные устройства — косынки;

- средние увязочные устройства, находящиеся
на стойках боковых стен на высоте 1100—1200мм
от пола;

- верхние увязочные устройства в виде скоб внутри
и снаружи верхней обвязки кузова.

Растяжки следует располагать таким образом, чтобы угол между растяжкой и полом и угол между проекцией растяжки на пол вагона и продольной осью вагона составляли не более 45° (рис. 5)

В случаях, когда из-за конструктивных особенностей груза либо условий его размещения такая установка растяжек невозможна, допускается увеличение углов наклона растяжек с одновременным увеличением числа нитей проволоки
в растяжках в соответствии с ТУ.

Рис. 5. Расположение растяжек

1.4 Размещение груза в вагонах

Условия размещения грузов в вагонах регламентированы ТУ и содержат следующие основные требования.

1. Масса размещаемого в вагоне груза с учетом массы элементов его крепления не должна превышать трафаретной грузоподъемности вагона.

2. Выход в продольном направлении крайней точки груза за пределы концевой балки кузова вагона должен быть
не более 400мм.

3. При размещении грузов общий центр тяжести грузов ( ) должен располагаться на линии пересечения продольной и поперечной плоскостей вагона.
В исключительных случаях, когда данное требование невыполнимо по объективным причинам (геометрические параметры груза, условия крепления), допускается смещение относительно плоскостей симметрии.

4. Допускаемая величина смещения в продольном направлении (относительно поперечной плоскости симметрии вагона) в зависимости от общей массы груза
в вагоне определяется в соответствии с табл. 1.

Таблица 1

Допускаемое продольное смещение общего центра тяжести груза в вагоне

Масса груза, т	, мм	Масса груза, т	, мм
£10





		>70

Примечание. Для промежуточных значений массы груза допускаемое продольное смещение следует определять методом линейной интерполяции

5. Допускаемая величина смещения в поперечном направлении b_C (относительно продольной плоскости симметрии вагона) в зависимости от общей массы груза в вагоне и высоты общего центра тяжести вагона с грузом ЦТ_О над УГР определяется в соответствии с табл. 2.

Таблица 2

Допускаемое поперечное смещения общего центра тяжести груза в вагоне

Масса груза, т	Высота центра тяжести вагона с грузом над УГР, мм	b_c, мм	Масса груза, т	Высота центра тяжести вагона с грузов над УГР, мм	b_c, мм
≤10	≤1200			≤1500
	≤1200			≤1500
	≤1200		>67	≤2300

Примечание. Для промежуточных значений массы груза допускаемое поперечное смещение следует определять методом линейной интерполяции

6. Контроль положения (рис. 6) должен выполняться путем расчета величин и b_c по формулам:

(1)

где

и b_c – соответственно продольное и поперечное смещение общего центра тяжести грузов в вагоне, мм;

L и B – соответственно длина и ширина кузова вагона, мм;

Q_i – масса i-го груза, т; i=1÷n;

и b_i – координаты центров тяжести грузов относительно соответственно торцового и продольного бортов, мм.

Рис. 6. Расчетная схема определения продольного и поперечного смещений общего центра тяжести грузов в вагоне

7. При размещении на платформе груза на двух подкладках, уложенных поперек ее рамы симметрично относительно поперечной плоскости симметрии платформы, расположение подкладок определяется в зависимости от нагрузки на подкладку и ширины В_Н распределения нагрузки.

Ширины В_Н распределения нагрузки на раму платформы:

где

– ширина груза в месте опирания, мм;

– высота подкладки, мм.

Если подкладки расположены в пределах базы платформы (рис.7), минимальное допускаемое расстояние между продольной осью и поперечной плоскостью симметрии платформы определяется в соответствии с табл.3.

Рис. 7. Размещение груза на двух подкладка в пределах
базы платформы

Таблица 3

Расположение подкладок,
находящихся в пределах базы платформы

Нагрузка на одну подкладку, тс	Минимальное допускаемое расстояние а (мм) при ширине В_Н (мм) распределения нагрузки
Нагрузка на одну подкладку, тс

8. Если прокладки расположены за пределами базы платформы (рис.8), максимально допускаемое расстояние между продольной осью подкладки и поперечной плоскостью симметрии платформы определяется в соответствии с табл.4.

Рис. 8. Размещение груза на двух подкладка за пределами базы платформы

Таблица 4

Расположение подкладок,
находящихся за пределами базы платформы

Нагрузка на одну подкладку	Минимальное допускаемое расстояние а (мм) при ширине В_Н (мм) распределения нагрузки
Нагрузка на одну подкладку
12,5
15,0
20,0
25,0
30,0
33,0
36,0

Для промежуточных значений нагрузки на одну подкладку максимальные расстояния определяют методом линейной интерполяции.

9. При несимметричном расположении центра тяжести груза либо подкладок относительно поперечной плоскости симметрии платформы, а также при опирании груза на три и более подкладки должен быть выполнен поверочный расчет изгибающего момента в раме платформы. Схемы нагружения рам вагонов и формулы для определения максимальных изгибающих моментов (М_max) приведены на рис.9.

Рис.9.Схемы нагружения рам вагонов и формулы для определения максимальных изгибающих моментов (М_max)

М_max – наибольшее значение изгибающего момента, возникающего в раме вагона, тс/м;

Р – сосредоточенная нагрузка, тс;

q – распределенная нагрузка, тс/м;

– длина распределения нагрузки, м;

– база вагона, м.

10. Максимальные допускаемые значения изгибающего момента в рамах четырехосных полувагонов и платформ приведены в табл.5.

Таблица 5

Максимальные допускаемые значения изгибающих моментов

Ширина распределения нагрузки В_Н, мм	, тс/м
	Платформ	Полувагонов постройки
	Платформ	до 1.01.1974	после 1.01.1974

			50,6
			57,6

* значение в рамах полувагона применимы только при передаче нагрузки через поперечные балки.

1.5 Методика расчета способа размещения и крепления грузов.

При определении способов размещения и крепления груза должны наряду с его массой учитываться следующие силы и нагрузки:

- продольная инерционная сила, возникающая при движении в процессе разгона и торможения поезда, при соударении вагонов во время маневров и роспуске
с сортировочных горок;

- поперечная инерционная сила, возникающая при движении вагона и при вписывании его в кривые и переходные участки пути;

- вертикальная инерционная сила, вызывающаяся ускорением при колебаниях движущегося вагона;

- ветровая нагрузка;

- сила трения.

Точкой приложения инерционных сил является центр тяжести груза (ЦТ_ГР).

Точкой приложения ветровой нагрузки принимается геометрический центр наветренной поверхности груза. Направление действия ветровой нагрузки принимается перпендикулярным продольной плоскости симметрии вагона.

1.5.1 Расчет сил, действующих на груз

Продольная инерционная сила F_ПР определяется по следующей формуле:

, тс, (3)

где

а_ПР – удельная продольная инерционная сила на 1 т массы груза, тс/т;

Q_ГР – масса груза, т.

Значения а_ПР для конкретной массы груза определяются по формулам:

— при погрузке на одиночный вагон:

, тс/т, (4)

— при погрузке на сцеп из двух грузонесущих вагонов:

, тс/т, (5)

где

– общая масса груза в вагоне, т;

– общая масса груза на сцепе, т;

а₂₂, а₉₄, а₄₄,а₁₈₈ – значения удельной продольной инерционной силы в зависимости от типа крепления и условий размещения груза (с опорой на один вагон, с опорой на два вагона) при массе брутто соответственно: одиночного вагона — 22т и 94т; сцепа двух грузонесущих вагонов — 44 т и 188 т (табл.6)

Таблица 6

Значения удельной продольной инерционной силы

Тип крепления .	Значения а_ПР (тс/т) при опирании, груза на
	один вагон		два вагона
	а₂₂	а₉₄	а₄₄	а₁₈₈
Упругое (например, крепление растяжками и обвязками, деревянными упорными, распорными брусками)	1,2	0,97	1,2	0,86
Жесткое (например, крепление груза к вагону болтами, шпильками, а также в случаях размещения груза с непосредственным упором в элементы конструкции вагона)	1,9	1,67	1,9	1,56

Поперечная инерционная сила F_П с учетом действия центробежной силы определяется по формуле:

, тс, (6)

где

а_П – удельная поперечная инерционная сила на 1 т массы груза, тс/т.

Для грузов с опорой на один вагон а_П определяется но формуле:

, тс/т, (7)

где

– база вагона, мм;

– расстояние от ЦТ_ГР до вертикальной плоскости, проходящей через поперечную ось вагона, мм.

Поперечная инерционная сила F_П рассчитывается для каждого отдельно расположенного по длине вагона грузового места (укрупненного грузового места, перемещение отдельных частей которого друг относительно друга исключено применением специальных средств).

Для длинномерных грузов, перевозимых на сцепах с опорой на два вагона, принимается а_П = 0,40 тс/т.

Вертикальная инерционная сила F_В определяется по формуле:

, тс, (8)

где

а_В – удельная вертикальная сила на 1 т массы груза, тс/т, которая определяется по формуле:

, тс/т. (9)

При погрузке с опорой на один вагон принимают k=5´10^–6, с опорой на два вагона — k=20´10^–6. В случаях загрузки вагона грузом массой менее 10т принимают т.

Ветровая нагрузка W_П определяется по формуле:

, тс, (10)

где

S_П – площадь наветренной поверхности груза (проекции поверхности груза, выступающей за пределы продольных бортов платформы либо боковых стен полувагона, на продольную плоскость симметрии вагона), м². Для грузов с цилиндрической поверхностью, ось которой расположена вдоль вагона, S_П принимается равной половине упомянутой площади;

50 – ветровая нагрузка, кгс/м².

Сила трения, действующая на груз, размещенный на однородной поверхности пола вагона, определяется по формулам:

— в продольном направлении:

, тс; (11)

— в поперечном направлении:

, тс, (12)

где – коэффициент трения между контактирующими поверхностями груза и вагона (или подкладок, прокладок).

Значения коэффициента трения между поверхностями, очищенными от грязи, снега, льда, а в зимний период — посыпанными тонким слоем песка, принимаются равными:

- дерево по дереву — 0,45;

- сталь по дереву — 0,40;

- сталь по стали — 0,30;

- пакеты чушек свинца, цинка по дереву — 0,37;

- пакеты отливок алюминия по дереву — 0,38;

- железобетон по дереву — 0,55.

1.5.2 Проверка устойчивости вагона с грузом и груза в вагоне.

Поперечная устойчивость груженого вагона проверяется в случаях, когда высота центра тяжести вагона (сцепа) с грузом от УГР превышает 2300мм либо наветренная поверхность вагона (сцепа) с грузом превышает: при опирании груза на один вагон — 50м², при опирании груза на два вагона — 100м².

Высота общего центра тяжести вагона с грузом (рис.10) определяется по следующей формуле:

, мм (13)

Рис. 10. Определение высоты центра тяжести вагона с грузом относительно УГР

где

Q_Т – масса тары вагона, т;

h_ЦТ₁, h_ЦТ₂, …, h_ЦТ_n – высоты ЦТ единиц груза от УГР, мм;

– высота ЦТ порожнего вагона от УГР, мм (табл. 7).

Таблица 7

Значения площади наветренной поверхности, высоты центра тяжести, коэффициента p для универсальных полувагонов и платформ

Тип вагона	Площадь наветренной поверхности, м²	Высота ЦТ порожнего вагона над УГР, мм	Значение коэффициента p
Полувагон: — с объемом кузова до 76 м³ — с объемом кузова до 83 м³	34 37		5,61
Платформа: — с закрытыми бортами — с открытыми бортами	12 7		3,34

Поперечная устойчивость вагона с грузом обеспечивается, если удовлетворяется условие:

, (14)

где

(Р_Ц+Р_В) – дополнительная вертикальная нагрузка на колесо от действия центробежных сил и ветровой нагрузки, тс;

Р_СТ – статическая нагрузка от колеса на рельс, тс.

Статическая нагрузка Р_СТ определяется по следующим формулам:

- при расположении центра тяжести груза на пересечении продольной и поперечной плоскостей симметрии вагона:

, тс; (15)

- при смещении центра тяжести груза только поперек вагона:

, тс; (16)

- при смещении центра тяжести груза только вдоль вагона — для менее нагруженной тележки:

, тс; (17)

- при одновременном смещении центра тяжести груза вдоль и поперек вагона — для менее нагруженной тележки:

, тс, (18)

где

n_K – число колес грузонесущего вагона;

S=790мм – половина расстояния между кругами катания колесной пары вагона колеи 1520мм.

Дополнительная вертикальная нагрузка на колесо от действия центробежных сил и ветровой нагрузки определяется по формуле:

, тс, (19)

где

W_П – ветровая нагрузка, действующая на части груза, выступающие за пределы кузова вагона, тс (рассчитывается по формуле (10));

р – коэффициент, учитывающий ветровую нагрузку на кузов и тележки грузонесущих вагонов и поперечное смещение ЦТ груза за счет деформации рессор (табл. 7);

h – высота над уровнем головки рельса точки приложения ветровой нагрузки, мм. Точка приложения ветровой нагрузки определяется как геометрический центр наветренной поверхности груза, выступающей за пределы продольных бортов либо боковых стен вагона.

Особенности проверки устойчивости сцепа вагонов с размещенным на нем длинномерным грузом рассматриваются в ТУ [2].

Устойчивость груза в вагоне проверяется по величине коэффициента запаса устойчивости, который определяется по формулам:

- в направлении вдоль вагона (рис.11):

; (20)

Рис. 11. Варианты расположения упоров от опрокидывания груза в продольном направлении

- в направлении поперек вагона (рис.12):

, (21)

где

– кратчайшие расстояния от проекции ЦТ_ГР на горизонтальную плоскость до ребра опрокидывания соответственно вдоль и поперек вагона, мм;

h_ЦТ – высота ЦТ груза над полом вагона или плоскостью подкладок, мм;

– высота соответственно продольного и поперечного упора от пола вагона или плоскости подкладок, мм;

– высота центра проекции наветрнной поверхности груза от пола вагона или плоскости подкладок, мм;

W_П – ветровая нагрузка, тс (рассчитывается по формуле (10)).

Рис. 12. Варианты расположения упоров от опрокидывания груза в поперечном направлении

Груз является устойчивым и не требует дополнительного закрепления от опрокидывания, если значения и не менее соответственны: при упругом креплении груза — 1,25, при жестком креплении — 2,0.

Если при упругом креплении груза значение либо составляет менее 1,25, устойчивость груза должна быть обеспечена соответствующим креплением.

При закреплении груза растяжками усилие в растяжках от опрокидывания определяется по формулам:

- в продольном направлении (рис. 13, ф.22):

Рис. 13. Углы наклона растяжки для крепления от опрокидывания груза в продольном направлении

, тс; (22)

- в поперечном направлении (рис. 14, ф.23):

Рис. 14. Углы наклона растяжки для крепления от опрокидывания груза в поперечном направлении

, тс. (23)

В формулах (22) и (23) приняты следующие обозначения:

– угол наклона растяжки к полу вагона;

, – углы между проекцией растяжки на горизонтальную плоскость и соответственно продольной, поперечной осями вагона;

, – число растяжек, работающих в одном направлении;

, – расстояния от точки закрепления растяжки на грузе до вертикальных плоскостей, проходящих через ребро опрокидывания соответственно в продольном, поперечном направлениях, мм;

h_Р – высота точки закрепления растяжки на грузе относительно уровня пола вагона (подкладок), мм;

1,25 – коэффициент запаса прочности.

1.5.3 Выбор и расчет элементов крепления.

В зависимости от конфигурации, параметров груза, характера возможных его перемещений и других факторов крепление груза осуществляется растяжками, обвязками, упорными и распорными брусками, ложементами и другими средствами крепления (табл.8)

Таблица 8

Рекомендации по выбору элементов и средств крепления грузов

Грузы	Возможные перемещения груза	Рекомендуемые элементы и средства крепления
Штучные с плоскими опорами	Поступательные продольные и поперечные перемещения	Упорные, распорные бруски; растяжки, обвязки
Штучные с плоскими опорами	Опрокидывание продольное, поперечное	Растяжки, обвязки; упорные бруски; кассеты, каркасы, пирамиды и пр.
С плоскими опорами, размещаемые штабелями	Поступательные продольные и поперечные перемещения всего штабеля или отдельных единиц	Упорные, распорные бруски; увязки, растяжки, обвязки; щиты ограждения; стойки; кассеты
Длинномерные	Продольные и поперечные поступательные перемещения	Растяжки, обвязки; турникетные опоры, стойки
Длинномерные	Поперечное опрокидывание	Обвязки, растяжки; подкосы, упорные бруски; ложементы
Цилиндрической формы, размещаемые на образующую	Продольное (поперечное) поступательное перемещение	Упорные, распорные бруски; растяжки, обвязки
Цилиндрической формы, размещаемые на образующую	Перекатывание поперек (вдоль) вагона	Упорные бруски, ложементы; обвязки, растяжки

Продольное и поперечное усилия, которые должны воспринимать средства крепления, определяется по формулам (24) и (25):

, тс, (24)

, тс, (25)

где , – в соответствии с формулами (11, 12);

n – коэффициент, значения которого принимаются:
n=1,0 при разработке ТУ и МТУ;
n=1,25 при разработке НТУ;

W_П – рассчитывается по формуле (10).

Эти усилия могут восприниматься как одним, так и несколькими видами крепления:

, тс, (26)

, тс, (27)

где , , , , , – части продольного или поперечного усилия, воспринимаемые соответственно растяжками, брусками, обвязками и др.

Для крепления грузов от продольного смещения предпочтительно применять средства крепления одного типа.

При закреплении груза растяжками (рис. 15) величину возникающих в растяжках усилий (с учетом увеличения сил трения от вертикальных составляющих) определяют по формулам:

- от сил, действующих в продольном направлении:

, тс; (28)