автореферат диссертации по транспорту, 05.22.08, диссертация на тему:Особенности крепления груза со смещенным центром тяжести вдоль вагона

На правах рукописи

ВОЛКОВ ДЕНИС ВЛАДИМИРОВИЧ

ОСОБЕННОСТИ КРЕПЛЕНИЯ ГРУЗА СО СМЕЩЕННЫМ ЦЕНТРОМ ТЯЖЕСТИ ВДОЛЬ ВАГОНА

Специальность 05.22.08 - Управление процессами перевозок

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

5 ДПР 2012

ЕКАТЕРИНБУРГ 2012

005020373

Работа выполнена на кафедре «Станции, узлы и грузовая работа» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Уральский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО УрГУПС)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Туранов Хабибулла Туранович

Официальные оппоненты:

Бачурин Николай Сергеевич, доктор технических наук, профессор кафедры «Вагоны» Уральского государственного университета путей сообщения;

Власова Наталья Васильевна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Управление эксплуатационной работой» Иркутского государственного университета путей сообщения.

Ведущее предприятие: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения»

Защита диссертации состоится «13» апреля 2012 г. в 10-00 на заседании диссертационного совета Д.218.013.01 при Уральском государственном университете путей сообщения по адресу: 620034, г. Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66, ауд. Б2-15.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке Уральского государственного университета путей сообщения, на сайте Министерства образования и науки Ырр://уак.ес1. gov.ru, на официальном \veb-портале университета www.usurt.ru .

Автореферат диссертации разослан «_»_2012 г.

Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, заверенный печатью организации, просим направить в адрес ученого совета университета.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук ^'¡^ __—; Асадчснко Виталий Романович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Для исключения случаев угрозы безопасности движения грузовых поездов и сохранности перевозимых на открытом подвижном составе различного рода грузов с плоским основанием крайне важно их рациональное размещение и надежное крепление на средствах перевозки. Расстройства крепления груза происходят даже при небольших расстояниях перевозок вследствие неравномерной погрузки груза в вагоне и неправильной его подготовки к перевозке, из-за чего нередко повреждаются элементы креплений груза и подвижного состава под действием динамических нагрузок. Это свидетельствует о нарушении технологического процесса погрузки (включая человеческий фактор), а также действующих технических условий (ТУ) размещения и крепления грузов.

В действующих ТУ расчеты креплений груза, размещенного со смещением центра масс вдоль вагона, выполняются по методике, не учитывающей факторы, влияющие на груз в процессе движения. Допустимое значение продольного смещения центра масс груза вдоль вагона принимается в зависимости от его веса по таблице 10 ТУ. В ТУ определение натяжений основано на простейших схемах, не отвечающих изменившимся параметрам перевозимых грузов после введения в действие ТУ. Натяжения во всех гибких упругих элементах креплений штучного груза независимо от их расположения относительно пола вагона получаются одинаковыми, а это не соответствует современным основным принципам решения статически неопределённой задачи в механике. Это происходит потому, что в механической системе «вагон - крепление - груз» для определения натяжений в элементах креплений груза использованы только уравнения равновесия плоской системы сил.

Таким образом, до сих пор не разработана методика непосредственного определения натяжений в элементах крепления груза, размещенного со смещением центра масс вдоль вагона, к которому и приложены продольные и вертикальные силы как в статической неопределённой системе «вагон -крепление - груз».

Перевозка груза, размещенного и закрепленного со смещением центра масс вдоль вагона, может допускаться, как на прямом участях пути, так и на спуске в режиме служебного торможения или отпуска тормозов, а также в процессе разгона и торможения, при соударении вагонов во время маневров и роспуске с сортировочных горок с допустимыми скоростями. Исходя из этого, безопасная и сохранная перевозка таких грузов в пути следования может быть обеспечена разработкой методики более точного расчета креплений, позволяющей учитывать действие на груз продольных и вертикальных сил при размещении груза со смещением центра массы вдоль вагона. Усовершенствованная методика расчёта гибких элементов креплений груза с учетом топологии этих элементов дает возможность определять натяжения в креплениях с использованием возможности вычислительной среды МаШСАО.

Целью диссертационного исследования является обеспечение сохранности перевозок на железнодорожном транспорте с учетом особенности крепления груза со смещенным центом тяжести вдоль вагона на основе усовершенствования расчета.

В соответствии с поставленной в диссертации целью сформулированы следующие основные задачи.

1. Построить динамические и математические модели креплений груза с плоским основанием, позволяющие получить аналитические формулы по определению усилий в гибких упругих элементах креплений груза, размещенного в вагоне со смещением центра масс вдоль вагона.

2. Разработать методику проведения вычислительных экспериментов по определению усилий в гибких упругих креплениях груза.

3. Исследовать нагрузочные способности гибких упругих элементов креплений груза, центр масс которого размещен симметрично и несимметрично относительно поперечной оси симметрии вагона при движении поезда по прямому участку пути.

Объект исследования. Гибкое крепление груза со смещенным центром тяжести вдоль вагона.

Предмет исследования. Усилия в гибких упругих элементах креплений груза в системе «вагон - крепление - груз» с плоским основанием.

Методика исследования. Аналитические исследования по определению усилий в гибких упругих элементах креплений груза, которые базируется на основных положениях прикладной механики, с широким использованием метода итераций и реализуемые в инструментальной среде МаШСАО.

Достоверность исследования. Достоверность результатов исследований подтверждается данными сравнительных расчетов усилий в гибких упругих элементах креплений, полученными с применением методик, разработанных автором и другими исследователями, а также натурными наблюдениями работниками пунктов технического осмотра на Свердловской железной дороге.

Научная новизна работы состоит в дальнейшем развитии основ теории перевозок на основе совершенствования методики размещения и крепления грузов со смещенным центром масс на открытом подвижном составе и дающем научное приращение знаниям в отрасли железнодорожного транспорта.

1. Уравнение регрессии, разработанное на основе формализованных данных с использованием встроенных в вычислительную среду МаЛСАЭ стандартных программ их обработки полиноминальное, описывающее конкретное значение допустимого смещения общего центра тяжести груза в зависимости от его массы, приведено в удобном виде для использования в практике работы грузоотправителей.

2. Программа расчета на ЭВМ, разработанная на основе математической модели размещения груза со смещением центра масс с использованием

метода итерации, дала возможность непосредственно определить ранее неизвестные параметры креплений при действии внешних сил, имитирующих реальные условия движения поезда по прямому участку пути.

3. Результаты исследований дали возможность отметить:

- увеличение смещения общего центра тяжести груза относительно поперечной оси симметрии вдоль вагона приводит к уменьшению продольного сдвига груза и, как результат, к повышению нагрузочных способностей гибких упругих элементов креплений;

- вариация значений диаметров проволоки приводит к понижению нагрузочных способностей гибких упругих элементов креплений груза. Если для удержания груза в вагоне, размещенного со смещением центра тяжести вдоль вагона, от продольного сдвига использовать более жесткие и пологие (длинные) элементы креплений, то такой вариант крепления от 1 до 1,82 раза повышает нагрузочные способности элементов креплений груза, что является положительным моментом;

- на нагрузочные способности элементов креплений груза превалирующее действие оказывают значения смещений центра массы груза, нежели уклон пути, поскольку элементы креплений, становясь более пологими, снижают риски разрыва этих элементов крепления.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Методика определения усилий в гибких упругих элементах креплений при воздействии на груз продольных и вертикальных сил.

2. Доказательство того, что смещенный вдоль вагона центр массы груза оказывает превалирующее действие на безопасность движения и сохранность перевозок грузов из-за изменения нагрузочных способностей гибких упругих элементов креплений, по сравнению с влиянием от уклона пути.

Практическая ценность. Практическую ценность представляют:

1. Приведенные конкретные значения продольных смещений, соответствующие определенной массе груза, результаты которых заменяют данные таблицы 10 ТУ. При этом метод линейной интерполяции не применяется, что дает большую достоверность и сокращает затраты времени на расчеты крепления грузоотправителями.

2. Разработанные программы расчета усилий в гибких упругих элементах креплений, которые в последующем могут быть использованы грузоотправителями при разработке не предусмотренного техническими условиями (НТУ) способа размещения и крепления груза на вагоне.

Реализация результатов работы. Разработанные практические рекомендации приняты к использованию Свердловской дирекцией по управлению транспортно-складским комплексом - структурным подразделением Центральной дирекции по управлению транспортно-складским комплексом - филиала ОАО «Российские железные дороги» для проверки разработанных грузоотправителями технических условий размещения и крепления грузов на открытом подвижном составе.

Разработанная автором методика расчета креплений грузов используется в научных исследованиях и учебном процессе кафедры «Станции, узлы и грузовая работа» (УрГУПС).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на: Международной научн.-техн. конференции «Актуальные проблемы динамики и прочности материалов и конструкций: модели, методы, решения» (Самара, СамГУПС, 2007); Междунар. научн,-практич. конф. «Наука, инновация и образование: актуальные проблемы развития транспортного комплекса России» (Екатеринбург, УрГУПС, 2006); IV Всерос. научн.-техн. конф. «Политранспортные системы (Транспортные системы Сибири)» (Красноярск, КГТУ, 2006); Всеросс. научн.-практ. конференции «Транспорт-2011» (Ростов-на-Дону, РГУПС, 2011); 7-й научн,-практич. конф. «Безопасность движения поездов» (Москва, МИИТ, 2006 г.); расширенном заседании кафедры «Логистика и коммерческая работа» (Санкт-Петербург, ПГУПС, 2012 г.); объединенном научном семинаре факльтета «Управление процессами перевозок» (Екатеринбург, УрГУПС, 2011 г.).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 13 научных работах, в том числе статей и материалов конференций регионального и международного уровней и свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ.

Структура работы. Диссертационное исследование состоит из введения, четырех глав с выводами в каждой из них, общих выводов и рекомендаций, списка использованной литературы, включающего 174 наименования, 145 страниц основного текста, 27 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы с обоснованием актуальности темы исследования.

В первой главе представлен и проанализирован литературный обзор по тематике диссертации, сформулированы цель и задачи исследования. Определение усилий в креплениях груза при несимметричном размещении центра тяжести вдоль вагона от воздействий продольных и вертикальных нормативных нагрузок является недостаточно изученной и мало исследованной. Крепления грузов в вагоне с использованием действующей методики расчета изучены в работах П. С. Анисимова, В. К. Бешкето, А. А.Львова, А. Д. Малова, В. А. Болотина, Г. П. Ефимова, В. А. Романова, В. И. Шинка-ренко и других, а с использованием усовершенствованной методики расчета креплений грузов - в работах В. Б. Зылева, X. Т. Туранова, Н. В. Власовой, М. А. Зачешигрива, Е. К. Коровяковского, Д. Ю. Королевой, Е. Д. Псеров-ской, М. В. Корнеева, Е. Н. Тимухиной, О. Ю. Чуйковой и других. Крепление грузов в вагоне со смещенным центром тяжести поперек него при действии продольных, поперечных и вертикальных сил изучены в работах Л. А. Рыковой, А. Л. Рыкова, С. А. Ситникова.

До настоящего времени осталась нерешенной прикладная задача по разработке автоматизированного расчета усилий в креплениях груза в механической системе «груз-крепление-вагон» при одновременном действии продольных, поперечных и вертикальных сил с учетом несимметричности расположения общего центра масс относительно поперечной оси симметрии вагона при различных условиях движения поезда (по прямому участку без уклона и с уклоном пути).

Во второй главе проведен анализ нарушений креплений грузов при перевозке по железной дороге.

После анализа отчетов о вагонах с коммерческими неисправностями по Свердловской железной дороге 1999-2010 гг. выявилась следующая тенденция (рисунок 1).

16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0

\

\

V

# # # ^ # # # # # # —♦— вагоны с коммерческим браком

год

Рисунок 1 - Анализ количества вагонов с коммерческими неисправностями на Свердловской железной дороге

Как видно из рисунка 1, самый высокий уровень коммерческих неисправностей, зафиксирован в 2000 г. (за период с 1999 по 2010 г. обнаружено 13747 вагонов с коммерческими браками). В последние годы произошло снижение количества таких вагонов. Связано это может быть, во-первых, с падением объемов грузовых перевозок в конце 90-х годов, а, во-вторых, с введением в 2003 г. новых ТУ.

Все виды коммерческих неисправностей можно разделить на две группы: неисправности, угрожающие безопасности движения (погрузка с нарушением ТУ, расстройство погрузки в пути следования, перегруз сверх грузоподъемности, течь из цистерн) и неисправности, не угрожающие безопасности движения (нарушение или срыв запорно-пломбировочных устройств и другие виды подобных коммерческих неисправностей). Распределение количества выявленных вагонов с коммерческими неисправностями, угрожающими и не угрожающими безопасности движения за 2010 г. по ос-

новным сортировочным станциям Свердловской железной дороги, представлено на рисунке 2.

Ст. Свердловск-Сортировочный Ст. Пермь-Сортировочный Ст. Войновка

9%

91%

□ - количество вагонов, пеугрожающих безопасности движения.

Рисунок 2 - Количество выявленных вагонов с коммерческими неисправностями, угрожающими и не угрожающими безопасности движения за 2010 г. на Свердловской железной дороге по всем ПКО,%

Как видно из рисунка 2, почти на всех пунктах коммерческого осмотра (ПКО) дороги количество коммерческих браков, угрожающих безопасности движения, превышает количество браков, не угрожающих безопасности движения (на станции Пермь-Сортировочный - 78 % от общего числа неисправностей, на станции Войновка - 91 %, на станции Свердловск-Сортировочный - 67 %).

Если анализировать число вагонов по отдельным видам коммерческих браков по всем ПКО Свердловской железной дороги за 2010 г., то наблюдается тенденция, представленная на рисунке 3, из которой видно, что 22 % вагонов были погружены с нарушением требований ТУ, а расстройство погрузки в пути следования обнаружено у 42 % вагонов. В общей сложности около 64 % из общего количества вагонов приходится на коммерческие неисправности, связанные с размещением и креплением груза в вагонах.

Нарушения крепления грузов по ТУ и неточность методики п. 10.5.3 гл. 1 ТУ связаны с раздельным вычислением усилий в растяжках от действия продольных и поперечных сил инерции и человеческим фактором. Это приводит к расстройству размещения и крепления в пути следования и является причиной несохранной перевозки грузов, что может угрожать безопасности движения поездов.

В диссертации приведены статистические результаты обработки данных с применением таблицы 10 ТУ на ПЭВМ. Коэффициент корреляции оказался равным 0,99895389, то есть практически равным 1, что показывает высокую точность подбора степени полинома к = 6. В результате регрессионного анализа получены конкретные значения продольного смещения груза, с соответствующей массой груза. Эти значения следует использовать вместо таблицы 10 ТУ, без применения метода линейной интерполяции, что облегчает грузоотправителям определение способа размещения и расчет крепления груза в вагоне.

□ - количество вагонов, угрожающих безопасности движения;

6

□ ширтка с надошшнегс ТУ Ш мцуэкх гту гк стпо ион

Рисунок 3 - Количество вагонов по отдельным видам коммерческих неисправностей по всем ПКО Свердловской железной дороге за 2010 г., %

В третьей главе рассмотрены основные положения к обоснованию способа размещения груза вдоль вагона. Усовершенствована методика расчета определения усилий в гибких упругих элементах креплений груза, размещённого со смещением центра масс вдоль вагона как в статической неопределённой системе «вагон - крепление - груз» от воздействий продольных и вертикальных сил. Для решения задачи использован численный метод, реализованный в вычислительной среде МаШСАБ.

Физическая модель размещения и крепления груза с несимметричным расположением центра масс вдоль вагона представлена на рисунке 4.

Расчетная схема размещения и крепления груза с несимметричным расположением центра масс вдоль вагона представлена на рисунке 5.

На динамической модели показаны: С - вес груза; 1ех - продольная переносная сила, возникающая при маневровых соударениях и движении поезда, как на прямом участке пути, так и при спуске в режиме служебного

торможения или отпуска; 1ег - вертикальная переносная сила, возникающая от подпрыгивания вагона с грузом при прохождении волны неровности пути; Рвх - сила аэродинамического сопротивления, приложенная к лобовой стороне груза; N - нормальная составляющая реакции связи (пола вагона);

^трх - касательная составляющая реакции связи (сила трения); ^ - усилия в гибких упругих элементах креплений груза.

а 1 с4 I 1 сЗ

Рисунок 4 - Физическая модель размещения и крепления груза с несимметричным расположением центра масс вдоль вагона

Ри - Ли

Рисунок 5 - Расчетная схема размещения и крепления груза с несимметричным расположением центра масс вдоль вагона

На модели также приняты следующие обозначения: хм - смещение (сдвиг) центра тяжести груза вдоль вагона; \|/ - угол, характеризующий

движение поезда на спуск; 9 - угол «рыскания» вагона с грузом; хс -расположение центра тяжести груза от принятого начала координат до поперечной оси симметрии вагона; гс - расположение центра тяжести груза

относительно оси абсцисс Ох; - координата точки приложения силы

аэродинамического сопротивления; - координата точки приложения

нормальной реакции связи N относительно начало координат; О-М ■ (I = 1 ,...,п> Где П _ количество гибких элементов креплений груза) - расстояние от принятого начала координат до монтажных петель груза; Н , 2В и Ь - высота, ширина и длина груза; «ц. Ьц и Ли - проекции гибкого упругого элемента с длиной 1и на продольную, поперечную и вертикальную оси груза соответственно; О- и Р„р - углы наклона гибких элементов на плоскость Оху и плоскости этих элементов на ось Ох.

В диссертации для определения усилий (или натяжений) ^ в гибких упругих элементах креплений штучного груза при любом количестве п

элементов креплений с учетом предварительных закруток Л? г приведены последовательность подготовки исходных данных в соответствии с принятым способом размещения и крепления груза в вагоне. Разработана математическая модель механической системы «вагон - крепление - груз» с плоским основанием в следующем виде. Сдвигающая сила по оси Ох:

20 д

+ /„ + ОяпСч/ + 30) - ^ С08(Х|/ + д0) = Гх; (1)

1=1 ч

сила трения по оси Ох: Ртрх = г/ (АЛ > 0, (/" (Тх < ^ -Тх,-/V ),0); (2)

сумма проекций сил на ось Ох: Тх + =0; (3)

V? -г

сдвигающая сила по оси Оу: , ~~ 1у (4)

м

сила трения по оси Оу: /\р>. = ¡/(К > 0,¡/(Ту < ¡Ы,-Ту ,-^),0); (5)

сумма проекций сил на ось Оу: Ту + Р-ц,у = 0; (6)

сумма проекции сил на ось Ос

20 д

£5,. ^ - (Осо8(м/ + а0) + ^ ИП(Х|/ + 30)) +1« + N = 0; (7)

ы\ Ч

сумма моментов сил вокруг оси Ох:

1^(-Лг,) = 0. (8)

/=5,15,10,20 Ч

сумма моментов сил вокруг оси Оу:

20 A- Av

- (£5,. + "Г^ + (Gcos(v + - -

1=1 н 1=5,15,10,20 h

- (G Sin(\j/ + Э0) + lex)zc + F„ cos(v + Э0) • + F„ sin(v(/ +

) XFx +

+ FrpxH-NxN = 0; (9)

сумма моментов сил вокруг оси Oz:

•A Av- Дх

1=1 N 'i

деформационных соотношений:

" я дг л /I Av п I

,=1 ¿=1 i=1 (=1 1=1

В полученных выражениях приняты следующие обозначения: £А -физико-геометрическая характеристика (жесткость на растяжение) гибкого упругого элемента (кН). Здесь Е - модуль упругости гибкого элемента, скрученного из стальной отожженной проволоки, кН/м2 (Е = 107 кПа), А,- -площадь поперечного сечения гибкого элемента (м2) с учётом количество нитей щ в i -ом гибком элементе (шт.) и диаметра проволоки d, (м).

Выражения (1)-(11) представляют собой систему алгебраических уравнений, которые могут быть решены численным способом в вычислительной среде MathCAD.

В четвёртой главе подробно изложены результаты исследований по определению нагрузочных способностей гибких упругих элементов креплений груза, размещенного в вагоне симметрично и со смещением центра масс вдоль вагона, при движении поезда по прямому участку с учетом особенности профиля пути (наличие неровности и спуска пути) и климатических условий перегона (действие ветровых нагрузок или отсутствие), которые базируются на классических методах общей механики с применением универсальной среды MatCAD. Приведенные в данной главе результаты исследований сопровождаются подробными пояснениями причин повышения или понижения нагрузочных способностей гибких элементов креплений груза при вариации тех или иных параметров действующих сил, геометрических и силовых параметров креплений с учётом особенности профиля пути.

В диссертации приведены макет-документы, где в блок функций Given-Find введены системы уравнений (1)-(11), которые легли в основу разработки автоматизированной программы расчета креплений груза.

Условия проведения вычислительных экспериментов. Груз размещен в вагоне со смещением центра тяжести вдоль вагона на заданную величину хМ, допускаемое значение которого согласно ТУ определяется в зависимости от веса груза G . На механическую систему «вагон - крепление - груз»

действуют только продольные (Кх и Fex) и вертикальные (1К) силы.

Описанное условие проведения исследований соответствует расчетной схеме, показанной на рисунке 4.

1. В результате исследования влияния коэффициента трения (учёт климатических условий) на смещения центра масс вдоль вагона и значения усилий в гибких элементах креплений груза установлено, что усилие в гибких элементах креплений возникнет лишь тогда, когда происходит сдвиг груза. Другими словами, причиной возникновения усилий в гибких элементах креплений является сдвиг груза, величина которого зависит от коэффициента трения между соприкасающимися поверхностями груза и пола вагона. Методом регрессионного анализа получены графические зависимости значения усилий в остальных гибких элементах креплений, работающих на растяжение, при различных заданных значениях коэффициента трения ц (рисунок 6), данные которых можно использовать при разработке непредусмотренного ТУ способа размещения и крепления груза в вагоне.

Результаты исследований по установлению зависимости 5, =/(ц) показывают, что при одном и том же значений продольных и вертикальных сил (ах = 0,2# и а: - 0,46# м/с2) увеличение значений коэффициента трения ц приводит к снижению усилий в гибких элементах креплений, что позволяет нагружать элементы креплений большими значениями продольных сил, нежели действовавшие. Это объясняется тем, что при перевозке груза при различных климатических условиях, учитываемых коэффициентом трения между соприкасающимися поверхностями груза и пола вагона при увеличении этого коэффициента (то есть при большей сцепляемости поверхностей груза и пола вагона), чтобы груз сдвинулся с места, необходимо приложить значительные по величине продольные силы.

Также методом регрессионного анализа получены графические зависимости значения усилий в остальных гибких элементах креплений, работающих на растяжение при различных заданных значениях продольного сдвига груза Ах (рисунок 7), данные которых можно использовать при разработке не предусмотренного ТУ способа размещения и крепления груза в вагоне.

Анализируя полученные результаты исследований по установлению зависимости = /(Ах), можно также отметить, что увеличение значений продольного сдвига груза Ах из-за снижения коэффициента трения, учитывающего климатические условия перевозок, приводит к увеличению усилий в гибких элементах креплений.

2. В результате проведенных исследований по определению усилий в креплениях груза при хм = хМ = 228 мм, когда значения продольного и вертикального переносных ускорений вагона с грузом были равны аех = 0,2745# и ае, =0.46#, получены следующие данные: N = 698,61 - нормальная реакция связи, /чр = 384,24 - полная сила трения; координаты точки приложения N -хс = 4,55, = 4,312 и у^ = 0 м; перемещения груза по продольной оси Ах = 29 мм, перемещение по поперечной оси вагона, а также поворот вокруг вер-

тикальной оси отсутствуют; усилия в парных гибких элементах креплений, работающих на растяжение по продольной оси в кН, приведены в диссертации.

50.26833088

Я

510(ц)

« I »

55

50

45

40

о. со к

Ч 8

р.

Уз'ы 35

34(ц) 30 25

22.80108844 2о

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

коэффицент трение Рисунок 6 - Графические зависимости 5,- = /(|Д)

0.55

50.26497409 60

М , . 50

» Э10! Дгг)

й • • •

к 37(Дх» 40

ЭЗ

о) ♦♦♦,«.

Е Зб(Дх) зо & ----и ЗЗ(Дх) § —... 20

§ 34(Дх>

и

^ - 10

0.42163931 л

О 10 20 30 40 50 60 70

0 Дх 65

продольный сдвиг груза, мм

Рисунок 7 - Графические зависимости 5, = /(Ах)

Исследования показали, что при хМ = 228 мм величина нормальной реакции связи превышает вес груза в 1,187 раза. В связи с этим, больше сила трения между контактирующими поверхностями груза и пола вагона срав-

• •

9 Ф ...

• л*'**

/ ¡г

/

нительно с симметричным расположением груза. Из-за этого, по идее, от действия продольной силы груз должен перемещаться на меньшую величину, чем 41 мм (симметричное расположение груза). В действительности так и происходит - сдвиг груза равен 29 мм. При этом нет поперечного сдвига Ду и поворота груза вокруг вертикальной оси Дф, что также соответствует действительности. По этим результатам можно отметить об адекватности построенной математической модели.

Результаты исследований также показали, что прид:М= 228 мм усилия в парных гибких элементах креплений груза имеют меньшие значения (33,27 кН), чем допустимые (39,2 кН). Это означает, что в этом случае можно повысить нагрузочные способности элементов креплений груза, то есть они могут воспринимать большее значения продольных сил. Так, например, чтобы усилия в гибких элементах креплений достигли допустимых значений (39,2 кН) необходимо, чтобы значение продольного ускорения было равно ах = 0,329^ =

3,227 м/с2, чему соответствует продольная сила 1ех = 193,65 кН. При этом нормальная реакция связи превышает вес груза в 1,208 раз, а значение продольного сдвига груза достигает 42 мм. Значение усилий в гибких элементах креплений 10 и 20 достигли допустимого значения.

Рассмотрен случай, когда хМ= 455 мм (то есть в два раза больше, чем в первом случае) и аех = 0,2145% м/с2. Величина нормальной реакции связи превышает вес груза в 1,2 раза, груз сместился на такую же величину - Ах = 21 мм. Значение усилий в гибких элементах креплений 10 и 20 оказались равными = ¿20 = 29,56. Во всех гибких элементах креплений произошло перераспределение усилий между собой. Смещение центра масс груза вдоль вагона способствует повышению их нагрузочных способностей. В случае, когда хМ- 683 мм (то есть в три раза больше, чем в первом случае), величина нормальной реакции связи превышает вес груза так же, как и во втором случае - в 1,181 раза, груз смещён вдоль вагона на Ах = 13 мм. Значение усилий в гибких элементах креплений 10 и 20 оказались равными = 52о = 25,7. В случае, когда хМ= 864 мм (то есть в четыре раза больше, чем в первом случае), величина нормальной реакции связи превышает вес груза в 1,154 раза, груз смещён вдоль вагона на Ах = 7 мм, значение усилий в гибких элементах креплений 10 и 20 оказались равными Я ¡о = ¿>20 = 23,45 кН. Результаты исследований подтверждают положительное влияние смещения центра масс вдоль вагона на нагрузочные способности гибких упругих элементов креплений груза.

Таким образом, в результате проведенных математических и натурных исследований установлено, что, размещая груз в вагоне со смещением центра масс вдоль вагона, можно добиться повышения нагрузочной способности гибких упругих элементов креплений. Это объясняется тем, что при размещении груза со смещением центра масс вдоль вагона элементы крепления станут еще более пологими (длинными), что повышает их упругость и надежность.

С использованием возможности инструментальной среды МаАСАО выполнен регрессионный анализ вычисленных значений усилий в гибких упругих элементах креплений в зависимости от значений смещения центра масс груза вдоль вагона хМ (рисунок 8), данные которых можно использовать при разработке не предусмотренного ТУ способа размещения и крепления груза в вагоне.

Результаты исследований по установлению зависимости 5; = ДхМ) показывают, что при одном и том же значении продольных сил (аех = 0,2745g), действующих на механическую систему «вагон - крепление - груз», вариация значений смещения центра масс груза вдоль вагона приводит к снижению усилий в гибких элементах креплений, что позволяет нагружать элементы креплений большими значениями продольных сил, нежели действовавшие. Объясняется это тем, что при размещении груза со смещением центра масс вдоль элементы крепления станут еще длиннее.

37.46966067

К

к

ЗЮ(хМ) 35

37(хМ) 36 (хМ) ЭЗ(хМ| 54(хМ)

22.52544362

"' 0

50 хМ

смещение общего центра масс, мм

Рисунок 8 - Графические зависимости 5,- =/(хМ)

Аналогично приведенным результатам исследований построены графические зависимости сдвига груза вдоль вагона от значений хМ (рисунок 9).

Результаты исследований по установлению зависимости Ах = ЛхМ) показывают, что при одних и тех же значениях продольной и вертикальной переносных сил инерции (при аех - 0,2745# и а, = 0,46§), действующих на механическую систему «вагон - крепление - груз», весе груза 60 тс и коэффициенте трения сцепления/= 0,55 увеличение смещения центра масс груза хМ приводит к уменьшению сдвига груза вдоль вагона Ах.

хМ

смещение общего центра масс груза, мм Рисунок 9 - Графические зависимости Ах =/(хМ)

Обобщая результаты проведенных исследований можно отметить, что смещение центра масс груза вдоль вагона приводит к уменьшению сдвига груза вдоль вагона и, как результат, к повышению нагрузочных способностей гибких элементов креплений.

Исследование влияния предварительных закруток 50, на значения усилий в гибких упругих элементах креплений груза. В результате проведенных исследований по определению усилий в креплениях груза при хМ= 228 мм получено: нормальная реакция связи превышает вес груза в 1,137 раз; сдвиг груза вдоль вагона 29 мм.

Анализ полученных данных позволяет отметить, что при вариации значений предварительных закруток в наиболее длинных парных гибких упругих элементах креплений груза 10 и 20 имеют меньшие значения (33,99 кН), чем допустимые (39,2 кН). Это означает, что в этом случае можно повысить нагрузочную способность элементов креплений груза. Так, например, чтобы натяжения в гибких упругих элементах креплений достигли допустимых значений (39,2 кН) необходимо, чтобы значение продольного переносного ускорения было равно аех = 0,331$ = 3,247 м/с2, чему соответствует продольная переносная сила инерции 1ех = 194,83 кН.

Таким образом, вариация значений предварительных закруток приводит к повышению нагрузочных способностей гибких упругих элементов креплений, потому что эти усилия способствуют большему прижатию груза к полу вагона.

Исследование влияние диаметров проволоки на значения усилий в гибких упругих элементах креплений груза. В результате проведенных исследований по определению усилий в креплениях груза при хМ = 0,228 м получены следующие результаты: нормальная реакция связи превышает вес груза в 1,136 раз; перемещение груза по продольной оси вагона 26 мм.

Таким образом, вариация значений диаметров проволоки креплений приводит к снижению нагрузочных способностей гибких упругих элементов

креплений груза, потому что происходят сдвиг груза по поперечной оси вагона и его поворот вокруг вертикальной оси.

Условия проведения экспериментов были такими же, как и в предыдущем случае. При этом диаметры проволоки 4-го, 14-го, 10-го и 20-го элементов приняли, равными 8 мм, а их число нитей п равными 1. В этом случае рассматривались более жесткие крепления в крайних элементах с использованием та-лерьефов. В результате проведенных исследований по определению усилий в креплениях груза получено: нормальная реакция связи превышает вес груза в 1,1 раз; перемещение груза вдоль вагона равно 28 мм, поперек вагона - 2 мм и поворот груза вокруг вертикальной оси - 0.046 градусов.

Для того чтобы усилие в наиболее нагруженном гибком элементе крепления 57 достигло допустимого значения (39,2 кН) необходимо, чтобы значения продольного переносного ускорения были равны аех = 0,475# = 4,6

м/с2, чему соответствует продольная переносная сила инерции 1ех - 279,16 кН. В этом случае нормальная реакция связи превышает вес груза в 1,128 раз; перемещение груза вдоль вагона равно 70 мм, по поперечной оси - 4,7 мм, а поворот вокруг вертикальной оси 0,112 град. Значение усилия в гибком упругом элементе крепления 7 достигло допустимого значения.

Значения крепления груза 4-го, 14-го, 10,го и 20-го элементов с диаметрами проволоки 10 мм и с числом нитей п , равным 1. В этом случае также происходит перераспределение усилий между всеми элементами креплений. Основную долю нагрузок воспринимает жесткий элемент крепления 20, имеющий 0 10 мм.

Для того чтобы натяжения в наиболее нагруженном гибком элементе крепления 20 при диаметре проволоки 0 10 мм достигло допустимого значения (39,2 кН) необходимо, чтобы значение продольного переносного ускорения были равны аех = 0,478# = 4,689 м/с2, чему соответствует продольная переносная сила инерции 1ех = 281,35 кН. В этом случае: нормальная реакция связи превышает вес груза в 1,125 раз; перемещение груза вдоль вагона равно 52 мм, по поперечной оси - 7 мм, а поворот вокруг вертикальной оси - 0,161 градусов. Значение усилия в гибком упругом элементе крепления 16 достигло допустимого значения.

Таким образом, если для удержания груза в вагоне, размещённого со смещением центра масс вдоль вагона {хМ = 228 мм), от продольного сдвига следует использовать жесткие и пологие элементы креплений, то такой вариант креплений повышает нагрузочные способности элементов креплений груза от 1 до 1,82 раза.

Исследование влияния количества нитей проволоки на значения усилий в гибких элементах креплений груза при хМ = 228 мм и значения продольного и вертикального переносных ускорений вагона с грузом аех = 0,283# и ае: =0,46#. В результате: нормальная реакция связи превышает вес груза в 1,135 раз; перемещение груза вдоль вагона равно 22 мм, по поперечной оси - 6 мм, поворот вокруг вертикальной оси 0,092 градусов. Произош-

ло перераспределение усилий между гибкими элементами креплений (парные элементы 3 и 13, 6 и 16, 7 и 17), имеющих одинаковое количество нитей проволоки. В элементе, имеющем меньшее количество нитей (14-й элемент), усилие имеет меньшее значение (5)4 = 19,4 кН), чем расположенный с противоположной стороны (4-й элемент) - ¿4 = 26 кН, а в элементе, имеющем такое же количество нитей (20-й элемент), усилие имеет большее значение (52о = 35,6 кН), чем элемент, расположенный с противоположной стороны (510 = 33,314 кН). Это объясняется возможным поворотом груза.

Полученные результаты показывают, что в этом случае можно повысить нагрузочную способность элементов креплений груза. Так, например, чтобы усилие в гибком упругом элементе крепления ¿20 достигло допустимого значения (39,2 кН) необходимо, чтобы значение продольного переносного ускорения было равно аех = 0,31= 3,12 м/с2, чему соответствует продольная переносная сила инерции 1ех = 187,18 кН. Получены следующие данные: нормальная реакция связи превышает вес груза в 1,155 раз; перемещение груза вдоль вагона равно 28 мм, по поперечной оси - 7 мм, а поворот вокруг вертикальной оси - 0,113 градусов. Значение усилия в гибком элементе крепления 20 достигло допустимого значения. Аналогичные результаты, полученные при количестве нитей в элементах 4, 14 и 3, 13, равны п = 4, а в остальных 6.

Таким образом, вариация значений количества нитей проволоки способствует повышению нагрузочных способностей гибких упругих элементов креплений груза потому, что от действия продольной переносной силы инерции происходит перераспределение усилий в элементах креплений.

Исследование влияния уклона пути на значения усилий в гибких упругих элементах креплений груза. Условия проведения экспериментов были такими же, как при исследовании влияния предварительных закруток. При этом хМ = 228 мм, значения уклона пути АН = 6 промилле, продольного и вертикального переносных ускорений вагона с грузом аех = 0,268# и аег - 0,46$. В результате проведенных исследований получены: нормальная реакция связи превышает вес груза в 1,193 раза; перемещение груза вдоль вагона равно 29 мм, по поперечной оси и поворот вокруг вертикальной оси равны нулю.

Анализ полученных результатов позволил отметить, что при уклоне пути усилия в парных гибких упругих элементах имеют меньшее значение (5,о = 52о = 33,6 кН), чем допустимое (39,2 кН) несмотря на то, что продольная составляющая веса груза в этом случае дополнительно нагружает элементы креплений. В этом случае можно повысить нагрузочную способность элементов креплений груза. Так, например, чтобы усилие в гибких упругих элементах креплений и 52о достигли допустимых значений (39,2 кН) необходимо, чтобы значения продольного переносного ускорения были равны аех - 0,329# = 3,227 м/с2, чему соответствует продольная переносная сила инерции /„ = 193,65 кН. В результате проведенных исследований получены: нормальная реакция связи превышает вес груза в 1,213 раз; перемеще-

ние груза вдоль вагона равно 41 мм; сдвиг груза поперек вагона и поворот груза вокруг вертикальной оси равны нулю.

Также исследования проведены при спуске пути АН = 0,012 промилле, значениях продольного и вертикального переносного ускорений аех = 0,268g и aez = 0,46g. В результате получены: нормальная реакция связи превышает вес груза в 1,194 раз; сдвиг груза вдоль вагона - 29 мм, повороты по поперечной оси и вокруг вертикальной оси равны нулю. В этом случае можно повысить нагрузочную способность элементов креплений груза. Так, например, чтобы усилия в гибких упругих элементах креплений Si0 и S20 достигли допустимых значений (39,2 кН) необходимо, чтобы значения продольного переносного ускорения были равны аех = 0,323g = 3,169 м/с2, чему

соответствует продольная переносная сила инерции 1ех =190,12 кН.

Уклон пути АН = 18 промилле, а значения продольного и вертикального переносных ускорений - аех = 0,268g и ае1 = 0,46g. При этом получили: сдвиг груза вдоль вагона равен 30 мм. Чтобы усилия в гибких упругих элементах креплений 5)0 и S2n достигли допустимых значений (39,2 кН) необходимо, чтобы значения продольного переносного ускорения были равна аех = 0,317g = 3,11 м/с2, чему соответствует продольная переносная сила инерции

Jex = 186,5 кН.

При постоянном значении смещения центра масс груза вдоль вагона увеличение уклона пути с 6 до 18 промилле повышают нагрузочные способности гибких упругих элементов креплений, но с некоторым уменьшением таких способностей этих элементов креплений, например, от 1,23 (0,329g : 0,268g) до 1,18 (0,329g : 0,268g) раз. Исследованием также установлено, что смещение центра масс груза вдоль вагона оказывает большее влияние на нагрузочные способности гибких упругих элементов креплений, нежели уклон пути.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Установлено, что разработка схем размещения и крепление грузов по методикам действующих ТУ не учитывают геометрические параметры (числа нитей, диаметра) и усилия предварительных натяжений гибких элементов креплений при смещении центра массы груза.

2. Выявлено, что расчеты гибких элементов креплений в механической системе «груз - крепление - вагон» выполнены раздельно от действия продольных и вертикальных сил, а также поперечных и вертикальных сил, в действительности же эти силы действуют на крепления груза одновременно.

3. Установлено, что до сих пор не решена прикладная задача по разработке автоматизированного расчета усилий в креплениях груза в механической системе «груз - крепление - вагон» при одновременном действии продольных, поперечных и вертикальных сил с учетом несимметричности

расположения общего центра масс от груза (грузов) относительно поперечной оси симметрии вагона при различных условиях движения поезда (по прямому участку без уклона и с уклоном пути).

4. Установлено, что нарушения крепления грузов по ТУ и неточность методики п.10.5.3 главы 1 ТУ, связанная с раздельным вычислением усилий в растяжках от действия продольных и поперечных сил инерции, сочетается с человеческим факторам. Это приводит к расстройству размещения и крепления в пути следования и является причиной несохранной перевозки грузов, что создает угрозу безопасности движения поездов.

5. Разработанный с использованием основных положений общей механики подход к составлению условий равновесия системы «вагон -крепление - груз» при размещении груза со смещением центра масс вдоль вагона совместно с физическими сторонами статической неопределимой задачи, по существу, позволил разработать математическую модель груза в виде п уравнений с п неизвестными и с двумя дополнительно составленными условиями, не влияющими на статическую неопределимость системы, но учитывающими характер изменения силы трения.

6. Составленная математическая модель груза при его размещении со смещением общего центра масс относительно поперечной оси симметрии вагона в виде систем п уравнений дает возможность определить п неизвестных усилий в п гибких элементах крепления при различных значениях и одновременном действии продольных, вертикальных сил и ветровых нагрузок с учетом изменения климатических условий перевозок.

7. Обобщенные результаты этих исследований, выявили:

- при разработке способа размещения и крепления груза со смещенным центром массы в вагоне от действий продольных сил следует особо обратить внимание на то, что те гибкие элементы креплений, которые имеют меньший угол наклона относительно горизонтальной плоскости (то есть пола вагона), обладают большей нагрузочной способностью, нежели те, которые имеют больший угол наклона. Поэтому можно отметить, что более пологие гибкие элементы креплений при действии на них продольных сил обладают большими нагрузочными способностями и работают лучше;

- при разработке способа размещения и крепления груза со смещенным центром тяжести в вагоне от действий поперечных сил следует особо обратить внимание на то, что те гибкие элементы креплений, которые имеют больший угол наклона относительно горизонтальной плоскости, обладают большей нагрузочной способностью, нежели те, которые имеют меньший угол наклона. Поэтому можно отметить, что более крутые гибкие элементы креплений, расположенные почти вертикально, при действии на них поперечных сил обладают большей нагрузочной способностью, и они работают лучше;

- для удержания груза от сдвигов в продольном и поперечном направлениях в схеме размещения и крепления обязательно использовать

гибкие элементы креплений, которые имеют и больший, и меньший угол наклона относительно горизонтальной плоскости (пола вагона) в соотношении не менее, чем 1:2.

8. Разработанная программа расчета дала возможность провести исследования по определению усилий в гибких элементах креплений при симметричном и несимметричном размещении общего центра масс груза относительно поперечной оси симметрии вагона с учетом различных значений геометрических (диаметров и количество нитей проволоки) и силовых параметров (усилий предварительных натяжений) этих элементов, а также профиля пути (уклона).

Таким образом, в результате проведенных исследований по определению усилий в гибких элементах креплений при движении поезда по прямому участку пути установили, что нагрузочные способности элементов креплений груза можно повысить, варьируя значения усилий предварительных натяжений, количество нитей проволоки и коэффициент трения между соприкасающимися поверхностями груза и пола вагона. При движении поезда под уклон нагрузочные способности гибких элементах креплений понижаются. Поэтому обязателен расчет усилий в гибких элементах креплений груза с учетом уклона пути.

9. Установлено, что при размещении груза со смещением общего центра масс относительно поперечной оси симметрии вагона при действии на систему «груз - крепление - вагон» продольных и вертикальных сил при движении поезда по прямому участку пути:

- увеличение смещения общего центра масс груза относительно поперечной оси симметрии вагона приводит к уменьшению продольного сдвига груза и, как результат, к повышению нагрузочных способностей гибких элементов креплений. Это объясняется тем, что при размещении груза со смещением общего центра масс элементы крепления станут еще более пологими, то есть более длинными;

- вариация значений усилий предварительных натяжений также приводит к повышению нагрузочных способностей гибких элементов креплений груза из-за того, что эти усилия способствуют большему прижатию груза к полу вагона;

- вариация значений диаметров проволоки приводит к понижению нагрузочных способностей гибких элементов креплений груза. При этом, если для удержания груза в вагоне, размещенного со смещением общего центра масс относительно поперечной оси симметрии вагона, от продольного сдвига использовать более жесткие и пологие элементы креплений, то такой вариант крепления от 1 до 1,82 раза повышает нагрузочные способности элементов креплений груза;

- вариация значений количества нитей проволоки приводит к повышению нагрузочных способностей гибких элементов креплений груза из-за того, что от действия продольной силы происходит перераспределение усилий в гибких элементах креплений;

- с увеличением уклона пути понижаются нагрузочные способности элементов креплений, поскольку заметное влияние оказывает составляющая веса груза, которая совместно с продольной силой инерции дополнительно нагружает элементы креплений;

- на нагрузочные способности элементов креплений груза превалирующее влияние оказывают значения смещений общего центра масс груза относительно поперечной оси симметрии вагона, нежели уклон пути, поскольку при этом элементы креплений станут еще более пологими (длинными).

10. На основании проведенных исследований установлены предельные значения продольных и вертикальных переносных ускорений вагона с грузом со смещенным центром массы при различных условиях движения поезда и различных геометрических и силовых параметрах гибких элементов креплений, которые оказывают существенное влияние на нагрузочные способности этих элементов креплений, позволяют расширить номенклатуру перевозимых по железным дорогам тяжеловесных грузов, полнее использовать грузоподъемность вагонов, установить конкретную величину смещения общего центра масс груза относительно поперечной оси симметрии вагона в зависимости от массы перевозимого груза.

Таким образом, в диссертации содержится новое решение актуальной прикладной задачи по усовершенствованию методики расчета усилий в гибких упругих элементах креплений при размещении груза со смещением его центра масс вдоль вагона, направленной на обеспечение безопасности движения поездов, сохранной перевозки грузов и надежности элементов подвижного состава в пути следования.

Основное содержание диссертационного исследования опубликовано в следующих научных работах: Издания, входящих в Перечень ВАК РФ, и свидетельства:

1. Волков Д. В. Нагрузочные способности гибких упругих элементов креплений при размещении груза со смещением центра масс вдоль вагона [Текст] / X. Т. Туранов, Е. Н. Тимухина, Д. В. Волков // Транспорт Урала. -2007.-№4.-С. 25-35.

2. Волков Д. В. Аналитическое обоснование технологии размещения грузов вдоль вагона [Текст] / Е. Н. Тимухина, Д. В.Волков // Транспорт Урала. - 2008. - № 4. - С. 46-50.

3. Волков Д. В. Вычисление реакции рельсовых нитей при опускании нагруженного колеса на головку упорного рельса на основе построенных математических моделей [Текст] / X. Т. Туранов, Д. В. Волков и др. // Транспорт Урала. - 2011№ 4. - С. 82 - 88.

4. Волков Д. В. Программа для ЭВМ «Расчет параметров гибких элементов креплений по допускаемым значениям перемещений груза вдоль и поперек вагона и по принятым значениям количества креплений в зависи-

мости от веса груза». Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2006613890 от 13.11.12 Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам по заявке №2006613170 от 21.09.2006 /X. Т. Туранов, Д. В. Волков и др.

5. Волков Д. В. Программа для ЭВМ «Расчет натяжений в гибких элементах креплений груза, размещённого со смещением центра масс вдоль вагона, с учётом рыскания вагона с грузом». Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2007613924 от 13.09.07 Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам по заявке №2007612956 от 17.07.2007 / X. Т. Туранов, Е. Н. Тимухина, Д. В. Волков.

в других изданиях:

6. Волков Д. В. Исследование влияние уклона пути на натяжения в элементах креплений груза при движении поезда по кривому участку [Текст] / Д. В. Волков // Материалы Междунар. научн.-практич. конф. «Наука, инновации и образование: актуальные проблемы развития транспортного комплекса России». - Екатеринбург : УрГУПС, 2006. - С. 301-302.

7. Волков Д. В. Результаты вычислительных экспериментов по определению натяжений в креплениях груза при движении поезда по кривому участку [Текст] / Д. В. Волков, X. А. Сарсенов // Материалы Междунар. научн.-практич. конф. «Наука, инновации и образование: актуальные проблемы развития транспортного комплекса России». - Екатеринбург : УрГУПС, 2006.-С. 300-301.

8. Волков Д. В. Результаты вычислительных экспериментов по определению перемещений и натяжений в элементах креплений груза с учетом колебаний боковой качки и галопирования вагона с грузом [Текст] // Труды Седьмой научн.-практич. конф. «Безопасность движения поездов». - М.: МНИТ, 2006. - С. VI - 6-8.

9. Волков Д. В. Моделирование системы «путь-вагон- крепление-груз» при движении подвижного состава на спуск [Текст] / X. Т. Туранов, Д. В. Волков // Труды Седьмой научн.-практич. конф. «Безопасность движения поездов». - М.: МИИТ, 2006. - С. VI - 23-25.

10. Волков Д. В. Результаты вычислительных экспериментов по оценке совместного влияния углового ускорения от боковой качки и галопирования вагона с грузом на перемещения груза и натяжения гибких элементов креплений [Текст] / X. Т. Туранов, С. А. Ситников, Д. В. Волков // Материалы IV Всерос. научн.-техн. конф. «Политранспортные системы (Транспортные системы Сибири)». В 2-х частях. Ч. I. - Красноярск : КГТУ, 2006. - С. 288-298.

11. Волков Д. В. Основные виды продольных сил, воспринимаемых гибкими упругими элементами креплений груза [Текст] / X. Т. Туранов, Д. В.

Волков, О. Ю. Чуйкова // Труды Восьмой научн.-практич. конф. «Безопасность движения поездов». - М.: МИИТ, 2007. - С. IX - 63-67.

12. Волков Д. В. Определение натяжения в креплениях груза с несимметричным размещением центра масс [Текст] / Е. Н. Тимухина, С. А. Ситников, Д. В. Волков // Труды Девятой научн.-практич. конф. «Безопасность движения поездов». - М.: МИИТ, 2008. - С. VII - 42-45.

13. Волков Д. В. Аналитическое обоснование технологии несимметричного размещения груза на вагоне при воздействии пространственной системы сил [Текст] / Е. Н. Тимухина, A. JI. Рыков, Д. В. Волков // Труды Всероссийской научно-практич. Конф. «Транспорт-2011». - Ростов-на-

ОСОБЕННОСТИ КРЕПЛ СО СМЕЩЕННЫМ ЦЕНТРОМ ТЯЖЕСТИ ВДОЛЬ ВАГОНА

Специальность 05.22.08 - «Управление процессами перевозок»

Подписано в печать 06.03.2012 г. Формат 60*84/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,6. Тираж 100. Заказ № 53.

Дону: РГУПС, 2011. - С. 280-282.

Волков Денис Влади

Издательство УрГУПС 620034, Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66 rio@usurt.ru

61 12-5/2236

Федеральное агентство железнодорожного транспорта Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский государственный университет путей сообщения»

(ФГБОУ ВПО УрГУПС)

¿^^луъ. правах рукописи ВОЛКОВ ДЕНИС ВЛАДИМИРОВИЧ

ОСОБЕННОСТИ КРЕПЛЕНИЯ ГРУЗА СО СМЕЩЕННЫМ ЦЕНТРОМ ТЯЖЕСТИ ВДОЛЬ ВАГОНА

05.22.08 -Управление процессами перевозок

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Туранов Хабибулла Туранович

Екатеринбург 2012

Содержание

ВВЕДЕНИЕ.................................................................. 4

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ФОРМУЛИРОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.......................................................... 10

1.1 Обзор литературных источников по расчёту креплений груза в вагоне с использованием действующей методики (ТУ)............. 10

1.2 Анализ усовершенствованных методик расчетов креплений груза ............................................................................. 24

1.3 Цель и задачи исследований.............................................. 31

Выводы по главе......................... .................................... 32

2 ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕВОЗОК ГРУЗОВ СО СРЕДСТВАМИ КРЕПЛЕНИЯ НА ОТКРЫТОМ ПОДВИЖНОМ СОСТАВЕ...... 33

2.1 Средства крепления грузов в вагонах................................... 33

2.2 Анализ нарушений крепления грузов при перевозке по железной дороге..................................................................... 41

2.3 Пути снижения коммерческих браков из-за нарушений крепления грузов на открытом подвижном составе........................... 52

2.4 Результаты статистических обработок данных таблицы 10 ТУ... 57 Выводы по главе......................... .................................... 67

3 МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ РАЗМЕЩЕНИЯ ГРУЗОВ СО СМЕЩЕННЫМ ЦЕНТРОМ ТЯЖЕСТИ..................................................................... 69

3.1 Математическая модель работы нагрузочной способности гибких упругих элементов креплений груза при смещении центра масс вдоль вагона............................................................ 69

3.2 Методика исследования механической системы «вагон - крепление - груз» с плоским основанием.................................... 84

Выводы по главе.......................... ................................... 90

4 ИССЛЕДОВАНИЕ НАГРУЗОЧНОЙ СПОСОБНОСТИ ГИБ-

КИХ ЭЛЕМЕНТОВ КРЕПЛЕНИЙ ГРУЗОВ СО СМЕЩЕНИЕМ ЦЕНТРА ТЯЖЕСТИ............................................................................ 92

4.1 Общие положения по разработке методики расчета гибких элементов креплений груза.................................................... 92

4.2 Методика проведения вычислительных экспериментов по определению усилий в гибких креплениях груза........................ 93

4.3 Результаты исследований по определению нагрузочных способностей гибких элементов креплений груза при движении поезда по прямому участку пути......................................... 108

4.4 Результаты исследований по определению нагрузочных способностей гибких элементов креплений груза при движении поезда по прямому участку пути со смещением центра масс груза

вдоль вагона............................................................... 143

Выводы по главе............................................................. 165

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ............................. 171

ЛИТЕРАТУРА............................................................. 174

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Для исключения случаев угрозы безопасности движения грузовых поездов и сохранности перевозимых на открытом подвижном составе различного рода грузов с плоским основанием крайне важно их рациональное размещение и надежное крепление на средствах перевозки. Расстройства крепления груза происходят даже при небольших расстояниях перевозок вследствие неравномерной погрузки груза в вагоне и неправильной его подготовки к перевозке, из-за чего нередко повреждаются элементы креплений груза и подвижного состава под действием динамических нагрузок. Это свидетельствует о нарушении технологического процесса погрузки (включая человеческий фактор), а также действующих технических условий (ТУ) размещения и крепления грузов.

В действующих ТУ расчеты креплений груза, размещенного со смещенным центром тяжести вдоль вагона, выполняются по методике, не учитывающей факторы, влияющие на груз в процессе движения. Допустимое значение продольного смещения центра тяжести груза вдоль вагона принимается в зависимости от его веса по таблице 10 ТУ. В ТУ определение натяжений основано на простейших схемах, не отвечающих изменившимся параметрам перевозимых грузов после введения в действие ТУ. Натяжения во всех гибких упругих элементах креплений штучного груза независимо от их расположения относительно пола вагона получаются одинаковыми, а это не соответствует современным основным принципам решения статически неопределённой задачи в механике. Это происходит потому, что в механической системе «вагон - крепление - груз» для определения натяжений в элементах креплений груза использованы только уравнения равновесия плоской системы сил.

Таким образом, до сих пор не разработана методика непосредственного определения натяжений в элементах крепления груза, размещенного со смещенным центром тяжести вдоль вагона, к которому и приложены продольные и

вертикальные силы как в статической неопределённой системе «вагон - крепление - груз».

Перевозка груза, размещенного и закрепленного со смещенным центром тяжести вдоль вагона, может допускаться, как на прямом участке пути, так и на спуске в режиме служебного торможения или отпуска тормозов, а также в процессе разгона и торможения, при соударении вагонов во время маневров и роспуске с сортировочных горок с допустимыми скоростями. Исходя из этого, безопасная и сохранная перевозка таких грузов в пути следования может быть обеспечена разработкой методики более точного расчета креплений, позволяющей учитывать действие на груз продольных и вертикальных сил при размещении груза со смещенным центром тяжести вдоль вагона. Усовершенствованная методика расчёта гибких элементов креплений груза с учетом топологии этих элементов дает возможность определять натяжения в креплениях с использованием возможности вычислительной среды МаШСАО.

Целью диссертационного исследования является обеспечение сохранности перевозок на железнодорожном транспорте с учетом особенности крепления груза со смещенным центом тяжести вдоль вагона на основе усовершенствования расчета.

В соответствии с поставленной в диссертации целью сформулированы следующие основные задачи.

1. Построить динамические и математические модели креплений груза с плоским основанием, позволяющие получить аналитические формулы по определению усилий в гибких упругих элементах креплений груза, размещенного в вагоне со смещением центра масс вдоль вагона.

2. Разработать методику проведения вычислительных экспериментов по определению усилий в гибких упругих креплениях груза.

3. Исследовать нагрузочные способности гибких упругих элементов креплений груза, центр масс которого размещен симметрично и несимметрично относительно поперечной оси симметрии вагона при движении поезда по прямому участку пути.

Объект исследования. Гибкое крепление груза со смещенным центром тяжести вдоль вагона.

Предмет исследования. Усилия в гибких упругих элементах креплений груза в системе «вагон - крепление - груз» с плоским основанием.

Методика исследования. Аналитические исследования по определению усилий в гибких упругих элементах креплений груза, которые базируется на основных положениях прикладной механики, с широким использованием метода итераций и реализуемые в инструментальной среде МаЛСАБ.

Достоверность исследования. Достоверность результатов исследований подтверждается данными сравнительных расчетов усилий в гибких упругих элементах креплений, полученными с применением методик, разработанных автором и другими исследователями, а также натурными наблюдениями работниками пунктов технического осмотра на Свердловской железной дороге.

Научная новизна работы состоит в дальнейшем развитии основ теории перевозок на основе совершенствования методики размещения и крепления грузов со смещенным центром тяжести вдоль вагона на открытом подвижном составе и дающем научное приращение знаниям в отрасли железнодорожного транспорта.

1. Уравнение регрессии, разработанное на основе формализованных данных с использованием встроенных в вычислительную среду МаЛСАБ стандартных программ их обработки полиноминальное, описывающее конкретное значение допустимого смещения общего центра тяжести груза в зависимости от его массы, приведено в удобном виде для использования в практике работы грузоотправителей .

2. Программа расчета на ЭВМ, разработанная на основе математической модели размещения груза со смещением центра масс с использованием метода итерации, дала возможность непосредственно определить ранее неизвестные параметры креплений при действии внешних сил, имитирующих реальные условия движения поезда по прямому участку пути.

3. Результаты исследований дали возможность отметить:

б

- увеличение смещения общего центра тяжести груза относительно поперечной оси симметрии вдоль вагона приводит к уменьшению продольного сдвига груза и, как результат, к повышению нагрузочных способностей гибких упругих элементов креплений;

- вариация значений диаметров проволоки приводит к понижению нагрузочных способностей гибких упругих элементов креплений груза. Если для удержания груза в вагоне, размещенного со смещением центра тяжести вдоль вагона, от продольного сдвига использовать более жесткие и пологие (длинные) элементы креплений, то такой вариант крепления от 1 до 1,82 раза повышает нагрузочные способности элементов креплений груза, что является положительным моментом;

- на нагрузочные способности элементов креплений груза превалирующее действие оказывают значения смещений центра массы груза, нежели уклон пути, поскольку элементы креплений, становясь более пологими, снижают риски разрыва этих элементов крепления.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Методика определения усилий в гибких упругих элементах креплений при воздействии на груз продольных и вертикальных сил.

2. Доказательство того, что смещенный вдоль вагона центр тяжести груза оказывает превалирующее действие на безопасность движения и сохранность перевозок грузов из-за изменения нагрузочных способностей гибких упругих элементов креплений, по сравнению с влиянием от уклона пути.

Практическая ценность. Практическую ценность представляют:

1. Приведенные конкретные значения продольных смещений, соответствующие определенной массе груза, результаты которых заменяют данные таблицы 10 ТУ. При этом метод линейной интерполяции не применяется, что дает большую достоверность и сокращает затраты времени на расчеты крепления

грузоотправителями.

2. Разработанные программы расчета усилий в гибких упругих элементах

креплений, которые в последующем могут быть использованы грузоотправите-

7

лями при разработке не предусмотренного техническими условиями (НТУ) способа размещения и крепления груза на вагоне.

Реализация результатов работы. Разработанные практические рекомендации приняты к использованию Свердловской дирекцией по управлению транс-портно-складским комплексом - структурным подразделением Центральной дирекции по управлению транспортно-складским комплексом - филиала ОАО «Российские железные дороги» для проверки разработанных грузоотправителями технических условий размещения и крепления грузов на открытом подвижном составе.

Разработанная автором методика расчета креплений грузов используется в научных исследованиях и учебном процессе кафедры «Станции, узлы и грузовая работа» (УрГУПС).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на: Международной научн.-техн. конференции «Актуальные проблемы динамики и прочности материалов и конструкций: модели, методы, решения» (Самара, СамГУПС, 2007); Междунар. научн.-практич. конф. «Наука, инновация и образование: актуальные проблемы развития транспортного комплекса России» (Екатеринбург, УрГУПС, 2006); IV Всерос. научн.-техн. конф. «Политранспортные системы (Транспортные системы Сибири)» (Красноярск, КГТУ, 2006); Всеросс. научн.-практ. конференции «Транспорт-2011» (Ростов-на-Дону, РГУПС, 2011); 7-й научн.-практич. конф. «Безопасность движения поездов» (Москва, МИИТ, 2006 г.); объединенном научном семинаре факультета «Управление процессами перевозок» (Екатеринбург, УрГУПС, 2011 г.) ; расширенном заседании кафедры «Логистика и коммерческая работа» (Санкт-Петербург, ПГУПС, 2012 г.).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 13 научных работах, в том числе статей и материалов конференций регионального и международного уровней и свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ.

Структура работы. Диссертационное исследование состоит из введения, четырех глав с выводами в каждой из них, общих выводов и рекомендаций, списка использованной литературы, включающего 173 наименования, 198 страниц основного текста, 30 рисунков.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ФОРМУЛИРОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

В данном разделе рассмотрена степень обоснованности применения действующего ТУ и Усовершенствованных методик расчета креплений грузов на открытом подвижном составе, сформулированы цель и задачи исследования.

1.1 Обзор литературных источников по расчёту креплений груза

в вагоне с использованием действующей методики (ТУ)

Целый ряд работ, посвященных определению усилий в элементах крепления грузов на открытом подвижном составе (ОПС), выполнены исследователями Всероссийского научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ), ряда транспортных ВУЗов и других.

Вопросы крепления грузов на вагоне с использованием действующей методики расчета крепления грузов (ТУ) изучены в работах докторов технических наук А. Д. Малова, В. К. Бешкето, В. В. Повороженко, А. А. Смехова, Л. О. Грачевой, П. С. Анисимова, кандидатов технических наук Г. П. Ефимова, А. Т. Дерибаса, В. И. Шинкаренко, Н. С. Войтюка, В. М. Ушакова, В. А. Романова, В. А. Болотина, Р. Г. Овчинниковой, В. М. Монастырного, С. А. Егорова и других.

Подробный обзор работ вышеперечисленных исследователей выполнен в работе [3].

Так, например, доктором технических наук А. Д. Маловым и его учениками создана общая методика расчета сил, действующих на груз и элементы креплений при перевозке.

А. Д. Маловым на основе анализа большого количества результатов экспериментальных исследований [4-11] была создана общая методика расчета сил, действующих на груз и элементы крепления при перевозке. В соответствии с этой методикой величины сил рассчитываются по указанным нормативам. А.

Д. Маловым [8, 9] так же отмечено, что сложность задачи нормирования инер-

ю

ционных и удерживающих сил заключается в том, что необходимо учитывать большое количество факторов, которые, в конечном счете, оказывают влияние на устойчивость груза в вагоне. К ним относятся: характеристики подвижного состава, верхнего строения пути и груза. Автором сделан вывод о том, что наиболее существенные изменения воздействия на груз происходят при повышении скорости движения; поперечные перемещения возможны как при прохождении кривых, так и на прямых участках пути. Величина поперечного перемещения зависит от положения груза на вагоне относительно центра вагона; рама вагона и груз в одних поперечных сечениях приобретают примерно одинаковые поперечные и вертикальные ускорения; вертикальные и поперечные инерционные силы могут действовать на груз одновременно, однако максимальные значения одновременно возникать не могут. Значения вертикального ускорения с достаточной точностью оцениваются величинами коэффициента вертикальной динамики вагона, значения которого, в свою очередь, прямо пропорциональны скорости движения поезда и обратно пропорциональны весу вагона.

Однако в них механическая система «груз-крепление-вагон» рассмотрена как статическая определенная задача и расчет креплений груза при соударении выполняется отдельно от действий продольной силы инерции, а при движении подвижного состава по кривому участку пути - от действий поперечной и вертикальной сил инерции и ветровой нагрузки.

Результаты исследований широкого круга исследователей, посвященных рациональному размещению и креплению грузов в вагонах и контейнерах, в законченном виде представлены в Технических условиях размещения и крепления грузов в вагонах и контейнерах (ТУ) [12].

Начиная с 1970 г. во ВНИИЖТ начаты работы по исследованию колебаний вагона с грузом при различных случаях размещение груза в вагоне [14-18]. При этом в расчетах принималось, что перевозимый груз жестко соединен с рамой платформы и колеблется вместе с нею.

В работе Львова А. А. и Грачевой Л. О. [13] на основе анализа обработки

осциллограмм, полученных на аналогово-вычисл