Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время на Российских железных дорогах особое внимание уделяется улучшению потребительских качеств перевозок и их конкурентоспособности, что позитивно влияет на рост грузооборота железнодорожного транспорта. Одним из важнейших факторов, оказывающих влияние на доступность железнодорожного транспорта для клиентов, является обеспечение надежности крепления грузов на открытом подвижном составе (в дальнейшем ОПС).
Значительное количество нарушений безопасности движения обусловлено недостаточным профессиональным уровнем и низкой технологической дисциплиной персонала, участвующего в перевозочном процессе. Для обеспечения безопасности движения и сохранности перевозимых грузов большое значение имеет правильное их размещение и крепление в вагонах. Анализ нарушений креплений в пути следования показывает, что случаи несохранности нередко происходят из-за загрузки вагона сверх установленной нормы, неравномерной погрузки, развала погруженных изделий. Кроме того, случаи нарушения монолитности груза и неправильной его подготовки к перевозке, неполной очистки вагона, повреждения под действием динамических нагрузок при транспортировке и другие причины также могут привести к нарушению крепления.
По данным анализа расстройства крепления, даже при незначительных расстояниях перевозок, наблюдаются нарушения технологического процесса погрузки как человеческого фактора вследствие несовершенства действующих Технических условий размещения и крепления грузов в вагонах и контейнерах (ТУ), в которых предусматривается упрощенный расчет крепления грузов. Так, нарушение крепления железобетонных изделий возникает при проследовании от 100 до 850 км, машин - от 100 до 650 км, оборудования - от 200 до 300 км. Сдвиг лесоматериалов отмечается при расстоянии перевозки от 700 до 1600 км, а металлопродукции - от 50 до 350 км. Повреждение торцевых стен крытых вагонов наблюдается даже при коротких расстояниях от 50 до 100 км.
На основании анализа отчета состояния безопасности движения поездов в хозяйстве грузовой и коммерческой работы за 2003 г. на Западно-Сибирской железной дороге количество отцепленных вагонов в пути следования составило:
116 вагонов - перегруз установленной грузоподъемности (2002 г. -190, менее на 39%);
72 вагона - расстройства крепления грузов и нарушения ТУ, обнаруженные на других дорогах (2002 г. - 40, более на 80%);
13 вагонов - нарушения ТУ (2002 г. - 7 вагонов, более на 86%).
Анализируя приведенные данные, дледует отмггить,~ыто по итогам
работы за 2003 г., из общего количесті аФтцеИМННШЛЙгВДвв (201) в пути
I и ПИ «*
С. OS
следования, доля отправленных вагонов с перегрузом составила 58%. Из-за расстройства крепления и нарушения ТУ на других дорогах отцеплялось 36% погруженных вагонов и, соответственно, 6% вагонов - в пределах дороги.
Имеется большое разнообразие схем и способов погрузки и крепления грузов на вагоне с использованием гибких (растяжек, обвязок и увязок) и упорных элементов крепления (деревянных брусков), однако в методике их расчета, не учтены многие реальные факторы, оказывающие существенное влияние на их транспортировку Поэтому возникает необходимость совершенствования существующей методики расчета крепления грузов, вносящей вклад в теорию расчета их крепления на ОПС и способствующей сохранной перевозке груза, уменьшению повреждений подвижного состава и повышению безопасности движения поездов.
Анализ случаев брака при перевозке грузов показал, что разработка схем погрузки по действующей методике вызывает затруднения у грузоотправителей, связанные с выполнением расчетов отдельных элементов. Это приводит к расстройству крепления в пути следования и является причиной несохранности грузов при их перевозке и нарушения безопасности движения поездов.
В настоящее время расчёт крепления грузов при их перевозке на открытом подвижном составе выполняется по ТУ. С использованием этой методики разработаны и разрабатываются схемы крепления грузов, ограничивающие их смещение и опрокидывание вдоль и поперёк вагона при перевозке (маневрах, роспуске с горок и движении поезда на спуске при пневматическом торможении и отпуске).
Эта методика, приведенная в ТУ, при расчете некоторых грузов не учитывает характер действия внешних сил на элементы крепления. Кроме того, при закреплении ітзуза растяжками или обвязками совместно с упорными и распорными брусками необходимо знать, в каких соотношениях следует производить распределение сдвигающего усилия груза между отдельными видами креплений. Определению продольных усилий в гибких элементах крепления груза и места установки деревянного бруска, как упорного элемента крепления, при совместной работе посвящены только работы канд. тех. наук Корнеева М.В. и Власовой Н В. Расчет усилий в гибких креплениях выполнен на основе экспериментальных исследований с последующей обработкой данных методами математической статистики.
Совершенствование методики расчета гибких элементов креплений грузов при движении поезда на спуске в условиях пневматического торможения и отпуска, а также обоснования мест установки упорных элементов крепления при совместном использовании является актуальной прикладной задачей, имеющей важное значение для федерального железнодорожного транспорта и транспортной науки.
Целью исследования является совершенствование методики расчета усилий в гибких элементах креплений груза в процессе движения поезда на спуске при пневматическом торможении и отпуске и разработка методики расчета определения места установки упорного элемента крепления при действии продольных сил.
В соответствии с поставленной в диссертации целью сформулированы следующие задачи:
произвести моделирование продольного ускорения (замедления) поезда при движении на перегоне на спуске при пневматическом торможении;
построить математическую модель продольного смещения груза для вывода формулы определения усилия в гибких элементах крепления, в том числе с применением вычислительной среды MathCAD;
выполнить моделирование вертикальных колебаний вагона с грузом при движении поезда по рельсовому пути с непрерывными вертикальными неровностями;
произвести математическое моделирование продольного смещения груза при движении поезда на спуске в режиме отпуска для вывода формулы определения усилия в гибких элементах крепления груза;
выстроить математическую модель крепления упорного бруска к полу вагона с учетом диаметра крепежного элемента и состояние пола;
произвести вычислительные эксперименты по определению усилий в гибких элементах крепления груза при движении поезда на спуске;
произвести вычислительные эксперименты по определению количества крепежных элементов, необходимых для удержания упорного бруска при движении поезда на спуске.
Объект исследования: груз, закрепленный на открытом подвижном составе с гибкими элементами крепления на вагоне совместно с упорными брусками.
Предмет исследования: усилия в гибких элементах крепления в системе "груз-крепление-вагон" с плоским основанием и количество крепежных элементов упорного бруска в системе "упорный брусок - крепежный элемент - пол вагона".
Методика исследования. Аналитические исследования по определению усилий в гибких элементах креплений груза, места установки упорного элемента крепления и количество крепежных элементов базируются на основополагающих принципах {принцип возможных перемещений, принцип Даламбера), положениях классической механики и сопротивления материалов с широким использованием инструментальной среды MathCAD.
Научная новизна. Для отрасли железнодорожного транспорта научную новизну представляют
выведенные формулы для определения перемещения груза при движении поезда на спуске при пневматическом торможении и отпуске с
учетом усилий предварительного натяжения растяжек и состояния поверхности пола вагона, действия на груз продольной и вертикальной силы инерции и ветровой нагрузки, которые дали возможность найти усилия в гибких элементах крепления;
аналитическая формула для определения усилий в гибких элементах крепления, в которой установлена зависимость усилий от перемещения груза, жесткости, геометрических размеров и усилий предварительного натяжения гибких элементов крепления груза с учетом продольной и вертикальной силы инерции и ветровой нагрузки;
- разработанный подход к определению усилий в гибких элементах крепления груза с использованием возможности вычислительной среды MathCAD. Это позволило составить программы расчета по непосредственному определению усилий в гибких элементах крепления, нормальную реакцию связи и координату точки ее приложения, значения перемещений груза по продольной оси вагона, а также возможный поворот вокруг вертикальной оси;
полученная конечная аналитическая формула определения количества крепежных элементов, зависящего от массы и относительной скорости груза, обобщенной жесткости гибких элементов креплений, коэффициента трения между поверхностями груза и пола вагона, силы, действующей на упорный брусок со стороны груза, диаметра крепежного элемента, толщины и прочностной характеристики пола вагона, ширины и высоты упорного бруска, коэффициентов трения между поверхностями бруска и крепежным элементом, а также между этим элементом и полом вагона, при заданном значении местоположения упорного бруска;
полученное значение продольного ускорения поезда с учетом импульсного характера пневматического торможения по выведенной нами аналитической формуле. Оно оказалось равным 0.311 м/с2, что практически соответствует результатам вычислений по формуле, применяемой в Правилах тяговых расчетов для поездной работы (0.304 м/с2);
результатами проведенных вычислительных экспериментов при движении поезда под уклон для среднего уклона 6 %о, массе поезда 60x10"3 при пневматическом торможении установлено предельное значение продольного ускорения, равное 0.282g, при котором усилия в гибких элементах крепления меньше допустимого значения. Определена зависимость между уклоном, смещением груза и изменением усилий, а также влияние действия (или отсутствия) действия ветровой нагрузки на элементы крепления груза,
полученные результаты по определению усилий в гибких элементах крепления при значениях продольного и вертикального ускорений, соответственно равных 0.61g и 0.2g, усилия в этих креплениях от 1 до 1.4 раза превышают допустимые, равные 3.92104 Н (3.92 тс). Это дает возможность предположить, что от восприятия таких усилий гибкие элементы
крепления не разрываются, а лишь теряют свою упругость, и напряжения в них достигают предела текучести. В связи с этим, для дальнейшего удержания груза от сдвига возникает необходимость установки упорного бруска;
установленная обратно пропорциональная зависимость между количеством крепежных элементов и напряжением смятия материала пола вагона, а также определенная обратно пропорциональная зависимость количества элементов крепления от коэффициента их трения о пол вагона . Практическую ценность представляют:
метод непосредственного определения усилий в гибких элементах
крепления при заданных значениях перемещения груза в зависимости от
жесткости, геометрических размеров и усилий предварительного натяже-
t иия в этих элементах крепления;
расчет количества крепежных элементов, необходимых для закрепле
ния упорного бруска к полу вагона с учетом следующих параметров' гео
метрические размеры упорного бруска, диаметр крепежного элемента, со
стояние пола вагона и усилие, прикладываемое при закреплении крепеж
ного элемента и расположение упорного бруска относительно груза.
Все полученные результаты вычислительных экспериментов имеют технический эффект, поскольку являются ранее неизвестными в теории размещения и крепления грузов новыми данными, которые вносят заметный вклад в совершенствование методики расчета элементов крепления с использованием современных вычислительных средств
Реализация результатов работы. Разработанные практические реко
мендации приняты к использованию Службой коммерческой работы в
сфере грузовых перевозок Западно-Сибирской железной дороги - филиала
«ОАО РЖД» в качестве справочного материала. В целом ряде схем раз
мещения и крепления грузов различных наименований при совместном
применении гибких и упорных элементов, например, металлорежущих
, станков, железобетонных изделий различных конфигурации, кранов все-
возможных конструкций и др., при перевозке в местном и прямом сообщении, грузоотправителями использованы практические рекомендации, разработанные соискателем
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на второй научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» (Москва: МИИТ, 2001 г.); третьей научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» (Москва: МИИТ, 2002 г.); научно-практической конференции «Железнодорожный транспорт. Итоги и перспективы» (Новосибирск: СГУПС, 2002 г.), региональной научной конференции "Вузы Сибири и Дальнего Востока Транссибу" (Новосибирск: СГУПС, 2002 г.), V междунар. научной конференции "Кибернетика и технологии XXI века" (Воронеж: ВГТУ, 2004 г.), во Всероссийской научно-практической конфе-
ренции "Актуальные проблемы развития транспорта России- стратегические, региональные, технические" (Ростов-на-Дону: РГУПС, 2004 г.) и в региональной научно-практической конференции "Актуальные проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта" (Самара: Сам-ГАПС, 2004 г.).
Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 14 научных работах в виде статей и материалов конференций международного и регионального уровней.
Структура работы. Диссертационное исследование состоит из введения, четырёх глав с выводами, заключения, списка использованной литературы, включающего 137 наименований, 127 страниц основного текста, 27 рисунков.
