Министерство образования Российской Федерации
Сибирский государственный индустриальный университет
Кафедра организации транспорта и логистики
Расчет крепления грузов, перевозимых на открытом подвижном составе
Рекомендации к выполнению практических занятий и курсовому проектированию для студентов специальности 230301 «Организация перевозок и управление на транспорте»
Издание СибГИУ
УДК 656.225
Изложены принципы и теоретические основы расчета крепления груза на открытом подвижном составе с примерами расчетов.
Предназначены для студентов направления подготовки 230301 «Организация перевозок и управление на транспорте»
.
1. Общие положения.
Правильный выбор способа размещения грузов в вагоне и надежность элементов крепления должны обеспечивать сохранность грузов при перевозке, безопасность движения поездов, наиболее полное использование грузоподъемности и вместимости подвижного состава, безопасность и механизацию погрузочно-разгрузочных работ.
В Технических условиях погрузки и крепления грузов (ТУ) физические единицы даны в системе МКГ СС. Так как в настоящее время осуществлен переход от единиц МКГ СС к международной системе СИ, то в настоящих методических указаниях применена система единиц СИ.
Решение задачи размещения и крепления грузов в вагоне выполняется в следующей последовательности:
- в зависимости от массы, конфигурации и размеров груза выбирается тип вагона;
- вычерчивается схема размещения груза в вагоне с указанием геометрических размеров и положения центра масс (ЦТ) каждого грузового места;
- проверяется соблюдение габарита погрузки и устанавливается степень негабаритности;
- определяется место нахождения общего ЦТ груза по длине и ширине вагона, рассчитывается высота над уровнем головок рельса (УГР), общего ЦТ вагона с грузом и проверяется загрузка тележек. При необходимости решается вопрос о перемещении или понижении ЦТ с целью соблюдения требований ТУ;
- при необходимости производятся расчеты по определению поперечной устойчивости вагона с грузом;
- рассчитывают значения сил, действующих на груз, и устанавливается необходимость крепления груза;
- выбирается тип крепления груза;
- рассчитываются усилия, возникающие в элементах крепления, и определяются параметры последних.
2. Размещение груза в вагоне.
Размещение и крепление грузов на открытом подвижном составе производится в точном соответствии с ТУ. Вагон для перевозки груза выбирается с учетом лучшего использования его грузоподъемности и вместимости, а так же полного обеспечения сохранности груза. Погруженный в полувагон или на платформу груз с учетом его упаковки и крепления должен находиться в пределах установленного габарита погрузки при условии нахождения вагона на прямом горизонтальном участке пути. При этом его длина не должна превышать величин, установленных в таблице 1.
Особенности размещения длинномерных грузов изложены в п. 6 ТУ. Степень негабаритности груза определяется путем сравнения координат точек, характеризующих положение наиболее выступающих частей груза, с координатами находящихся на той же высоте точек очертания габарита погрузки и предельных очертаний негабаритностей различных степеней (смотри приложение 1).
При размещении грузов тележки вагона должны быть загружены одинаково. Если это невозможно обеспечить, то допускается смещение общего центра масс грузов от вертикальной плоскости, в которой находится поперечная ось вагона (смещение ЦТ вдоль вагона), на величины, указанные в таблице 2.
Поперечное смещение общего ЦТ грузов от вертикальной плоскости, в которой находится продольная ось вагона, допускается не более 100 мм.
В целях устранения негабаритности или улучшения использования грузоподъемности и вместимости вагонов в виде исключения для грузов, кроме обрессоренных и длинномерных, в зависимости от их суммарного веса допускается смещение их общего ЦТ вдоль вагона на величины, указанные в таблице 3, если поперечное смещение ЦТ не превышает 100 мм, и поперек вагона на величины, указанные в таблице 4, если при этом нет продольного смещения.
Разница в загрузке тележек четырехосных вагонов не должна превышать 100 кН; шестиосных – 150 кН; восьмиосных – 200 кН. Одновременно необходимо, чтобы нагрузка, приходящаяся на каждую тележку, не превышала половины грузоподъемности, установленной для вагонов данного типа, с учетом допускаемого перегруза.
Для выполнения расчетов по размещению и краплению грузов вычерчивается схема вагона с указанием необходимых размеров (рис. 1) и схема размещения грузов с учетом изложенных требований к положению ЦТ. Нагрузки тележек определяются из уравнения моментов в соответствии с рис. 2.
, (1)
тогда
(2)
Таблица 1 – Максимальные расстояния от середины вагона до конца груза.
| Тип вагона | Максимальное расстояние, м | Вид сцепа | База сцепа, м | Максимальное расстояние, м |
| Платформа с базой, м 9,72 9,294 | 8,8 8,58 | Сцеп из двух платформ с базой, м 9,72 9,294 | 14,62 14,194 | 11,84 11,6 |
Таблица 2 - Максимальные допускаемые продольные смещения общего ЦТ грузов в вагоне от вертикальной плоскости, в которой находится поперечная ось вагона.
| Масса груза, т | Максимальное допускаемое продольное смещение, м | ||
| Четырехосный полувагон с базой 8650 мм | Четырехосная платформа с базой, мм | ||
| до 40 | 1,081 0,960 0,865 0,550 0,1 – | 1,215 1,080 0,970 0,618 0,162 – | 1,161 1,032 0,929 0,422 – – |
Таблица 3 – Максимальные допускаемые продольные смещения общего ЦТ грузов в вагоне от вертикальной плоскости, в которой находится поперечная ось вагона, для четырехосных полувагонов и платформ с тележками.
| Масса груза, т | Тип тележки | Масса груза, т | Тип тележки |
| ЦНИИ-Х3 | ЦНИИ-Х3 | ||
| До 10 | 70 и более |
Рисунок 1 – Схема платформы с основными размерами
, (3)
где 
– соответственно нагрузки тележек А и Б, кН;
– база вагона, м;
– число грузовых мест, погруженных в вагон;
– сила тяжести i-го грузового места, кН;
– расстояние от точки А до проекции ЦТ грузового места на продольную ось вагона, м.
Порядок размещения груза на полу вагона определяется размерами его опорной поверхности. Груз может размещаться без подкладок и на подкладках. Грузы, имеющие значительную сосредоточенную массу, размещают на двух подкладках, уложенных поперек вагона симметрично относительно его середины.
Минимальное расстояние между продольными осями подкладок и вертикальной плоскостью В/2 (рис. 3), в которой находится поперечная ось вагона, смещение ЦТ и допускаемые нагрузки на каждую подкладку определяются в зависимости от ширины распределения нагрузки поперек вагона В, допускаемой скорости движения поезда и величины изгибающего момента 
.
Ширина распределения нагрузки на раму вагона
|
|
|
, (4)
где 
– ширина груза в местах передачи усилия, мм;
– высота поперечной подкладки, мм.
Зная ширину распределения нагрузки и схему возможного нагружения рамы вагона (рис. 4), из приложения 2 находим величину изгибающего момента 
, а затем из выражений (5) определяем величину допускаемой нагрузки Р, приходящейся на раму вагона.
(5)
3. Проверка поперечной устойчивости вагона с грузом.
Проверка поперечной устойчивости вагона с грузом производится в случаях, когда высота ЦТ вагона с грузом более 2,3 м над УГР или боковая наветренная поверхность вагона с грузом более 50 
.
Высота ЦТ вагона с грузом определяется из выражения
, (6)
где 
– тара вагона, кН;
– высота ЦТ вагона над УГР, м;
Устойчивость вагона с грузом обеспечивается, если выполняется неравенство:
, (7)
где 
– дополнительная вертикальная нагрузка на колесо от центробежных сил и сил ветра, кН;
– статическая нагрузка, передаваемая колесом на рельс, кН.
Величина определяется из выражения
, (8)
где 
– суммарная сила тяжести груза в вагоне, кН;
м – половина расстояния между кругами катания колесной пары;
– число колес вагона;
– равнодействующая сил ветра, действующая на части груза, выступающие за пределы кузова вагона, кН;
, (9)
где 0,5 – удельная ветровая нагрузка, кН/ 
– площадь наветренной поверхности груза,
– коэффициент обтекаемости, для грузов цилиндрической формы 
, для остальных грузов 
– высота приложения W над УГР, м;
– момент, учитывающий воздействие ветра на кузов и тележки груженых вагонов и поперечное смещение ЦТ груза как следствие деформации рессор, кНм. Для четырехосных полувагонов – 56 кНм, шестиосных полувагонов – 83,6 кНм, четырехосных платформ – 33,4 кНм.
Величина статической нагрузки зависит от способа размещения груза в вагоне и определяется из выражений таблицы 5, в которых приняты следующие обозначения:
– число колес тележки вагона;
– нагрузка, приходящаяся на менее загруженную тележку
(10)
– поперечное смещение ЦТ груза от вертикальной плоскости, в которой лежит продольная ось вагона.
Таблица 4 – Наибольшие допускаемые поперечные смещения общего центра масс грузов, мм, от вертикальной плоскости, в которой находится продольная ось вагона, для четырехосных платформ и полувагонов с тележками.
| Масса груза, т | Высота общего центра масс вагона с грузом над УГР,м | Тип тележки | Масса груза, т | Высота общего центра масс вагона с грузом над УГР,м | Тип тележки |
| ЦНИИ-Х3 | ЦНИИ-Х3 | ||||
| до 10 от 10 до 30 от 30 до 50 | до 1,2 1,5 2,0 2,3 до 1,2 1,5 2,0 2,3 до 1,2 1,5 2,0 2,3 | от 50 до 55 от 55 до 67 от 67 до 70 от 70 и более | до 1,5 2,0 2,3 до 1,5 2,0 2,3 до 2,3 до 2,3 |
Таблица 5 – Расчетные формулы для определения величины статической нагрузки.
| Условия размещения груза в вагоне | ЦТ груза находится в вертикальной плоскости, проходящей через продольную ось вагона | ЦТ груза смещен на величину  от вертикальной плоскости, проходящей через продольную ось вагона
|
| ЦТ груза находится в вертикальной плоскости, проходящей через поперечную ось вагона | 
| 
|
| ЦТ груза смещен от вертикальной плоскости, проходящей через поперечную ось вагона | 
| 
|
 |
4. Расчет сил, действующих на груз при перевозке.
Продольные, поперечные и вертикальные инерционные силы, сила давления ветра и силы трения при перевозке достигают максимальных значений неодновременно. Поэтому они учитываются в расчетах размещения и крепления в двух сочетаниях табл. 6.
Таблица 6 – Сочетание сил.
| Сочетание сил | Наименование сил | ||||
| I | Продольная инерционная | Трения | – | – | – |
| II | – | Трения | Поперечная инерционная | Вертикальная инерционная | Ветровая нагрузка |
Точкой приложения продольных, поперечных и вертикальных инерционных сил является ЦТ груза, точкой приложения равнодействующей силы ветра – геометрический центр площади наветренной поверхности.
Величина инерционной силы вычисляется из выражения
, (11)
где 
– удельное значение продольной инерционной силы, Н/кН веса груза.
Величина зависит от типа крепления груза и массы брутто вагона.
При перевозке груза с опорой на один вагон
(12)
с опорой на два вагона
(13)
где 
– удельное значение продольной инерционной силы, соответственно для вагонов массой брутто 22 и 94 т, а также сцепов массой брутто 44 и 188 т, принимаемые по таблице 7.
Величина поперечной горизонтальной инерционной силы зависит от скорости движения, типа рессорного подвешивания вагона, способа размещения груза в вагоне и определяется из выражения
, (14)
где 
– удельная величина поперечной инерционной силы, Н/кН, для предельных значений определяется по таблице 8.
В остальных случаях
(15)
Вертикальная инерционная сила возникает вследствие колебаний вагона при движении: подпрыгивания, галопирования и боковой качки и зависит от скорости движения и типа рессорного подвешивания.
, (16)
где 
– удельная величина вертикальной инерционной силы, Н/кН, вычисляется из выражений таблицы 9.
Ветровая нагрузка на боковую поверхность груза, подверженную действию ветра, определяется из выражения
, (17)
где – площадь проекции наветренной поверхности груза на продольную вертикальную плоскость,
500 Н/ – расчетное давление ветра.
Величина силы трения, препятствующей перемещению груза в продольном направлении, при перевозке груза с опорой на один вагон определяется из выражения
, (18)
при перевозке груза с опорой на два вагона с применением турникетных опор
, (19)
где 
– коэффициент трения скольжения груза по полу вагона, подкладкам, другим грузам или по опорной поверхности турникета. Принимается равным для трения дерева по дереву – 0,45; стали по дереву – 0,4; стали по стали – 0,3; железобетона по дереву – 0,55;
– коэффициент трения поворотно-подвижной части турникета по неподвижной принимается равным 0,1.
Величина силы трения, препятствующей перемещению груза в поперечном направлении, при перевозке груза с опорой на один вагон с учетом вертикальной инерционной силы определяется из выражения
(20)
Таблица 7 – Значения удельной продольной инерционной силы.
| Тип крепления | Величина , н/кН, при массе вагона брутто, т
| |||
| с опорой груза на один вагон | с опорой груза на два вагона | |||
| Упругое (проволочные растяжки и обвязки, деревянные упоры, распорные бруски, металлические полосовые обвязки) Жесткое (болтовое, сварные соединения) |
Таблица 8 – Значения удельной поперечной инерционной силы.
| Способ размещения груза | Величина , н/кН, при скорости поезда, км/ч
| |
С опорой на один вагон и расположением ЦТ груза в поперечной вертикальной плоскости, проходящей через:
середину вагона 
шкворневую балку 
С опорой на два вагона
|
Таблица 9 – Формулы для расчета величины удельной вертикальной инерционной силы.
| Скорость поезда, км/ч | Для четырехосных вагонов на тележках |
| ЦНИИ-Х3 | |
| |
|
при перевозке с опорой на два вагона
. (21)
в случае одинаковой загрузки каждого вагона.
5. Проверка устойчивости груза в вагоне.
Условия устойчивости груза от поступательных перемещений вдоль вагона
> 
, (22)
поперек вагона
> 
. (23)
Условия устойчивости груза от опрокидывания груза вдоль и поперек вагона определяются соотношением опрокидывающего и восстанавливающего моментов сил, которые определяются по расчетным схемам (рис. 5) с учетом коэффициента запаса устойчивости, который принимается равным 1,25. условие устойчивости груза от опрокидывания вдоль вагона выполняется, если фактический коэффициент устойчивости
(24)
поперек вагона
, (25)
где 
– расстояние от проекции ЦТ груза на горизонтальную плоскость до ребра опрокидывания соответственно вдоль и поперек вагона, м;
– высота ЦТ груза над полом вагона или плоскостью подкладок, м;
– высота упорного бруска, м;
– высота приложения ветровой нагрузки, м.
В случаях, если условия (22) - (25) не выполняются, груз необходимо закрепить от соответствующих перемещений или опрокидывания.
6.
7.
8.
9. Выбор способа крепления груза.
В большинстве случаев крепление производится упорными и распорными брусками, проволочными растяжками и обвязками, торцовыми и боковыми стойками. В таблице 10 приведены рекомендации по креплению грузов.
Таблица 10 – Способы крепления грузов.
| Вид груза | Перемещения | Крепления |
| Штучные с плоскими опорами Цилиндрической формы На колесах Однородные, уложенные штабелями Длинномерные | Поступательное перемещение вдоль и поперек вагона. Опрокидывание вдоль и поперек вагона. Поступательное перемещение вдоль и поперек вагона. Перекатывание вдоль и поперек вагона. Перекатывание вдоль и поперек вагона. Поступа- тельное перемещение вдоль и поперек вагона. Продольное перемещение вдоль и поперек вагона и поперечный развал штабеля. Продольное и поперечное перемещения, опрокидывание вдоль и поперек вагона. | Торцовые и боковые стойки, бруски, растяжки, обвязки. Торцовые и боковые стойки, бруски, растяжки, обвязки. Бруски, растяжки Боковые стойки, обвязки, щиты, прижимы Растяжки, обвязки, прижимы, подкосы, упоры. |
10. Расчет крепления груза.
Величина продольного D 
и поперечного D 
усилий, которые должны воспринимать креплением груза от поступательных перемещений
D 
, (26)
D 
. (27)
Эти усилия могут воспринимать как креплениями одного вида, так и сочетанием нескольких видов креплений:
D 
(28)
D 
, (29)
где 
– величина продольного или поперечного усилия, воспринимаемая соответственно растяжками, брусками, обвязками и др., кН.
Усилия в растяжках 
с учетом увеличения сил трения от вертикальных составляющих усилия в креплении (рис. 6) определяются по формулам:
для I сочетания сил:
; (30)
для II сочетания сил:
; (31)
где 
, 
– количество растяжек, работающих одновременно в одном направлении;
– угол наклона растяжки к полу вагона;
, 
– соответственно углы между проекцией растяжки на горизонтальную плоскость и продольной и поперечной осями вагона.
Количество нитей проволоки в растяжке определяется по большому усилию . Если растяжка предназначена для работы только в одном направлении, ее рассчитывают для условий действия сил только первого и ли только второго сочетания. Целесообразно комбинированное крепление грузов, например, от продольных сдвигов – растяжками, а от поперечных – брусками.
Бруски к полу крепятся гвоздями, болтами и т. д. Количество гвоздей для крепления бруска определяется из выражений:
при расположении бруска вдоль вагона:
; (32)
при расположении поперек вагона:
, (33)
где 
, 
– количество брусков, одновременно работающих в продольном и поперечном направлениях;
– допустимое усилие на один гвоздь (принимаем по таблице 11), кН.
Таблица 11 – Характеристика гвоздей.
| Диаметр гвоздя, мм | Длина гвоздя, мм | Допустимая нагрузка на гвоздь при толщине деталей 40 мм и более, кН |
| 120-150 150-200 | 0,75 1,08 1,92 |
Некоторые грузы от продольного и поперечного смещения крепятся обвязками. Усилия в обвязке определяется по формуле:
, (34)
где 
– усилие в обвязке от продольных или поперечных смещающих усилий, кН;
– количество обвязок;
– угол наклона обвязки к полу вагона.
Во избежание опрокидывания груз крепится обычно растяжками. Усилия в растяжках определяются по следующим формулам:
- в продольном направлении (рис. 7):
; (35)
- в поперечном направлении (рис. 8):
, (36)
где 
– угол между проекцией растяжки на продольную вертикальную плоскость и растяжкой;
– угол между проекцией растяжки на поперечную вертикальную плоскость и растяжкой;
|
|
, 
– проекции кротчайшего расстояния от ребра опрокидывания до растяжки соответственно на продольную и поперечную вертикальные плоскости, м.
Грузы цилиндрической формы и грузы на колесном ходу подвержены перекатыванию. Их закрепление производится брусками и обвязками или растяжками. Количество гвоздей для крепления одного бруска определяется по формулам (рис. 9):
- вдоль вагона:
; (37)
- поперек вагона:
. (38)
Усилие в обвязке (рис. 10) определяется по формуле:
. (39)
Диаметр и количество нитей в каждой растяжке (обвязке) принимаются в соответствии с таблицей 12.
Таблица 12 – Допускаемые усилия в растяжках.
| Количество нитей | Допускаемые усилия, кН, на растяжку из проволоки диаметром, мм | ||||||||
| 4,5 | 5,5 | 6,5 | 7,5 | ||||||
| 2,7 4,2 5,5 6,8 8,4 9,7 11,0 | 3,5 5,3 7,1 8,8 10,7 12,2 14,0 | 4,3 6,5 8,6 10,8 12,9 15,1 17,2 | 5,3 7,8 10,5 13,1 15,8 18,5 21,0 | 6,2 9,4 12,4 15,5 18,7 21,8 24,8 | 7,3 11,0 14,7 18,3 22,0 25,6 29,4 | 8,5 12,7 17,0 21,5 25,2 29,9 34,0 | 9,7 14,7 19,5 24,4 29,2 34,2 39,0 | 11,0 16,5 22,0 27,5 33,0 38,5 44,0 |
|
|
11. Примеры расчетов крепления грузов.
11.1. Расчет крепления груза с плоской опорой.
Исходные данные для расчета крепления принимаются согласно номеру варианта, заданного преподавателем (прил. 5). При этом первая цифра номера варианта определяет параметры груза и положение его центра масс (табл. 1, прил. 5), вторая – массу груза и тип платформы (табл. 2, прил. 5). Например, для варианта 1.1 будут следующие исходные данные:
к перевозке предъявлен агрегат в ящичной упаковке с параметрами:
длина 
, ширина 
, высота 
; центр масс находится на расстоянии от края груза по длине на 3,5 м, по ширине на 1,7 м, высота ЦТ над опорной поверхностью 0,8 м; масса груза 26,0 т, а соответствующая сила тяжести:
;
для перевозки используется четырехосная платформа первого типа со следующими характеристиками (прил. 3): грузоподъемность 70 т; тележка типа ЦНИИ-Х3-0; база 9,72 м; тара 20,9 т; внутренняя ширина 2,77 м; высота ЦТ платформы в порожнем состоянии 0,8 м; заданная расчетная скорость поезда 90 км/ч.
Размещение груза производится (рис. 9) симметрично относительно продольной и поперечной осей платформы, а затем проверяется правильность его размещения и соблюдение габаритов погрузки.
Смещение ЦТ груза в продольном направлении от вертикальной плоскости, в которой лежит поперечная ось платформы, составляет:
< 
что допускается (см. табл. 2).
В связи с продольным смещением ЦТ груза тележки платформы нагружены неравномерно. Величины нагрузок определяются по формуле (10) и составляют:
Разность нагрузок на правую и левую тележки составляет менее 100 кН или 10 тс, что соответствует требованиям ТУ.
Проверка возможности перевозки груза заданной массы без поперечных подкладок определяется путем сравнения изгибающих моментов, действующего на раму вагона и допустимого по ТУ. В соответствии со схемой нагружения (рис. 4) максимальный момент возникает в плоскости, проходящей через поперечную ось вагона, и по формуле (5) равен:
Допустимый максимальный изгибающий момент определяется по прил. 2. В данном случае при ширине груза больше 2700 мм допустимый изгибающий момент равен 1000 кНм и больше действующего, следовательно, груз размещен в соответствии с требованиями ТУ.
Проверка габаритности погрузки производится с учетом координат наиболее выступающих точек и прил. 1. Наиболее выступающие точки расположены симметрично от продольной оси груза и имеют координаты по высоте от уровня головок рельсов /УГР/ 1320+1800=3120 мм, и по ширине от оси пути 3400/2=1700 мм. Таким образом, груз имеет двухстороннюю боковую негабаритность I степени и двухстороннюю нижнюю негабаритность I степени.
Проверка поперечной устойчивости груза с вагоном. Высота общего ЦТ вагона с грузом определяется по формуле (6):
< 
.
Наветренная поверхность платформы с грузом:
< 
Так как высота ЦТ вагона с грузом меньше 2,3 м, а площадь наветренной поверхности платформы с грузом меньше 50 , то устойчивость платформы с грузом относительно головок рельсов обеспечивается.
Силы, действующие на груз при перевозке, определяются по формулам п. 4.
Продольная инерционная сила:
Поперечная инерционная сила при заданной скорости поезда 90 км/ч:
Ветровая нагрузка:
Сила трения в продольном направлении:
Сила трения в поперечном направлении при 
Проверка устойчивости груза от поступательных перемещений вдоль и поперек вагона производится по формулам (22) и (23).
Устойчивость в продольном направлении не обеспечивается, так как:
< ; 117< 293,2;
в поперечном направлении груз также не устойчив:
> ; 84,7 < 1,25 × (78,2+7,2) = 107,4.
Следовательно, груз необходимо крепить от поступательных перемещений в том и другом направлении.
От опрокидывания в продольном направлении груз устойчив, так как:
> 1,25;
в поперечном направлении груз тоже устойчив:
> 1,25.
Крепление груза (рис. 9) от продольных перемещений производится упорными брусками (по одному с каждой стороны), распорными брусками (по два с каждой стороны), которые упираются в короткие углы груза и торцевые скобы. Крепление от поперечных перемещений только растяжками.
Общая величина продольного усилия, воспринимающего всеми видами крепления составляет:
Продольные сдвигающие усилия воспринимаются и передаются упорными и распорными брусками на торцовые короткие стойки. Максимальное усилие, выдерживаемое одной стойкой, согласно ТУ, равно 11 кН, следовательно, две стойки могут погасить продольную инерционную силу в 22 кН.
Растяжки должны воспринимать около 50% оставшейся продольной инерционной силы, их параметры (диаметр проволоки и число нитей) определяются из выражений (30) и (31), а также табл. 12. Значения углов наклона растяжки к полу вагона, между проекцией растяжки на горизонтальную плоскость и продольной (поперечной) осью платформы или их тригонометрические функции определяются геометрическими строениями.
Усилие в растяжке, возникающее от продольных инерционных сил:
Усилие в растяжке, возникающее от поперечных