Совершенствование способов перевозки и методов расчета крепления грузов с плоским основанием на открытом подвижном составе

Одной из перспективных задач, стоящих в настоящее время перед железнодорожным транспортом, является привлечение дополнительных грузопотоков. Для этого необходимо принятие ряда целенаправленных мер, обеспечивающих расширение и повышение качества предлагаемых транспортных услуг, их дифференциация и индивидуализация, экономия времени и затрат ручного труда.

Обострение конкурентной борьбы на рынке транспортных услуг в условиях спада перевозок требует внедрения новых форм взаимодействия железнодорожников с отправителями и получателями грузов.

В свете этих требований важное значение имеет совершенствование условий перевозок грузов и, в частности, грузов с плоским основанием, которые в общем объеме грузовых перевозок, осуществляемых на открытом подвижном составе, составляют значительную долю. К таким грузам относятся железобетонные, пенобетонные, газобетонные, металлические и другие изделия. Из всех строительных материалов, перевозимых по железной дороге, доставка этих изделий отличается наибольшей трудоемкостью и повышенными денежными затратами, так как перевозить их в контейнерах, пакетах, на поддонах невозможно, требуются только специально разработанные схемы их погрузки и крепления в вагонах.

Большие затруднения при организации перевозок этих грузов вызывает широкая номенклатура изделий и разнообразие их по форме и массе, что усложняет комплектацию поставок и способы размещения и крепления их на открытом подвижном составе. В настоящее время количество только железобетонных изделий, предъявляемых к перевозке, превышает 4 тысячи наименований. В действующих же Технических условиях (ТУ) МПС [1] имеются лишь схемы погрузки, охватывающие около пяти десятков типоразмеров железобетонных конструкций, поэтому подавляющая часть изделий перевозится по схемам местного значения, разработанным многочисленными предприятиями-грузоотправителями и утвержденными дорогой в качестве местных технических условий (МТУ) или разовых схем.

Следует отметить также, что действующие ТУ не предусматривают комбинированную загрузку вагонов различными наименованиями изделий, что в настоящее время является наиболее важным, т.к., в связи со спадом экономического роста, предприятия получают заявки на поставку небольших партий изделий различных наименований, для перевозки которых требуется разработка новых схем размещения и крепления.

Большинство предприятий-грузоотправителей не имеет квалифицированных кадров для разработки схем, поэтому качество МТУ очень низкое: плохо используется грузоподъемность и вместимость вагонов, не всегда обеспечивается сохранность перевозимых грузов, безопасность движения поездов, удобство погрузки и выгрузкиувеличивается простой вагонов под грузовыми операциями и оборот вагонов.

По данным [2] расстройство крепления груза при перевозке ЖБИ и сельхозмашин имеет место в 6,5% случаев, сдвиг груза — в 5,7%. Причем нарушение крепления ЖБИ возникает при проследовании расстояния от 100 до 850 км. Отказ крепления при незначительных расстояниях перевозки — свидетельство нарушения технологии погрузки и несовершенства существующих методов расчетов.

В настоящее время разработано множество способов и схем размещения и крепления различных грузов при их перевозке на открытом подвижном соста-ве (ОПС). На основе результатов работ [3,., 8] разработана и утверждена МПС методика расчёта крепления грузов [1]. С использованием этой методики разработаны и разрабатываются схемы крепления грузов, ограничивающие их смещение и опрокидывание вдоль и поперёк вагона при перевозке, а также при маневровых соударениях и роспуске с горок. Однако, достоверность разработанных методов расчёта крепления грузов вызывает возражения из-за допущенных в них отдельных неточностей в составлении расчетных схем и математических моделей, не описывающих реальный физический процесс нагруже-ния системы «груз-крепления-вагон», поскольку определение усилий в креплении представляет собой целый класс достаточно сложных и разнообразных по характеру прикладных задач, которые могут быть решены на основе классических методов прикладной механики (т.е. методов сопротивления материалов, теоретической механики и теории колебаний). В связи с этим, существующая методика расчёта крепления грузов, утверждённая МПС, в ряде случаев приводит к ошибочным результатам, вследствии чего не обеспечивается безопасность движения поездов, так как может произойти расстройство погрузки и крепления, несохранность грузов или вагонов.

Для доказательства этих утверждений ниже приведен анализ результатов исследований, посвященных разработке методики расчёта крепления грузов, и основанных на них официальных документов по креплению грузов на вагоне, позволивший сделать вывод о том, что существующая методика расчёта крепления грузов на вагоне [1], утверждённая МПС, требует уточнений и корректировки.

В связи с этим можно отметить, что разработка новых методических положений к расчёту крепления грузов на вагоне с использованием основных положений и принципов классической механики и современных вычислительных средств является важной и актуальной прикладной проблемой в отрасли железнодорожного транспорта.

В данной диссертационной работе рассмотрено лишь решение актуальной и важной для отрасли железнодорожного транспорта прикладной задачи по разработке новых методических положений к расчету крепления грузов от действия продольных сил. Так, например, в настоящее время диссертантом получены конечные аналитические формулы по определению усилий в растяжках в продольном направлении с учетом действия инерционных нагрузок для широкого перечня грузов с плоским основанием, перевозимых на открытом подвижном составе (ОПС), являющиеся основой для реализации вычислительных процессов на ЭВМ с использованием современной универсальной среды математических расчетов МаШсас! [9,10]. Аналитические выражения для определения нагрузок, воспринимаемых элементами крепления грузов, естественным образом реализуется в этой вычислительной среде на основе предыдущих результатов расчетов крепления грузов.

Современные вычислительные среды, например, универсальная система математических расчетов МаШсас!, предоставляют высокие интерактивные возможности, позволяющие пользователю быстро создавать собственные разработки, оперативно проверять те или иные гипотезы и допущения, проводить различные численные эксперименты, обрабатывать методику расчета, визуализировать результаты в различной форме.

Исходя из вышеизложенного, особо отметим, что отличие данного диссертационного исследования от целого ряда исследований, рассматривающих методы расчета крепления грузов, перевозимых на ОПС, заключается в том, что в нем излагаются результаты разработки методических положении к расчету крепления грузов на вагоне с использованием положений классической механики и современных средств вычислительной техники, учитывающих многообразие силовых факторов, действующих на груз и крепление при перевозке, применяемых к частным расчетам по разработке способов перевозки грузов с плоским основанием.

Цель работы заключается в проведении исследования и разработке рекомендаций по выбору рациональных способов перевозки и новых методических положений к расчету крепления грузов с плоским основанием от действия продольных сил, способствующих снижению затрат на крепление, обеспечению сохранности грузов и вагонов, а также безопасности движения поездов.

Объект исследования. Перевозка грузов с плоским основанием на открытом подвижном составе.

Методика исследования. Теоретические предпосылки к разработке методических положений к расчёту крепления грузов базируются на классических методах теоретической механики, сопротивления материалов, теории колебаний и на современной универсальной среде математических расчётов Ма1Исас1. Экспериментальные исследования по определению усилий в креплении проведены с использованием метода тензометрирования с последующей обработкой их результатов с применением метода математической статистики и теории вероятностей.

Полезность практических рекомендации по выбору типа крепления для перевозки грузов с плоским основанием оценивалась по Методике расчётов технико-экономической эффективности.

Научная новизна. Научную новизну представляют: составленные с использованием основных положении и принципов теоретической механики, сопротивления материалов и теории колебаний расчетная и математическая модели крепления груза с учетом расположения, числа нитей и диаметра проволоки растяжек, возникающей послеударной скорости груза, продольной и вертикальной инерционных сил и сил трения между его основанием и поверхностью пола вагонаполученная с использованием основных положений теоретической механики формула для вычисления обобщенной жёсткости растяжек в продольном направлении с учетом числа нитей и диаметра проволоки, а также их расположенияполученные с использованием метода припасовывания теории колебаний результаты решения нелинейных дифференциальных уравнений движения груза М при трении скольжения с послеударной скоростью от момента срыва, позволяющие определить смещение груза во времени, величину возникающего при этом ускорения, а в последующем и продольную инерционную силуполученные с использованием основных положений и принципов сопротивления материалов при решении статически неопределимой задачи по определению усилий в креплении аналитические формулы с учетом расположения и обобщенной жесткости растяжек, возникающей послеударной скорости груза, продольной инерционной силы и сил трения между его основанием и поверхностью пола вагона или подкладок, а также точки приложения реакции связи относительно начала координат, совпадающего с торцом вагона, в виде удобном для применения вычислительной среды МаШсаё.

Практическая ценность. Практическую ценность представляют: разработанные с использованием основных положений и принципов классической механики методические положения к расчету крепления грузов при их перевозке на ОПС с применением вычислительной среды МаШсаё, которые совместно с другими технологическими мероприятиями будут способствовать обеспечению сохранности перевозимых грузов и подвижного состава, а также безопасности движения поездовразработанные с участием автора диссертации и утвержденные в качестве МТУ способы размещения и крепления плит теплотрассы типа П, свай железобетонных, элементов блоков фундамента турбогенератора, щитовой кровли и в качестве сетевых технических условий — железобетонных шпал, плит и панелей, балок, ригелей, свай, фундаментных блоков, лестничных площадок и маршей, колонн.

Реализация результатов работы. Разработанные практические рекомендации использованы на Западно-Сибирской железной дороге и сети железных дорог РФ.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-практических конференциях НИИЖТа (1982;1999 гг.), на научно-практической конференции «Транссиб -99» (г. Новосибирск, 1999 г.), на ХХХ1Хом Симпозиуме «Моделирование в механике» (г. Гливице, Польша, 2000 г.).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 5 работах в виде статей, и материалов конференции.

Структура работы. Диссертационное исследование состоит из введения, четырёх глав с выводами в каждой из них, выводов и рекомендаций, списка использованной литературы, включающего 95 наименований, содержит 151 страницу основного текста, 45 рисунков и 5 Приложений.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования по обоснованию выбора подвижного состава для перевозки грузов с плоским основанием позволяют сделать вывод о том, что наиболее целесообразным является способ перевозки на платформах, т.к. он имеет преимущества по всем из рассмотренных факторов.

2. Расчет технико-экономической эффективности применения различных способов закрепления грузов с плоским основанием показал, что применение одноразового крепления, является наиболее целесообразным, т.к. приведенные затраты при этом варианте на 17.8% ниже, чем при перевозке с применением съемного разборного крепления и на 42.7% ниже, чем — неразборного крепления.

3.Анализ литературных источников и основанные на них официальные документы по креплению грузов на вагоне позволили сделать вывод о том, что существующая методика расчёта крепления грузов на вагоне, утверждённая МПС, требует уточнений и корректировки.

4.Обобщённая жёсткость крепления (растяжек), определенная с использованием основных положении теоретической механики в зависимости от жёсткости каждой отдельно взятой растяжки, длины её проекции на горизонтальную плоскость и её следа на вертикальную плоскость, позволила точно вычислить частоту колебаний груза.

5. Принятый косинусоидальный закон изменения скорости движения груза относительно пола вагона дал возможность получить аналитические формулы для отыскания смещения и ускорения груза в зависимости от значения его послеударной скорости при трении скольжения и частоты колебаний, с использованием результатов которых была вычислена продольная инерционная сила, действующая на растяжки.

6. Результаты решения уравнений перемещений совместно с уравнениями равновесия позволили получить конечные аналитические формулы для определения усилий в креплении, нормальной реакции связи и точки её приложения относительно начала выбранной системы координат в зависимости от топологии, предварительного натяга и жёсткости растяжек, а также от значений коэффициента трения соприкасающихся поверхностей груза и пола вагона, силы веса груза, продольной и вертикальной сил инерции.

7. Результаты выполненных теоретических исследований показывают удовлетворительную сходимость с результатами эксперимента и позволяют отметить, что разработанные с использованием основных положений и принципов классической механики новые методические положения расчёта крепления грузов, совместно с другими технологическими мероприятиями будут способствовать обеспечению сохранности перевозимых грузов и вагонов, а также безопасности движения поездов.

8. Подтверждённые натурными испытаниями способы размещения и крепления грузов, внедренные в качестве местных {плит теплотрассы типа П (1985 г.), свай э/селезобетонных (19&6г.), элементов блоков фундамента турбогенератора (991т.), щитовой кровли (991т) и сетеъых (железобетонных шпал, плит и панелей, балок, ригелей, свай, фундаментных блоков, лестничных площадок и маршей, колонн (1988г.) ТУ, обеспечивают максимальное использование вместимости и грузоподъёмности вагонов, сохранность грузов и подвижного состава, а также безопасность движения поездов.

Таким образом, в диссертационном исследовании содержится новое решение важной и актуальной прикладной задачи по разработке методических положений к расчёту крепления грузов на вагоне от действия сил в продольном направлении, имеющее существенное значение для железнодорожного транспорта и других отраслей народного хозяйства, деятельность которых связана с перевозками грузов.