Совершенствование методики расчета гибких элементов креплений груза на открытом железнодорожном подвижном составе
На правах рукописи
ТИМУХИНА ЕЛЕНА НИКОЛАЕВНА
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА
ГИБКИХ ЭЛЕМЕНТОВ КРЕПЛЕНИЙ ГРУЗА НА ОТКРЫТОМ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ПОДВИЖНОМ СОСТАВЕ
Специальность 05.22.08 – Управление процессами перевозок
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
ЕКАТЕРИНБУРГ 2006
Работа выполнена на кафедре «Управление эксплуатационной работой» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования “Уральский государственный университет путей сообщения”
Научный руководитель - доктор технических наук, профессор
Туранов Хабибулла Туранович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Анисимов Петр Степанович
кандидат технических наук, доцент
Корнеев Максим Владимирович
Ведущее предприятие: Государственное образовательное учреж-
дение высшего профессионального образо-
вания “Ростовский государственный уни-
верситет путей сообщения”
Защита диссертации состоится “18” мая 2006 г. в 14-00 на заседании диссертационного совета Д.218.013.01 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования “Уральский государственный университет путей сообщения” по адресу:
620034, г. Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66, ауд. 283, fax 8-(343)- 245-01-90
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральского государственного университета путей сообщения.
Автореферат диссертации разослан “6” апреля 2006 г.
Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, заверенный печатью организации, просим направить в адрес ученого совета Университета.
Ученый секретарь
диссертационного совета Асадченко В.Р.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Взаимно увязанная работа всех звеньев железнодорожного транспорта России требует согласованной, четкой, бесперебойной и безаварийной работы. Для того чтобы с наибольшей эффективностью направить свои усилия на совершенствование перевозочного процесса, необходимо не только содержать в постоянной исправности ж.-д. сооружения, путь, подвижной состав, устройства СЦБ и связи, но и обеспечивать надежность крепления грузов. Положение с обеспечением безопасности движения в хозяйстве коммерческой работы в сфере грузовых перевозок в период с 2000г. по 2005г. характеризуется как нестабильное. В течение четырех лет (2000г. – 2003г.) количество вагонов с коммерческими неисправностями то уменьшалось, то увеличивалось с 5735 вагонов в 2000г. до 5827 вагонов в 2003г. В 2004г. произошел спад до 2915 вагонов, но в 2005г. их число увеличилось до 4255 вагонов и в январе 2006 года уже составило 138 вагонов. Количество вагонов с нарушениями требований ТУ увеличивается каждый год, за исключением 2001г. А в 2005г. произошло резкое увеличение до 736 вагонов по сравнению с 269 вагонами в 2004г. Количество случаев расстройства креплений груза на открытом подвижном составе в пути следования при отсутствии нарушений правил погрузки увеличивалось с каждым годом, начиная с 1265 вагонов в 2000г. до 3853 вагонов в 2002г. После спада количества случаев расстройств в 2004г. до 1338 вагонов, в 2005г. отмечается вновь рост таких вагонов до 1500, что выше уровня 2000г. На ответственность станций только Свердловской дороги пришлось в 2005г. 634 вагона с расстройством погрузки в пути следования. Исключение не составили и Дальневосточная, Южно-Уральская, Горьковская, Северо-Кавказская железные дороги. Анализ положения с обеспечением безопасности движения в хозяйстве коммерческой работы в сфере грузовых перевозок показывает, что основные нарушения при перевозке грузов это неправильное закрепление, применение реквизита и приспособлений для крепления груза, в том числе несоответствие растяжек согласованному чертежу или неточный их расчет. Безопасная и сохранная перевозка грузов в пути следования может быть достигнута разработкой более точных и совершенных методик расчета креплений грузов.
В действующих ТУ (см. положения главы I ТУ [1]) расчеты по определению усилий в креплениях выполняются отдельно от действий продольных и вертикальных сил, а также от действий поперечных и вертикальных сил.
Остаются не исследованными нагрузочные способности гибких элементов креплений груза, размещенного симметрично относительно оси симметрии вагона при движении поезда по прямому участку пути под уклон. В результате этого, подробно не исследованы нагрузочные способности гибких элементов креплений, т.е. поведение груза при вариации вертикальной силы инерции, имитирующей неровности пути, при одновременном действии продольных, поперечных и вертикальных сил, имитирующих в целом профиль пути, ветровой нагрузки, действующей с боковой стороны груза, при вариации веса груза, уклона пути с учетом различных значений усилий предварительных натяжений и геометрических параметров (диаметра и количества нитей) проволоки. Подробно не исследованы нагрузочные способности гибких элементов креплений груза при движении поезда по прямому участку под уклон, с учетом изменения коэффициента трения между контактирующимися поверхностями груза и пола вагона, косвенно имитирующего климатические условия перевозок по всему пути следования. До сих пор в механике считается, что значение динамического коэффициента трения может быть установлено только на основе результатов экспериментальных исследований, проведение которых требуют дорогостоящих специальных устройств. Польскими и немецкими учеными высказано предположение, о том, что коэффициент трения в динамике должен быть на 30% меньше, чем статический коэффициент.
Чтобы найти ответ на такие, имеющие важные для практики вопросы, в диссертации произведено математическое моделирование усилий, возникающих в гибких элементах креплений груза при движении поезда по прямому участку пути под уклон.
Таким образом, совершенствование методики расчёта гибких элементов креплений груза, с учетом условий перевозки, является актуальной и приоритетной прикладной задачей, имеющей большое значение для железнодорожного транспорта.
Цель исследования. Совершенствование методики расчета усилий в гибких элементах креплений груза с учетом особенности профиля прямого участка пути, направленной на обеспечение безопасности движения поездов, сохранной перевозки грузов и подвижного состава в пути следования.
В соответствии с поставленной в диссертации целью сформулированы следующие задачи:
- построить обобщенные расчетные и математические модели креплений груза с плоским основанием, позволяющие получить аналитические формулы по определению усилий в гибких элементах креплений, размещенного в вагоне симметрично относительно поперечной оси симметрии вагона, оперируя только проекциями гибких элементов креплений на оси координат;
- разработать методику вычислительных экспериментов по определению усилий в гибких креплениях груза;
- произвести проверку адекватности построенной математической модели и разработанной программы расчета усилий в гибких элементах креплений груза;
- исследовать нагрузочные способности гибких элементов креплений груза, размещенного симметрично относительно оси симметрии вагона при движении поезда по прямому участку пути под уклон;
- исследовать нагрузочную способность гибких элементов креплений легковесного груза при вариации вертикальной силы инерции;
- исследовать влияние одновременного действия продольных, поперечных и вертикальных сил, влияние различных значений коэффициента трения, ветровой нагрузки, массы груза, уклона пути, усилий предварительных натяжений и геометрических параметров проволоки на нагрузочные способности гибких элементов креплений.
Методика исследования. Аналитические исследования по определению усилий в гибких элементах креплений груза в механической системе «грузкреплениевагон» базируются на основные положения прикладной механики с широким использованием метода итераций, реализуемого в инструментальной среде MathCAD. Вычислительные эксперименты и обработка результатов этих исследований с использованием статистических методов обработок данных также выполнены в среде MathCAD.
Достоверность исследования. Достоверность результатов исследований подтверждается данными сравнительных расчетов усилий в гибких элементах креплений, полученными при применении методик, разработанных автором и другими исследователями.
На защиту выносятся основные положения:
- обобщенная математическая модель механической системы «грузкреплениевагон», в которой используются проекции гибких элементов креплений на оси координат и учитывается уклон пути;
- методика автоматизированного расчета на ПК с учетом физико-геометрических и силовых параметров креплений при действии внешних сил, имитирующих реальные условия движения поезда по прямому участку пути;
- результаты вычислительных экспериментов по определению значения динамического коэффициента трения для материала железобетон по дереву, равного 0,3545, которое в 1,55 раз меньше, чем значение статического коэффициента трения, определенное экспериментально (0,55).
Научная новизна диссертации состоит в дальнейшем развитии основ теории размещения и крепления грузов на открытом подвижном составе, дающее научное приращение знаниям в отрасли железнодорожного транспорта, и заключается в том, что:
- cоставлена обобщенная математическая модель механической системы «грузкреплениевагон», представляющая собой систему алгебраических уравнений, позволяющая определять неизвестные усилия в гибких элементах креплений при одновременном действии продольных, поперечных и вертикальных сил инерции с учетом профиля пути, влияния боковой ветровой нагрузки и вариации коэффициента трения. В модели используются отношения проекций гибких элементов креплений на оси координат к их длине, значения которых известны расчетчику из схемы размещения и крепления груза в вагоне;
- методика автоматизированного расчета на ПК, разработанная на основе обобщенной математической модели механической системы «грузкреплениевагон» с использованием метода итераций, дала возможность определять неизвестные параметры механической системы «грузкреплениевагон» с учетом физико-геометрических и силовых параметров креплений при действии внешних сил, имитирующих реальные условия движения поезда по прямому участку пути;
- результаты вычислительных экспериментов позволили установить, что при одновременном действии продольных, поперечных и вертикальных сил при движении поезда по прямому участку пути:
- нагрузочная способность креплений меньше при действии продольных и поперечных сил в отдельности, это является одной из основных причин ослабления креплений перевозимого груза в пути следования;
- с увеличением уклона пути снижаются нагрузочные способности гибких элементов креплений груза, это объясняется тем, что при уклоне пути действие возникающей продольной составляющей веса груза способствует дополнительному сдвигу по продольной оси.
Практическая ценность. Практическую ценность представляют:
- составленные программы расчета усилий в гибких элементах креплений, которые в последующем могут быть использованы грузоотправителями при разработке непредусмотренного ТУ способа размещения и крепления груза на вагоне;
- рекомендация о необходимости расчета креплений железобетонных изделий в пользу повышения их прочности не при значении статического коэффициента трения 0,55, а при значении динамического коэффициента трения 0,3545, это приведет к увеличению количества гибких элементов креплений груза, будет способствовать повышению безопасности движения поездов и сохранности перевозки груза;
- рекомендация о том, что при разработке схем размещения и креплений груза количество гибких элементов креплений должно быть обосновано расчетами не только в зависимости от веса груза, но и в зависимости от профиля пути, превышающего 12 промилле, по которому будет перевозиться груз;
- рекомендация о том, что при разработке НТУ способа размещения и крепления груза на вагоне обязателен расчет усилий в гибких элементах креплений с учетом уклона пути.
Все полученные результаты вычислительных экспериментов производят технический эффект, поскольку являются ранее неизвестными в теории крепления грузов данными, косвенно учитывающими изменение климатических условий перевозок и вносящими весомый вклад в совершенствование методики расчета элементов креплений груза, с использованием современных вычислительных средств. Экономический эффект может быть получен от экономии денежных средств, затраченных на исправления креплений груза в пунктах коммерческого осмотра и сокращения простоя вагонов, связанных с устранением расстройства креплений.
Реализация результатов работы. Разработанные практические рекомендации приняты к использованию в ДЦФТО и в Службе коммерческой работы в сфере грузовых перевозок Свердловской железной дороги филиала ОАО «Российские железные дороги», ЗАО Транспортно-экспедиционное предприятие «Желдорэкспедиция», ЗАО «Уральская транспортная компания» для проверки разработанных грузоотправителями схем размещения и крепления грузов на открытом подвижном составе.
Кроме того, разработанная методика расчета креплений грузов реализована в виде пакета программ для ПК. Программа используется в научных исследованиях и учебном процессе кафедры «Станции, узлы и грузовая работа».
Результаты диссертации могут быть использованы при совершенствовании технологии перевозочного процесса созданием нормативноправовой базы, относящейся к разработке новых технических условий (НТУ) размещения и крепления совершенствованием методики автоматизированного расчета усилий в гибких элементах креплений груза с плоским основанием с широким применением вычислительных средств.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на Шестой научн. практич. конф. «Безопасность движения поездов» (Москва: МИИТ, 2005 г.), на Междунар. научн. техн. конф. «Актуальные проблемы автомобильного, железнодорожного, трубопроводного транспорта в Уральском регионе» (Пермь: ПГТУ, 2005 г.), на научной конференции «Молодые ученые транспорту» (Екатеринбург: УрГУПС, 2005 г.), на 44ой Всеросс. научн. практич. конф. «Современные технологии железнодорожному транспорту и промышленности» (Хабаровск: ДВГУПС, 2006 г.), на научном семинаре кафедр «Станции, узлы и грузовая работа», «Управление эксплуатационной работой», «Прикладная математика» и «Вагоны» УрГУПС (2006 г.).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 11 научных работах в виде статей, из них 7 написаны без соавторов, и материалов конференций международного и регионального уровней.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и рекомендаций, 143 страницы основного текста, 20 рисунков, 9 таблиц, списка использованной литературы, включающего 113 наименований, приложение 1.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение содержит обоснование актуальности темы и общую характеристику работы.
В первой главе рассмотрена степень обоснованности применения действующих ТУ, сформулированы цель и задачи исследования.
Расчеты креплений груза на вагоне с использованием действующей методики расчета (ТУ), изучены в работах докторов технических наук А.Д. Малова, В.К. Бешкето, В.В. Повороженко, П.С. Анисимова, кандидатов технических наук Г.П. Ефимова, В.И. Шинкаренко, В.А. Романова, С.А. Егорова и других. В исследованиях этих авторов механическая система «груз крепление вагон» принята как статически определимая система, что не соответствует действительности. Усовершенствованная методика расчета крепления грузов изучена в работах докторов технических наук В.Б. Зылева и Х.Т. Туранова, проф. В.А. Болотина, кандидатов технических наук Е.Д. Псеровской, Д.Ю. Королевой, М.А. Зачешигрива, Е.К. Коровяковского, М.В. Корнеева, Н.В. Власовой и других.
Вторая глава посвящена математическому моделированию усилий в гибких элементах креплений груза с учетом особенности профиля прямого участка пути.
В данном разделе рассмотрено моделирование механической системы «грузкреплениевагон» для определения усилий в гибких элементах креплений груза, как статически неопределимой задачи. Задача решена при одновременном приложении на систему продольных, поперечных и вертикальных сил при движении поезда по прямому участку пути под уклон на основе составленных систем алгебраических уравнений, оперируя проекциями гибких элементов креплений на оси координат. При этом для ее решения использован численный метод (метод итераций), который может быть реализован в вычислительной среде MathCAD.
Расчетную схему размещения и закрепления груза, как абсолютно жесткого тела представим в виде, показанном на рисунке 1.
Предположим, что причиной колебаний груза служат заданные колебания точки крепления груза с вагоном с принятым законом в виде xe(t), уe(t) и ze(t). Действие этих колебаний учтено продольной ех, поперечной еу и вертикальной еz переносными силами инерции.
На расчетной схеме эти силы показаны в виде x = ех продольная сила, возникающая не только от маневровых соударений и движения поезда по прямому участку пути и при спуске под уклон в режиме служебного торможения или отпуска, но и от наличия в конструкции тележек зазоров между боковыми рамами платформы и челюстями букс колесных пар, а так же от наличия упругих элементов (пружин) и зазоров в конструкциях поглощающих аппаратов автосцепных устройств. y = еу поперечная сила, возникающая от бокового относа, от наличия пружин между надрессорной балкой и боковыми рамами вагона, а также от зазора между гребнями колес и рельсами. z = еz вертикальная сила, возникающая при прохождении волны неровностей пути и колебаний пружин. Fтрх и Fтру - составляющие силы трения, направленные параллельно по продольной и поперечной оси симметрии вагона, как касательные составляющие реакции связи (пола вагона); N - нормальная составляющая реакции связи, приложенная в точке с координатами xN и yN; Wу и Wx - ветровые нагрузки, приложенные, соответственно, к боковой и к лобовой сторонам груза.
Рисунок 1 Расчетная схема размещения и крепления груза
Исходные данные представлены в виде геометрических размеров гибких элементов креплений и координат точек их закрепления к стоечным скобам вагона и монтажным петлям груза для определения неизвестных усилий в этих элементах креплений Si (i = 1…n – количество таких элементов креплений).
На основе применения общих формулировок и решения статически неопределимых задач по определению усилий в креплениях грузов составлены соотношения, необходимые для нахождения усилий в гибких элементах креплений груза. Отличительной особенностью предлагаемой модели от ранее рассмотренных является то, что в ней, наряду с продольной Фх и вертикальной Фz сил инерции, ветровой нагрузки Wх, учитываются продольная составляющая силы тяжести груза Qх, возникающая от уклона, поперечная сила инерции Фу и боковая ветровая нагрузка Wy при движении поезда по прямому участку пути под уклон. Математическая модель механической системы «грузкреплениевагон» с плоским основанием представлена в виде:
сдвигающей силы по оси Ox (выражающей статическую сторону задачи, т. е. составление условия равновесия всех действующих на груз сил по продольной оси вагона)
; (1)
силы трения по оси Ox: 
; (2)
(условие представляет физическую сторону статической неопределимой системы «грузкреплениевагон» с плоским основанием);
суммы проекций сил на ось Ox 
; (3)
сдвигающей силы по оси Oy 
; (4)
силы трения по оси Oy
; (5)
суммы проекций сил на ось Oy 
; (6)
суммы проекции сил на ось Oz
; (7)
суммы моментов сил вокруг оси Ox
Fтрyh + N yN = 0; (8)
сумма моментов сил вокруг оси Oy
Fтрxh N xN = 0; (9)
сумма моментов сил вокруг оси Oz
Fтрy xN Fтрx yN =0; (10)
деформационных соотношений
, (11)
где Si – отыскиваемые значения усилий в гибких элементах креплений, кН.
и пр – углы наклона гибких элементов на плоскость Oxy и плоскости этих элементов на ось Ox и xi, yi, zi – проекции гибких элементов креплений на координатные оси Ox, Oy, Oz ; h и b0 – высота груза и поперечное расстояние между петлями для крайних гибких элементов креплений; x, y, – отыскиваемые значения малых перемещений груза по оси Ox, Oy в м и его поворота вокруг оси Oz; EA - физико-геометрическая характеристика (жесткость на растяжение) гибкого элемента; E – модуль упругости гибкого элемента, скрученного из стальной отожженной проволоки (Е = 1107 кПа), Ai - площадь поперечного сечения гибкого элемента в м2: 
с учётом того, что в ней ni – число нитей в i –ом гибком элементе в шт.; di – диаметр проволоки гибкого элемента в м; 0.5l, yC, xW, zC, zWx – координаты точек приложения продольной, поперечной и вертикальной сил инерции и ветровой нагрузки соответственно по осям Ox, Oy и Oz; – угол, характеризующий движение поезда под уклон; xi и yi – координаты верхних монтажных петель гибких элементов; S0i - начальные натяжения гибких элементов крепления; Qx = Qsin; Qz = Qcos (Q – вес груза); хС расположение центра масс груза от принятого начала координат до поперечной оси симметрии вагона; zС расположение центра масс груза относительно оси абсцисс Ох; zWx – координата точки приложения ветровой нагрузки относительно оси абсцисс Ох; хN координата точки приложения реакции связи N относительно начало координат; h, b и l высота, ширина и длина груза; b0 – ширина основания груза; ар, bр и hр проекции гибкого элемента с длиной lр соответственно на продольную, поперечную и вертикальную оси груза.
Выражения (1)…(11) представляют собой систему алгебраических уравнений. Эти выражения позволяют непосредственно определять, например, усилия в гибких элементах креплений груза от одновременного приложения к ним продольных, поперечных и вертикальных сил.
В третьей главе диссертации изложены результаты разработки алгоритма автоматизированного расчета для определения усилий в гибких элементах креплений груза при движении поезда по прямому участку пути под уклон. На механическую систему «грузкреплениевагон» с одновременным действием продольной и вертикальной сил учитывается поперечная сила инерции, продольная составляющая веса груза, возникающая при движении поезда под уклон, а также ветровая нагрузка при движении поезда на прямом участке, как без уклона, так и с уклоном пути. Разработка усовершенствованной методики расчёта усилий в гибких элементах креплений, используемых для удержания груза, базируется на классических методах общей механики с применением универсальной среды MatCAD. В диссертации приведены макет-документы введенных в блок функций Given-Find систем уравнений (1)…(11). Для примера уравнение (1) представлено в виде
Блок-схема для расчета креплений груза приведена ниже (рисунок 2).
В диссертации приведена автоматизированная программа расчета креплений груза.
В четвертой главе подробно изложены результаты исследований по определению нагрузочных способностей гибких элементов креплений груза при движении поезда по прямому участку под уклон с учетом особенностей профиля пути (наличие неровности и уклона пути), выполненных в вычислительной среде MathCAD.
Изучены влияния геометрических (диаметра и количества нитей проволоки) и силовых (усилий предварительных натяжений) параметров креплений, веса груза и изменения климатических условий перевозки, косвенно учитываемых коэффициентом трения между контактирующими поверхностями, а также уклона пути на нагрузочные способности гибких элементов креплений груза от одновременного действия продольных, поперечных и вертикальных сил.
В диссертации выполнена проверка адекватности построенной математической модели и разработанной методики расчета усилий в гибких элементах креплений груза. Рассмотрены случаи, когда груз размещен в вагоне симметрично относительно осей симметрии вагона и элементы креплений груза воспринимают только поперечные и вертикальные силы, т. е. продольная сила Фх и ветровые нагрузки Wх, Wy равны нулю. Значения поперечного и вертикального переносных ускорений вагона с грузом принимались равными: aeу = 0,33g (Фу = 194.238 кН) и aez = 0,46g (Фz = 270,756 кН) методом подбора так, чтобы усилия в гибких элементах креплений не превышали допустимое значение (39.2 кН). Поезд движется по прямому участку пути.
В результате проведенных вычислительных экспериментов по определению усилий в креплениях груза получены следующие результаты:
ДА
НЕТ
ДА
НЕТ
Q = 588,6 вес груза, кН; Fтр0 = 323,73 сила трения от веса груза, кН; Tу = 124,81 сдвигающие груз силы по поперечной оси, кН; N = 671,55 нормальная реакция связи, кН; Fтр=369,35 полная сила трения, кН; координаты точки приложения N xC =4,55, м, xN = 4,55, м (поскольку на груз действуют только поперечные силы) и уN =0,334 м. Перемещение груза по поперечной оси (у = 0,089 м), перемещение по продольной оси вагона (x = 0 м), а также поворот вокруг вертикальной оси отсутствует. Усилия в гибких элементах креплений, работающих на растяжение по продольной оси в кН – S4 = 34,1; S3 = 33,95; S6 = 33,84; S7 = 32,96; S10 = 39,12; S14 = 6,12; S13 = 6,25; S16 = 6,36; S17 = 7,24; S20 = 1,07. Усилия в гибких элементах креплений, работающих на растяжение по поперечной оси в кН – S4 = 34,1; S3 = 33,95; S1 = 33,84; S2 = 32,96; S5 = 39,13; S9 = 34,1; S8 = 33,95; S6 = 33,84; S7 = 32,96; S10 = 39,13.
Анализируя результаты исследований, можно отметить, что:
- сдвигающая груз по продольной оси сила Тх по величине равна нулю, поскольку на механическую систему «грузкреплениевагон» в рассматриваемом случае она не действует. Поэтому координата приложения нормальной реакции связи N по продольной оси точно совпадает с центром тяжести груза, т. е. хN = хС = 4,55 м (половина длины груза). По поперечной оси координата приложения нормальной реакции связи равна уN = 0,334 м, поскольку на данную систему действуют только сдвигающие груз поперечные силы Ту. При этом отсутствует сдвиг груза по продольной оси (х = 0) и его поворот вокруг вертикальной оси ( = 0), также произошел сдвиг груза только по поперечной оси на у = 89 мм;
- от действий поперечных сил все гибкие элементы креплений (например, S14, S13, S16, S17, S20), расположенные симметрично относительно продольной оси симметрии вагона, практически не воспринимают нагрузку (т. е. провисают), поскольку полученные в них усилия в 3 раза меньше, чем заданные значения усилий предварительных натяжений S0i = 20,1 кН;
- от действий поперечных сил все гибкие элементы (например, 4 и 9; 5 и 10), расположенные симметрично относительно поперечной оси симметрии вагона, нагружены усилиями одинаковых значений (например, S4 = S9 = 34,1кН; S5 = S10 = 39,13 кН).
В диссертации рассмотрен случай перевозки легковесного груза при одновременном действии поперечных и вертикальных сил и при одновременном действии продольных, поперечных и вертикальных сил. Результаты вычислительных экспериментов сведены в таблицы, представлены в виде диаграмм и обработаны методами математической статистики (рис.3).
Чтобы определить характер поведения легковесного груза при перевозке на открытом подвижном составе, варьировались значения вертикальных ускорений, начиная с 0 до 0,66g с шагом az = 0,10g. Математически полученное полиномиальное уравнение регрессии сдвига
груза поперек вагона при различных значениях вертикальных переносных ускорений aez представлено в виде у = f(aez):
,
где a0 = 20, a1 = 1,753, a2 = 1,615, a3 = 1,414, a4 = 0,467, a5 = 0,068, a6 = 0,0036 коэффициенты при многочленах, имеющих соответственно размерности в виде мм; ммс2/м; мм(с2/м)2; мм(с2/м)3; мм(с2/м)4; мм(с2/м)5; мм(с2/м)6.
кН
aex, aey, aez продольные, поперечные и вертикальные ускорения.
Рисунок 3 Диаграмма распределения усилий в креплениях
по продольной и по поперечной оси (Si, кН)
Графические зависимости поперечных смещений груза от различных значений вертикальных переносных ускорений вагона, построенные по данным таблицы, приведены на рисунке 4 и 5.
Рисунок 4 Графическая зависимость у = f(aez)
Анализ результатов исследований показал, что значения усилий в гибких элементах креплений при заданных величинах поперечной и вертикальной сил инерции почти 1,5 раза меньше, чем допустимые (39,2 кН). Таким образом, при движении поезда по прямому участку пути действие только поперечных и вертикальных сил инерции на механическую систему «грузкреплениевагон» практически не оказывает заметного влияния на нагрузочные способности гибких элементов креплений. Однако на прямом участке пути, кроме поперечных и вертикальных сил инерции, возникает еще и продольная переносная сила инерции вагона, которая также оказывает значительное влияние на нагрузочную способность гибких элементов креплений груза (см. рисунок 3).
Сдвиг груза без учета продольной силы инерции x = 0, y = 28 мм, с учетом продольной силы инерции x = 32 мм, y = 38 мм. Таким образом, при расчетах количества креплений груза нельзя пренебрегать одновременным действием продольных, поперечных и вертикальных сил, что не предусмотрено в ТУ.
С увеличением значений вертикальных переносных ускорений смещение груза поперек вагона увеличивается практически по линейному закону (см. рисунок 4). Анализ результатов исследований показал, что с увеличением значений вертикальных переносных ускорений отношение нормальной реакции связи к весу груза уменьшается по линейно-убывающему характеру (см. рисунок 5).
Рисунок 5 Графическая зависимость N/Q = f(aez)
Стремление соотношения N/Q к 1,04 соответствуют «плохому состоянию» пути. Уменьшение значений нормальной реакции N связи практически до веса груза Q объясняется сильным влиянием вертикальной силы инерции, в результате чего, возможно, возникновение вертикальных колебаний груза относительно пола вагона.
Таким образом, при перевозке легковесных грузов на открытом подвижном составе количество креплений при использовании действующих методик в ТУ необходимо принимать с учетом полученных результатов исследований, с запасом в пользу повышения их прочности.
Учитывая, что коэффициент трения между соприкасающимися поверхностями груза и пола вагона косвенно имитирует климатические условия перевозки груза, в диссертации проведены вычислительные эксперименты по определению усилий в гибких элементах креплений груза при вариации значений этого коэффициента в пределах от 0,55 до 0,2 (предельные значения, используемые в расчетах ТУ). Результаты этих исследований представлены в виде диаграмм и полиномиальных кривых. Характер изменения усилий в наиболее пологом гибком элементе крепления, воспринимающем наибольшие нагрузки, при различных значениях уклона пути в зависимости от величины коэффициента трения в виде диаграммы приведен на рисунке 6. В диаграмме наглядно интерпретируется то, что имеется критическое значение коэффициента трения, равное 0,3545, увеличение и уменьшение которого приводит к увеличению усилий в гибких элементах креплений груза при различных значениях уклона пути.
0,3545m
Рисунок 6 Диаграмма усилий в наиболее пологом длинном гибком элементе
(Si, кН)
Результаты дальнейших исследований показали, что при вариации значения коэффициента трения от 0,55 до 0,2 сдвиг груза вдоль вагона имеет постоянное значение (y = 37 мм), а поперек вагона имеет различные значения от x = 34 до x = 36 мм. При этом, из-за сдвига груза поперек вагона происходит поворот груза против направления отсчета углов (). Это, в свою очередь, приводит к перераспределению усилий в растяжках (одни из них провисают, другие испытывают нагрузки близкие к допустимому значению (39.2 кН), либо превышают его). Например, дальнейшее уменьшение или увеличение коэффициентом трения = 0,3545 приводит к увеличению усилия в наиболее пологом гибком элементе крепления до 41 кН, что больше допустимого и приводит к снижению нагрузочной способности гибких элементов креплений. Это означает, что при разработке схем размещения и крепления груза с учетом уклона пути количество гибких элементов креплений должно быть обосновано соответствующими расчетами.
В результате регрессионного анализа получены графические зависимости значений усилий в наиболее пологом гибком элементе крепления при различных заданных значениях коэффициента трения и уклона пути H, равных 6, 12, 15 и 18 промилле (см. рисунок 7). Анализируя полученные результаты исследований по установлению зависимости Sn = f(), можно отметить, что, при одном и том же значении продольных, поперечных и вертикальных сил (при аex = 0,288g, аey= 0,288g и аez = 0,46g м/с2), действующих на механическую систему «груз крепление вагон», уменьшение значений коэффициента трения при любых значениях уклона пути до критического значения (0.3545) приводит к снижению усилий в гибких элементах креплений, что позволяет нагружать их большими значениями продольных и поперечных сил, нежели действовавшими.
Рисунок 7 Графические зависимости S20 = f(, H)
Это объясняется тем, что при перевозке груза при различных климатических условиях, косвенно учитываемых коэффициентом трения между контактирующимися поверхностями груза и пола вагона, при снижении этого коэффициента, для того, чтобы груз сдвинулся с места, необходимо приложить меньшие по величинам продольные и поперечные силы. Именно в этом смысле можно отметить, что при снижении значения коэффициента трения до критического повышаются нагрузочные способности гибких элементов креплений груза.
В диссертации особо отмечено, что, начиная с уклона пути H превышающего 12 промилле, груз следует крепить к вагону большим количеством гибких элементов креплений, нежели рассчитанным количеством при этом значении уклона пути и критическом значении коэффициента трения = 0,3545. Это объясняется тем, что при уклоне пути при H = 15 промилле при значении коэффициента трения = 0.3545 усилие в наиболее пологом гибком элементе уже достигает допустимое значение (39,2 кН), а при H = 18 промилле превышает (39,42 кН) допустимое значение (см. рисунок 6). Отсюда сделан важный для практики вывод о том, что при разработке схем размещения и крепления груза, количество гибких элементов креплений должно быть обосновано расчетами не только в зависимости от веса груза (как это рекомендовано в ТУ), но и в зависимости от уклона пути, превышающего 12 промилле, по которому будет перевозиться груз.
Таким образом, обобщая результаты выполненных исследований, сделан вывод о том, что на практике расчет креплений груза в пользу их повышения прочности следует вести не при коэффициенте трения ( =0,55), как это рекомендовано в ТУ, а при меньшем в 1,55 раза значении ( = 0,3545), установленном вычислительными экспериментами. Это приводит к увеличению количества гибких элементов креплений груза, что, несомненно, способствует повышению безопасности движения поездов, сохранности перевозки груза и подвижного состав в пути следования.
В диссертации определены усилия в гибких элементах креплений при различных значениях массы груза (x = f(Q) и (y = f(Q)). Результаты проведенных исследований, нашли свое отражение в диаграмме смещений груза (рисунок 8).
Рисунок 8 Диаграмма зависимости смещений груза(x, y,мм)
от веса(Q, кН)
При движении поезда на прямом участке пути при одновременном действии продольных, поперечных и вертикальных сил на механическую систему «грузкреплениевагон» с увеличением веса груза увеличивается его перемещение как вдоль, так и поперек вагона. Также происходит его поворот противоположно направлению отсчета углов, а это, в свою очередь, приводит к увеличению усилий в гибких элементах креплений.
В диссертации рассмотрены случаи, когда груз размещен в вагоне симметрично относительно осей симметрии вагона и поезд движется по прямому участку при различных значениях уклона пути. Для примера приведены результаты исследований по определению нагрузочных способностей гибких элементов креплений при уклоне пути от 6 до 12 промилле.
При этом значение продольного, поперечного и вертикального ускорений равны: aex = 0,10g, aeу = 0,2585g, aez=0,46g и на груз действуют ветровые нагрузки Wх = 1,25 и Wу = 9,55 кН.
Результаты вычислительных экспериментов представлены в виде графических зависимостей (рисунок 9).
Рисунок 9 Графические зависимости значений усилий (Si, кН)
и продольных смещений (x, мм) груза от уклона пути (Н, промилле)
Анализируя результаты этих исследований, можно отметить, что усилия в самом пологом (длинном) элементе крепления больше, чем допустимое значение (39,2 кН). Это означает, что чем больше уклон пути при одновременном действии продольных, поперечных и вертикальных сил, тем больше снижаются нагрузочные способности гибких элементов креплений груза. Объясняется это тем, что при уклоне пути действие возникающей продольной составляющей веса груза (Qх = 12,358 кН, при Н = 6 промилле, что в 4 раза больше, чем Qх = 3,532 кН, при Н = 21 промилле) способствует дополнительному сдвигу груза по продольной оси. При уклоне пути Н = 12 промилле (достаточно часто встречается на сети железных дорог) усилие в наиболее пологом гибком элементе достигает S = 39,4 кН, что превышает допустимое значение (39,2 кН) (см. рисунок 9). Таким образом, число креплений, определенное по методике ТУ, занижается, т.к. не только не учитывается одновременное влияние на механическую систему «груз крепление вагон» продольных, поперечных и вертикальных сил инерции, но и профиль пути, по которому следует вагон с грузом.
В процессе выполнения вычислительных экспериментов получена зависимость величины сдвига груза по поперечной оси и величины усилий в гибких элементах креплений груза от влияния боковой ветровой нагрузки при прохождении поездом прямого участка пути. Анализ результатов исследований (см. рисунок 10) показывает, что при воздействии боковой ветровой нагрузки, которая учитывается в ТУ только в кривых участках пути, происходит смещение груза по поперечной оси от y = 23 мм до y = 66 мм, а отсюда и увеличение усилий в растяжках от S =31,95 кН до S =42,06 кН, что выше допустимого значения (39,2 кН).
Таким образом, действие на систему «груз крепление вагон» ветровой нагрузки с боковой стороны груза в сочетании с одновременными действиями продольных, поперечных и вертикальных сил инерции снижает нагрузочные способности гибких элементов креплений груза.
Рисунок 10 Влияние боковой ветровой нагрузки (Wy, кН) на смещение груза по поперечной оси (y, мм) и на значения усилий в растяжках (S,кН)
В диссертации также изложены результаты исследований по определению нагрузочных способностей гибких элементов креплений груза при различных значениях усилий предварительных натяжений и геометрических параметров проволоки при движении поезда на прямом участке с уклоном и без уклона пути.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ
1. Составлена обобщенная математическая модель груза, представляющая собой систему алгебраических уравнений, позволяющая определять неизвестные усилия в гибких элементах креплений при одновременном действии продольных, поперечных и вертикальных сил инерции с учетом профиля пути, влияния боковой ветровой нагрузки и вариации коэффициента трения. В модели используются проекции гибких элементов креплений на оси координат, значения которых известны расчетчику из схемы размещения и крепления груза в вагоне.
2. Методика расчета, разработанная на основе обобщенной математической модели груза с использованием метода итераций, дала возможность определять искомые параметры механической системы «грузкреплениевагон».
3. Выполнены расчеты при симметричном размещении общего центра тяжести груза относительно поперечной и продольной оси симметрии вагона при одновременном действии продольных, поперечных и вертикальных сил при движении поезда по прямому участку пути. При этом установлено:
несущая способность крепления уменьшается при действии продольных, поперечных и вертикальных сил, это и является одной из основных причин ослаблений креплений перевозимого груза в пути следования;
чем больше уклон пути, тем больше снижаются нагрузочные способности гибких элементов креплений груза, так как действие возникающей продольной составляющей веса груза способствует его дополнительному сдвигу по продольной оси;
вариация значений диаметра проволоки совместно с вариацией усилий предварительных натяжений имеет значительное влияние на нагрузочные способности гибких элементов креплений груза;
при вариации количества нитей проволоки совместно с вариацией диаметров проволоки и усилий предварительных натяжений в пользу увеличения прочности повышаются нагрузочные способности гибких элементов креплений груза при движении поезда под уклон;
4. Результатами вычислительных экспериментов установлено, что необходим расчет гибких элементов креплений груза в пользу повышения их прочности не при значении статического коэффициента трения 0,55 (как это принято в ТУ), а при динамическом коэффициенте трения 0,3545, полученного в результате вычислительных экспериментов. Это приводит к увеличению количества гибких элементов креплений груза, что будет способствовать повышению безопасности движения поездов, сохранности перевозки груза и подвижного состав в пути следования.
5. На основе результатов исследований сделан вывод о том, что при разработке схем размещения и крепления груза количество гибких элементов креплений должно быть обосновано расчетами не только в зависимости от веса груза, но и в зависимости от профиля пути, превышающего 12 промилле, по которому будет перевозиться груз.
6. Для практики дана рекомендация о том, что при разработке в НТУ способа размещения и крепления груза на вагоне обязателен расчет усилий в гибких элементах креплений с учетом уклона пути и боковой ветровой нагрузки.
Таким образом, в диссертации содержится техническое решение актуальной прикладной задачи по усовершенствованию методики расчета усилий в гибких элементах креплений от одновременного действия продольных, поперечных и вертикальных сил при движении поезда по прямому участку пути под уклон, направленной на обеспечение безопасности движения поездов и сохранной перевозки грузов в пути следования.
Основное содержание диссертационного исследования опубликовано в следующих научных работах:
1. Тимухина Е.Н. О методике расчета крепления грузов с учетом особенности профиля прямого участка пути // Материалы шестой научн.-практич. конф. “Безопасность движения поездов”. М.: МИИТ, 2005. С. VII 35.
2. Тимухина Е.Н. Результаты исследований влияния ветровой нагрузки на значения усилий в гибких элементах креплений при движении поезда на прямом участке пути // Материалы междунар. научн.- техн. конф. “Актуальные проблемы автомобильного, железнодорожного, трубопроводного транспорта в Уральском регионе”. Пермь: ПГТУ, 2005. С. 366368.
3. Тимухина Е.Н. Результаты исследований влияния массы груза на значения усилий в гибких элементах креплений // Материалы междунар. научн.- техн. конф. “Актуальные проблемы автомобильного, железнодорожного, трубопроводного транспорта в Уральском регионе”. Пермь: ПГТУ, 2005. С. 368 371.
4. Тимухина Е.Н. Результаты расчета усилий в креплениях грузов с плоским основанием // Материалы междунар. научн.- техн. конф. “Актуальные проблемы автомобильного, железнодорожного, трубопроводного транспорта в Уральском регионе”. Пермь: ПГТУ, 2005. С. 355 358.
5. Тимухина Е.Н. Исследование влияния усилий предварительных натяжений, диаметра и количество нитей проволоки на значения усилий в гибких элементах креплений на прямом участке с уклоном пути // Труды VI межвуз. научн. - техн. конф. “Молодые ученые транспорту”. Екатеринбург: УрГУПС, 2005. С. 423 429.
6. Тимухина Е.Н. О влиянии одновременного действия продольных, поперечных и вертикальных сил на нагрузочные способности гибких элементов креплений груза // Труды 44-й Всеросс. научн. - прак. конф. ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки. Под ред. Е.З.Савина. “Современные технологии железнодорожному транспорту и промышленности”. Хабаровск: ДВГУПС, 2006. Т.4. С. 111115.
8. Туранов Х.Т., Тимухина Е.Н., Власова Н.В. Результаты вычислительных экспериментов по определению усилий в гибких элементах креплений на прямом участке под уклон // Материалы междунар. научн.- техн. конф. “Актуальные проблемы автомобильного, железнодорожного, трубопроводного транспорта в Уральском регионе”. Пермь: ПГТУ, 2005. С. 316-320.
9. Власова Н.В., Тимухина Е.Н. Математическое моделирование усилий в гибких элементах креплений груза с учетом особенностей профиля прямого участка пути // Труды VI межвуз. научн. - техн. конф. “Молодые ученые транспорту”. Екатеринбург: УрГУПС, 2005. С. 406 418.
10. Власова Н.В., Тимухина Е.Н. Математические модели для построения программы автоматизированного расчета усилий в гибких элементах креплений груза // Труды VI межвуз. научн. - техн. конф. “Молодые ученые транспорту”. Екатеринбург: УрГУПС, 2005. С. 418 423.
11. Власова Н.В., Тимухина Е.Н. Исследование нагруженности гибких элементов креплений легковесного груза при вариации вертикальной силы инерции // Труды 44ой Всеросс. научн. - прак. конф. ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки. Под ред. Е.З.Савина. “Современные технологии железнодорожному транспорту и промышленности”. Хабаровск: ДВГУПС, 2006. Т3. С. 182188.
ТИМУХИНА ЕЛЕНА НИКОЛАЕВНА
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА
ГИБКИХ ЭЛЕМЕНТОВ КРЕПЛЕНИЙ ГРУЗА НА ОТКРЫТОМ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ПОДВИЖНОМ СОСТАВЕ
Специальность 05.22.08 Управление процессами перевозок
Лицензия на издательскую деятельность ИД 03581 от 19.12.2000 г.
Сдано в набор Подписано к печати 25.04. 2006 г.
Формат 60Х86 1/16 Объем 1.5 п.л.
Заказ Тираж 100 экз.
Типография УрГУПС, 620034, г. Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66
