Методика расчета способа размещения и крепления грузов в вагонах

10.1 При определении способов размещения и крепления груза должны наряду с его массой учитываться следующие силы и нагрузки:
– продольная инерционная сила, возникающая при движении в процессе разгона и торможения поезда, при соударении вагонов во время маневров и роспуске с сортировочных горок;
– поперечная инерционная сила, возникающая при движении вагона и при вписывании его в кривые и переходные участки пути;
– вертикальная инерционная сила, вызывающая ускорением при колебаниях движущегося вагона;
– ветровая нагрузка;
– сила трения.

Точкой приложения инерционных сил является центр тяжести груза (ЦТ_гр).
Точкой приложения ветровой нагрузки принимается геометрический центр наветренной поверхности груза. Направление действия ветровой нагрузки принимается перпендикулярным продольной плоскости симметрии вагона.

10.2 Определение инерционных сил и ветровой нагрузки, действующих на груз.

10.2.1 Продольная инерционная сила F_пр определяется по следующей формуле:

F_пр = а_пр Q_гр , тс,                                                      (3)
где а_пр - удельная продольная инерционная сила на 1 т массы груза, тс/т;
Q_гр - масса груза, т.
Значения апр для конкретной массы груза определяются по формулам:
– при погрузке на одиночный вагон
                    Q_гр^о (а₂₂ - а₉₄)
а_пр = а ₂₂ - —————— , тс/т;                              (4)
                              72
– при погрузке на сцеп из двух грузонесущих вагонов
                  Q_гр^с (а₄₄ - а₁₈₈)
а_пр = а₄₄ - —————— , тс/т;                              (5)
                            144
где Q_гр^о - общая масса груза в вагоне, т; Q_гр^с - общая масса груза на сцепе, т;

а₂₂, а₉₄ , а₄₄ , а₁₈₈ - значения удельной продольной инерционной силы в зависимости от типа крепления и условий размещения груза (с опорой на один вагон, с опорой на два вагона) при массе брутто соответственно: одиночного вагона – 22 т и 94 т; сцепа двух грузонесущих вагонов – 44 т и 188 т (таблица 17).

Таблица 17- Значения удельной продольной инерционной силы

10.2.2 Поперечная инерционная сила Fп с учетом действия центробежной силы определяется по формуле:
F_п = а_п Q_гр, тс                                          (6)
где а_п, - удельная поперечная инерционная сила на 1 т массы груза, тс/т.
Для грузов с опорой на один вагон ап определяется по формуле:
                       0,44
а_п = 0,33 + –––––– l_гр , тс/т,             (7)
                          l_в
где l_в - база вагона, мм; l_гр - расстояние от ЦТ_гр до вертикальной плоскости, проходящей через поперечную ось вагона, мм.

Поперечная инерционная сила F_п рассчитывается для каждого отдельно расположенного по длине вагона грузового места (укрупненного грузового места, перемещение отдельных частей которого друг относительно друга исключено применением специальных средств).

Для длинномерных грузов, перевозимых на сцепах с опорой на два вагона, принимается а_п = 0,40 тс/т.

10.2.3 Вертикальная инерционная сила F_в определяется по формуле:
F_в = а_в Q_гр, тс                                           (8)
где а_в - удельная вертикальная сила на 1 тонну массы груза кгс/т , которая определяется по формуле:
                                   2,14
а_в = 0,25 + к l_гр + ———–, тс/т            (9)
                                  Q_гр^о
При погрузке с опорой на один вагон принимают к = 5х10^-6, с опорой на два вагона – к = 20х10^-6. В случаях загрузки вагона грузом массой менее 10т принимают Q_гр^о = 10 т.

10.2.4 Ветровая нагрузка W_п определяется по формуле:
W_п = 50 S_п, тс                                     (10)
где S_п – площадь наветренной поверхности груза (проекции поверхности груза, выступающей за пределы продольных бортов платформы либо боковых стен полувагона, на вертикальную плоскость симметрии вагона), м². Для грузов с цилиндрической поверхностью, ось которой расположена вдоль вагона, S_п принимается равной половине упомянутой площади.

10.3 Определение силы трения

10.3.1 Сила трения, действующая на груз, размещенный на однородной поверхности пола вагона, определяется по формулам:
– в продольном направлении:
F_тр^пр = Q_гр μ, тс                         (11)
– в поперечном направлении:
F_тр^п = Q_гр μ (1 - а_в), тс,            (12)
где μ - коэффициент трения между контактирующими поверхностями груза и вагона (или подкладок, прокладок).

Значения коэффициента трения между поверхностями, очищенными от грязи, снега, льда, а в зимний период – посыпанными тонким слоем песка, принимаются равными:
– дерево по дереву                                                              0,45;
– сталь по дереву                                                                 0,40;
– сталь по стали                                                                   0,30;
– пакеты чушек свинца, цинка по дереву                      0,37;
– пакеты отливок алюминия по дереву                         0,38;
– железобетон по дереву                                                  0,55;
– вертикально устанавливаемые рулоны листовой стали (штрипсы) с неупакованными (открытыми) торцами по дереву                                                               0,61;
– пачки промасленной листовой стали по дереву      0,21.

В случае применения прокладок из шлифовальной шкурки на тканевой основе с зерном No-20-200, сложенной вдвое абразивным слоем наружу, значение коэффициента трения для дерева по дереву или стали по дереву принимается равным 0,6.

Применение в расчетах иных значений коэффициента трения (для других контактирующих материалов или при особых условиях контактирования) должно быть обосновано в соответствии с требованиями, изложенными в приложении No7 к настоящей главе.

Особенности определения силы трения, действующей на длинномерный груз при их размещении с применением турникетных опор, рассмотрены в разделе 11 настоящей главы.

10.3.2 Сила трения, действующая на груз, размещенный на платформе с деревометаллическим полом (рисунок 28),

Рисунок 28 - Силы трения, действующие на участках опирания груза на поверхность
деревометаллического пола платформы

определяется по формулам:
– в продольном направлении:
F_тр^пр = F_тр1^пр + F_тр2^пр +...+ F_трn^пр, тс,       (13)
где F_тр1^пр, F_тр2^пр,..., F_трn^пр - силы трения, действующие на участках опирания груза на поверхность пола. Их значения определяются по формулам:
                          а
F_тр1^пр = Q_гр —— μ₁, тс ;                        (13а)
                          d
                          b
F_тр2^пр = Q_гр —— μ₂, тс;                         (13б)
                          d
                          с
F_{тр n}^пр = Q_гр —— μ_n , тс,                       (13в)
                         d
где μ₁ , μ₂ , ... , μ_п – коэффициенты трения части груза о соответствующие участки поверхности пола;
а/ d , b/ d, с/ d – доли массы груза, которые приходятся на соответствующие участки поверхности пола;
– в поперечном направлении:

                        а               b                    с
F_трⁿ = Q_гр ( —— μ₁ + —— μ₂+ ... + —— μ_п)(1 - а_в ), тс,                  (14)
                        d               d                   d

где а_в - удельная вертикальная инерционная сила, определяемая по формуле (9).

Груз, расположенный несимметрично относительно продольной плоскости симметрии платформы (рисунок 29), может испытывать дополнительное воздействие момента вращения М_тр в горизонтальной плоскости относительно вертикальной оси, проходящей через его центр тяжести.

Рисунок 29 - Схема для расчета дополнительного крепления груза от разворота

Момент вращения М_тр определяется по формуле:
М_тр = F_тр^пр х r х 10^-3 тсм,            (15)
где r - плечо силы трения F_тр^пр, определяемое как абсолютная величина разности:
r = |К_цт - К _Fтр|, мм                        (16)
где К_цт, К_Fтр, мм - координаты в поперечном направлении соответственно центра тяжести груза и силы трения F_тр^пр относительно края поверхности опирания груза на пол.
                F_тр^, х(b + а/2) + F_тр^,, х b/2
К _Fтр = —————–––––––––––––––, мм            (17)
                        F_тр^, + F_тр^,,
При r = 0 момент вращения груза отсутствует и расчет проводят только для плоскопараллельного движения.

Дополнительные усилия Fдоп, которые должны создаваться элементами крепления для предотвращения разворота груза, определяют по формуле:
F_доп = 1000М_тр / l_а , тс,                   (18)
где l_а, - расстояние между двумя растяжками или упорными брусками, мм.

10.4 Проверка устойчивости вагона с грузом и груза в вагоне

10.4.1 Поперечная устойчивость груженого вагона проверяется в случаях, когда высота центра тяжести вагона (сцепа) с грузом от УГР превышает 2300 мм либо наветренная поверхность вагона (сцепа) с грузом превышает: при опирании груза на один вагон – 50 м², при опирании груза на два вагона – 100 м².

Высота общего центра тяжести вагона с грузом (рисунок 30) определяется

Рисунок 3 - Определение высоты центра тяжести вагона с грузом
относительно уровня головки рельса

по следующей формуле:
                  Q_гр1 h_цт1 + Q_гр2 h_цт2 + ... + Q_грп h_цтп + Q_т Н_цт^в
Н_цт^о = ——————————————————————— ,  мм                   (19)
                                              Q_гр^о+ Q_т
где Q_т – масса тары вагона, т; h_цт1 , h_цт2 , ... , h_цтп – высоты ЦТ единиц груза от уровня головок рельсов (далее УГР), мм; Н_цт^в - высота ЦТ порожнего вагона от УГР, мм (таблица 18).

Таблица 18-Значения площади наветренной поверхности, высоты центра тяжести, коэффициента p для универсальных полувагонов и платформ.

Поперечная устойчивость вагона с грузом обеспечивается, если удовлетворяется условие:

Р_ц + Р_в
––––— ≤ 0,55,                                            (20)
Р_ст
где (Р_ц + Р_в ) - дополнительная вертикальная нагрузка на колесо от действия центробежных сил и ветровой нагрузки, тс; Р_ст – статическая нагрузка от колеса на рельс, тс.

Статическая нагрузка Р_ст определяется по следующим формулам.

При расположении центра тяжести груза на пересечении продольной и поперечной плоскостей симметрии вагона:
           Q_т + Q_гр^о
Р_ст = ————–, тс                                                         (21)
                n_к

При смещении центра тяжести груза только поперек вагона :
              1                            b_с
Р_ст = —— (Q_т + Q_гр (1,0 - —— )), тс                           (22)
             n_k                                    S

При смещении центра тяжести груза только вдоль вагона - для менее нагруженной тележки:
              2        Q_т                             l_с
Р_ст = —— ( —— + Q_гр^о (0,5 - —— )), тс                      (23)
             n_к        2                         l_в
При одновременном смещении центра тяжести груза вдоль и поперек вагона - для менее нагруженной тележки:

            2    Q_т                         l_с                b_с
Р_ст = — ( —— + Q_гр^о (0,5 - ——)(1,0 - ——)), тс                     (24)
           n_к      2                          l_в                    S
где n_к - число колес грузонесущего вагона; S = 790 мм – половина расстояния между кругами катания колесной пары вагона колеи 1520 мм.

Дополнительная вертикальная нагрузка на колесо от действия центробежных сил и ветровой нагрузки определяется по формуле:
                    1
Р_ц + Р_в = ——— [0,075(Q_т +Q_гр^о ) Н_цт^о + W_пхh +1000 р], тс           (25)
                 n_к S
где W_п – ветровая нагрузка, действующая на части груза, выступающие за пределы кузова вагона, тс (рассчитывается по формуле (10)); p – коэффициент, учитывающий ветровую нагрузку на кузов и тележки грузонесущих вагонов и поперечное смещение ЦТ груза за счет деформации рессор (таблица 18); h – высота над уровнем головки рельса точки приложения ветровой нагрузки, мм. Точка приложения ветровой нагрузки определяется как геометрический центр наветренной поверхности груза, выступающей за пределы продольных бортов либо боковых стен вагона.

Особенности проверки устойчивости сцепа вагонов с размещенным на нем длинномерным грузом рассматриваются в разделе 11 настоящей главы.

10.4.2 Устойчивость груза в вагоне проверяется по величине коэффициента запаса устойчивости, который определяется по формулам:
– в направлении вдоль вагона (рисунок 31):

Рисунок 31-Варианты расположения упоров от опрокидывания груза в продольном направлении

                   l_пр^о
η_пр = ——————                                      (26)
             (h_цт - h_у^пр )
– в направлении поперек вагона (рисунок 32):

Рисунок 32-Варианты расположения упоров от опрокидывания груза в поперечном направлении

                             Q_гр b_п^о
η_п = ————————————–––– ,                            (27)
           F_п (h_цт -h_у^п ) + W_п (h_нп^п -h_у^п )
где l_пр^о , b_п^о - кратчайшие расстояния от проекции ЦТгр на горизонтальную плоскость до ребра опрокидывания соответственно вдоль и поперек вагона, мм; h_цт - высота ЦТ груза над полом вагона или плоскостью подкладок, мм; h_у^пр , h_у^п - высота соответственно продольного и поперечного упора от пола вагона или плоскости подкладок, мм; h_нп^п - высота центра проекции боковой поверхности груза от пола вагона или плоскости подкладок, мм; W_п – ветровая нагрузка, тс (рассчитывается по формуле (10)).

Груз является устойчивым и не требует дополнительного закрепления от опрокидывания, если значения η_пр и η_п не менее соответственно: при упругом креплении груза – 1,25, при жестком креплении – 2,0.

Если при упругом креплении груза значение ηпр либо ηп составляет менее 1,25, устойчивость груза должна быть обеспечена соответствующим креплением:
– грузы, значение η_пр либо η_п которых менее 0,8, а также грузы, для которых одновременно η_пр и η_п менее 1,25, следует перевозить с использованием специальных устройств (металлических кассет, каркасов и пирамид), конструкция и параметры которых должны быть обоснованы грузоотправителем расчетами;
– если значение η_пр либо η_п находится в пределах от 0,8 до1,0 включительно, то закрепление груза от поступательных перемещений и от опрокидывания рекомендуется выполнять раздельно, независимыми средствами крепления. При закреплении груза от опрокидывания в поперечном направлении растяжками следует стремиться к их установке таким образом, чтобы проекция растяжки на пол вагона была перпендикулярна к продольной оси вагона, а место закрепления растяжки на грузе находилось на максимальной высоте от уровня пола;
– если значение η_пр либо η_п находится в пределах от 1,01 до 1,25 включительно, допускается закреплять груз от опрокидывания и от поступательных перемещений едиными средствами крепления, воспринимающими как продольные, так и поперечные инерционные силы.

Если при жестком креплении груза значение η_пр либо η_п составляет менее 2,0, устройства жесткого крепления должны быть рассчитаны с учетом дополнительных нагрузок от некомпенсированного опрокидывающего момента.

10.4.3 При закреплении груза растяжками усилие в растяжках от опрокидывания определяется по формулам:
− в продольном направлении (рисунок 33):

Рисунок 33-Углы наклона растяжки для крепления от опрокидывания груза в продольном направлении

                       n F_пр (h_цт -h_у^пр ) - Q_гр l_пр^о
R_пр^о= ——————————————————--- , тс                                        (28)
                    n_р^пр (h_р сos α сos β_пр +l_пр^р sin α)

− в поперечном направлении (рисунок 34):

Рисунок 34-Углы наклона растяжки для крепления от опрокидывания груза в поперечном направлении

              n[F_п (h_цт -h_у^п )+W_п (h_нп^п - h_у^п )] - Q_гр b_п^о
R_п^о = —————————————————––– , тс                                 (29)
                   п_р^nр(h_р сos α сos β_п +b_п^р sin α)

где: α - угол наклона растяжки к полу вагона;
β_пр , β_п - углы между проекцией растяжки на горизонтальную плоскость и соответственно продольной, поперечной осями вагона;
n_р^пр , n_р^п - число растяжек, работающих в одном направлении;
l_пр^р, b_п^р - расстояния от точки закрепления растяжки на грузе до вертикальных плоскостей, проходящих через ребро опрокидывания соответственно в продольном, поперечном направлениях, мм;
h_р - высота точки закрепления растяжки на грузе относительно уровня пола вагона (подкладок), мм;
n – коэффициент запаса, величина которого принимается: n = 1,0 при η_пр(η_п) =1,0-1,25; n= 1,25 при η_п (η_пр) < 1,0.

Продолжение инструкции: