CC BY
15
Современные технологии. Механика и машиностроение
ш
формация и разрушение материалов. 2011. № 23. 3. С. 16-22.
19. Смелянский В. М. Механика упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием. М. : Машиностроение, 2002. 300 с.
20. Ланков А. А. Деформирование металлов сфе- 24. рой и подобие деформационных характеристик в упругопластической области // Фрикционный контакт деталей машин. Калинин : КГУ. 1984. С. 40-46. 25.
21. Огар П. М. К вопросу упругопластического внедрения сферического индентора / П. М. Огар, В. А. Тарасов, А. А. Дайнеко // Системы. Методы. Технологии. 2011. № 10. С. 14-16. 26.
22. Kim S. H. Quantitative determination of contact depth during spherical indentation of metallic ma-terials-a FEM study / S. H. Kim, B. W. Lee, Y. Choi, D. Kwon // Materials Science and Engineering. 2006.A 415. Р.59-65.
Огар П. М. Влияние характеристик упрочняемого материала на упругопластическое внедрение сферической неровности / П. М. Огар, В. А. Тарасов, А. В. Турченко // Системы. Методы. Технологии. 2011. № 4 (12). С. 29-34. Lee H. A numerical approach to sphericalindenta-tion techniques for material property evaluation / H. Lee, J. H. Lee, G. M. Pharr // J. Mech. Phys. Solids 2005. № 53, 2037-2069. Collin J.-M. Materials characterization by instrumented indentation using two different approaches / J.-M. Collin, G. Mauvoisin, P. Pilvin // Materials and Desing. 2010. v. 31. p. 636-640. Hemot X. Influence of penetration depth and mechanical properties on contact radius determination for spherical indentation / X. Hernot, O. Bartier, Y. Bekouche, G. Mauvoisin, R. El Abdi // International Journal of Solids and Structures. 2006. № 43. Р. 4136-4153.
УДК 656.223.2:51
Оленцевич Виктория Александровна,
ст. преподаватель, Иркутский государственный университет путей сообщения
т. (395-2) 638-328, е-mail: [email protected]
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ФОРМАЛИЗАЦИЯ ВЕЛИЧИНЫ СДВИГА ГРУЗА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ВНЕШНИХ СИЛ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОЙ И БЕЗОПАСНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ВАГОННОГО ПАРКА
V.A. Olentsevich
THE MATHEMATIC FORMALIZATION OF THE SIZE MOVEMENT ABILITY OF THE LOAD UNDER THE INFLUENCE OF THE EXTERNAL FORCE IN THE PURPOSE OF INSURANCE OF RELIABLE AND SAFE USAGE OF THE CAR PARK
Аннотация. В статье предложена усовершенствованная методика расчета пространственной системы сил путем математической формализации определения возможной величины сдвига груза, эквивалентной жёсткости креплений и натяжений в элементах креплений при воздействии пространственной системы сил на основе проведенного анализа полученных результатов математического моделирования крепления.
Ключевые слова: безопасность и надежность эксплуатации, система сил, вагон, крепление, сдвиг груза, физическая и математическая модель.
Abstract. The improved methods of space force system calculating by means of mathematic formaliza-tion of the size load movement determination, equivalent cruelty of fastening and tension in the elements of
fastening under the influence of space system on the base of the received results of the carried out tests and mathematic modeling fastening is suggested in this article.
Keywords: safety and reliability of service, force system, car, fastening, load movement, physical and mathematic model.
Политика обеспечения безопасности перевозочного процесса является приоритетным направлением деятельности железнодорожного транспорта, что необходимо:
- для повышения сохранности перевозимых грузов, а значит, качества предоставляемых услуг;
- снижения величины непроизводительных расходов на ликвидацию нарушений безопасности движения.
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
Добиться реализации данной политики наряду с дальнейшим развитием отрасли возможно за счет ужесточения требований к эксплуатируемому оборудованию и подвижному составу - его надежности, долговечности, эксплуатационной готовности, стоимости всего жизненного цикла, а также экологической безопасности. Чтобы удовлетворить данные требования, все пользователи подвижного состава должны постоянно совершенствовать технологию эксплуатации и технического обслуживания, внедряя при этом инновационные решения и новейшие технологии.
Согласно отчетным данным Департамента управления перевозками, являющегося центральным органом управления в ОАО «РЖД», за последние три года объемы перевозок непрерывно росли, что оказывает положительное влияние на экономические показатели работы отрасли. При этом наряду с ростом общих объемов перевозок грузов увеличилось и количество коммерческих браков, угрожающих безопасности движения, надежности вагонного и локомотивного парков, экологической обстановке [1].
Важной проблемой обеспечения безопасности движения поездов, от решения которой зависит состояние аварийности в вагонном хозяйстве, является нарушение правил погрузки грузов, расстройство погрузки в пути следования и техническое состояние элементов кузова грузовых вагонов.
Существенным фактором, влияющим на безопасность перевозки грузов, является состояние настила пола платформ. В связи с неисправностью деревянной части настила в 16 % случаев возникают проблемы с надежностью крепления груза через деревянные реквизиты крепления. В условиях отсутствия даже некоторых досок настила, под воздействием продольных сил в процессе движения вагона закрепленный груз вместе с имеющимися досками настила смещается в продольном направлении, разрушая крепежные реквизиты: упорные и распорные бруски, продольные растяжки и др.
В ряде случаев отсутствие или неисправность увязочных скоб внутри кузова полувагонов приводит к несоблюдению грузоотправителями нормативов крепления грузов, предусмотренных Техническими условиями (далее - ТУ, Технические условия), в части их достаточности для обеспечения безопасности движения поездов.
Характерным браком при перевозке машин и оборудования являются растяжение растяжек и продольный сдвиг, как всего груза, так и отдельных единиц погрузки. Действующие Технические условия устанавливают способы размещения
и крепления машин, отвечающие определенным требованиям, но к перевозке предъявляется много грузов, не предусмотренных ТУ, и поэтому на каждый такой груз отправителю необходимо выполнить расчет крепления. Несмотря на то, что расчеты и чертежи рассматриваются и утверждаются соответствующими структурными подразделениями железных дорог, данные случаи встречаются в 13 % отцепок, угрожающих безопасности движения по Восточно-Сибирской железной дороге
[5].
По роду подвижного состава большее количество коммерческих неисправностей приходится на платформы, а по причинам варьирует в зависимости от рода подвижного состава. Так, у платформ и полувагонов преобладает нарушение местных ТУ и ТУ, а у прочих - расстройство погрузки.
В соответствии со статьей 18 Устава железнодорожного транспорта, грузоотправители обязаны подготавливать грузы для погрузки и перевозки, обеспечивая при этом безопасность движения, сохранность груза и подвижного состава. Однако эти требования зачастую не выполняются из-за несовершенства методик расчета крепления грузов, которые не учитывают прогнозирование возможности сдвига груза при воздействии внешних факторов, о чем свидетельствует растущая статистика коммерческих неисправностей на сети железных дорог. Действующие ТУ не определяют возможность возникновения риска безопасности движения от сдвига груза в вагоне по направлению действия результирующей пространственной системы сил, оценки критерия допустимого значения натяжений в элементах креплений груза, а также не предусматривают расчета эквивалентной жесткости креплений при сдвиге [2, 3].
До настоящего времени не разработана теория креплений груза с грузовыми петлями на открытом подвижном составе при действии на систему «вагон - груз - крепления» пространственных систем сил. В нормативных документах не уделено внимание оценке безопасности движения по критерию сдвига груза относительно вагона, отсутствуют расчеты величины сдвига груза в вагоне. В связи с этим не дана оценка безопасности движения вагона с грузом с грузовыми петлями при его размещении как вдоль, так и поперёк вагона [4].
Следует оценить безопасность движения по критерию сдвига груза с грузовыми петлями относительно вагона построением динамической и математической моделей креплений симметрично размещённого груза как вдоль, так и поперёк вагона.
Современные технологии. Механика и машиностроение
ш
За основу математической модели принято воздействие пространственной системы сил, которое воспринимают вагон и дополнительные связи (упругие и упорные деревянные средства креплений). Рассмотрено, что груз весом G симметрично размещён относительно продольной и поперечной оси симметрии вагона, движущегося по прямому участку пути [6].
Приняты следующие обозначения: / и i - индексы, показывающие количество стоечных скоб
вагона и элементов креплений (/ = 1, пр - количество элементов креплений); 2L, 2В и 2Н - соответственно длина, ширина и высота груза; а, и aai -проекции элементов креплений одного направления на продольную ось вагона х (api и aüpj - то же другого направления); b¡ и ЪсЛ - проекции упругих элементов креплений одного направления на поперечную ось вагона у (bpj и bapi - то же другого направления); Л,, hah hpi и hapi - проекции упругих элементов креплений на вертикальную ось вагона z, /, и lai - длина упругих элементов креплений одного направления (lpj и lapi - то же другого направления); lwi и lwai - проекций длины упругих элементов креплений одного направления на по-
перечную ось вагона у (lwpi и lwapt - то же другого направления); а, и аш - углы, которые образуют элементы креплений с плоскостью пола вагона одного направления (а/п и aapi - то же другого направления); |3, и |317, - углы, которые образуют проекции элементов креплений (1Ш, 1аШ, 1рШ, 1арШ) на плоскость пола вагона одного направления с осью х (f)/); и fiapj - то же другого направления; Рou РОт, fv И рOapi ~ те же углы, только острые). Груз закреплён растяжками к стоечным скобам вагона в точках Aj, A aj. Apj и A lipi. а к его монтажным (грузовым) петлям - в точках M,, Mah Mpi и Mapi.
Рассмотрен общий случай сдвига груза (A<S) по направлению действия результирующей пространственных систем сил AF® (рис. 1).
На основании разработанных физических моделей (рис. 1) создана математическая модель, представляющая собой совокупность уравнений равновесия в форме Даламбера.
«Сдвигающие» и «удерживающие» силы вдоль и поперёк вагона:
F =/ •
сд.л; ех '
F
(1)
п
=1
Рис. 1. Физическая модель распределения нагрузки при состоявшемся сдвиге (при наличии боковой возмущающей нагрузки). а - пространственная; б - горизонтальная плоскости
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
рду=ly+К ; руд* =1Щу, (2)
1=1
или с учётом сил трения
пр
¥уЖ1у = f(G - Iz ) + 2 R°y • (3)
i=1
Зависимость удлинения элементов креплений от сдвига груза AS в плоскости пола вагона
(
M = À
Л
a- cos A,(i) + b sin V h h J
(4)
Отсюда следует, что удлинение в элементе крепления при действии пространственных систем сил произойдет лишь тогда, когда происходит сдвиг груза в плоскости пола вагона на величину М [7].
Зависимость сдвига груза (А5) в плоскости пола вагона при воздействии результирующей пространственных систем сил Д^(г) представим в виде
Д = ДТ", (5)
с
экв.
где Сэкв - эквивалентная жесткость элементов креплений по направлению действия пространственной силы, кН/м [8].
По величине сдвига груза в плоскости пола вагона (А5) определено натяжение Я7 в 7-х элементах креплений
"р А
Я, = ДЕ£ АВ, <[Я, ], (6)
¡=1 ч
где [АЛ] - допустимое значение натяжения, в креплениях определяемое по техническому условию размещения и крепления грузов в вагонах и контейнерах в зависимости от количества нитей п и диаметра ^ проволоки креплений.
Полученная методика расчета пространственной системы сил усовершенствована математической формализацией определения возможной величины сдвига груза, эквивалентной жесткости креплений и натяжений в элементах креплений при воздействии пространственной системы сил на основе проведенного анализа полученных результатов математического моделирования крепления. Полученная методика учитывает физико-геометрические характеристики элементов крепления, значения внешних сил, воспринимаемых креплением и грузом. Усовершенствованная методика может быть использована при контроле соблюде-
ния грузоотправителями ТУ, а также в целях обеспечения надежной и безопасной эксплуатации подвижного состава.
Разработанная математическая модель дает возможность уменьшения потребного числа растяжек по сравнению с расчетами по действующим ТУ с соблюдением условий надежности крепления груза на открытом подвижном составе. Модель позволяет рассчитать необходимое число растяжек при усложнении условий перевозки груза (увеличении возможных рисков коммерческих браков). Решение в каждом конкретном случае остается за грузоотправителем.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Концепция формирования хозяйственного комплекса в системе управления Дирекции управления движением в составе ОАО «РЖД». ОАО «РЖД» М. : 2008. 179 с.
2. Технические условия размещения и крепления грузов в вагонах и контейнерах. М. : Юртранс, 2005. 544 с.
3. Приложение 14 к СМГС «Правила размещения и крепления грузов в вагонах и контейнерах». -М. : Планета, 2005. 191 с.
4. Совершенствование способов размещения и крепления грузов в вагонах : труды ВНИИЖТ / под ред. А. Д. Малова. М. : Транспорт, 1970. Вып. 421. 136 с.
5. Выполнение производственно-экономических показателей работы ВСЖД по итогам 2009, 2010, 2011 гг. : отчетные данные ДУД ВСЖД, -Иркутск.: ВСДЖ, 2011.
6. Туранов Х. Т. Теоретическая механика в задачах грузовых перевозок : монография. Новосибирск : Наука, 2009. 376 с.
7. Оленцевич В. А. Разработка методики по обоснованию технологии креплений в вагоне груза при воздействии пространственной системы сил // Транспорт: наука, техника и управление. - 2010. № 9. С. 28-32.
8. Тимухина Е. Н. Результаты расчетов эквивалентной жесткости гибких упругих элементов креплений груза при воздействии пространственных систем сил / Е. Н. Тимухина, В. А. Оленцевич // Безопасность движения поездов : тр. XI науч.-практич. конф.». М. : МИИТ, 2010.
п
р
