CC BY
26
УДК 656.2 Упырь Роман Юрьевич,
к. т. н., доцент, заведующий кафедрой «Управление эксплуатационной работой», Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. +7 (3952) 999626, e-mail: upyr.roman@gmail.com
Кузнецова Александра Игоревна, аспирант кафедры «Управление эксплуатационной работой», Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. +7 (9021)725954, e-mail: aleksandrakuznetcova92@gmail.com
Кожевников Вадим Александрович, аспирант кафедры «Управление эксплуатационной работой», Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. +7 (9025)101196, e-mail: i227@yandex.ru
МЕТОДИКА ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО СИНТЕЗА ПРОВОЛОЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КРЕПЛЕНИЯ
R. Yu. Upyr, A. I. Kuznetcova, V. A Kozhevnikov
METHODS OF GEOMETRICAL SYNTHESIS OF WIRE ELEMENTS OF FASTENING
Аннотация. Анализ работ в области размещения и крепления грузов в вагонах показывает, что разработанные к настоящему времени частные методики не могут быть использованы для решения задач оценки устойчивости и определения параметров крепления грузов с плоской опорой на открытом подвижном составе с учетом особенности перевозки и размещения этих грузов. В данной статье приведен анализ данных по коммерческим неисправностям, где большое количество случаев расстройства реквизита крепления приходится на проволочные элементы. Выявлена и обоснована необходимость построения методики геометрического синтеза проволочных элементов крепления. Детально рассмотрена структура проволочной растяжки. Предложен подход к геометрическому синтезу проволочных растяжек, позволяющий обеспечить надежное закрепление груза на подвижном составе, а также определить параметры, необходимые при переходе к динамическим расчетам усилий.
Ключевые слова: проволочная растяжка, крепежный элемент, свивка, крепление груза, расчет усилий, коммерческие неисправности.
Abstract. The analysis of works in the field of placement and fastening of freights in cars shows that the private methods developed so far can't be used for the solution of problems of an assessment of stability and determination of parameters of fastening of freights with a flat support on an open rolling stock taking into account feature of transportation and placement of these freights. This article provides an analysis of data on commercial defects, where a large number of cases of disorder accrues to fastening element falls on the wire elements. Need for creation of a technique of geometrical synthesis of wire elements of fastening is revealed and proved. We discuss the structure of the wire stretching. An approach to the synthesis of geometric wires stretching, allowing to fix cargo safely on rolling stock, as well as to define the parameters required for the transition to a dynamic calculation of effort is proposed.
Keywords: wire stretching, fixing element, lay, fastening of freight, calculation of efforts, commercial failures.
Введение
Обеспечение безопасности движения, выполнение графика движения поездов, снижение накладных расходов и времени нахождения вагонов под грузовыми операциями, а также снижение количества случаев брака являются приоритетными задачами железнодорожного транспорта.
Анализ данных по случаем устранения коммерческих неисправностей, к примеру по станции Иркутск-Сортировочный Восточно-Сибирской железной дороги (рис. 1) показал, что большое количество случаев расстройства реквизита крепления приходится на проволочные элементы крепления. Анализ приведен по паркам станции. Данные получены путем наблюдения.
Из рис. 1 можно сделать вывод, что общее количество возникновений коммерческих неисправностей из-за расстройства проволочных элементов крепления за 2013 год составило 2733 случая, в частности по паркам: НПП (нечетный парк приема) - 1361 случай; НПО (нечетный парк отправления) - 122 случая; ЧПП (четный парк приема) - 578 случаев, ЧПО (четный парк отправления) - 672 случая. Работы по исправлению «дефектов» проволочных элементов крепления (ПЭК)
в таком объеме существенно замедляют процесс организации работы станции, вызывают простои и т. п. В связи с приведенными данными необходимо правильное геометрическое построение проволочных элементов крепления, которое имеет большое значение для надежного закрепления груза на подвижном составе. К проволочным элементам крепления относятся проволочные растяжки, обвязки, стяжки и увязки [1].
Закрепление грузов при помощи проволочных средств крепления, расчет усилий, мест закрепления и установки, количество и качество используемых материалов описаны в нормативном документе [1]. Однако следует отметить, что методика изготовления самих крепежных элементов детально не разработана, а имеются только общие указания [1], что, в свою очередь, приводит к возникновению «расстройства» погрузки грузов на железнодорожном подвижном составе и создает угрозу безопасности движения поездов.
Правильное геометрическое построение, к примеру, проволочной растяжки имеет большое значение для обеспечения надежного закрепления груза на подвижном составе [10, 11]. Необходимость оптимального геометрического построения
проволочной растяжки в зависимости от диаметров проволок и пряди вызвана потребностью в определении радиусов, углов и шагов их свивки -параметров, необходимых при расчете проволочных элементов крепления [10]. Эти параметры являются основополагающими при переходе к динамическим расчетам и усилиям [11], когда формирование прямой проволоки или пряди в винтовой элемент проволочной растяжки сопровождается изгибом и кручением; поэтому ее напряженное состояние и качество свивки в значительной мере зависят от способа и качества изготовления.
Методика определения геометрических параметров проволочных растяжек Проволочная растяжка как реквизит крепления грузов на открытом железнодорожном подвижном составе представляет собой упругий элемент, свитый из проволоки различного диаметра [1]. После свивки (изготовления проволочной растяжки) она может рассматриваться при силовом статическом и динамическом расчете по структуре как тросовый элемент или канат [4, 5].
Детальное рассмотрение структуры проволочной растяжки (рис. 2) позволяет выделить несколько характерных зон контактного взаимодействия проволок между собой:
- зоны закрепления, расположенные в местах крепления к грузу или вагону;
- зоны свивки (Т - правая и 8 - левая свивка, рис. 3);
- зона установки устройства для свивки.
Рис. 3. Правая (а) и левая (б) свивка
Направление винтовой линии определяется относительно точки закрепления за грузовое устройство железнодорожного подвижного состава. Элемент проволочной растяжки (проволока) расположен по винтовой линии, параметры которой приведены на рис. 4, а, б.
Рис. 4. Параметры свивки (а) и развертка винтовой линии (б): d- диаметр проволочной растяжки; r, a, H - радиус,
угол и шаг свивки; L — H / COS a — 2ur / sin a - длина винтового элемента на шаге свивки проволочной растяжки
Если рассматривать проволочные растяжки в виде модели проволочного каната или троса, то их можно отнести к классу канатов одинарной свивки или спиральным, состоящим из одного
спирального слоя проволок [4, 5]. В зависимости от количества нитей в растяжке (табл. 1) и способа свивки [1] можно предложить условное разделение на растяжки с линейным касанием проволок между собой и на растяжки с точечным касанием проволок между собой [1]. В табл. 1 представлены аналитические выражения для диаметров проволочных элементов крепления в зависимости от числа нитей. Диаметры проволок, представленных в таблице, равны между собой.
Для определения геометрических параметров проволочных растяжек введем систему координат, используемую в работах [4, 5]. Опираясь на аналитический аппарат теории построения стальных канатов [4, 5] и используя некоторые ее положения, покажем возможность расчета геометрических параметров проволочных растяжек.
При выборе необходимой системы координат, используя обозначения на рис. 4, покажем, что ось проволоки в проволочной растяжке представляет собой обыкновенную винтовую линию 5 на круговом базисном цилиндре (рис. 5).
Т а б л и ц а 1
Диаметр свивки в зависимости от числа нитей
Коли-
Количес- чество
тво нитей Изображение Формула нитей Изображение Формула
в растяжке в растяжке
2 i i Dce — 2гсв — 2кпр D — 2 г — 2Г J—'св -L св -L пр 5 i i D — 2Г — 4Г J—'св -L св -L пр
3 i i 4Г ■р\ _ п . _ 1 пР ^^св Гсв ^ 6 1 i D — 2Г — 4Г J—'св -L св -L пр
i 1
D — 2г — 4Г -Ь-'св i-св 1 пр 7 -Ц- D —2Г —4Г св св пр
4 1
i
i 4Г ■р\ — О . — LnP ^^св Гсв 8 D — 2Г — 4Г л/э -1—'св Л. св Л- пр
Транспорт
ш
Рис. 5. Выбор системы координат
Как это сделано в теории проектирования стальных канатов, введем необходимые нам определения [4, 5]:
1. При определении параметров для проволочной растяжки будем полагать, что винтовая линия 5 пересекает образующие цилиндра под постоянным углом свивки а.
2. Введем для проволочной растяжки обобщенное понятие основного элемента (проволоки), ось которого имеет форму обыкновенной винтовой линии независимо от порядка ее свивки.
3. Введем систему декартовых координат х,
y, z и обозначим орты соответственно через i, j,k .
При этом уравнение винтовой линии s в параметрической форме запишется так: x = rctga;
y = r cos ф; (1)
z = r sin ф.
Длина цилиндра h = х, на которой винтовая линия совершает один полный оборот вокруг его оси, равна шагу винтовой линии:
h = 2rcctga, (2)
который для проволочных растяжек будем называть шагом свивки [6]. На практике у проволочной растяжки легче всего измерить радиус r (или диаметр) и шаг свивки h, по которым можно определить угол свивки из выражения
2кг
tg a = ——. (3)
h
Длину дуги винтовой линии можно определить из выражения [5, 6]:
x Гф
s =-= (4)
cos a sin a
Обобщенным параметром, отвечающим принципу геометрического подобия, является кратность свивки [6] - отношение шага свивки к внешнему диаметру проволочной растяжки:
k = h (5)
а
Если, к примеру, полагать, что проволочная растяжка представляет собой тонкий упругий пространственный криволинейный стержень, то можно обратиться к ГОСТ 3241-55, согласно которому кратность свивки при точечном контакте не должна превышать 11, при линейном контакте - 10. Поскольку кратность свивки к есть безразмерный параметр, то однотипные пряди, свитые с одинаковой кратностью, будут всегда геометрически подобны.
Для ряда геометрических и силовых расчетов кроме полярных и декартовых координат удобно ввести систему подвижных координат Ь, п, t, связанных с винтовой осью основного элемента проволочной растяжки таким образом, что:
- ось ^ является касательной к винтовой
оси;
- ось п является продолжением полярного радиуса г в данной точке;
- ось Ь нормальна к первым двум так, что трехгранник Ь, п, ^ образует правую систему координат. Единичные орты осей обозначим соответственно Ь, п, £ (рис. 6).
Рис. 6. Система подвижных координат
Пользуясь известными зависимостями из аналитической геометрии [5], при заданных углах а и ф определим направляющие косинусы осей Ь, п, ^ в системе координат х, у, z, которые приведены в табл. 2.
Т а б л и ц а 2
Подвижные координаты х y z
b sin a cos a sin ф - cosa cosф
n 0 cos ф sin ф
t cos a - sin a sin ф sin a cos ф
Использование вышеизложенной методики позволило определить все геометрические параметры для проволочных элементов крепления, применяемых на железнодорожном транспорте, в частности для проволочной растяжки длиной 1000 мм из проволоки диаметром 6 мм в 8 нитей. Общая длина проволоки для ее изготовления в зависимости от кратности свивки составляет в зоне свивки от 8,4 м до 11,4 м. Расчет производился для сегментов зон свивки. Данная методика позволяет также определить с достаточно большой точностью массу каждого элемента крепления в зависимости от кратности свивки. К примеру, вес проволочной растяжки длиной 1000 мм из проволоки диаметром 6 мм в 8 нитей в зоне свивки в зависимости от кратности свивки составляет от 1,8 кг до 2,5 кг. По существующей методике расчета веса реквизита крепления масса проволочной растяжки из проволоки диаметром 6 мм в 8 нитей составляет 1,7 кг.
Заключение
При представлении проволочной растяжки, применяемой на железнодорожном транспорте в качестве крепежного элемента, в виде упругого пространственного криволинейного стержня и при использовании теории проектирования и расчета стальных канатов и тросов [4, 5] появляется возможность синтезировать аналитический аппарат для геометрического расчета проволочных растяжек и определения их основных параметров [13].
Предлагаемая методика геометрического синтеза проволочных растяжек позволяет более точно определить необходимые для практического использования параметры проволочной растяжки: количество проволоки и массу проволочного элемента крепления после изготовления проволочной растяжки [12], а также создает необходимую базу для перехода к динамическим расчетам.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИИ СПИСОК
1. Технические условия размещения и крепления грузов в вагонах и контейнерах. М. : Юртранс, 2003. 544 с.
2. Красноруцкий Д.А. Динамика предварительно деформированных тонких упругих стрежней . автореф. дисс. ... канд. техн. наук. Новосибирск, 2011. 19 с.
3. Упырь Р.Ю. Динамический синтез механических колебательных систем. Особенности пространственных форм соединения элементарных звеньев. Lambert Academic Publishing, 2011. 248 с.
4. Малиновский В.А. Стальные канаты. Ч. 1. Некоторые вопросы технологии, расчета и проектирования. Одесса : Астропринт, 2001. 188с.
5. Глушко М.Ф. Стальные подъемные канаты. Киев : Техника, 1966. 327 с.
6. Упырь Р.Ю., Тимофеева М.В. Динамическое напряжение как форма оценки состояния механических колебательных систем // Перспективы науки. 2013. № 12 (51). С. 62-67.
7. ГОСТ 3241-91 Канаты стальные. Технические условия. Введ. 01.01.1993. М. : Стандартинформ, 2008.
8. ГОСТ 2590-88 Прокат стальной горячекатаный круглый. Введ. 01.01.1990.
9. ГОСТ 3282-74 Проволока стальная низкоуглеродистая общего назначения. Технические условия. Введ. 01.07.1975. М. : Стандартинформ, 2007.
10. Упырь Р.Ю., Кроль Н.В. Возможности определения основных параметров проволочной растяжки // Транспортная инфраструктура Сибирского региона : материалы пятой междунар. науч.-практ. конф., посвященной 40-летию начала строительства Байкало-Амурской магистрали, Иркутск, 31 марта-4 апр. 2014 г. : В 2 т. - Иркутск, 2014. С. 81-84.
11. Упырь Р.Ю., Тимофеева М.В., Родионов Е.Д. О натяжении проволочных растяжек // Железнодорожный транспорт. 2014. № 4. С.19-20.
12. Упырь Р.Ю., Кузнецова А.И., Кожевников В.А. К вопросу определения предварительного натяжения проволочных средств крепления // Наука. Техника. Технологии. 2014. № 4. С. 108-115.
13. Кузнецова А.И., Упырь Р.Ю. Математическое моделирование структуры проволочных элементов крепления // Мир науки глазами современной молодежи : материалы Всерос. науч. конф. Ставрополь, 2014. С. 160-165.
