Разработка конструкции и расчет элементов крепления груза в вагоне

2.4.5. Разработка конструкции и расчет элементов крепления груза в вагоне

2.4.5.1. Требования к конструкции крепления грузов в вагоне и рекомендации по ее разработке

Конструкция крепления груза должна обеспечивать:

устойчивость груза от поступательных перемещений и опрокидывания в вагоне;

сохранность грузов при их взаимодействии между собой при перевозке (штабельная, групповая погрузка);

сохранность кузова вагона при использовании его элементов для восприятия динамических нагрузок от отдельных единиц и группы грузов (например, упор в торцовый и боковые борта платформы, в угловые стойки и порожек полувагона).

Способ и конструкция крепления груза устанавливается в зависимости от конфигурации груза, типа подвижного состава, способа размещения груза в вагоне (например, на подкладках, на турникетных опорах), величины продольных и поперечных нагрузок. Основные рекомендации по выбору элементов крепления для разработки конструкции крепления груза в вагоне приведены в таблице 2.22.

Груз от поступательных перемещений закрепляют растяжками, упорными и распорными брусками, обвязками и другими приспособлениями.

При разработке способов крепления грузов рекомендуется обеспечивать их продольную устойчивость одним видом крепления.

Грузы (например, панели, фермы), которые при размещении в вагонах без дополнительных приспособлений подвержены опрокидыванию и при этом могут повреждать вагоны, следует перевозить на открытом подвижном составе с использованием специальных металлических кассет, каркасов и пирамид, параметры и конструкция которых должны быть обоснованы расчетами. Без этих устройств указанные грузы могут перевозиться только после соединения в монолитный блок, который не подвержен опрокидыванию. Для скрепления грузов в блок следует использовать уголки, швеллеры и другие профили сталей, болтовые и сварные соединения.

Таблица 2.22

Грузы	Перемещения	Крепления
Штучные и тяжеловесные с плоскими опорами	Поступательные перемещения вдоль и поперек	Торцовые и боковые стойки, бруски, растяжки и обвязки
Опрокидывание вдоль и поперек вагона	Растяжки и обвязки, подкосы, каркасы, пирамиды
Цилиндрические формы	Поступательные перемещения вдоль и поперек	Торцовые и боковые стойки, растяжки и обвязки
Перекатывание вдоль и поперек вагона	Бруски, обвязки, растяжки
На колесах	Перекатывание вдоль и поперек вагона	Бруски, растяжки
Поступательные перемещения вдоль и поперек	Бруски, растяжки
Однородные, уложенные штабелями	Продольные перемещения вдоль вагона и поперечный развал штабеля	Боковые стойки, обвязки, щиты, прижимы
Длинномерные	Продольные и поперечные перемещения, опрокидывание поперек вагона	Обвязки, растяжки, прижимы, подкосы, упоры

Если коэффициент запаса устойчивости груза от опрокидывания в одном из направлений (продольном или поперечном) находится в пределах 0,8 - 1,0, то от поступательных перемещений груз рекомендуется удерживать одним типом крепления, например, брусками, а от опрокидывания - другим креплением, в качестве которого могут применяться растяжки. При перевозке грузов, подверженных опрокидыванию поперек вагона, следует стремиться к установке растяжек таким образом, что6ы проекция растяжки на пол вагона была перпендикулярна к его продольной оси, а место закрепления растяжек на грузе находилось в верхней части груза.

Если коэффициент запаса устойчивости груза от опрокидывания вдоль или поперек вагона равен 1,01-1,25, то груз может закрепляться растяжками, одновременно воспринимающими продольные и поперечные нагрузки. Число нитей проволоки в растяжке или ее сечение должно определяться по наибольшему суммарному усилию, возникающему в растяжке от поступательных перемещений и опрокидываний вдоль или поперек вагона.

Перевозка грузов, коэффициент запаса устойчивости от опрокидывания которых в одном из направлений менее 0,8 или одновременно в продольном и поперечном направлениях не более 1,0 должна осуществляться с использованием специальных устройств (например, каркасов, пирамид, рам), полностью предотвращающих их опрокидывание.

Грузы цилиндрической формы и на колесном ходу закрепляются от перекатывания упорными брусками совместно с обвязками или растяжками (рисунки 2.27, 2.28).

Рисунок 2.27 Схема к расчету крепления цилиндрического груза (колес) упорными брусками от перекатывания

Рисунок 2.28 Схема к расчету крепления цилиндрического груза от перекатывания и сдвига упорными брусками и обвязками

При креплении грузов распорными брусками их число на секцию борта при установке напротив стоечных скоб не должно быть более двух, напротив клиновых запоров - не более трех.

2.4.5.2. Определение сил, воспринимаемых креплением

Продольное DFпр и поперечное DFп усилия, которые воспринимают крепежные устройства и элементы крепления, определяют по формулам:

DFпр= Fпр - Fтрпр ; (2.37)

DFп = n ( Fп + Wп ) - Fтрп ; (2.38)

где n - коэффициент запаса, значения которого принимают равным 1,0 при разработке способов размещения и крепления грузов, включаемых в сетевые или местные технические условия, и 1,25 для способов перевозки грузов, утверждаемых отделениями железных дорог отправления.

Усилия могут восприниматься как одним видом крепления, так и сочетанием нескольких видов. Суммарная нагрузка, воспринимаемая различными видами крепления, не должна быть меньше полученной расчетом по формулам (2.37) и (2.38):

DFпр= DFпрр + DFпрб + DFпроб+….. , (2.39)

DFп = DFпр + DFпб + DFпоб+….. , (2.40)

где DFпрр, DFпр, DFпрб , DFпб, DFпроб, DFпоб - доли продольного или поперечного усилия, воспринимаемые соответственно растяжками, брусками, обвязками и прочими видами крепления.

При использовании нескольких видов креплений нагрузку между ними распределяют относительно равномерно.

2.4.5.3. Расчет проволочных растяжек

Расчетные усилия в растяжках определяются с учетом возможных перемещений грузов под действием приложенных к ним сил. Возможный характер перемещений груза оценивается по величине коэффициента запаса его устойчивости от опрокидывания:

hпр (п) ³ 1.25 - груз устойчив от опрокидывания и может сдвигаться только поступательно;

hпр (п) = (1груз может сдвигаться поступатель-

но и опрокидываться

hпр (п) £ 1.00 - груз неустойчив от опрокидывания и может наклоняться.

Для грузов устойчивых от опрокидывания расчетное усилие в растяжках, закрепляющих груз, определяется с учетом увеличения сил трения груза по полу вагона или подкладкам от действия вертикальной составляющей расчетного усилия (рисунок 2.29).

Рисунок 2.29-Схема к расчету усилия в растяжках, закрепляющих груз от поступательных перемещений

Расчетное усилие в растяжках, закрепляющих груз от поступательных перемещений, рассчитывают по формулам:

от действия нагрузок в продольном направлении (первое расчетное сочетания сил)

  DFпрр

Rр iпр= ————————————— ; (2.41)

nрпр (m sin ai + cos ai cos bпр i)

от действия нагрузок в поперечном направлении (второе расчетное сочетание сил)

DFпр

Rр iп= ———————————— ; (2.42)

nрп ( m sin ai + cos ai cos bпi)

где Rр iпр, Rр iп - усилия в растяжке;

nрпр, nрп - общее количество растяжек, работающих одновременно в одном направлении;

ai - угол наклона растяжки i-того типа к полу вагона;

bпрi, bпi - углы между проекцией растяжки на горизонтальную плоскость и продольной и поперечной осями вагона.

При закреплении грузов, подверженных опрокидыванию относительно вагона (коэффициент запаса устойчивости от опрокидывания меньше единицы), усилие в растяжках определяется с учетом действия только продольной или поперечной горизонтальной инерционной силы и силы массы груза. В поперечном направлении дополнительно должна учитываться ветровая нагрузка.

Усилие в растяжках, закрепляющих грузы, подверженных опрокидыванию, определяется по формулам:

в продольном направлении (рисунок 2.30)

nFпр(hцт – hпру) - Qгр lопр

R oпр i = (2.43)

nпрр lпер i cos gi

в поперечном направлении (рисунок 2.31)

n[Fп (hцт - hпу) + Wп(h пнп - hпу)] - Qгр bопр

Rоп i = (2.44)

nпр bпер i cos ji

где nпрр, nпр - общее число растяжек, закрепляющих груз от опрокидывания;

lперi, bперi - проекции кратчайшего расстояния от ребра опрокидывания до растяжки i-го типа соответственно на продольную и поперечную вертикальные плоскости;

gi - угол между проекцией растяжки i-го типа на продольную вертикальную плоскость и растяжкой;

ji - угол между проекцией растяжки i-го типа на поперечную вертикальную плоскость и растяжкой;

n - коэффициент, значения которого принимаются равными: 1,0 при запасе устойчивости груза от опрокидывания 1,0 и более, 1,25, если запас устойчивости груза от опрокидывания менее 1,0.

Рисунок 2.30-Схема к расчету усилия в растяжках, закрепляющих груз от опрокидывания в продольном направлении

Рисунок 2.31-Схема к расчету усилия в растяжках, закрепляющих груз от опрокидывания в поперечном направлении

При закреплении грузов, имеющих коэффициент запаса устойчивости от опрокидывания в пределах 1,01-1,25, растяжка должна рассчитываться по наибольшему суммарному усилию, возникающему в ней от поступательных перемещений и опрокидываний вдоль или поперек вагона.

В этом случае усилие в растяжке от поступательных перемещений подсчитывается по формулам (2.41) и (2.42), а от опрокидывания по формулам (2.43) и (2.44).

Количество нитей проволоки в растяжке или ее сечении определяется по большему усилию R пррi или R прi. В случаях применения растяжек, предназначенных для работы только в одном направлении (продольном или поперечном), расчет растяжек производится от действия сил только первого или только второго расчетного сочетания сил.

Допускаемые усилия на растяжки из проволоки приведены в таблице 2.23, на растяжки из тросов стандарта SFS 2408 "Универсальные стальные тросы" - в таблице 2.24.

Несущая способность группы растяжек, закрепляющих грузы, устойчивые от опрокидывания (совершающие только поступательные перемещения) может быть определена по формуле:

в продольном направлении

n

Fрпр=ånпррi*Rпррi(msinai + cosai*cosbпрi), (2.45)

i=1

в поперечном направлении

n

Fрп=ånпрi*Rпрi(msinai + cosai*cosbпi). (2.46)

i=1

Здесь Rпррi, Rпрi - допускаемое усилие в растяжке i-го типа; для растяжек из проволоки это усилие определяется в зависимости от диаметра проволоки и количества нитей проволоки в растяжке по таблице 2.23;

nпррi, nпрi - число растяжек i-го типа, работающих в одну сторону.

Таблица 2.23

Допускаемые усилия на крепления из проволоки

Число нитей в креплении	Допускаемое усилие, кгс, на крепление из проволоки диаметром, мм
4,0	4,5	5,0	5,5	6,0	6,3	6,5	7,0	7,5	8,0
2	270	350	430	530	620	680	730	850	970	1100
3	405	525	645	795	930	1020	1095	1275	1455	1650
4	540	700	860	1060	1240	1360	1460	1700	1940	2200
5	675	875	1075	1325	1550	1700	1825	2125	2425	2750
6	810	1050	1290	1590	1860	2040	2190	2550	2910	3300
7	945	1225	1505	1855	2170	2480	2555	2975	3395	3850
8	1080	1400	1720	2120	2480	2720	2920	3400	3880	4400

Таблица 2.24

Допускаемые нагрузки, кгс, на стальные тросы

стандарта SFS 2408

Группа	Диаметр троса, мм
6	7	8	9	10	11	12	13	14	16	18	20
1	1050	1430	1880	2380
2			1870	2360	2920	3530	4200	4930	5720	7470	9460	11680
3				2360	2920	3530	4200	4930	5720	7470	9460	11680
4			1860	2350	2900	3510	4180	4900	5690	7430	9400	11610
5										7200	9120	11250
6			1400	1780	2200	2660	3160	3710	4310	5620	7120	8790

Примечание - Промежуточные значения рассчитывать линейной интерполяцией

Методика расчета проволочных растяжек различной длины, расположенных под различными углами к полу вагона приведена в Приложении № 6 к настоящим Правилам.

2.4.5.4. Расчет проволочных обвязок

Расчетное усилие в обвязке для крепления груза от продольного или поперечного смещения

DFпр (п)об

Rоб пр(п) = ——————; (2.47)

2 nобm sin a

где nоб  - количество обвязок.

Расчетное усилие в обвязке для крепления цилиндрического груза от перекатывания поперек вагона при условии подклинки груза упорными брусками (рисунок 2.28) определяется по формуле:

1,25[Fп (D/2 - hуп) + Wп (hнпп - hуп)] - Qгр bпо 

Rпоб = ——————————————————— ; (2.48)

nобп  bпер 

где nобп  - число обвязок,

D, мм - диаметр груза.

2.4.5.5. Расчет гвоздевого крепления

Число гвоздей для крепления бруска к полу вагона, промежуточному элементу крепления (опоры, подкладки и т. п.) определяется:

от перемещений вдоль вагона

DFпрпр

nгвб = ————; (2.49)

nбпрRгв

от перемещений поперек вагона

DFпп

nгв  = ————; (2.50)

nбп Rгв

где nбпр , nбп  - количество упорных или распорных брусков, одновременно работающих в одном направлении;

Rгв - допускаемая нагрузка на один гвоздь, принимаемая по таблице 2.25, 2.26.

Таблица 2.25

Допускаемые усилия на гвозди круглого сечения

Диаметр гвоздя, мм	Длина гвоздя, мм	Допускаемое усилие, кгс, на гвоздь при толщине деталей 40 мм и более
5,0 6,0 8,0	120-150 150-200 250	75 108 192

Таблица 2.26

Допускаемые усилия на гвозди квадратного сечения

Тип гвоздя	Сечение стержня гвоздя, мм х мм	Длина гвоздя, мм	Допускаемое усилие на гвоздь, кгс	Эквивалентный гвоздь круглого сечения, мм
75х28 100х34 125х42 150х51 175х55 200х55 250х65	2,8х2,8 3,4х3,4 4,2х4,2 5,1х5,1 5,5х5,5 5,5х5,5 6,5х6,5	75 100 125 150 175 200 250	60 90 125 175 185 185 220	-- 5 6 -- -- -- 8

Число гвоздей для крепления одного упорного бруска к полу вагона, закрепляющему цилиндрический груз (колеса машин) от перекатывания, определяется по формулам:

вдоль вагона (рисунок 2.27)

Qгр (ctg a - m)

nгвпр= ———————— ; (2.51)

nбпр Rгв

поперек вагона (рисунок 2.28)

Qгр (ctg a - m)

nгвп= ———————— ; (2.52)

nбп Rгв

2.4.5.6. Расчет деревянных элементов креплений

Расчет подкладок и досок пола на допускаемые напряжения изгиба, сжатия (смятия) производится по формулам:

М

sи = ——— ; (2.53)

W

(Nпо+Fпв)

sс = ; (2.54)

Sо

где Nпо - нагрузка на подкладку от массы груза (Qгр) и вертикальной составляющей от усилий, действующих в растяжках (Rр), обвязках (Rоб) при действии поперечных инерционных сил, кгс;

Rрв =nр Rрп sina ; (2.55)

Rоб в = 2nоб Rобп sina; (2.56)

Fпв - вертикальная инерционная сила, действующая на подкладку, кгс;

Sо - проекция площадки опирания груза на одну подкладку на горизонтальную плоскость, см2;

M - изгибающий момент, кгс. см;

W - момент сопротивления изгибу бруска прямоугольного сечения, см3:

W = b h2/6, (2.57)

где Ь - ширина бруска, см;

h - высота бруска, см.

Допускаемые напряжения для деталей из сосны и ели приведены в таблице 2.27. Для расчета допускаемых напряжений для других пород древесины следует пользоваться поправочными коэффициентами, приведенными в таблице 2.28.

Для настила пола платформы применяются сосновые или еловые доски первого сорта толщиной 48-55 мм, шириной 150 мм.

Таблица 2.27

Допускаемые напряжения в съёмных деревянных деталях

креплений и деталях вагонов

Вид напряжения	Допускаемое напряжение, кг/см2
Для съемных деталей крепления	Для деталей вагонов
Изгиб Растяжение вдоль волокон Сжатие и смятие вдоль волокон Сжатие и смятие поперек волокон Смятие местное поперек волокон на части дли-ны (если длина свободного конца детали сос-тавляет 100 мм или более, но не менее ее толщины) Смятие местное под шайбами при передаче нагрузки поперек волокон, перпендикулярно или под углом не менее 600 Скалывание в лобовых врубках при условии, что длина скалывания не превышает двух полных толщин вставляемой детали или 10 глубин врубки: вдоль волокон поперек волокон Скалывание вдоль волокон в щековых врубках при условии, что длина скалывания не превышает пяти полных толщин детали в сопряжениях деталей под углом: менее 300 300 и более Срез поперек волокон	120 85 120 18 30 40 12 6 6 4 55	85 60 85 12 20 -- -- -- -- -- 40

Примечание - При использовании других пород древесины допускаемое напряжение, приведенное в данной таблице, необходимо умножить на переводной коэффициент, приведенный в таблице 2.28.

Таблица 2.28

Поправочные коэффициенты для допускаемых напряжений

различных пород древесины

Порода древесины	Поправочные коэффициенты
Растяжение, изгиб, сжатие и смятие вдоль волокон	Сжатие и смятие поперек волокон	Скалывание
Лиственница Сосна якутская, пихта кавказская, кедр Сосна и ель Кольского полуострова, пихта Дуб, ясень, граб, клен, акация белая Береза, бук, ясень дальневосточный	1,2 0,9 0,8 1,3 1,1	1,2 0,9 0,8 2,0 1,6	1,0 0,9 0,8 1,6 1,3

2.4.5.7. Прочностные расчеты деталей и узлов крепления грузов, выполненных из металлов и других материалов, и узлов и деталей вагонов.

Площадь поперечного сечения, см2, например, растяжек, обвязок, распорок, упоров, воспринимающих осевую нагрузку

S > R/[s], (2.58)

где R - усилие в элементе крепления, кгс;

[s] - допускаемые напряжения для материала, из которого выполнен элемент крепления, кг/см2.

Допускаемые напряжения для сталей в элементах крепления грузов следует принимать равными при обеспечении продольной устойчивости 0,6 - 0,7, а поперечной - 0,7- 0,8 предела текучести.

Для наиболее распространенных марок сталей допускаемые напряжения можно принимать по таблице 2.29.

Таблица 2.29

Допускаемые напряжения в элементах

креплений из стали

Вид деформации	Допускаемое напряжение, кгс/см2
Растяжение-сжатие Изгиб Срез Смятие Растяжение для болтов	1650 1650 1200 2500 1400

Допускаемые напряжения для сварного шва при ручной сварке и при автоматической сварке принимаются равными при растяжении,

сжатии и изгибе 1550 кгс/см2, при срезе - 950 кгс/см2.