大型圓柱形運輸件捆綁加固工藝程式化方法研究*

何太碧，涂海濱，譚金會，王 帥，林蘭剛，曾傳華

(1.西華大學 汽車與交通學院，四川 成都 610039；2.四川省大件運輸公司，四川 成都 610039)

0 引 言

大型圓柱形物件是公路大件運輸常見的類型之一。它們的特點是體積大、質(zhì)量大、支重平面小(或無)、裝車后容易滾動、且一般無拴結(jié)點，也不允許焊拴結(jié)點，因此運輸工作難度非常大[1-2]。這類物件通常是國家重點建設(shè)項目的關(guān)鍵設(shè)備，它們能否安全到達目的地直接關(guān)系到整個項目的進度與成敗，運輸件捆綁加固是否合理又影響到整個運輸過程當中的安全。

多數(shù)運輸公司在制定捆綁加固方案時大多憑借先前的工作經(jīng)驗，在計算物件受到的各種慣性力[3-6]確定捆綁加固強度時，大多基于公路大件運輸與鐵路闊大物件運輸?shù)南嗨菩?，運用經(jīng)驗公式來計算[7]，該公式雖然考慮了較大質(zhì)量慣性力的影響因素，卻未能包含最能反映車輛運動狀態(tài)的加速、減速、道路坡度、彎道等重要因素，這顯然不夠合理；而文獻[8-9]在編擬公式時雖然考慮到了各種因素，卻忽略了鋼絲繩預(yù)緊力施對于摩擦力的影響，以此選取的鋼絲繩肯定不合理，因而研制出一套針對該類物件的捆綁加固工作的程式化方法尤顯必要。

1 捆綁加固準則

1.1 物件的自由度

根據(jù)車輛坐標系，當車輛在啟動、加速、減速、停車、調(diào)頭以及在曲線道路上運行等運動狀態(tài)變化時，運輸件會產(chǎn)生1個或幾個方向上的相對車輛的慣性運動，對應(yīng)的運輸件的捆綁加固失效方式如表1。

對應(yīng)后面采取的捆綁加固方式，限制沿3個坐標軸X、Y、Z的移動是利用力平衡，限制圍繞3個坐標軸X轉(zhuǎn)、Y轉(zhuǎn)、Z轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動是利用力矩平衡。

圖1 運輸件6自由度示意Fig. 1 Schematic diagram of six degrees of freedom of transport part

自由度 X Y ZX轉(zhuǎn)Y轉(zhuǎn)Z轉(zhuǎn)失效方式縱向滑動橫向滑動垂直跳動橫向滾動或傾覆縱向滾動或傾覆橫向擺動

1.2 6自由度捆綁加固準則

運輸件在空間直角坐標系中具有6個自由度，裝載后我們要想保持運輸件相對車輛的正確位置，就至少應(yīng)增加6個相應(yīng)的約束來加以限制，即為運輸件的6自由度捆綁加固準則。

2 捆綁加固工具的選擇

常用的捆綁加固工具可分為拉牽、襯墊、掩擋等3大類。因本次承運的原料油緩沖罐易滾動，故選取適當尺寸的鞍座這一掩擋類工具來防止其滾動。為了方便裝車和卸車同時又保證很好的接觸條件，本次選用的鞍座尺寸如圖2，其中Ф鞍-Ф貨=10 mm，Q鞍=10 T。假定鞍座的生產(chǎn)已遵循國家相關(guān)標準，鞍座的質(zhì)量完全滿足本次承運的強度的要求。

圖2 Ф5 210鞍座幾何尺寸示意Fig. 2 Ф5 210 Schematic diagram of saddle geometry

此外，原料油緩沖罐無拴結(jié)點也不允許焊拴結(jié)點，故對其捆綁加固所施的力不能直接施加其上，而要轉(zhuǎn)換成其他的形式如摩擦力，因而選取鋼絲繩和鋼絲繩夾這一最常用的拉牽捆綁類工具和橡膠墊這一襯墊工具。鋼絲繩用來施加預(yù)緊力防止物件移動，橡膠墊用來增加物件與鞍座及鞍座與車板間的摩擦系數(shù)，使同等大小的預(yù)緊力轉(zhuǎn)化成更大的摩擦力。

3 捆綁加固三維模型的建立

3.1 三維捆綁加固模型的優(yōu)點

運用SolidWorks軟件做成綁扎加固三維模型，展示效果清晰明了、視覺效果明顯，同等程度上會增加公司的競爭力。同時有了物件的三維模型，可以產(chǎn)生任意的二維視圖，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二維視圖。

3.2 捆綁加固方案的制定

根據(jù)物件的特點及選取的捆綁加固工具可制定出對物件圍捆和對鞍座八字捆的捆綁加固方案。圍捆和八字捆三維視圖如圖3、圖4。

圖3 圍捆示意Fig. 3 Schematic diagram of enclosure

圖4 八字捆示意Fig. 4 Schematic diagram of Chinese character “eight” shaped bundle

3.3 捆綁加固三維模型的建立

因本次三維模型的建立意在對捆綁加固方式進行示意，為了減少建模工作量并保證展示效果，經(jīng)過處理后的物件和車輛捆綁加固示意圖如圖5。

圖5 車、貨捆綁加固三維模型示意Fig. 5 Schematic diagram of 3D model of car and cargo bundle

為了方便查看車輛和物件的幾何尺寸及捆綁繩索的相對位置，同時為捆綁加固相關(guān)強度的校核提供數(shù)據(jù)依據(jù)，通過SolidWorks工程圖，可得相關(guān)幾何尺寸如圖6。

圖6 車、貨捆綁加固工程圖(單位：mm)Fig. 6 Car and cargo bundle reinforcement engineering drawings

4 捆綁加固相關(guān)強度的校核

為了保證行車的安全及物件的完整性，必須根據(jù)物件的外形、質(zhì)量及裝車后的受力情況，進行有針對性的捆綁加固和相應(yīng)強度校核，確保物件能夠經(jīng)受正常作業(yè)而產(chǎn)生的各種力，最大限度的保證運輸過程的安全[3-6]、[10-12]。下面在總結(jié)文獻[7-8]這兩類算法的基礎(chǔ)上就車輛在運行過程可能受到的各種慣性力及失效形式對圍捆和“八字捆”所用的鋼絲繩進行強度校核。

4.1 重心的計算

重車重心高度是影響車輛運行穩(wěn)定性的重要因素，重車重心越高，穩(wěn)定性越低，其傾覆、滾動的可能性就越大，重車在行駛過程中就越不安全。車輛裝載物件后重車至地面起的中心高度H為

(1)

式中：Qc為車輛重量，t；Qh為大件物件重量，t；hc為車輛重心至地面高度，mm；hh為大件物件裝車后至地面起重心高度，mm。

帶入相關(guān)數(shù)據(jù)則：

4.2 風力的計算

圓柱形的大體積決定風力的作用不容忽視，風力的計算可參考公式(2)計算[7]：

Tf=SF0

(2)

式中：S為受風面積，m2；F0為計算風壓，受風面為平面時F0=0.49 kN/m2，受風面為圓柱體或球體的側(cè)面時F0=0.245 kN/m2。帶入相關(guān)數(shù)據(jù)Tf=π×5.2×15.5×0.245=62(kN)

4.3 圍捆鋼絲繩強度校核

為了防止鋼絲繩破壞設(shè)備表面，圍捆用鋼絲繩應(yīng)套上橡膠管。比較各種失效情況下捆綁繩索需提供的總的最小預(yù)緊力Fx，則1/(2n)max(F1、…、Fm)即為單根圍捆鋼絲繩應(yīng)滿足的最小強度[9](n為圍捆用鋼絲繩的根數(shù))。下面針對每種失效情況逐一計算。

1) 縱向滑動失效。車輛在啟動、加速、減速時物件會受到縱向慣性力的作用，此時捆扎繩索需要提供的最小預(yù)緊力F1應(yīng)滿足式(3)：

μ(Qhg+F1)=S1Qha

(3)

式中：μ為物件與鞍座間的摩擦系數(shù)，常見的摩擦副材料和相應(yīng)的靜摩擦系數(shù)如表2；F1為捆扎需要提供的最小抗滑力，kN；a為車輛的加速度或減速度，m/s2，假設(shè)緊急制動時，3 s內(nèi)車輛由50 km/h減為0，即aj=4.63 m/s2，S1為 安全系數(shù)，根據(jù)相關(guān)參考文獻，此處取1.3～1.5即可[9]。

表2 常用摩擦副材料及相應(yīng)的靜摩擦系數(shù)Table 2 Common friction materials and corresponding static friction coefficient

帶入相關(guān)數(shù)據(jù)即F1=1.5×800×4.63/0.6-800×9.8=1 420 (kN)

此外車輛在上坡(下坡)時，物件也可能縱向滑動，為控制單一變量假設(shè)車輛勻速上坡(下坡)則此時捆扎繩索需要提供的最小預(yù)緊力F2應(yīng)滿足式(4)：

μ(Qhgcosθ+F2)=S1(Qhgsinθ)

(4)

式中：θ為道路的坡度角，為了確保運輸?shù)陌踩?，此處可取大件運輸過程中可能出現(xiàn)的最惡劣的四級公路山嶺重丘區(qū)來計算，即tanθ=10%。

代入相關(guān)數(shù)據(jù)即F2=1.5×800×9.8×0.1/0.6-800×9.8×0.995=-5 840.8 (kN)

即無需鋼絲繩加力，物件不會滑動。

2) 縱向傾覆失效。車輛在緊急制動時，過大的慣性力可能會造成物件沿鞍座的支點A傾覆，如圖7。為了防止此種危險情況的發(fā)生，捆扎繩索需要提供的最小預(yù)緊力F3應(yīng)滿足式(5)：

[Wgc+F3(a+b+d-e)]=S2(Ff)

(5)

式中：W即為物件的質(zhì)量Qh,t；F3為鋼絲繩應(yīng)提供的力，kN；S2為安全系數(shù)，a=12 600;b=8 600，c=6 200，d=3 800，e=200，f=2 600，g=2 905，mm;考慮到傾覆將會伴隨更加嚴重的捆綁加固失效的發(fā)生，結(jié)合相關(guān)文獻[9]，取2～4，又本例中重心為3 668 mm相對較高，安全起見取4[9]；F為物件的制動慣性力kN;同樣取緊急制動時a=4.634.63 m/s2，則F=800×4.63=3 704 kN。

帶入相關(guān)數(shù)據(jù)即F3=(4×3 704×2 600-800×9.8×6 200)/(12 600+8 600+3 800-200)=-406.7(kN)。即無需鋼絲繩加力，物件不會傾覆。

3) 橫向傾覆失效。車輛以某一速度通過彎道時，會給物件離心的慣性力，加上風力的作用，如果捆綁不力，物件就會有橫向傾覆的危險，如圖8。為了避免此危險情形的發(fā)生圍捆繩索應(yīng)具有的最小預(yù)緊力F4應(yīng)滿足式(6)：

(Qhg+F4)·LAB=S2(Tf+N)·LOB

(6)

式中：F4為防止橫向傾覆繩索應(yīng)提供的最小預(yù)緊力kN；LOB=1 980 mm；LAB=1 930 mm；Tf為側(cè)向風力，kN；N為離心慣性力，kN；假設(shè)車輛以允許的最大速度通過三級公路山嶺重丘區(qū)，則：

帶入相關(guān)數(shù)據(jù)即F4=4×(62+1 389)×1 980/1 930-600×9.8=74.36(kN)

圖7 運輸件縱向傾覆示意Fig. 7 Schematic diagram of longitudinal overturning of transport parts

圖8 運輸件橫向傾覆示意Fig. 8 Schematic diagram of lateral overturning of transport

比較上述4個力，即可得到圍捆用鋼絲繩應(yīng)滿足的最小力為1/2n×1 420(kN)，鑒于上述數(shù)據(jù)的得來已經(jīng)考慮了安全系數(shù)，故取鋼絲繩的最小破斷拉力即可，考慮到本大件運輸公司經(jīng)常使用的鋼絲繩尺寸為16～26 mm，同時參照表2，此處n取4較為合適，即圍捆用鋼絲繩應(yīng)提供的最小力不得小于177.5 kN，也即圍捆用鋼絲繩的選擇為直徑≥18.5 mm。

4.4 八字捆鋼絲繩強度校核

物件放在鞍座上經(jīng)鋼絲繩圍捆可有效防止其滾動，但是車輛在運行過程中產(chǎn)生的各種慣性力可能會導(dǎo)致鞍座滑動或傾覆，因而需要用八字捆對鞍座進行固定。根據(jù)圍捆時鋼絲繩強度校核分析可知，鞍座最可能發(fā)生縱向傾覆及鞍座物件整體的橫向傾覆，下面就這兩種失效情況對八字捆鋼絲繩應(yīng)滿足的最小強度進行校核。

假設(shè)八字捆的某一條鋼絲繩AC與車板的各個夾角如圖9，其中鋼絲繩OB與車輛的縱軸中心線平行，鋼絲繩OD與車輛的橫軸中心線平行，經(jīng)過實測LOA=990，LOB=1 100，LOD=640，則LAC=1 612，單位為mm。

1) 鞍座縱向傾覆失效。同樣參照圖8，則八字捆鋼絲繩需要提供的最小力T1應(yīng)滿足式(7)：

(Qzg+T1sinβ+FN)La=S2(Qhaj-T1sinβcotα)Lz

(7)

式中：Qz為車輛和大件物件的總重量；FN為圍捆鋼絲繩對鞍座向下的壓力，kN；La為鞍座的寬度，mm；Lz為鞍座支點到車板的高度，mm。

圖9 某條鋼絲繩AC與車輛地板的夾角示意Fig. 9 Schematic diagram of angle between a steel wire rope AC and car floor

帶入相關(guān)數(shù)據(jù)，則T1=(4×800×4.63×305-

2) 整體橫向傾覆失效。整體的橫向傾覆示意圖如圖10。為了防止橫向傾覆失效繩索整體需要提供的最小力T2應(yīng)滿足式(8)：

(FN+Qzg)LCE+T2sinβ(LBE+LDE)=S2(Tf+N)×LOC-S2T2sinβ·cotγ·LAD

(8)

則T2=[S2(Tf+N)·OC-(FN+Qzg)LCE]/[sinβ(LBE+LDE+S2·cotγ·LAD)]

帶入相關(guān)數(shù)據(jù)T2=[4×(62+1 389)×2 905-

圖10 物件運輸件橫向傾覆示意Fig. 10 Sketch map of lateral overturning of object

5 結(jié) 論

通過確立準則、制定方案、建立模型、校核強度并根據(jù)更完善的算法選出滿足最低強度要求的鋼絲繩等系列工作得出以下結(jié)論：

1) 確立準則、制定方案、建立模型、校核強度這樣一種程式化方法來進行捆綁加固工作是行之有效的。

2) 車輛在緊急制動和以較高車速通過彎道時會造成物件的縱向滑動失效和橫向傾覆失效，且橫向滑動的可能性更大；此外車輛在緊急制動時也會造成鞍座的傾覆。

3) 通過總結(jié)以往校核強度工具的不足，得出新的強度校核公式，結(jié)合本例可知圍捆用鋼絲繩不得小于18.5 mm，八字捆用鋼絲繩不得小于18 mm。

參考文獻(References)：

[1] 路中，牟玉杰.圓柱形大件物件的裝載加固[J].一重技術(shù)，1999，97(1)：56-57.

LU Zhong，MOU Yujie.A heavy loading technology for large cylindrical objects[J].AHeavyTechnology，1999，97(1)：56-57.

[2] 潘欣.海上運輸圓柱形重大件物件裝載加固[J].科學技術(shù)創(chuàng)新，2011(28)：8.

PAN Xin.Marine transportation of cylindrical heavy object loadingreinforcement[J].ScienceandTechnologyInnovation，2011(28)：8.

[3] 鄧健芳.物件裝載加固可拓實例推理研究[D].長沙：中南大學，2012：11-15.

DENG Jianfang.CaseStudyonExtensionofObjectLoadingReinforcement[D].Changsha：Central South University，2012：11-15.

[4] 胡永利.大件物流運輸方案關(guān)鍵環(huán)節(jié)研究[D].大連：大連海事大學，2014：22-24.

HU Yongli.StudyontheKeyLinkofLargeLogisticsTransportationScheme[D].Dalian：Dalian Maritime University，2014：22-24.

[5] 侯棟梁.大件物件運輸方案制定研究[D].成都：西南交通大學，2009：33.

HOU Dongliang.LargeObjectsTransportationSchemeMakingResearch[D].Chengdu：Southwest Jiaotong University，2009：33.

[6] 吳麗麗.重大件公路運輸若干問題的研究[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學，2007：29-31.

WU Lili.StudyonSomeProblemsofHighwayTransportationofMajorParts[D].Harbin：Northeast Forestry University，2007：29-31.

[7] 中華人民共和國鐵道部.鐵路物件裝載加固規(guī)則[M].北京：中國鐵道出版社，2006：34-48.

Ministry of Railways of the People’s Republic of China.RailwayLoadingandReinforcementRules[M].Beijing：China Railway Press，2006：34-48.

[8] 蕭建英.平板掛車裝運物件捆扎計算[J].汽車運輸研究，1991，10(2)：75-81.

XIAO Jianying.Calculation of the loading of the flatbed trailer[J].TransportationResearch，1991，10(2)：75-81.

[9] 楊守威.裝載重大件物件系固方式研究[D].武漢：武漢理工大學，2010：25-37.

YANG Shouwei.StudyontheLoadingMethodofLoadingLargeObjects[D].Wuhan：Wuhan University of Technology，2010：25-37.

[10] 朱淑萍.機械加工工藝及設(shè)備[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007：208-225.

ZHU Shuping.MachiningProcessandEquipment[M].Beijing：China Machine Press，2007：208-225.

[11] 中華人民共和國鐵道部.鐵路物件裝載加固規(guī)則常用裝載加固材料與裝置[M].北京：中國鐵道出版社，2006.

Ministry of Railways of the People’s Republic of China.LoadingandReinforcingMaterialsandDevicesUsedinRailwayLoadingandReinforcementRules[M].Beijing：China Railway Press，2006.

[12] 沈江.重大件物件系固的計算方法[J].大連海事大學學報，2008，34(6)：55-56.

SHEN Jiang.The calculation method of the solid parts of large objects[J].JournalofDalianMaritimeUniversity， 2008，34(6)：55-56.