Основные принципы расчета прочности транспортной тары

Факторы, влияющие на прочность тары.Прочность конструкции транспортной тары определяется:

характером груза и его допустимой массой в единице тары, за­висящей от способа выполнения перегрузочных работ (вручную или механизированно) и от грузоподъемности погрузочно-разгру-зочных машин;

размерами тары и ее отдельных деталей. При этом необходимо соблюдать оптимальное соотношение длины, ширины и высоты тары, обеспечивающее минимальный расход материала;

механическими свойствами материала, используемого для изго­товления тары;

условиями эксплуатации транспортной грузовой единицы, т. е. климатическими, химическими, биологическими и механическими воздействиями.

В процессе обращения каждая единица тары должна выдер­живать статические нагрузки при штабелировании на складе и & вагоне, а также динамические и вибрационные нагрузки, возника­ющие при механизированном формировании и расформировании транспортных пакетов, выполнении перегрузочных операций и дви­жении транспортных средств. Развитие средств механизации погру-зочно-разгрузочных работ приводит к заметному изменению стати­ческих и динамических нагрузок. Это связано с увеличением массы одного грузового места, высоты штабелирования при наполь­ном хранении, с уменьшением высоты падения (сбрасывания) при установке тары с грузом в штабель или стеллаж и с повышением скоростей перемещения грузов ПТМ подъемно-транспортными ма­шинами.

Усилия, действующие на тару. Статическое сжимающее усилие Рст, Н, которое должна выдерживать тара, расположенная в ниж­нем ряду штабеля:

где Q — масса тары с грузом, кг;

g — ускорение свободного падения (£=9,81 м/с²);

H — высота складирования (для деревянной тары H≤6 м, для картон­ной—H≤3 м);

h — высота единицы тары, м.

При транспортировании по железной дороге на груз в таре дей­ствуют вертикальная Р_в и горизонтальные (продольная Р_пр и попе­речная Р_п) инерционные силы. Следовательно, элементы тары дол­жны быть проверены на восприятие нагрузок, которые составляют:

где а_в, а_пр, а_п — соответственно вертикальное, продольное и поперечное ускоре­ния, м/с² или доли g;

n_в, n_пр, n_п — число грузовых единиц соответственно в вертикальном, про­дольном и поперечном направлениях штабеля, размещенного б кузове подвижного состава.

Расчет конструкции крупногабаритной тары, масса брутто ко­торой составляет 500—20 000 кг, производится с учетом попереч­ных сжимающих нагрузок, возникающих при строповке тары с грузом, и изгибающих усилий, действующих на элементы тары Яри подъеме груза [4].

Схема действия сил на крупногабаритную тару в процессе гру­зовой операции показана на рис. 2.1. Усилие массы груза G, Н,

должно быть компенсировано вертикальными составляющими реак­ций в стропах:

где R — реакция в стропах, Н;

β — угол между стропами и горизонтальной плоскостью крышки тары, град.

Горизонтальная составляющая реакции R=Rcosβ с учетом пре­дыдущей формулы: R_г=0,25Gctgβ. Тогда сжимающее усилие попе­рек ящика составляет R_п=0,25Gctgβsinα. При этом угол в должен быть не менее 45°.

Необходимо учитывать, что перемещение грузов кранами про­исходит в условиях переходных режимов, действия ускорений. Средняя величина ускорения составляет а_ср=0,6—0,8 м/с², поэтому в формулу для определения R_n необходимо ввести динамический коэффициент k_д учитывающий увеличение нагрузки:

Также следуетучесть, что в процессе обращения тара подвер­гается перегрузкам многократно, в результате чего появляются усталостные напряжения и снижается прочность тары. Поэтому в формулу для определения G вводится коэффициент перегрузки k_пер, значение которого принимается 1,1—1,25 в зависимости от числа перегрузок. С учетом k_д и k_пер сжимающее усилие

Необходимо также рассмотреть оптимальные зоны строповки транспортной тары, которые определяют усилия на изгиб полоза,

работающего как свободно ле­жащая балка. Максимальные усилия на изгиб при этом возни­кают в точках опоры и в сере­дине полоза. Правильно опреде­лив зоны строповки, можно до­биться минимальных значений изгибающего момента. Расчеты показали, что такие зоны распо­лагаются на расстоянии 0,2L от торцовых стенок ящика (см, рис. 2.1).

Расчет прочности картонной тары.При расчете сжимающего усилия, которое должна выдер­живать картонная транспортная тара при штабелировании, на складе учитывается коэффици­ент запаса прочности k_зап, кото­рый зависит от продолжительно­сти хранения иколеблется в rape 40

Таблица 2.1

делах 1,6 (срок хранения менее 30 сут) — 1,85 (срок хранения более 100 сут). Тогда сжимающее усилие Р_Сж, Н, действующее на картонный ящик, составит

P_Cm^^_agQ(H-h)/h. (2.1)

С другой стороны, сопротивление сжатию картонной тары за­висит от параметров ящика и прочности гофрированного картона на торцовое сжатие. В соответствии с упрощенной формулой Макки [13]

^сж = 2,55Р_ту₀Х_| (2.2)

где Р_т—торцовая жесткость, Н/см;

σ — толщина картона, см;

Z — периметр ящика, см.

Торцовая жесткость принимается в зависимости от марки кар­тона (табл. 2.1), а толщина практически равна высоте гофр. Сопо­ставляя формулы (2.1) и (2.2) и зная параметры ящика, можно определить допустимую высоту штабелирования на складах и в ва­гоне, а также на основе оптимальной высоты штабелирования — необходимые параметры и марку картона.

Расчет прочности картонных навивных барабановпроизводится на основе статического сжимающего усилия, определенного с уче­том оптимальной высоты штабелирования:

Р^бсж-^K^ngQ (И-h_H)lh_Ht (2.3)

где H_н —наружная высота барабана, м.

Преобразуем выражение (2.3) с тем, чтобы получить зависи­мость расчетного усилия от параметров барабана и объемной массы затаренного в него груза. Масса груза в барабане значи­тельно больше массы самого барабана, поэтому последней величи­ной пренебрегаем. Масса груза может быть определена на основе объемной массы данного груза и внутреннего объема тары:

(?=0,25рЯЯЙ/й_Вс,

где d_Bt h_B — внутренние соответственно диаметр и высота барабана, см; с — объемная масса груза, г/см³.

Выражение (З—Л_З)/Л_З заменим выражением Я/Л_в> что допусти­мо, так как #//й_В» (#—Л_н)/Л_н. Тогда

Сопротивление сжимающему усилию картонного барабана Р_сж зависит от жесткости, числа слоев картона и диаметра бара­бана [13]:

где «ел — число слоев картона;

Ж — жесткость картона по кольцу, Н/см; Ккл—коэффициент, увеличивающий жесткость за счет клеевого слоя.

В условиях равенства сжимающего усилия и сопротивления этому усилию можно определить допустимую высоту штабелиро­вания данного груза в барабанах определенных параметров

или на основании оптимальной высоты штабелирования и приня­той технологии навивки барабанов (Ж=созп1, /i(wi=const)—диа­метр, который обеспечит необходимую поочность:

Сопротивление сжатию барабана можно увеличить» изменяя число слоев картона» образующих стенки барабана, или используя другую марку картона, обладающую повышенной жесткостью.

Расчет прочности полимерных пленок. Параметры пленок для скрепления пакетов определяются в зависимости от величины про­дольных инерционных сил как наибольших, возникающих в про­цессе движения подвижного состава» фрикционных свойств груза, массы пакета, а также от свойств самой пленки [25].

Рассмотрим принципиальную схе­му сил, действующих на транспорт­ный пакет, скрепленный термоусадоч­ной пленкой (рис. 2.2). На пакет мас­сой Q действует продольная инерци­онная сила /^>_np=flnpQf которая стре­мится сдвинуть пакет относительно поддона. Считаем, что поддон не про­скальзывает по полу вдоль вагона. Пленка оказывает на пакет равно­мерное давление Р_пл. Равнодействую­щая этому давлению сила Рпл5 при­жимает пакет к поддону и зависит от

свойств плетки и площади верхней плоскости пакета S. На боко­вые плоскости пакета действуют силы натяжения пленки, равные по величине и обратные по направлениям, поэтому они в расчет не принимаются.

В результате действия силы тяжести G=gQ и силы Р_Пл$ возни­кает сила трения F_rp:

где / — коэффициент трения между поддоном и пакетом.

Если P_np>F_Tp, пакет сдвигается относительно поддона и при этом происходит деформация пленки, т. е. ее растяжение на верти­кальных гранях. Усилие, возникающее в пленке /?, не должно быть больше допустимого:

где [о] — допускаемое напряжение на растяжение пленки, Н/см²; о — толщина пленки, см; #пл — длина пленки в сечении разрыва, т. е. по вертикальной грани паке­та, равная высоте пакета, см

Реакция пленки может быть найдена из уравнения сил, дей­ствующих на пакет (см. рис. 2.2), Р_пр—f(G+P_n*S)—2R—0. Тогда толщина пленки определится из соотношений:

В процессе движения на пакет действуют вибрационные силы, которые ослабляют натяжение пленки, поэтому ее толщину рассчи­тывают при условии Р_пл=0:

2,4. Упаковочные материалы

В зависимости от назначения упаковочные материалы разделя­ют на изолирующие, поглощающие и амортизационные.

Изолирующие материалы служат для защиты грузов от воздей­ствия внешних агрессивных факторов. К таким материалам отно­сятся разнообразные виды бумаги, фольги, полимерных пленок, а также различные их сочетания. Бумажные изолирующие мате­риалы используются в основном для предотвращения проникнове­ния жиров (пергамент, подпергамент, пергамин) и влаги (парафи­нированная, водонепроницаемая, битумная и дегтевая). Битумная и дегтевая бумага имеет ограниченное применение, так как вызы­вает коррозию металлов. Применяются специальные сорта бумаги,

такие, как биостойкая и антикоррозионная. Антикоррозионная бу­мага содержит в своем составе особые вещества (ингибиторы), ко­торые связывают кислород и вызывают образование на поверхно­сти металла предохранительного слоя.

Для изоляции продукции от проникновения посторонних запа­хов, жиров и влаги применяется фольга из меди, свинца, алюминия, олова, нержавеющей стали. Фольга используется часто в сочетании с другими различными материалами. В качестве изолирующих ис­пользуются также полимерные пленки. Герметичные чехлы из по­лимерных пленок обеспечивают защиту металлических изделий от коррозии в самых экстремальных климатических условиях при температуре до +60 °С и влажности до 100%. Герметичность обес­печивается сваркой швов упаковки, однако для предотвращения конденсации влаги внутрь упаковки необходимо вкладывать вместе с изделием поглощающие материалы.

Поглощающие материалы используются для поглощения избы­точных паров воздуха, проникающих внутрь упаковки, или для предотвращения распространения внутри упаковки жидкостей, вы­текающих из поврежденной потребительской тары. К таким мате­риалам относятся активированный уголь и силикагель, обладаю­щие высокой гигроскопичностью, и некоторые другие материалы, впитывающие влагу. У силикагеля при упаковке должна быть влажность не более 2%. Если же его влажность выше, необходимо предварительно высушить материалы, а затем расфасовать сили­кагель в тканевые мешочки массой 1 кг и в таком виде укладывать в упаковку. Общая масса силикагеля, необходимая для осушения избыточных паров, зависит от площади поверхности груза.

Амортизационные материалы обеспечивают сохранность изде­лий при ударах, вибрации, трении выступающих частей изделия о внутренние поверхности транспортной тары и других нагрузках. Требования к амортизационным материалам следующие: неболь­шая объемная масса, достаточная механическая прочность, мини­мальная остаточная деформация, возникающая в результате дей­ствия механических нагрузок, негигроскопичность и химическая инертность, отсутствие абразивных свойств, низкая стоимость и простота изготовления.

Характеристика амортизационных материалов. Каждый вид амортизационных материалов имеет свои специфические свойства, определяющие условия использования и ограничивающие сферу применения.

Древесная стружка обладает высокой эластичностью, исполь­зуется для амортизации тяжелых предметов, однако ее упругие свойства нестабильны, они зависят от влажности. Оптимальная влажность древесной стружки составляет 12—18%. При большей влажности стружка теряет эластичность, а при меньшей ломается и пылит. Кроме того, древесная стружка может содержать смо­листые вещества, вызывающие коррозию.

Войлок и шерсть отличаются достаточной упругостью, хорошо сопротивляются повторным деформациям, но, гигроскопичны, под­вержены гниению и поражению насекомыми.

Стекловолокно обладает наибольшей упругостью, негипроско-пично, не подвержено сгоранию, но характеризуется высокой абра-зивностью, что значительно ограничивает сферу его применения.

Бумага и картон — наиболее распространенные виды амортизи­рующих материалов. Они легко принимают нужную форму, стои­мость их производства относительно невелика, хорошо амортизи­руют легкие изделия, применяются для упаковывания пищевых, парфюмерных, медицинских и других грузов, но боятся сырости,, при повторном использовании теряют упругие свойства.

Пенистые полимеры являются наиболее перспективными амор­тизаторами. Среди них необходимо выделить пенополистирол, амортизирующий и теплоизолирующий материал с микроячеистой структурой. Плотность пенополистирола 25 кг/м³. Он обладает большой механической прочностью, стоек к влаге, низким темпера­турам, не дает пыли, но при повторных нагрузках изменяет свои амортизационные свойства. Применяются также пенополиуретан, пенополиэтилен, велофлекс и др., отвечающие всем современным требованиям, но обладающие пока высокой стоимостью. Свойства пенистых амортизационных материалов достаточно хорошо изуче­ны, разработаны методики расчета прокладок из указанных мате­риалов.

Динамическая характеристика амортизационных материалов. При перевозке различными видами транспорта, хранении на скла­де в штабелях, выполнении погрузочно-разгрузочных работ систе­ма «изделие — упаковка» подвергается воздействию различных видов нагрузок, ударов и вибрации.

Практика показала, что наиболее опасными нагрузками, дей­ствующими на систему ««изделие — амортизация — тара» в процес­се доставки от изготовителя до потребителя, являются удары. Нормативные воздействия нагрузок на тару и груз при различных условиях перевозки и перегрузки следующие:

Условия перевозок и перегрузок Величина нагруз­ки, доли g

Перемещение по железной дороге 2,0
Воздействия при соударении же­
лезнодорожных вагонов............... 3,0

Перемещение автотранспортом:

по асфальтовому покрытию. . . 1,0—1,5

» грунтовой дороге. ..... 3,5

Перемещение морским транспортом 1,0

» авиатранспортом . . 2,0—5.0
Воздействия при выполнении гру­
зовых операций............................. .... 2,0—5,0

Удары при падении..................... .. 25,0 и более

Выбор амортизационного материа­ла для конкретных условий работы осуществляется на основе его дина­мической характеристики, определяе­мой специальными испытаниями. В процессе испытания имитируется па­дение груза (молота) переменной мас­сы на подкладку из амортизационно­го материала. По результатам испы­таний строится график зависимостей ударной перегрузки от статической нагрузки. Эта зависимость и является динамической характеристикой амор­тизационного материала. Кривая, вы­ражающая зависимость «ударная перегрузка — статическая на-прузка», представляет характерную вогнутую форму (рис. 2.3) с ярко выраженным минимумом.

При малой массе молот (левая ветвь динамической кривой) создает на амортизаторе нагрузку меньшей величины по сравне­нию с необходимой для того, чтобы, преодолев упругие силы мате­риала, деформировать его на значительную величину (происходит отскок); возникают значительные ударные перегрузки. С увеличе­нием массы молота деформация материала увеличивается и, нако­нец, достигает такой величины, при которой материал обнаружи­вает наилучшие амортизационные свойства. Эта нагрузка соответ­ствует минимуму динамической кривой.

При дальнейшем увеличении массы молота возрастает остаточ­ная деформация. Вследствие сильного сжатия материал начинает терять свои амортизационные свойства, ударные перегрузки вновь увеличиваются (правая ветвь кривой). Таким образом, зона мини­мума кривой (динамической характеристики) соответствует опти­мальным условиям работы испытываемого материала.

Расчет параметров амортизирующих прокладок. Пусть изделие с массой Q и площадью опнрания S требует защиты от ударов в процессе выполнения погрузочно-разгрузочных работ. При этом известно, что само изделие может выдерживать максимальную перегрузку П_доп, а максимальная высота его падения Я.

Для защиты указанного изделия используются специальные прокладки из амортизационных материалов, динамические харак­теристики которых описываются выражением [18]

а_г И

ЛВ

где Л — ударная перегрузка, доли g\

С — статическое давление изделия на прокладку, Н/см²; h — высота прокладки, см; ось аз — размерные постоянные величины, характеризующие ударозащит-ные свойства материала, Н/см², см^а/Н; од — коэффициент амортизации.

Выбор амортизационного материала определяется условием

"min^ "доп.

где tfmin — минимальное значение ударной перегрузки, которое может обеспе­чить амортизационный материал определенного вида в заданных условиях.

Минимальное значение ударной перегрузки

—с---- ТГ^+аз(—) ~°\

Значение статического давления, которое минимизирует функ­
цию (2.4), ____

/>*=Л/Я А/бй/б₃'.

Минимальное значение ударной перегрузки находим* подстав­ляя в выражение (2.4) вместо С значение Р*. После подстановок и преобразований получим

где А — обобщенный коэффициент амортизации:

-4=0^+2 V б,б₃ ·

Таким образом, если Япип^Ядоп, амортизационный материал данного вида может быть использован для изготовления про­кладок.

Толщина прокладки уточняется при условии:

/7т1п=/7доп; к = АН/П_п0ц. (2.5)

Площадь прокладки определяется из условия обеспечения опти­мального значения статического давления от массы изделия на

прокладку: _____

P*=h/HY Oi/o, =Q/S_np, где Sbp — площадь амортизирующей прокладки.

Тогда S=Q#/(Ay<xi/a3), или с учетом выражения (2.5)

где At — размерная постоянная величина, характеризующая свойства аморти­зационного материала, см²/Н:

А у Oi/Оз

Полученная площадь прокладки 5_Пр сравнивается с площадью опирания груза S. Если S/2^S_np^S, то прокладку изготовляют площадью Sap и располагают ее под центром тяжести груза; если S_np>5, то следует выбрать другой материал и повторить расчет.

По проведенным расчетам конструируют прокладки, произво­дят упаковку изделия и ударные испытания. Кроме того, оценива­ют виброзащитные свойства упаковки с амортизирующими про­кладками по методике, установленной соответствующими стан­дартами.

Глава 3