Снижение риска опрокидывания контейнеров под воздействием ветровой нагрузки путем совершенствования параметров упоров железнодорожных платформ

Введение. Требует теоретической и прикладной проработки обостряющаяся проблема современной логистики — падение контейнеров с железнодорожных платформ. И пустые, и груженые емкости не выдерживают сильной ветровой нагрузки. Как следствие растет вероятность инцидентов и катастроф на железной дороге. Приведем некоторые резонансные примеры. 22 апреля 2014 года в Ямало-Ненецком автономном округе ветер опрокинул 11 контейнеров с грузом общей массой 20 тонн¹.

29 декабря 2015 года на участке Вишневка — Анар (Карагандинское направление) контейнер упал поперек пути. Пришлось остановить движение 12 поездов².

13 августа 2016 года на участке Домикан — Архаринск Забайкальской железной дороги порывы ветра снесли с платформы семь пустых контейнеров. Остановилось движение на двух направлениях³.

Эксперты называют две причины увеличения частоты таких инцидентов. Первая — рост объемов железнодорожных контейнерных перевозок. Вторая — изменения климата, которые обусловили усиление ветровых нагрузок.

По территории России проходит стратегически важный транспортный коридор Восток — Запад. Основу трафика составляют железнодорожные перевозки, в том числе контейнерные. Их объемы растут с 2019 года даже в условиях международных санкций⁴. В 2022 году ОАО «Российские железные дороги» («РЖД») перевезли в Китай рекордные 123 млн тонн грузов⁵. Это почти на треть больше, чем в 2021-м. В 2023 году показатель вырос еще на 85 %⁶.

Высокая динамика роста объемов перевозок сохраняется. «РЖД» все активнее работает на трансмонгольском направлении и в транзитном коридоре через Казахстан.⁷

Нестабильность глобальной логистики, особенно морского трафика через Суэцкий канал, повышает востребованность сухопутных перевозок из Азии в Европу по территории России. Чтобы стать полноценной альтернативой, российской системе железнодорожного транспорта следует решить ряд проблем. Одна из них — риски порчи, утраты груза и задержек доставки, обусловленные падением контейнеров с платформ.

Метеорологи фиксируют изменение ветровой нагрузки в разных регионах планеты. На некоторых территориях России все чаще наблюдаются ранее нехарактерные ураганы и смерчи.⁸ Такая погода неблагоприятно сказывается на транспортной инфраструктуре, в том числе железнодорожной. Очевидно, что опрокидывание контейнеров с платформ снижает безопасность перевозок.

Согласно современным исследованиям, под воздействием порывистого ветра на дорогах России ежегодно происходит около ста случаев опрокидывания контейнеров. Для серьезного инцидента достаточно скорости ветра 17 м/с [1].

В 2024 году руководство «РЖД» распорядилось при планировании перевозок учитывать справочно-аналитическую информацию о возможной силе и порывистости ветра на маршруте⁹.

При оценке ущерба от падения контейнеров следует учитывать не только порчу или утрату контейнера и груза. Важно принять во внимание последствия падения металлической емкости на пути. Это почти наверняка приведет к потерям от остановки движения. Однако не исключены и более тяжелые последствия — например, в условиях плохой видимости (ночь, туман и т. д.). Особенно опасно, если контейнер упадет с платформы на мосту.

Обзор литературы по вопросу показал, что исследователи рассматривали риски опрокидывания контейнеров в несопоставимых климатических условиях, на структурно и функционально отличающихся объектах глобальной транспортной системы. Изучались, например, движение железнодорожных и автомобильных платформ с контейнерами, а также риски не двигающихся контейнеров в ожидании погрузочно-разгрузочных работ.

Так, в [2] рассматриваются методы оценки устойчивости от опрокидывания контейнеров при перевозке на специализированных железнодорожных платформах. В работе [3] описаны условия, при которых возможно опрокидывание пустых контейнеров различных типов. Показано, как вероятность инцидента зависит от силы ветра, кривизны пути и высоты наружного рельса. Созданы методики для определения экономических, финансовых и репутационных издержек, связанных с такими инцидентами.

В [4] изучается влияние бокового ветра на различные типы железнодорожных транспортных средств для городских и пригородных перевозок. Следует сказать, что эта проблема актуальна не только для железнодорожного, но и для автомобильного трафика [5]. Есть публикации, в которых авторы определяют минимальные скорость и угол ветровой атаки относительно вектора движения состава в климатических условиях южной Австралии [6] и Колумбии [7], и это подчеркивает масштаб и глобальную актуальность проблемы.

Известны работы по прогнозированию экономического ущерба от сбоев в работе океанических контейнерных портов из-за ветра [8], в том числе из-за экстремальных ветровых явлений [9]. В [10] представлены методы моделирования ущерба контейнерным перевозкам от ветровых воздействий и предлагается разработка долгосрочных метеопрогнозов. Итоги этого исследования можно экстраполировать на работу других смежных субъектов портовой логистики, например, на компании, занятые в сфере грузовых железнодорожных перевозок.

В исследовании о повышении безопасности водного транспорта в условиях сильного ветра [11] предлагается комплексный инструмент повышения осведомленности о рисках для лиц, принимающих решения, которые должны предотвратить катастрофу в штормовую погоду. Такой подход можно интегрировать с принципами безопасной работы любой транспортной системы, в том числе железнодорожной.

Описанные выше научные изыскания дают решения, необходимые для управленческой практики в сфере логистики. Все они могут быть полезны при решении проблемы падения контейнеров с железнодорожных платформ. Однако рассмотренные подходы — комплексные или изначально заявляются как часть масштабной системы безопасности. Это значит, что для их реализации необходимы значительные финансовые и временные ресурсы. Требуется доработка с учетом не только общероссийской специфики, но и особенностей отдельных территорий, по которым идут грузовые поезда с контейнерами. Со временем такие адаптированные решения, безусловно, появятся. Однако некоторые меры можно принять уже сейчас. Они должны быть сравнительно малозатратными и легко реализуемыми. Цель представленной работы — доказать эффективность изменения трех параметров платформы: бокового зазора у ее края, а также рабочей высоты и толщины стационарного упора.

Материалы и методы. Анализ способов крепления контейнеров показывает, что параметры фитингов едины и зафиксированы в ГОСТ  Р 51891–2008, а конструкции упоров разнообразны и регламентируются различными техническими условиями.

Ниже перечислены наиболее распространенные конструкции упоров:

• стационарный, привариваемый к раме платформы (рис. 1);
• откидной одинарный сварной (рис. 2);
• откидной одинарный литой (рис. 3);
• откидной двойной сварной (рис. 4);
• откидной одинарный с дополнительным креплением (рис. 5).

Из-за бокового зазора D = 11,5–13,5 мм фитинг легко соскальзывает с упора и не препятствует опрокидыванию контейнера (рис. 6). Контейнер теряет устойчивость от воздействия поперечных ветровых нагрузок, если используются упоры без дополнительных креплений. Это известно из логистической практики.

Анализ конструкции серийных фитинговых упоров показывает, что их высота — 85–100 мм, толщина — 50–52 мм, ширина — 78 мм. Высота отверстия в фитинге под упор — 108 мм, ширина — 63,5 мм.

Оценим устойчивость контейнера на упорах исходной конструкции. Условия:

• транспортировка пустой емкости по прямой;
• ветровая нагрузка поперечна к направлению движения.

Проведем расчет для самого распространенного упора — стационарного неоткидного 31887-НСБ (рис. 7).

При отсутствии дополнительных креплений устойчивость можно найти из равенства опрокидывающего контейнер момента М_О и удерживающего М_У (рис. 8).

Если центр тяжести посередине между опорами, то удерживающий момент:

где G — масса пустого контейнера; кг; B — ширина контейнера, м.

Если прокидывающая сила посередине высоты контейнера, то опрокидывающий момент:

где F — боковая сила воздействия ветра на стенку контейнера, кг; H — высота контейнера, м.

Силу ветра можно определить из соотношения:

где Р — ветровая нагрузка, кг/м²; S = L × H — площадь боковой стенки контейнера; L — длина контейнера, м.

Давление ветра по Строительным нормам и правилам 2.01.07-85¹⁰ и 20.13330.2016¹¹, определяется так:

где W₀ — нормативное давление ветра для определенного региона; k — нормативный коэффициент корректировки давления ветра с учетом высоты и характера рельефа местности; с — коэффициент аэродинамики объекта.

Преобразуем исходные формулы:

Упростим:

Преобразуем полученное выражение:

Выполним расчет на примере 40-футового контейнера длиной L » 12,2 м, высотой H » 2,6 м и массой G = 3900 кг. По ГОСТ  Р 51891–2008 расстояние между фитингами B » 2,3 м (рис. 8). Расчеты проводятся для открытого пространства (СНиП 2.01.07–85 и СП 20.13330.2016).

Верхний габарит контейнера — 5,2 м, поэтому принимаем коэффициент корректировки давления ветра k = 0,75.

Соотношение длины и высоты объекта более 4, поэтому аэродинамический коэффициент с = 1,2 (по СП 20.13330.2016).

Расчетное пороговое значение скорости давление ветра, способной опрокинуть пустой 40-футовый контейнер:

Согласно СП 20.13330.2016, это соответствует скорости ветра примерно 11,9 м/с.

Полученные значения позволяют утверждать, что безопасность не гарантируется уже в I ветровой зоне (табл. 1), к которой относятся, например, Москва, Минск и т. д.

По усредненным данным¹² скорость ветра на севере России — 28–35 м/с, на Дальнем Востоке — 31–38 м/с, на Северном Кавказе — 28–31 м/с. При этом порывы ветра в этих же регионах могут превышать 40 м/с.

Уровень устойчивости и безопасности перевозки контейнера возрастает прямо пропорционально его загруженности. Соответственно, риски для пустой емкости максимальные.

Значительная часть грузового трафика идет через зоны сильного ветрового давления III и IV (рис. 9). Следовательно, для основной части перевозок есть риск опрокидывания контейнеров. Отметим также, что многие контейнеры идут из Европы в Китай пустыми [2].

Для решения проблемы опрокидывания контейнеров ветром есть предложение оборудовать платформы дополнительными замковыми механизмами [13] или дополнительными удерживающими элементами [14].

В первом случае речь идет о размещении под каждым контейнером дополнительных узлов. Это должен быть вал, поперечный к оси движения вагона. На каждом его конце — по рычагу. Один давит на контейнер, а другой под силой этого давления проворачивается и дополнительно удерживает контейнер от опрокидывания (рис. 10).

Второе техническое решение — это запирающее устройство под каждым контейнером в виде дополнительных штырей. Их нужно выставить с минимальным зазором, чтобы обеспечить строго вертикальное перемещение контейнера при установке и снятии с платформы (рис. 11).

Отметим, что переоборудование типовых вагонов новыми узлами потребует значительных материальных затрат. Кроме того, не исключены перекосы из-за порыва ветра или неверных действий крановщика. В этих случаях при установке на платформу в поперечной плоскости возможен несинхронный поворот рычагов вала и, соответственно, их деформация или поломка. Это слабые стороны первого варианта.

Основной недостаток второго решения — конструктивная нецелесообразность. Следует признать избыточным усложнение конструкции несколькими параллельно работающими элементами (упор и внешний штырь), выполняющими одну и ту же функцию. К тому же, как и в первом случае, внедрение предполагает существенные затраты по финансам, материалам и времени.

Результаты исследования. В данной работе предлагается повысить ветровую устойчивость контейнеров на железнодорожных платформах без ресурсоемких изменений конструкции вагона и контейнера. Заявленную проблему может решить изменение трех параметров (рис. 12):

• увеличение рабочей высоты стационарного упора, приваренного к раме вагона, с названных выше 85–100 мм до 106 мм;
• увеличение толщины упора с 50–52 мм до 56 мм;
• уменьшение бокового зазора у края платформы с 11,5–13,5 мм до технически возможного минимума;
• ширина остается серийной — 78 м.

Такой подход сократит люфт контейнера на упорах в поперечной плоскости со стороны края платформы.

Как только контейнер начнет опрокидываться, упор заклинит в фитинге из-за уменьшенного внешнего зазора (рис. 13).

Отметим, что не следует превышать предложенный максимум по высоте 106 мм. В противном случае контейнер будет держаться не на основании платформы, а на сравнительно небольших упорах, что негативно скажется на устойчивости. Рекомендованная толщина 56 мм в плане пропорции хорошо сочетается с высотой 106 мм.

Удержание контейнера обеспечит сила трения F_ТР, предельное значение которой будет зависеть исключительно от жесткости упора. Как только он поддастся нагрузке и прогнется, нормальная реакция опоры уменьшится, фитинг соскользнет с упора и контейнер опрокинется.

Эффективность решения определили по расчету упора в фитинге на изгиб и максимальной силы нормальной реакции F между взаимодействующими поверхностями при заклинивании упора в фитинге.

Упоры часто делают из стали 10ХСНД с допускаемыми напряжениями на изгиб [s_И] = 220 МПа:

Здесь l — высота приложения силы к упору от контакта с фитингом. Она равна 100 мм, однако с учетом фасок и других элементов рабочая высота — 106 мм, т. е. максимальная рекомендуемая в рамках данной научной работы.

Значит,

где  — момент сопротивления упора.

Если ширина упора h = 78 мм, а толщина b = 56 мм, то:

Таким образом, до начала заметной деформации упор формально выдержит 89,7 кН.

Рассчитаем дополнительно возникающую удерживающую силу трения при сухой и дождливой погоде.

Согласно ТУ №ЦМ-943 от 23.10.2017¹³, в расчетах следует принимать равным 0,3 коэффициент трения покоя между стальными поверхностями, очищенными от грязи и снега.

В этом случае сила трения упора о фитинг:

где m = 0,3 — коэффициент трения стали по стали; N = F — нормальная сила прижатия поверхностей.

Подставим известные значения:

Определим эффективность предлагаемого решения с учетом ветровой нагрузки, способной преодолеть удерживающий момент и опрокинуть контейнер:

(1)

где F_ТР — сила трения на поверхности фитинга и упора; В — плечо приложения, т. е. ширина контейнера по осям фитингов.

Запишем соотношение моментов:

(2)

Значит:

(3)

Значение ветровой нагрузки:

(4)

В условиях ветра с дождем коэффициент трения упора о фитинг — 0,15–0,2. Примем для расчета среднее значение 0,18.

Оценим для этой ситуации эффективность предлагаемого решения по ветровой нагрузке, способной преодолеть удерживающий момент и опрокинуть контейнер. Используем выражения (1)–(4). Получим:

Обсуждение. Итак, упор высотой 106 мм, шириной 78 мм и толщиной 56 мм формально выдержит воздействие около 90 кН (точная цифра — 89,7 кН), а затем заметно деформируется. Таким образом, 89,7 кН — максимальная нормальная сила, которая может возникнуть между поверхностями трения.

Расчеты показали, что в изначальной конфигурации 40-футовый контейнер опрокинется при ветровой нагрузке 120 Па. Это соответствует скорости ветра 11,9 м/с, или I ветровой зоне. Такой ветер характерен, например, для Москвы и Минска. Причем пустой контейнер может опрокинуться под действием ветровых нагрузок даже на неподвижной платформе.

Предложенное автором решение позволит контейнеру устоять на движущейся платформе при ветровой нагрузке около 834 Па. Это соответствует скорости ветра около 37 м/с, характерной для VII ветровой зоны. Очевидно, что для условий ветра с дождем показатель будет ниже, и это подтвердили расчеты. Контейнер опрокинется при нагрузке примерно 500 Па. Это соответствует скорости ветра около 29,5 м/с, что характерно для IV ветровой зоны, к которой относятся, например, Казахстан и побережье Каспийского моря. В настоящее время здесь фиксируется активный автомобильный и железнодорожный трафик. В перспективе ожидается рост грузопотока в связи реализацией глобального мультимодального транспортного проекта «Шелковый путь».

Предлагаемый подход к решению проблемы ветровой устойчивости контейнеров в данной работе рассчитан применительно к неподвижным стационарным упорам, исключающим наличие люфтов. Расчет выполнен на примере 40-футового контейнера, однако принцип можно использовать и для других форм-факторов.

Заключение. Предлагаемое решение в реальных условиях перевозок (в том числе в ветренную и дождливую погоду) позволит увеличить устойчивость контейнеров на платформе от опрокидывания из-за ветра. При расчетах принимали во внимание главным образом данные о I–IV ветровых зонах, т. к. именно по этим территориям активно перемещаются грузы. Однако в сухую погоду модернизация платформы будет полезна даже в зоне с самыми сильными ветрами — VII.

Внедрение предложенной новации значительно сократит вероятность чрезвычайных ситуаций, связанных с падением контейнеров с железнодорожных платформ, и, соответственно, повысит безопасность перевозок.

Решение отличается технологической простотой и универсальностью. Конструкция контейнера остается прежней. Отдельные элементы платформы меняются минимально.