大件公路运输绑扎设计方法研究

文/王锋 朱海明

引言

大件货物是指在体积上超长超宽或者超高，在重量上超重的货物，如火电水电机组、大型变压器、风电发电设备、大型化工设备等。大件运输是个高难度、高风险的行业，一旦发生意外状况，不仅造成非常巨大的经济损失，还会直接威胁到工程人员的生命安全。为了确保大件运输的安全，必须合理设计绑扎的方案。当前，实际运输中常常依靠经验和粗略估算的方法来设计绑扎方案，缺乏一套系统的绑扎设计方法。国内外有一些可供借鉴的规范，如欧洲的规范《道路车辆装载物固定装置安全性》（以下简称“欧洲公路规范”）、我国铁路运输领域的规范《铁路货物装载加固规则》（以下简称“铁路规范”）、海运领域的规范《货物积载和系固安全操作规则》（以下简称“海运规范”）等。这些规范中给出了货物受力计算方法和绑扎设计方法，但是不能完全适用于大件公路运输领域。本文从相关规范给出的绑扎设计方法算法出发，结合大件公路运输的实际情况，对绑扎设计的方法进行研究，给出一套切实可行的大件公路运输绑扎设计方法。

1.货物受力计算

大件货物在公路运输过程中，受到重力、惯性力、风压力、摩擦力、绑扎力等外力的作用。首先计算货物受到的这些外力。

1.1 重力

重力作用在货物重心，方向垂直水平面向下。当路面和车辆倾斜时，货物也会发生倾斜。此时沿着平行于货物和车板接触面方向和垂直于接触面方向分解重力，会得到接触面间的正压力和平行于接触面的纵向分力或横向分力，其大小与公路的纵坡、横坡有关。即：

当车辆经过有纵坡的路面时，重力各分力的计算方法为：

当车辆经过有横坡的路面时，重力各分力的计算方法为：

1.2 惯性力

在欧洲公路规范、铁路规范和海运规范中，都采用经验公式或经验值的方法来计算货物受到的惯性力。但是由于大件货道路运输的特殊性，不能直接使用上述规范中的经验值和经验公式。应当结合实际更深入地研究惯性力的计算方法。

1.2.1纵向惯性力

货物在纵向受到的惯性力，主要是车辆加速减速造成的惯性力。根据工程经验，车辆刹车时的加速度最大，因此对应的纵向惯性力也最大，其计算方法为：

制动加速度的取值跟车辆行驶速度、轴压、刹车缓急有关。通常不会超过0.85g。

1.2.2横向惯性力

货物横向惯性力主要为转弯惯性力，方向平行于车板平面，垂直于车辆行使轨迹，指向弯道的外侧。其计算公式为：

1.2.2 排除标准 ① 伴有先天性心脏病、严重心脏瓣膜疾病者；② 严重心力衰竭者；③ 恶性肿瘤或慢性阻塞性肺疾病患者。

1.2.3垂向惯性力

车辆通过颠簸坑洼路面时，会引起振动，交替出现向上和向下的垂向惯性力。其中，出现向上的惯性力时，导致货物和车辆之间的正压力减下，使得最大静摩擦力减下。这种情况下垂向惯性力的计算方

法为：

1.3 风压力

海运规范中给出的风压大小为1kN/m2。但是考虑到海上风力较强，如果应用于公路运输，则风压取值偏大。铁路规范中规定的风压大小为：当受风面为平面时取值0.49 kN/m2，当受风面为圆球体或圆柱体侧面时取值0.245 kN/m2。风力的计算公式为：

表1 海运规范中的摩擦系数取值

1.4 摩擦力

大件货物运输中衬垫，用以增加摩擦力。工程中常用的衬垫的类型主要有橡胶衬垫、木头衬垫两种。然而在欧洲公路规范中，并没有明确给出这两种衬垫对应的摩擦系数。在计算摩擦力时，可以借鉴海运规范中给出的摩擦力系数的取值：

1.5 绑扎力

首先计算单根绑扎绳索的强度。工程中，通常用钢丝绳作为牵拉材料，用倒链进行张紧。倒链的常用规格为3t或5t。钢丝绳的强度要和倒链的规格匹配。即绑扎的工作强度为：或

一道绑扎能承受的最大拉力，即一道绑扎能提供的约束力，一般为工作强度的4至5倍，这个倍数可以用“破断系数”来表示。则绑扎能提供的约束力为：

进一步，总结工程中常用的绑扎样式。主要有：“交叉斜拉”、“平行斜拉”、“八字型绑扎”、“绕顶围捆”。如图1至图4所示：

图1 交叉斜拉

图2 平行斜拉

图3 八字型绑扎

图4 绕顶围捆

按照欧洲公路规范中的定义，“交叉斜拉”、“平行斜拉”和“八字型绑扎”的绑扎绳直接牵拉到货物上，可以称为“直接栓紧法”。约束力可以分解得到纵向、横向、垂向的约束力

“绕顶围捆”也称为“摩擦栓紧法”，绑扎绳不直接牵拉货物，纵向和横向的约束力为0，主要通过增加货物与车辆接触面的压力，从而增加摩擦力的方式，起到约束货物的作用。其各向约束力的计算公式为：

在计算多组绑扎共同作用下的绑扎力时，需要考虑到绑扎的对称布置。比如，若2n道“直接栓紧法”的绑扎，则共有n道绳索对货物起到横向或纵向牵拉的作用，共有2n道绳索对货物起到向下牵拉的作用。若共有n道“摩擦栓紧法”的绑扎，则共有0到绳索起到横向或纵向牵拉的作用，2n道绳索起到向下牵拉的作用。考虑到绳索之间的受力可能不均等，为了保证货物运输安全，引入此参数安全系数，参照相关规范，取值：。总绑扎力，，为所有起作用的绳索的约束力的合力，即：

在计算绑扎提供的防止货物横向倾倒的力矩时，由于绑扎绳索都是对称布置，横向、纵向绑扎力的合力矩为0；如果货物横倾轴在货物边缘，则垂向绑扎力的力臂为宽度w的一半。即合力矩为：

2.受力和力矩平衡校核

货物受到是力和力矩随着车辆的行驶状态、道路条件、环境情况的变化而变化。一旦出现受力不平衡或者力矩不平衡的状态，货物就会发生滑动或倾倒。为了保证运输安全，应该保证运输过程中货物受力和力矩平衡，避免滑动或倾倒发生。因此，可以把货物受力和力矩能否达到平衡作为绑扎是否合理的判定标准。

现有规范中，如海运规范，校核货物受力和力矩平衡时，通常采用“最差条件法”。即：假设货物所受外力同时达到极端情况，然后进行校核。这种计算方法比较粗略，往往得到的绑扎结果偏保守。实际运输过程中，驾驶的状态是可以人为控制的。在极端路面条件下，可以通过降低车速和缓踩刹车的方式降低风险，故各外力的极端值通常不会同时取得。比如，当车辆经过有纵坡的路面时，重力的纵向分力达到最大值，但是驾驶员会避免进行急刹车操作，纵向惯性力不会同时取得最大值。因此，在进行校核，应当具体到每一种路况和对应的驾驶条件。

通过多年实践经验，可以总结出大件公路运输中最危险的几种工况，分别是：平直路面紧急刹车、下坡路面缓和刹车、通过有横坡或超高的路面。如果能够保证这些危险情况下货物能够达到受力和力矩平衡，则可以认为绑扎方案能保证货物在整个运输过程中的安全。

2.1 平直路面紧急刹车

当车辆紧急刹车时，货物受到由车辆紧急减速产生的制动惯性力，货物有发生向前滑移的危险。通常只有在平直路面时才允许运载车辆进行急刹车，故不需要考虑道路坡度和弯道。这种状态的受力情况如图5所示：

图5 紧急刹车状态货物受力图

这种受力情况下，需要校核货物纵向滑动的安全性。即货物受力需要满足：

2.2 下坡路面缓刹车

通常在经过下坡路面时，不允许车辆进行急刹车，只能进行缓刹车。因此惯性力比急刹车小。但是对于下坡路面，货物不仅受到由车辆紧急减速产生的制动惯性力，还受到重力的纵向分力。两者叠加，货物仍然有发生向前滑移的危险。这种状态下的受力情况如图6所示：

图6 下坡路面的货物受力分析图

这种状态下需要校核货物纵向滑动的安全性。即货物受力需要满足：

2.3 通过有横坡或超高的路面

当车辆经过有横坡对于转弯路面，重力的横向分力会使得货物产生侧滑和侧翻的趋势。当车辆经过有超高的弯道时，由于大件运输车辆的车速低于道路的设计车速，离心力不足以平衡路面超高造成的重力横向分力，也会有发生横向滑动、横向倾覆的危险，需要校核货物横向滑动、横向倾覆的安全。这种状态下的受力情况如图7所示：

图7 转弯路面的货物受力分析图

据此列出货物受力平衡方程为：

其中：

a为货物重心至倾覆轴的垂向距离；

b为货物重心至倾覆轴的横向距离。

3.绑扎设计方法

无论是铁路规范、海运规范还是欧洲标准，都只给出了货物受力和力矩校核的计算方法，而没有给出绑扎设计的方法。在校核计算方法的基础上，用循环迭代的方法，先设定初始的绑扎方案，然后进行货物受力和力矩平衡校核，若货物受力和力矩不能达到平衡，则在原绑扎方案的基础上添加绑扎，再进行校核。如此循环，直到货物受力和力矩达到平衡，得到满足要求的绑扎方案。其思路为图8：

4.结语

本研究从大件物流的实际要求出发，以公路运输、海路运输、铁路运输的国内外相关规范为基础，结合大件物流的特点，对理论算法进行细化和优化，做到理论与实际相结合，最终得出一套符合工程实际、满足工程需求的计算方法，再应用到实际中去。希望本研究可以给工程人员完成大件货物安全运输工作带来一定的启发和帮助。

图8 绑扎设计思路

[1]Organization IM， Committee IMO MS. CSS code：code of safe practice for cargo stowage and securing：including revised guidelines for the preparation of the cargo securing manual[M]. International Maritime Organization， 2011：50～63.

[2]CEN. Load Restraining On Road Vehicles-Safety-Part 1：Calculation Of Securing Forces[M]. BSI， 2010：7～30.

[3]中华人民共和国铁道部. 铁路货物装载加固规则 [M]. 人民铁道出版社，2006：34～48.

[4]肖建英. 公路大件运输技术 [M]. 人民交通出版社， 2015：81～89

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