大件公路運輸綁扎設計方法研究

文/王鋒 朱海明

引言

大件貨物是指在體積上超長超寬或者超高，在重量上超重的貨物，如火電水電機組、大型變壓器、風電發電設備、大型化工設備等。大件運輸是個高難度、高風險的行業，一旦發生意外狀況，不僅造成非常巨大的經濟損失，還會直接威脅到工程人員的生命安全。為了確保大件運輸的安全，必須合理設計綁扎的方案。當前，實際運輸中常常依靠經驗和粗略估算的方法來設計綁扎方案，缺乏一套系統的綁扎設計方法。國內外有一些可供借鑒的規范，如歐洲的規范《道路車輛裝載物固定裝置安全性》（以下簡稱“歐洲公路規范”）、我國鐵路運輸領域的規范《鐵路貨物裝載加固規則》（以下簡稱“鐵路規范”）、海運領域的規范《貨物積載和系固安全操作規則》（以下簡稱“海運規范”）等。這些規范中給出了貨物受力計算方法和綁扎設計方法，但是不能完全適用于大件公路運輸領域。本文從相關規范給出的綁扎設計方法算法出發，結合大件公路運輸的實際情況，對綁扎設計的方法進行研究，給出一套切實可行的大件公路運輸綁扎設計方法。

1.貨物受力計算

大件貨物在公路運輸過程中，受到重力、慣性力、風壓力、摩擦力、綁扎力等外力的作用。首先計算貨物受到的這些外力。

1.1 重力

重力作用在貨物重心，方向垂直水平面向下。當路面和車輛傾斜時，貨物也會發生傾斜。此時沿著平行于貨物和車板接觸面方向和垂直于接觸面方向分解重力，會得到接觸面間的正壓力和平行于接觸面的縱向分力或橫向分力，其大小與公路的縱坡、橫坡有關。即：

當車輛經過有縱坡的路面時，重力各分力的計算方法為：

當車輛經過有橫坡的路面時，重力各分力的計算方法為：

1.2 慣性力

在歐洲公路規范、鐵路規范和海運規范中，都采用經驗公式或經驗值的方法來計算貨物受到的慣性力。但是由于大件貨道路運輸的特殊性，不能直接使用上述規范中的經驗值和經驗公式。應當結合實際更深入地研究慣性力的計算方法。

1.2.1縱向慣性力

貨物在縱向受到的慣性力，主要是車輛加速減速造成的慣性力。根據工程經驗，車輛剎車時的加速度最大，因此對應的縱向慣性力也最大，其計算方法為：

制動加速度的取值跟車輛行駛速度、軸壓、剎車緩急有關。通常不會超過0.85g。

1.2.2橫向慣性力

貨物橫向慣性力主要為轉彎慣性力，方向平行于車板平面，垂直于車輛行使軌跡，指向彎道的外側。其計算公式為：

1.2.2 排除標準 ① 伴有先天性心臟病、嚴重心臟瓣膜疾病者；② 嚴重心力衰竭者；③ 惡性腫瘤或慢性阻塞性肺疾病患者。

1.2.3垂向慣性力

車輛通過顛簸坑洼路面時，會引起振動，交替出現向上和向下的垂向慣性力。其中，出現向上的慣性力時，導致貨物和車輛之間的正壓力減下，使得最大靜摩擦力減下。這種情況下垂向慣性力的計算方

法為：

1.3 風壓力

海運規范中給出的風壓大小為1kN/m2。但是考慮到海上風力較強，如果應用于公路運輸，則風壓取值偏大。鐵路規范中規定的風壓大小為：當受風面為平面時取值0.49 kN/m2，當受風面為圓球體或圓柱體側面時取值0.245 kN/m2。風力的計算公式為：

表1 海運規范中的摩擦系數取值

1.4 摩擦力

大件貨物運輸中襯墊，用以增加摩擦力。工程中常用的襯墊的類型主要有橡膠襯墊、木頭襯墊兩種。然而在歐洲公路規范中，并沒有明確給出這兩種襯墊對應的摩擦系數。在計算摩擦力時，可以借鑒海運規范中給出的摩擦力系數的取值：

1.5 綁扎力

首先計算單根綁扎繩索的強度。工程中，通常用鋼絲繩作為牽拉材料，用倒鏈進行張緊。倒鏈的常用規格為3t或5t。鋼絲繩的強度要和倒鏈的規格匹配。即綁扎的工作強度為：或

一道綁扎能承受的最大拉力，即一道綁扎能提供的約束力，一般為工作強度的4至5倍，這個倍數可以用“破斷系數”來表示。則綁扎能提供的約束力為：

進一步，總結工程中常用的綁扎樣式。主要有：“交叉斜拉”、“平行斜拉”、“八字型綁扎”、“繞頂圍捆”。如圖1至圖4所示：

圖1 交叉斜拉

圖2 平行斜拉

圖3 八字型綁扎

圖4 繞頂圍捆

按照歐洲公路規范中的定義，“交叉斜拉”、“平行斜拉”和“八字型綁扎”的綁扎繩直接牽拉到貨物上，可以稱為“直接栓緊法”。約束力可以分解得到縱向、橫向、垂向的約束力

“繞頂圍捆”也稱為“摩擦栓緊法”，綁扎繩不直接牽拉貨物，縱向和橫向的約束力為0，主要通過增加貨物與車輛接觸面的壓力，從而增加摩擦力的方式，起到約束貨物的作用。其各向約束力的計算公式為：

在計算多組綁扎共同作用下的綁扎力時，需要考慮到綁扎的對稱布置。比如，若2n道“直接栓緊法”的綁扎，則共有n道繩索對貨物起到橫向或縱向牽拉的作用，共有2n道繩索對貨物起到向下牽拉的作用。若共有n道“摩擦栓緊法”的綁扎，則共有0到繩索起到橫向或縱向牽拉的作用，2n道繩索起到向下牽拉的作用。考慮到繩索之間的受力可能不均等，為了保證貨物運輸安全，引入此參數安全系數，參照相關規范，取值：。總綁扎力，，為所有起作用的繩索的約束力的合力，即：

在計算綁扎提供的防止貨物橫向傾倒的力矩時，由于綁扎繩索都是對稱布置，橫向、縱向綁扎力的合力矩為0；如果貨物橫傾軸在貨物邊緣，則垂向綁扎力的力臂為寬度w的一半。即合力矩為：

2.受力和力矩平衡校核

貨物受到是力和力矩隨著車輛的行駛狀態、道路條件、環境情況的變化而變化。一旦出現受力不平衡或者力矩不平衡的狀態，貨物就會發生滑動或傾倒。為了保證運輸安全，應該保證運輸過程中貨物受力和力矩平衡，避免滑動或傾倒發生。因此，可以把貨物受力和力矩能否達到平衡作為綁扎是否合理的判定標準。

現有規范中，如海運規范，校核貨物受力和力矩平衡時，通常采用“最差條件法”。即：假設貨物所受外力同時達到極端情況，然后進行校核。這種計算方法比較粗略，往往得到的綁扎結果偏保守。實際運輸過程中，駕駛的狀態是可以人為控制的。在極端路面條件下，可以通過降低車速和緩踩剎車的方式降低風險，故各外力的極端值通常不會同時取得。比如，當車輛經過有縱坡的路面時，重力的縱向分力達到最大值，但是駕駛員會避免進行急剎車操作，縱向慣性力不會同時取得最大值。因此，在進行校核，應當具體到每一種路況和對應的駕駛條件。

通過多年實踐經驗，可以總結出大件公路運輸中最危險的幾種工況，分別是：平直路面緊急剎車、下坡路面緩和剎車、通過有橫坡或超高的路面。如果能夠保證這些危險情況下貨物能夠達到受力和力矩平衡，則可以認為綁扎方案能保證貨物在整個運輸過程中的安全。

2.1 平直路面緊急剎車

當車輛緊急剎車時，貨物受到由車輛緊急減速產生的制動慣性力，貨物有發生向前滑移的危險。通常只有在平直路面時才允許運載車輛進行急剎車，故不需要考慮道路坡度和彎道。這種狀態的受力情況如圖5所示：

圖5 緊急剎車狀態貨物受力圖

這種受力情況下，需要校核貨物縱向滑動的安全性。即貨物受力需要滿足：

2.2 下坡路面緩剎車

通常在經過下坡路面時，不允許車輛進行急剎車，只能進行緩剎車。因此慣性力比急剎車小。但是對于下坡路面，貨物不僅受到由車輛緊急減速產生的制動慣性力，還受到重力的縱向分力。兩者疊加，貨物仍然有發生向前滑移的危險。這種狀態下的受力情況如圖6所示：

圖6 下坡路面的貨物受力分析圖

這種狀態下需要校核貨物縱向滑動的安全性。即貨物受力需要滿足：

2.3 通過有橫坡或超高的路面

當車輛經過有橫坡對于轉彎路面，重力的橫向分力會使得貨物產生側滑和側翻的趨勢。當車輛經過有超高的彎道時，由于大件運輸車輛的車速低于道路的設計車速，離心力不足以平衡路面超高造成的重力橫向分力，也會有發生橫向滑動、橫向傾覆的危險，需要校核貨物橫向滑動、橫向傾覆的安全。這種狀態下的受力情況如圖7所示：

圖7 轉彎路面的貨物受力分析圖

據此列出貨物受力平衡方程為：

其中：

a為貨物重心至傾覆軸的垂向距離；

b為貨物重心至傾覆軸的橫向距離。

3.綁扎設計方法

無論是鐵路規范、海運規范還是歐洲標準，都只給出了貨物受力和力矩校核的計算方法，而沒有給出綁扎設計的方法。在校核計算方法的基礎上，用循環迭代的方法，先設定初始的綁扎方案，然后進行貨物受力和力矩平衡校核，若貨物受力和力矩不能達到平衡，則在原綁扎方案的基礎上添加綁扎，再進行校核。如此循環，直到貨物受力和力矩達到平衡，得到滿足要求的綁扎方案。其思路為圖8：

4.結語

本研究從大件物流的實際要求出發，以公路運輸、海路運輸、鐵路運輸的國內外相關規范為基礎，結合大件物流的特點，對理論算法進行細化和優化，做到理論與實際相結合，最終得出一套符合工程實際、滿足工程需求的計算方法，再應用到實際中去。希望本研究可以給工程人員完成大件貨物安全運輸工作帶來一定的啟發和幫助。

圖8 綁扎設計思路

[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]中華人民共和國鐵道部. 鐵路貨物裝載加固規則 [M]. 人民鐵道出版社，2006：34～48.

[4]肖建英. 公路大件運輸技術 [M]. 人民交通出版社， 2015：81～89

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