Транспортная система

 

Изобретение относится к транспортным системам эстакадного и подвесного типа, использующим рельсовую путевую структуру. Сущность изобретения: система содержит рельсовый путь, выполненный из полых рельсов цилиндрической формы, радиус которых меньше радиуса кривизны вогнутого обода контактирующего с ним колеса подвижной единицы, при этом внутри рельса размещен предварительно напряженный продольный элемент, площадь поперечного сечения которого выбирается из соотношения площади поперечного сечения продольного элемента и площади поперечного сечения стенок полого рельса. Отрезки рельса и продольного элемента закреплены в общих анкерных узлах, причем рельсы и обод колеса выполнены с определенным соотношением радиуса кривизны вогнутой поверхности обода колеса и радиуса внешней поверхности цилиндрического рельса. Защищено также соотношение радиусов рельса и обода колеса. Пространство между внутренними стенками рельса и продольным элементом может быть заполнено материалом, расширяющимся при затвердевании. Изобретение направлено на повышение износостойкости и несущей способности рельсов. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к транспорту, в частности к транспортным системам эстакадного и подвесного типа, использующим рельсовую путевую структуру. Оно может быть использовано при создании скоростных дорог для больших городов и междугородных сообщений, в том числе в условиях сильно пересеченной местности, гор, пустынь, а также при построении межцеховых транспортных структур рассредоточенных производственных предприятий как для многорельсовых, так и монорельсовых путей.

Известна транспортная система, содержащая рельсовый путь, выполненный из полых рельсов со скругленной головкой, и перемещающиеся по нему подвижные единицы с составными колесами, контактирующими с рельсами (см. патент США 4520733, НКИ 104/93, 1985).

Недостатком известной системы является сложность конструкции рельса и колес, что удорожает систему.

Известна транспортная система, содержащая рельсовый путь, выполненный из полых рельсов цилиндрической формы, и подвижные единицы с колесами, контактирующими с рельсами. При этом ободья колес выполнены вогнутыми, охватывающими цилиндрические рельсы (см. патент США 5738016, НКИ 104/107, 1998).

Недостатками известной транспортной системы являются сложность конструкции колесного модуля, высокий износ рельсов и колес и большое сопротивление качению. Это обусловлено тем, что обод колеса контактирует с рельсом всей своей вогнутой поверхностью.

Наиболее близкой к заявляемой по своей технической сущности и достигаемому результату является транспортная система, известная из описания к патенту США 2997003, НКИ 104/93, 1961. Указанная транспортная система содержит рельсовый путь, выполненный из полых рельсов цилиндрической формы, и подвижные единицы с колесами, контактирующими с этими рельсами. Ободья колес выполнены вогнутыми, охватывающими рельс, при этом радиус кривизны вогнутости больше внешнего радиуса рельсов.

Недостатком известного технического решения является то, что рельсы в известной системе обладают малой удельной несущей способностью, если под ней понимать отношение нагрузки к их собственному весу, что особенно важно для подвесных дорог.

Заявляемая в качестве изобретения транспортная система направлена на повышение износостойкости и несущей способности рельсов.

Указанный результат достигается тем, что в транспортной системе, содержащей рельсовый путь, выполненный из полых рельсов цилиндрической формы, радиус которых меньше радиуса кривизны вогнутого обода контактирующего с ним колеса подвижной единицы, внутри рельса размещен предварительно напряженный продольный элемент, площадь поперечного сечения которого выбрана из соотношения где F_п.э - площадь поперечного сечения продольного элемента, мм²; F_р - площадь поперечного сечения стенок полого рельса, мм², отрезки рельса и продольного элемента закреплены в общих анкерных узлах, а рельсы и обод колеса выполнены со следующими соотношениями размеров: где R_k - радиус кривизны вогнутой поверхности обода колеса, мм; R_p - радиус внешней поверхности цилиндрического рельса, мм.

Указанный результат достигается также тем, что рельсы и обод колеса выполнены со следующими соотношениями размеров: где R_п.к - радиус колеса по поверхности касания, мм.

Указанный результат достигается также тем, что пространство между внутренними стенками рельса и продольным элементом заполнено твердеющим материалом, расширяющимся при затвердевании.

Размещение внутри полости рельса предварительно напряженного продольного элемента с указанными соотношениями площадей поперечного сечения и их закрепление в анкерных узлах позволяет существенно повысить удельную несущую способность рельса. Это объясняется следующим. При перепаде температур в 100^oC (от -50^oС зимой до +50^oС летом на солнце), коэффициенте температурного расширения стали α=0,0000125, модуле упругости стали Е=2•10⁶ кгс/см² (2•10^-1 кгс/мм²) изменение напряжений в стали под воздействием температуры (при неизменной длине конструкции) составляет
Δσ =0,0000125•20000•100^oС=25 кгс/мм² (2500 кгс/см²)
Без продольного предварительно напряженного элемента при положительной температуре окружающей среды в рельсе могут возникнуть недопустимые напряжения сжатия, в результате чего произойдет потеря продольной устойчивости.

При установке в полости корпуса рельса продольного предварительно напряженного элемента потери устойчивости рельса при возникновении в нем сжимающих напряжений не происходит, если усилия сжатия в рельсе будут ниже усилий растяжения в предварительно напряженном продольном элементе (для конструкции в целом важна результирующая сила, равная сумме сжимающих и растягивающих усилий, а не каждая сила в отдельности)
N_{р.сжатия}<N _{раст яж},
или
σ_{р.сжатия}•F_p<σ_{п.э.растяж}•F_пр.э,
или
σ_{п.э.растяж}•F_пр.э-σ_{р.сжатия}•F_p>0.
При этом эпюра температурных напряжений в рельсе может быть с в два раза меньшими наибольшими напряжениями (напряжения растяжения 0-12,5 кгс/мм² в температурном диапазоне 0. . . -50^oС и напряжения сжатия 0-12,5 кгс/мм² в температурном диапазоне 0. ..+50^oС). Допустимые температурные напряжения в продольном высокопрочном элементе (например, стальном канате, высокопрочные проволоки которого получают волочением через фильеру) могут быть до 200 кгс/мм², а в рельсе, получаемом прокатом, порядка 20 кгс/мм², поэтому для обеспечения одинаковых усилий площадь каната может быть в 200 кгс/мм²/20 кгс/мм² = 10 раз меньшей (или, наоборот, 20/200=0,1).

При максимальном соотношении F_п.э/F_р= 10 и более будет значительной площадь каната (и соответственно повышенная материалоемкость рельсового пути и анкерных опор, на которые натягиваются канат и рельс, и соответственно повышенная стоимость транспортной системы). Это также приведет к возникновению значительных температурных изменений, усилий в канате, что потребует возведения более мощных анкерных опор.

Выбор соотношений кривизны вогнутости обода колеса и радиуса внешней поверхности цилиндрического рельса обусловлен следующими соображениями. Если это соотношение будет меньше, чем 0,001, то площадь поверхности контакта "колесо - рельс" будет достаточно большой и криволинейной, что приведет к повышению величины трения качения и к повышенному износу колес и рельсов. Если же это соотношение будет больше, чем 1,5, то площадь контакта будет очень малой, что будет приводить к высоким контактным напряжениям и к повышенному локальному износу контактирующих поверхностей колес и рельсов. Кроме того, при возрастании такого соотношения может оказаться, что колесо становится "очень большим", а рельс - очень "тонким" и поэтому теряющим свою несущую способность. Этими соображениями следует руководствоваться и при выборе соотношения размеров колеса и рельса. При R_п.к/R_р < 3 в зоне контакта "колесо - рельс" будут чрезмерно высокими контактные напряжения (более 100 кгс/мм²) из-за малой площади контакта. При R_п.к/R_р > 20 будет чрезмерно большим колесо подвижной единицы (и его неподрессоренная масса), что приведет к чрезмерным динамическим нагрузкам при высоких скоростях движения и потребует усиления рельсового пути и соответственно приведет к увеличению материалоемкости системы.

Заполнение пространства между внутренними стенками рельса и продольным элементом расширяющимся при затвердевании материалом (с созданием тем самым избыточного давления в полости рельса в 2-100 кгс/см²) позволяет повысить несущую способность рельса, т.к. в этом случае оболочка рельса будет находиться в напряженном состоянии под усилием, направленным от центра рельса, и воздействие колес подвижных единиц, приводящее к локальному сжатию участков рельса, будет этим частично компенсироваться. Кроме того, повышается сопротивление прогибу рельса под действием веса подвижных единиц (транспортных средств).

Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 показано предпочтительное выполнение рельса транспортной системы (поперечный разрез) и колеса подвижной единицы; на фиг.2 схематично показан отрезок пути транспортной системы с колесной парой подвижной единицы.

Транспортная система содержит рельс 1 цилиндрической формы, выполненный, например, из стали с внешним радиусом R_p (центр окружности О₁). Внутри рельса установлен предварительно напряженный продольный элемент 2, который выполнен в виде стального каната или набора стальных проволок или прутьев. Рельс 1 заполнен расширяющимся при затвердевании материалом 3. На рельс опирается колесо 4 подвижной единицы (транспортного средства).

Отрезки рельса и продольного элемента закрепляются в общих анкерных узлах известным образом. Например, в случае реализации транспортной системы с путевой структурой, размещенной на опорах, как это показано на фиг.2, такими узлами могут служить анкерные опоры 5. Корпус рельса 1 может соединяться с анкерным креплением 6 с помощью сварки или болтов, а продольный элемент (канат) 2 - с помощью зажимов 7. В частных случаях пространство между рельсом 1 и продольным элементом 2 может оставаться свободным, а в других заполняться наполнителем 3, который при затвердевании увеличивает свой объем. В качестве такого материала может использоваться цементный раствор с мелкозернистым заполнителем и специальными полимерными добавками, обеспечивающими требуемые жесткостные и пластические характеристики наполнителя 3. Этим же материалом может быть заполнено и пространство между проволоками продольного элемента 2, что в значительной степени позволит увеличить его изгибную жесткость.

С рельсом взаимодействует колесо 4 подвижной (транспортной) единицы, которое выполнено с вогнутым ободом с радиусом R_k кривизны (центр окружности О₂) и радиусом R_п.к к по поверхности его касания с рельсом 1.

Транспортная система функционирует следующим образом.

Подвижная единица, снабженная автономной энергоустановкой, или состав подвижных единиц с локомотивом перемещаются по рельсовым путям, взаимодействуя колесами 4 с рельсами 1. При движении подвижной единицы по рельсовым путям будет появляться прогиб рельса в нагруженном пролете, нарастающий по мере приближения к середине пролета и исчезающий при нахождении подвижной единицы на опоре. При этом, благодаря наличию предварительно напряженного продольного элемента, прогиб будет находиться в пределах 0,5-5 см при пролете ~50 м.

Естественно, что при перепаде эксплуатационных температур напряженно-деформированное состояние элементов рельса будет меняться, но при предлагаемом выборе площадей поперечных сечений наборного элемента и стенок корпуса отрицательное влияние этого фактора будет минимизировано.

Благодаря разнице в кривизне вогнутой поверхности обода колеса и внешней поверхности рельса перемещение транспортной единицы будет осуществляться с минимальными потерями па трение, т.к. будет отсутствовать имеющий место в традиционных системах контакт реборд колеса с рельсом.

За счет отсутствия этого контакта существенно снижается износ рельсов и колес, а также уровень шума. Кроме того, при поворотах подвижных единиц или движении их по дуге будет сохраняться оптимальная площадь контактной дорожки "рельс-обод" и будет устранено отрицательное влияние центростремительных сил вследствие самоустановки обода колеса относительно рельса.

Формула изобретения

1. Транспортная система, содержащая рельсовый путь, выполненный из полых рельсов цилиндрической формы, радиус которых меньше радиуса кривизны вогнутого обода контактирующего с ним колеса подвижной единицы, отличающаяся тем, что внутри рельса размещен предварительно напряженный продольный элемент, площадь поперечного сечения которого выбрана из соотношения

где F_п.э - площадь поперечного сечения продольного элемента, мм²;
F_p - площадь поперечного сечения стенок полого рельса, мм²,
при этом отрезки рельса и продольного элемента закреплены в общих анкерных узлах, а рельсы и обод колеса выполнены со следующими соотношениями размеров:

где R_k - радиус кривизны вогнутой поверхности обода колеса, мм;
R_p - радиус внешней поверхности цилиндрического рельса, мм.

2. Транспортная система по п. 1, отличающаяся тем, что рельсы и обод колеса выполнены со следующими соотношениями размеров:

где R_п.к - радиус колеса по поверхности касания, мм.

3. Транспортная система по п. 1, отличающаяся тем, что пространство между внутренними стенками рельса и продольным элементом заполнено материалом, расширяющимся при затвердевании.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2