Ходовой путь для монорельсового транспортного средства
Изобретение относится к монорельсовому транспорту, в частности к ходовым путям для него. Ходовой путь включает закрепленную на опорах упругую несущую ленту с элементами жесткости и имеет пару нижних горизонтальных плоскостей качения 12, 13 с относительно малым коэффициентом сцепления для опорных роликов и пару верхних вертикальных плоскостей качения 14, 15 с относительно большим коэффициентом сцепления для боковых приводных роликов. Предварительно изогнутая и образующая в профиле форму арки упругая несущая лента 11 снабжена периодически установленными поперечными элементами 16. Нижние горизонтальные плоскости качения находятся на прикрепленных к несущей ленте жестких ездовых полках, а верхние вертикальные плоскости качения находятся на боковых поверхностях жестких элементов 17 П-образного сечения, установленных по верху несущей ленты с возможностью продольного смещения относительно нее и последовательно скрепленных между собой. Технический результат - снижение массы пути, исключение концентрации продольной нагрузки на конкретном участке пути. 3 ил.
Изобретение относится к транспортным механизмам с заданной траекторией движения и может быть использовано как новый вид общественного транспорта, особенно в пригородной зоне.
Монорельсовые системы делятся на два класса: "подвесные" и "навесные", у которых центр тяжести экипажа (транспортного средства) расположен над несущей балкой. Традиционно предпочтение отдается именно навесным системам, поскольку высота опор у них заметно меньше - эстакада получается более дешевой и лучше вписывается в сложившийся городской ландшафт. Однако при этом навесная система требует более сложных конструктивных решений, призванных обеспечить устойчивость экипажа на узкой несущей балке. Разумеется, решения должны быть приемлемыми с экономической точки зрения. Скажем, очевидная идея прямой (пассивной) гироскопической стабилизации не выглядит привлекательной из-за высокой стоимости элементов. Рассмотрим навесную монорельсовую систему, описанную в патенте РФ №2.158.211, МПК В 61 В 13/04 (бюлл. 30 за 2000 г.). Здесь несущая балка выполнена цельной из бетона, а транспортное средство снабжено тремя группами роликов (колес). Это средство взято за прототип. Верхние, вертикальные сдвоенные ролики являются опорными, а средние и нижние боковые пары обеспечивают угловую и боковую стабилизацию. Следует особо подчеркнуть, что для гарантированной устойчивости экипажа трех плоскостей качения (трех точек опоры) мало, поскольку при наклоне экипажа сдвоенный опорный ролик также смещается в направлении наклона. Ограничить боковое смещение верхнего ролика можно, если ввести опорный рельс и снабдить ролик двумя "ребордами" наподобие шкива (блока). Однако простейший вариант неприемлем из-за повышенного шума.
По указанной причине рассматриваемое транспортное средство оказывается довольно громоздким (полная высота до 3,5 м) и отнюдь не соответствует требованиям технической эстетики. Далее, вес экипажа и пассажиров передается на балку сосредоточенно спереди и сзади. Для наземного транспортного средства (например, автобуса) решение привычно и естественно, однако сосредоточенное нагружение несущей балки создает в ней максимальные напряжения. Очевидно, требуется более равномерное распределение нагрузки по длине балки за счет максимального увеличения числа опорных точек. В качестве примера можно привести тяжелые грузовики (трайлеры), имеющие до 8 осей.
Проблему часто решают путем дробления. Так, в существующих монорельсовых системах используются составы из 5-7 вагончиков, каждый из которых рассчитан на 15-20 пассажиров. Решение трудно признать оптимальным, ведь монорельсовый экипаж изначально проектируется как высокоскоростной, поэтому к ходовому пути предъявляются особые требования (большой радиус закруглений).
Существенные ограничения на форму экипажа накладывает аэродинамика. Как известно, лучшим качеством на опорной поверхности обладает тело при соотношении длины и ширины от 5 до 15, снабженное носовым рассекателем потока. Этот рассекатель (в виде "щуки") можно видеть на всех современных скоростных поездах. Любые пазы, щели, сочленения резко ухудшают обтекаемость. Кроме того, при увеличении длины тела свыше 20 относительных единиц обтекаемость также начинает ухудшаться. Таким образом, аэродинамика диктует конструктору скоростного экипажа оптимальную форму удлиненного "автобуса" - нечто среднее между автомобилем и железнодорожным составом. При ширине 2,5 м и длине до 30 м экипаж может вместить до 100 пассажиров.
Налицо явное техническое противоречие. Радикальный способ его разрешения - использование принципа магнитной подвески, однако простых и дешевых конструкций до сих пор не создано. Кроме того, сама по себе магнитная подвеска не обеспечивает движения экипажа, а предлагаемые "линейные электродвигатели" весьма дороги и малоэффективны (особенно при торможении). В качестве тормозного устройства предлагаются как раз обжимные ролики, но они же могут с успехом обеспечивать быстрый разгон и стационарный режим движения монорельсового экипажа.
Еще один существенный недостаток транспортного средства согласно патенту №2.158.211 - компоновка пассажирского салона. Авторы патента взяли за основу вагон пригородного электропоезда, в котором пассажиры размещаются на поперечных группах сидений или кресел. Компоновка весьма "вместительна", однако создает риск значительного дисбаланса масс относительно продольной оси. Если в массивном железнодорожном вагоне при широкой колее асимметричное размещение пассажиров вполне допустимо, то для облегченного монорельсового экипажа дисбаланс крайне вреден. При малой ширине опорной поверхности дисбаланс масс создает сильный опрокидывающий момент, в результате чего резко увеличивается трение и возникает проблема "скручивания" балки. Конечно, вполне возможно обеспечить "центровку" за счет пересаживания пассажиров, однако для городского и пригородного транспорта массового пользования подобное решение вряд ли целесообразно. По всей видимости, необходима специальная компоновка салона.
С учетом вышеизложенного, особые требования предъявляются к ходовому пути. Традиционные типы эстакад весьма дороги и громоздки, к тому же вряд ли их можно назвать "украшениями" городских ландшафтов. В большинстве монорельсовых систем сегодня используются не бетонные, а более изящные металлические несущие элементы (балки). Однако сцепление роликов с металлом оказывается недостаточным, особенно при наличии водяной пленки.
Максимальное же сцепление обеспечивается как раз в паре бетон-резина, причем коэффициент сцепления сравнительно мало зависит от наличия воды. Итак, здесь явно присутствует еще одно техническое противоречие, разрешение которого предложено в патенте РФ №2.219.083, МПК В 61 В 13/04, Е 01 В 25/10 (бюлл. 35 за 2003 г.). Описан монорельсовый ходовой путь "навесного" типа, у которого расположение плоскостей качения роликов является обратным традиционному (горизонтальные плоскости качения расположены ниже вертикальных). Это позволяет максимально расширить "колею" для опорных (ходовых) роликов, приближая монорельсовое транспортное средство к обычному экипажу типа автобуса. Верхнее расположение боковых приводных роликов позволяет несколько уменьшить полную высоту монорельсового транспортного средства, сделать его более эстетичным. Но главная особенность - балка, выполненная из отдельных функциональных элементов. Использование в качестве несущего элемента упругой металлической ленты позволяет собирать конструкцию прямо на месте установки без снижения прочностных характеристик.
Недостаток прототипа - довольно значительная погонная масса балки, в основном определяемая массой бетонных элементов. К сожалению, при любой конструкции эстакада с пролетами свыше 20 метров неизбежно становится дорогостоящим и массивным сооружением. В условиях тесной городской застройки подобное затратное и трудоемкое строительство еще может быть оправдано, однако в пригородной зоне "полноформатная" эстакада является излишеством. С другой стороны, при установке монорельсового ходового пути прямо на поверхности земли он превращается в препятствие для пешеходов: из-за характерной охватывающей формы транспортного средства никакие "мостки" ближе 1 метра подвести нельзя. Выходит, что именно по причине полной "несовместимости" с обычным пешеходно-колесным наземным движением монорельсовый ходовой путь приходится выполнять в виде эстакады даже там, где экономические причины явно отсутствуют. В качестве единственного положительного аргумента можно указать только отсутствие риска столкновений.
У всех монорельсовых систем существует еще одна весьма серьезная проблема. Для обеспечения необходимой динамики и безопасности движения скоростной экипаж должен развивать ускорения, сравнимые с ускорением силы тяжести. Это означает, что к несущей балке будут приложены реактивные усилия, сравнимые с весом экипажа. Однако обычная эстакада на столь значительные продольные усилия не рассчитана, и резкое торможение может закончиться катастрофой (разрушением конструкции). С подобной проблемой сталкиваются конструкторы железнодорожных путей, ведь состав при торможении также "увлекает" рельсы.
Чтобы выйти из противоречия, для начала имеет смысл оценить "оптимальную" высоту профиля в пригородной зоне. В качестве минимальной оценки можно взять высоту железнодорожного рельса (0,18 м), а в качестве максимальной оценки берем высоту типичной мостовой балки (2-3 м). Как среднее геометрическое получаем примерно 0,7 метра, что также трудно преодолимо для обычного пешехода. Однако, если примерно на середине высоты с обеих сторон ходового пути имеются "ступеньки", преодоление препятствия становится возможным. Понятно, что роль ступенек могут играть сами "ездовые полки" в соответствии с прототипом (патент №2.219.083), но конструкция ходового пути должна быть усовершенствована.
Итак, задачей создания изобретения является разработка ходового пути для специального "пригородного" монорельсового транспортного средства.
Согласно формуле изобретения поставленная задача решается за счет существенных признаков, общих с прототипом - таких, как монорельсовый ходовой путь, включающий закрепленную на опорах упругую несущую ленту с элементами жидкости, имеющий пару нижних горизонтальных плоскостей качения с относительно меньшим коэффициентом сцепления для опорных роликов и пару верхних вертикальных плоскостей качения с относительно большим коэффициентом сцепления для боковых приводных роликов, а также отличительных, существенных признаков - предварительно изогнутая и образующая в профиле форму арки упругая несущая лента снабжена периодически установленными поперечными элементами, при этом нижние плоскости качения с относительно меньшим коэффициентом сцепления находятся на прикрепленных к несущей ленте жестких, например металлических ездовых полках, а верхние плоскости качения с относительно большим коэффициентом сцепления находятся на боковых поверхностях жестких, например бетонных элементов П-образного сечения, установленных по верху изогнутой несущей ленты с возможностью продольного смещения относительно указанной ленты и последовательно скрепленных между собой.
Изобретение иллюстрируется следующими чертежами фиг.1-3. На фиг.1 показан поперечный разрез монорельсового транспортного средства, на фиг.2 дан примерный вид группы пассажирских кресел, а фиг.3 представляет собой поперечный разрез ходового пути.
Монорельсовое транспортное средство навесного типа (фиг.1) содержит салон 1 с пассажирскими креслами 2, 3, парные опорные ролики 4, 5 и парные боковые ролики 6, 7.
Пассажирские кресла 2, 3 установлены в два ряда вдоль центральной линии салона "спинка" к "спинке" и образуют группы 8, разделенные поперечными проходами 9 (фиг.2). Парные опорные ролики 4, 5 расположены под группами 8 пассажирских кресел 2, 3 таким образом, что сегмент каждого ролика 4, 5 находится выше уровня пола салона 1.
Корпус-салон 1 представляет собой особую аэродинамическую форму - обтекатель. Он выполнен из легкого материала - например, стеклопластика и снабжен "контурной" рамой (на фиг.1 с целью упрощения чертежа не показана). Кресла 2, 3 являются съемными, что обеспечивает удобный доступ к ходовой части экипажа. Опорные ролики 4, 5 с бескамерными гладкими покрышками снабжены индивидуальными системами подвески по типу автомобильных, а также тормозными устройствами. Таким образом, разрешается главное противоречие - множественность точек опоры сочетается с цельностью корпуса. Кроме того, в конструкции широко используются апробированные "автомобильные" решения, а при возможности - готовые узлы (подвески, тормозные диски, колодки). Привод транспортного средства осуществляется только за счет боковых роликов 6 и 7, снабженных гидравлическими прижимными приспособлениями (минимум две пары спереди и сзади). Именно регулируемое сцепление выгодно отличает монорельсовое транспортное средство от автомобиля, который вынужденно (по соображениям безопасности) движется в режиме максимального сцепления с дорогой и соответственно преодолевает максимальное сопротивление движению. Силовая установка (не показана) состоит из ДВС небольшой мощности, буферного аккумулятора и разгонных электродвигателей, совмещенных с приводными роликами (т.н. "гибридная" схема, уже используемая во многих дорогих легковых автомобилях, а также в некоторых магистральных грузовиках). Возможны два типа торможения: "штатное" с рекуперацией энергии в буферный аккумулятор и экстренное за счет обычных тормозов. Главное требование к опорным роликам 4, 5 - минимальное сопротивление качению, что в конечном счете и определяет выбор материала покрышек. Использование металлических колес железнодорожного типа здесь нежелательно из-за повышенного шума и вибраций.
Наиболее заметная особенность предлагаемого транспортного средства - нетрадиционная осевая компоновка пассажирского салона. Компоновка имеет определенные достоинства и с точки зрения самих пассажиров: удается избежать психологически неприятного длительного пребывания множества людей лицом к лицу (вагон метрополитена). Количество пассажирских мест 2, 3 в группах 8 определяется соображениями удобства при посадке-высадке. Если ширину места (кресла) принять за 0,5 м, то в салоне длиной до 20 метров могут свободно разместиться 50-60, а при использовании откидных мест - до 70-80 пассажиров. Следует особо отметить, что из-за больших ускорений экипажа при разгоне и торможении перевозка стоящих пассажиров исключается. Ходовой путь 10 (фиг.1, 3), включает закрепленную на опорах (не показаны) упругую несущую ленту 11 с элементами жесткости, имеющий пару нижних горизонтальных плоскостей качения 12, 13 с относительно малым коэффициентом сцепления для опорных роликов 4, 5 и пару верхних вертикальных плоскостей качения 14, 15 с относительно большим коэффициентом сцепления для боковых приводных роликов 6, 7. Предварительно изогнутая и образующая в профиле форму арки упругая несущая лента 11 снабжена периодически установленными поперечными элементами 16. Нижние горизонтальные плоскости качения 12, 13 с относительно малым коэффициентом сцепления находятся на прикрепленных к несущей ленте жестких, например, металлических ездовых полках, а верхние вертикальные плоскости качения 14, 15 с относительно большим коэффициентом сцепления находятся на боковых поверхностях жестких, например, бетонных элементов П-образного сечения 17, установленных по верху изогнутой несущей ленты 11 при помощи крепежных элементов 18 с возможностью продольного смещения относительно указанной несущей ленты и последовательно скрепленных между собой.
Ходовой путь (фиг.3) представляет собой развитие известной балки П-образного профиля, характерной для большинства современных навесных систем. Поскольку углы всегда являются "концентраторами" напряжений, несущий элемент криволинейного профиля при равной прочности оказывается заметно легче. Использование упругих, т.е. нетрадиционных для строительных конструкций свойств позволяет добиться дальнейшего снижения погонной массы. При высоте ходового пути ("мини-балки") примерно 0,7-0,8 метра длина пролета может достигать 10-12 метров - этого вполне достаточно для преодоления небольших речек, оврагов и др., а также для осуществления "развязок" с шоссейными дорогами. В условиях равнины ходовой путь может быть установлен прямо на поверхности земли, однако для северных регионов желательно некоторые возвышения (с учетом возможных снеговых заносов). Возвышение осуществляется за счет простейших опор, возможно даже насыпных. Главной особенностью предлагаемого ходового пути является богатое разнообразие способов его монтажа и установки на местности. Например, удлинение поперечных элементов 16 за габарит экипажа позволит превратить ходовой путь в подобие подвесного моста и без особых затруднений сооружать мостовые переходы длиной в сотни метров.
"Свободное" крепление П-образных бетонных элементов 17 призвано распределить реактивное усилие от экипажа на максимальную длину ходового пути и тем самым - избежать сосредоточенной продольной нагрузки конкретного участка ленты, по которому в данный момент проходит экипаж. П-образные элементы скрепляются между собой вдоль верхней горизонтальной поверхности - например, за счет скоб, входящих в отверстия. Чтобы избежать износа ленты при смещениях П-образных элементов, под них необходимо подложить защитные прокладки. Для дальнейшего упрочнения пути в условиях интенсивного движения можно выполнить П-образный элемент из двух зеркально-симметричных Г-образных элементов, установленных со сдвигом на половину их длины и соединенных в одну непрерывную "плеть".
Таким образом, предлагаемая монорельсовая транспортная система является современным аналогом-заменителем некогда широко распространенных узкоколейных железных дорог. В частности, на Урале до начала 60-х гг. общая протяженность узкоколейных путей составляла тысячи километров, значительная часть которых пролегала в горных и таежных районах. По "узкоколейкам" зимой и летом перевозились как грузы, так и пассажиры. Несомненно, в условиях сурового климата и сильно пересеченной местности "малая" железная дорога экономически эффективней автомобильного сообщения. Предпочтение последнему в настоящее время отдано, скорее, по соображениям "моды" и ведет к ненужному расточительству, перерасходу ресурсов. Фактически же содержание шоссейного полотна в северных регионах требует ежегодных восстановительных работ, стоимость которых сравнима с прокладкой новой трассы. Вполне вероятно, истощение запасов нефти станет поводом к пересмотру современных транспортных концепций, особенно в России.
Ходовой путь, включающий закрепленную на опорах упругую несущую ленту с элементами жесткости, имеющий пару нижних горизонтальных плоскостей качения с относительно малым коэффициентом сцепления для опорных роликов и пару верхних вертикальных плоскостей качения с относительно большим коэффициентом сцепления для боковых приводных роликов, отличающийся тем, что предварительно изогнутая и образующая в профиле форму арки упругая несущая лента снабжена периодически установленными поперечными элементами, при этом нижние горизонтальные плоскости качения с относительно малым коэффициентом сцепления находятся на прикрепленных к несущей ленте жестких, например металлических, ездовых полках, а верхние вертикальные плоскости качения с относительно большим коэффициентом сцепления находятся на боковых поверхностях жестких, например бетонных, элементов П-образного сечения, установленных по верху изогнутой несущей ленты с возможностью продольного смещения относительно указанной несущей ленты и последовательно скрепленных между собой.
