Монорельсовый ходовой путь и транспортное средство

Изобретение относится к транспортным системам с заданной траекторией движения и может быть использовано в качестве нового вида общественного транспорта, особенно - в пригородной зоне. Монорельсовый ходовой путь представляет собой короб из листового металла с периодически установленными внутри него поперечными элементами жесткости в виде пластин. Короб выполнен открытым снизу и имеет в нижней части продольные боковые выступы с профилем по форме полутрапеции наклонными поверхностями вверх. На верхней поверхности короба имеется продольное углубление для установки рельса. Поперечные элементы жесткости имеют горизонтальные трубчатые полости, внутри которых расположены шпильки-стяжки. Транспортное средство включает центральные опорные колеса и две пары разнесенных по высоте обрезиненных боковых колес. Опорные колеса выполнены металлическими. Верхние боковые колеса имеют большую ширину по сравнению с нижними боковыми колесами. Технический результат - повышение компактности транспортной системы, ее удешевление, а также увеличение жесткости монорельсового ходового пути по вертикали и в поперечном направлении. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к транспортным механизмам (системам) с заданной траекторией движения и может быть использовано в качестве нового вида общественного транспорта, особенно - в пригородной зоне.

Проблемой всех существующих монорельсовых систем является сам ходовой путь, обычно выполняемый в виде эстакады (даже на равнинной местности). Но любая "полноформатная" эстакада фактически представляет собой мост и имеет значительную стоимость в расчете на единицу длины. По всей вероятности, именно экономическими причинами объясняется сравнительно малая распространенность монорельсовых транспортных систем в современном мире. Соответственно усилия конструкторов должны быть направлены на поиск более приемлемых, более выгодных, более удобных (с экономической точки зрения) решений.

Основополагающей разработкой в области монорельсовых систем следует считать "Аэропоезд" системы С.С.Вальднера (а.с. СССР № 35209, 1933 г.). Транспортное средство "навесного" типа охватывало несущую балку сверху и опиралось двухребордными металлическими колесами на центральный рельс железнодорожного типа, а боковые ролики-"бегунки" обеспечивали устойчивость (конструктор называл свою схему "трехточкой").

Как известно, для противодействия наклону транспортного средства необходима ПАРА сил. Здесь в создании пары сил участвует одна из двух реборд центрального опорного колеса, а также противолежащий боковой ролик. Таким образом, при наклоне транспортного средства возникает сильное трение между опорными колесами и рельсом, что ведет к повышенному износу трущихся поверхностей. По указанной причине простейшая "трехточка" была заменена более сложной, но более совершенной "пятиточкой".

В качестве АНАЛОГА (и одновременно - ПРОТОТИПА по п.3 формулы) рассмотрим вполне традиционную систему "навесного" типа, описанную в патенте РФ № 2158211, МПК В 61 В 13/04 (бюл. № 30/2000). Здесь несущая балка выполнена из бетона с погонной массой порядка 1 тонны на метр. Транспортное средство имеет 3 группы роликов или колес: сдвоенные вертикальные (опорные или ходовые), а также разнесенные по высоте балки верхние и нижние боковые пары. Из-за сильного разнесения боковых пар монорельсовое транспортное средство получается визуально громоздким, неэстетичным (ширина 3 м, полная высота до 3,5 м). Кроме того, ходовой путь не может быть установлен прямо на поверхности земли, поскольку становится препятствием для пешеходов. Характерная "охватывающая" форма транспортного средства не позволяет расположить какие-либо дополнительные сооружения ("мостки") в пределах 1-1,5 м от ходового пути. Получается, что весьма дорогостоящее "эстакадное" исполнение ходового пути является вынужденным, что следует считать крупным недостатком.

ПРОТОТИП по пп.1, 2 формулы. В патенте РФ № 2167403, МПК 7 G 01 M 17/08 (бюл. № 14/2001) описан действующий испытательный комплекс на базе модернизированной монорельсовой системы. Наиболее характерные особенности прототипа:

во-первых, транспортное средство имеет меньшую по сравнению с аналогом ширину с целью лучшего баланса масс относительно продольной оси;

во-вторых, вместо сплошной бетонной балки используется коробчатая балка из листового металла;

в-третьих, изменено расположение вспомогательных (боковых) роликов и транспортное средство стало более "компактным", эстетичным.

Главный недостаток прототипа - опять же конструкция ходового пути, рассчитанная на эстакадное, "большепролетное" исполнение. В прилагаемом подробном описании содержатся сведения, позволяющие оценить погонную массу ходового пути - примерно 500 кг на метр. Безусловно, это очень много (для сравнения - погонный метр самого тяжелого типа железнодорожного рельса имеет массу около 75 кг). Итак, опять имеем мост длиной в десятки километров.

Расположение роликов угловой стабилизации под боковыми выступами ходового пути делает транспортное средство "несъемным", что затруднит эксплуатацию всей системы при интенсивном движении. Поскольку монорельсовый принцип исключает привычный железнодорожный стрелочный переход, возможность перемещения транспортного средства по вертикали (т.е. "съема" с ходового пути) есть некоторая компенсация этого недостатка. Даже на обычной железной дороге подобный технологический прием используется для быстрой замены колесных пар (например, при разной ширине колеи).

Транспортное средство согласно патенту № 2167403 по габаритам и вместимости вполне сопоставимо с троллейбусом или автобусом (в среднем до 50 пассажиров). При периоде следования в пределах 5 минут транспортная система способна перевезти порядка 1 тыс. пассажиров в час, что также сопоставимо со средним троллейбусным или автобусным маршрутом. Сокращение периода следования вряд ли возможно из-за "каретной" компоновки посадочных мест, замедляющей посадку-высадку пассажиров. С этой точки зрения оптимален вагон метрополитена, но его "монорельсовый" вариант трудно реализуем из-за проблемы дисбаланса масс относительно продольной оси. Даже хорошо "сбалансированный", но слишком широкий экипаж склонен к угловым колебаниям вследствие значительного момента инерции. Единственный способ предотвращения угловых колебаний - сосредоточение масс на центральной линии. Например, в "час пик" основная масса пассажиров метрополитена едет стоя, люди находятся на центральной линии вагонов и условие легко выполняется.

Большей пропускной способности монорельсовой системы теоретически можно добиться за счет более активной "динамики" (т.е. за счет сокращения времени разгона-торможения). Однако уже при ускорении около 3 м/сек² средний человек не в состоянии удержаться на ногах. Следовательно, перевозка стоящих пассажиров исключается, а пропускная способность жестко лимитируется числом посадочных мест.

С учетом всего сказанного, никакой конкуренции "классическому" метрополитену с его пропускной способностью на уровне 50 тыс. человек в час монорельсовая транспортная система составить не может. Однако затраты на сооружение "полноформатной" эстакады с длиной пролета примерно 20-30 метров вполне сопоставимы с затратами на проходку неглубокого тоннеля в характерных для России мягких грунтах (у современных строителей вообще заметна тенденция предпочтения тоннелей, нежели мостов). По всей видимости, в больших городах - "мегаполисах" монорельсовые транспортные системы особых перспектив не имеют. С другой стороны, их использование в пригородной зоне возможно лишь при условии существенного удешевления ходового пути.

Стоит рассмотреть еще несколько недостатков прототипа, в определенном смысле "знаковых", подчеркивающих неэффективность выбранного пути развития. Стремясь повысить устойчивость транспортного средства, авторы патента № 2167403 вообще отказались от монорельсового принципа и разнесли опорные колеса на величину их диаметра, т.е. вернулись к привычной "колее". Однако при этом излишними становятся наиболее массивные горизонтальные листы короба, а сам короб можно заменить двумя параллельными двутавровыми балками, т.е. рельсами. Возврат к "колее" неизбежно означает и возврат к традиционной конструкции железнодорожного пути, а каждый из рельсов попросту получает дополнительное "продолжение" по вертикали (именно так устроены малые железнодорожные мосты). Наконец, совершенно непонятно использование здесь "мягких" опорных колес автомобильного типа с пневматическими камерами, создающих заметное сопротивление движению (3-5% против 0,5% у железнодорожных колес).

По-видимому, имеет смысл сочетание колес разных типов (что имело место еще в системе Вальднера). В качестве опорных лучше подходят колеса железнодорожного типа, а боковые стабилизирующие ролики как раз лучше выполнить обрезиненными. Верхнюю пару боковых роликов вполне возможно сделать приводной - их следует снабдить гидравлическими устройствами для обжима балки (см. а.с. СССР № 1504136, МПК В 61 В 13/04, бюл. 32/1989). Наличие регулируемого сцепления становится важным, прогрессивным отличием монорельсового транспортного средства и дает ему особые преимущества. Именно регулируемое сцепление позволяет сочетать активную "динамику" с высокой экономичностью, что недостижимо для обычных колесных экипажей. Так, конструкция современного автомобиля есть яркий пример принесения экономичности в жертву безопасности, а тяговое усилие локомотивов напрямую зависит от их веса - что неизбежно вынуждает усиливать ходовой путь.

Задачей создания изобретения является разработка "компактного", дешевого и легкого монорельсового ходового пути, имеющего при этом достаточную жесткость по вертикали и в поперечном направлении, а также разработка монорельсового транспортного средства для этого пути, соответствующего требованиям пригородных пассажирских и грузовых перевозок.

Поставленная задача достигается за счет признаков, указанных в 1-м пункте формулы, общих с прототипом - таких, как монорельсовый ходовой путь, представляющий собой короб из листового металла с периодически установленными внутри него элементами жесткости в виде поперечных пластин и отличительных, существенных признаков - короб выполнен открытым снизу и имеет в нижней части продольные боковые выступы с профилем по форме полутрапеции наклонными поверхностями вверх, тогда как на верхней поверхности короба имеется продольное углубление для установки рельса, при этом поперечные элементы жесткости имеют горизонтальные трубчатые полости, внутри которых расположены шпильки-стяжки.

Согласно пункту 2 формулы поставленная задача достигается за счет того, что короб выполнен сборным из трех продольных элементов - верхнего и двух зеркально-симметричных боковых, при этом верхний элемент имеет П-образный профиль и снабжен по краям бортиками, направленными внутрь профиля по углом 45°, а боковые элементы имеют наклонные поверхности, соответствующие бортикам верхнего элемента.

Совокупность вышеперечисленных признаков позволяет получить следующий технический результат - создание "компактного", дешевого и легкого монорельсового ходового пути, имеющего при этом достаточную жесткость по вертикали и в поперечном направлении, а также транспортного средства для монорельсового ходового пути, соответствующего требованиям пригородных пассажирских и грузовых перевозок.

Поставленная задача (пункт 3 формулы) достигается за счет признаков, общих с прототипом - таких, как транспортное средство, включающее центральные опорные колеса и две пары разнесенных по высоте обрезиненных боковых колес, а также отличительных, существенных признаков - опорные колеса выполнены металлическими, а верхние боковые колеса имеют большую ширину по сравнению с нижними боковыми колесами.

Технический результат по вышеперечисленной совокупности признаков - разработка монорельсового транспортного средства для монорельсового ходового пути, соответствующего требованиям пригородных пассажирских и грузовых перевозок.

Указанные выше отличительные признаки каждый в отдельности и все совместно направлены на решение поставленной задачи и являются существенными. Использование предлагаемого сочетания существенных отличительных признаков в известном уровне техники не обнаружено, следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует критерию патентоспособности "новизна".

Единая совокупность новых существенных признаков с общими, известными обеспечивает решение поставленной задачи, является не очевидной для специалистов в данной области техники и свидетельствует о соответствии заявленного технического решения критерию патентоспособности "изобретательский уровень".

Изобретение иллюстрируется чертежами. На фиг.1 показан поперечный разрез ходового пути в соответствии с п.1 формулы изобретения, а также сравнительные размеры колес транспортного средства и их расположение относительно ходового пути в соответствии с п.3 формулы изобретения;

на фиг.2 показан примерный профиль поперечного элемента жесткости;

на фиг.3 дан поперечный разрез усиленного варианта ходового пути в соответствии с п.2 формулы изобретения.

Монорельсовый ходовой путь (фиг.1) представляет собой короб 1 из листового металла с периодически установленными внутри него поперечными элементами жесткости в виде пластин 2. Короб 1 выполнен открытым снизу и имеет в нижней части продольные боковые выступы 3, 4 с профилем по форме полутрапеции наклонными поверхностями вверх.

На верхней поверхности короба 1 имеется продольное углубление 5 для установки рельса 6. Поперечные элементы жесткости 2 имеют горизонтальные трубчатые полости 7, внутри которых расположены шпильки-стяжки 8 (фиг.2).

Короб 1 выполнен сборным из трех продольных элементов - верхнего 9 и двух зеркально-симметричных боковых 10, 11. Верхний продольный элемент 9 имеет П-образный профиль и снабжен по краям бортиками 12, направленными внутрь профиля под углом 45°, а боковые элементы 10, 11 имеют наклонные поверхности, соответствующие бортикам верхнего элемента (фиг.3).

Монорельсовое транспортное средство (фиг.1) включает центральные опорные колеса 14 и две пары разнесенных по высоте обрезиненных боковых колес 15, 16, 17, 18. Опорные колеса 14 выполнены металлическими, а верхние боковые колеса 15, 16 имеют большую ширину по сравнению с нижними боковыми колесами 17, 18. Поз. 19 на фиг.2 обозначены вспомогательные элементы (заклепки) элемента 2, а поз. 20 на фиг.3 - крепежные элементы рельса 6.

Монорельсовый ходовой путь включает два основных функциональных элемента - несущий короб 1 и центральный рельс 6. Все остальные элементы являются вспомогательными. Форма (профиль) короба определяется направлениями прилагаемых сил. Поскольку при наклонах транспортного средства нижние боковые ролики должны испытывать достаточное противодействие со стороны короба, в его нижней части также необходимы горизонтальные или наклонные ребра жесткости (что и достигается наличием выступов 3, 4).

Полная высота короба - до 500 мм, ширина по верху - до 300 мм. Здесь используется рельс 6 "узкоколейного" типа высотой до 120 мм с шириной "пятки" примерно 100 мм. Погонная масса ходового пути зависит от толщины профилированного листа, а толщина листа определяется вероятной нагрузкой и качеством применяемой стали. Для пригородных сообщений вполне достаточно иметь толщину стенок короба не более 1,5-2 мм и в таком случае погонная масса не превысит 25 - 30 кг на метр, а при использовании высококачественной стали, возможно, снижение погонной массы примерно в 1,5 раза. Защита короба от коррозии осуществляется с помощью заранее нанесенного покрытия ("плакирования").

Форма и размеры короба позволяют устанавливать его на промежуточные опоры, находящиеся в пределах 3-4 метров. Это существенно меньше длины пролета "полноформатной" эстакады, но заметно больше расстояния между железнодорожными шпалами (0,5 м). Благодаря оптимизации параметров короба в роли "мини-балки" его монтаж на местности упрощается и удешевляется, по сравнению с обычным железнодорожным полотном сокращаются затраты ручного труда. Поперечные элементы жесткости устанавливаются на расстоянии, примерно соответствующем пятикратной ширине короба по верху ("принцип стебля бамбука"). В данном случае это составляет 1,5 м.

На отдельных участках ходового пути нижние вертикальные ребра короба могут быть продолжены еще на 300-500 мм, что позволяет увеличить расстояние между промежуточными опорами до 5-7 метров (а при использовании качественной стали - до 10 метров). Именно таким образом обеспечивается возможность "развязки" с проселочными и шоссейными дорогами местного значения.

Следует заметить, что простейшая ("однопрофильная") конструкция короба далека от оптимальной. Изображенный на фиг.1 профиль является "непрокатным", т.е. он не может быть получен путем выполнения только одной технологической операции. Поэтому дальнейшим развитием является сборная конструкция, состоящая из трех более простых профилей. Боковые элементы 10, 11 получаются уже после одной прокатки, а верхний элемент 9 требует дополнительной (но достаточно простой) операции - "отбортовки". В принципе, все необходимые технологические действия с исходным листом (рулонным материалом) могут производиться прямо на месте монтажа, что дает конструкции дополнительные преимущества. Поперечные элементы 2 здесь также выполняются путем профилирования сложенного вдвое листа, поэтому их изготовление также возможно прямо на месте.

Отличие предлагаемого монорельсового транспортного средства - функционально различные колеса. От опорных колес 14 требуется минимальное сопротивление движению, поэтому здесь они выполнены металлическими по типу железнодорожных колес и имеют реборды (служащие в качестве дополнительных, "аварийных" элементов стабилизации). Верхние боковые колеса 15, 16 являются приводными, поэтому они выполнены по типу автомобильных "широкопрофильных" колес и имеют пневматические камеры. Нижние боковые колеса 17, 18 играют вспомогательную роль, они имеют меньшие по сравнению с верхними боковыми колесами размеры и снабжены простыми бескамерными покрышками.

Характерным свойством предлагаемого монорельсового транспортного средства является требование "балансировки" масс (пассажиров или грузов) относительно продольной оси. Однако указанное требование затруднительно только для городского общественного транспорта, в котором расположение пассажиров обычно является случайным. Для грузовых транспортных средств, а также для всех типов морских и воздушных судов требование "балансировки" (центровки) обязательно. Именно по указанной причине монорельсовые транспортные системы скорее пригодны для пригородных, нежели для внутригородских перевозок. При периоде следования порядка 1 часа и более потеря нескольких минут на "балансировку" вряд ли будет рассматриваться пассажирами как фактор дискомфорта.

1. Монорельсовый ходовой путь, представляющий собой короб из листового металла с периодически установленными внутри него поперечными элементами жесткости в виде пластин, отличающийся тем, что короб выполнен открытым снизу и имеет в нижней части продольные боковые выступы с профилем по форме полутрапеции наклонными поверхностями вверх, тогда как на верхней поверхности короба имеется продольное углубление для установки рельса, при этом поперечные элементы жесткости имеют горизонтальные трубчатые полости, внутри которых расположены шпильки-стяжки.

2. Монорельсовый ходовой путь по п.1, отличающийся тем, что короб выполнен сборным из трех продольных элементов - верхнего и двух зеркально-симметричных боковых, при этом верхний продольный элемент имеет П-образный профиль и снабжен по краям бортиками, направленными внутрь профиля под углом 45°, а боковые элементы имеют наклонные поверхности, соответствующие бортикам верхнего элемента.

3. Транспортное средство, включающее центральные опорные колеса и две пары разнесенных по высоте обрезиненных боковых колес, отличающееся тем, что опорные колеса выполнены металлическими, а верхние боковые колеса имеют большую ширину по сравнению с нижними боковыми колесами.