Транспортная система юницкого и способ построения струнной транспортной системы
Изобретение относится к транспортным системам. Транспортная система включает размещенные на основании на опорах, по меньшей мере, две предварительно натянутые рельсовые нити в виде силовых органов, заключенных в корпусы с сопряженными с ними поверхностями качения для движения подвижных средств, образующие две путевые структуры, и установленные на них груженые и порожние подвижные средства. Способ построения струнной транспортной системы включает установку опор на основании, подвеску и натяжение между ними, по меньшей мере, двух силовых органов, последующую фиксацию концов силовых органов в опорах, а также крепление силовых органов относительно корпусов, имеющих поверхности качения и образующих две путевые структуры для движения подвижных средств. Упомянутые способ и устройство характеризуются тем, что выбраны оптимальное расстояние Н между верхней и нижней путевыми структурами, оптимальное отношение Н к наибольшей высоте h подвижных средств и оптимальное усилие натяжения верхних и нижних путевых структур. В результате повышается эффективность, надежность и долговечность транспортной системы, снижается ее материалоемкость. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к области транспорта, в частности к транспортным системам с путевой структурой, родственной путям подвесного и эстакадного типов. Оно может быть использовано в различных природных условиях при создании рельсовых транспортных систем грузового транспорта, переправ через реки и водоемы, магистралей к горным спортивным базам, в условиях сильно пересеченной местности, а также при построении межцеховых транспортных структур рассредоточенных производственных предприятий или их объединений - структур как многорельсовых (в частности, бирельсовых), так и монорельсового типа.
Известна транспортная система канатного типа («подвесная канатная дорога»), содержащая подвешенные на анкерных опорах несущие канаты, опирающиеся на переходные участки пути на опорах, создаваемые оголовками опор с демпфируемыми консольными башмаками, шарнирно закрепленными на них. При этом вагоны перемещаются посредством вспомогательного тягового каната (патент RU № 2184665, кл. В 61 В 7/02, 2000).
Транспортные системы такого типа рассчитаны на весьма ограниченные скорости движения подвижных средств и могут использоваться лишь на трассах сравнительно небольшой протяженности - в фуникулерах, так как с увеличением протяженности существенно возрастают проблемы, связанные с наличием тягового каната.
Известна струнная транспортная система Юницкого, включающая, по меньшей мере, одну натянутую над основанием, в пролете между опорами, рельсовую нить в виде силового органа, заключенного в корпус с поверхностью качения для самоходных подвижных средств, а также переходные участки пути на анкерных опорах, сопряженные с подвесными участками пути в пролете между опорами (патент RU № 2080268, кл. В 61 В 5/02, 1994).
Способ построения струнной транспортной системы такого типа включает установку анкерных опор на основании, подвеску в пролете между ними, по меньшей мере, одного силового органа в виде многослойного пакета силовых элементов - проволок, лент, полос, нитей, канатов и/или прядей, последующее послойное натяжение и фиксацию концов его силовых элементов на анкерных опорах, а также заключение предварительно напряженного силового органа в корпус рельса и последующую объемную фиксацию в нем.
Такая транспортная система обеспечивает высокие эксплуатационно-технические характеристики, однако при значительных усилиях натяжения рельсовой нити требует увеличения затрат на строительство из-за существенного роста расхода строительных и конструкционных материалов на изготовление предварительно напряженного силового органа и анкерных опор.
Известна также транспортная система Юницкого, включающая размещенные на основании на опорах, по меньшей мере, две предварительно натянутые рельсовые нити в виде силовых органов, заключенных в корпусы с сопряженными с ними поверхностями качения для движения подвижных средств, образующие две путевые структуры, и установленные на них груженые и порожние подвижные средства (патент RU № 2325293, кл. B 61B 3/02, E 01 B 25/22, 2006).
Способ построения струнной транспортной системы такого типа включает установку опор на основании, подвеску и натяжение между ними, по меньшей мере, двух силовых органов, последующую фиксацию концов силовых органов в опорах, а также крепление силовых органов относительно корпусов, имеющих поверхности качения и образующих две путевые структуры для движения подвижных средств.
Такая транспортная система обеспечивает высокие эксплуатационно-технические характеристики, однако выполнение двухпутной трассы (прямой и обратной линий) требует повышенного расхода конструкционных и строительных материалов не только на две путевые структуры, выполненные в виде разнесенных по горизонтали пространственных конструкций, но и на опоры, промежуточные и анкерные, которые должны поддерживать эти конструкции. Кроме этого, требуется дополнительное изъятие у землепользователя почв под каждую из путевых структур и под опоры под ними, что наносит дополнительный экологический ущерб природе.
Целью изобретения является повышение эффективности транспортной системы за счет обеспечения движения на ней как в прямом, так и в обратном направлениях без расширения площади изъятия земли под опоры, что позволяет решить задачу уменьшения стоимости ее строительства, а также снижения материалоемкости конструкции при сохранении ее надежности и долговечности.
Решение поставленной задачи в транспортной системе Юницкого, включающей размещенные на основании на опорах, по меньшей мере, две предварительно натянутые рельсовые нити в виде силовых органов, заключенных в корпусы с сопряженными с ними поверхностями качения для движения подвижных средств, образующие две путевые структуры, и установленные на них груженые и порожние подвижные средства, согласно изобретению достигается тем, что путевые структуры на опорах размещены друг под другом на расстоянии, определяемом из соотношения:
1,5 ≤ H / h ≤ 20, (1)
где: H - расстояние между поверхностями качения верхней и нижней путевых структур на опорах, м;
h - наибольшая высота подвижных средств, м,
и предварительно натянуты до усилий, определяемых из соотношения
0,2 ≤ T1(M2g + m2g L) / T2(M1g + m1g L) ≤ 5, (2)
где: T1 - суммарное усилие предварительного натяжения в верхней путевой структуре силовых органов и корпусов с сопряженными с ними поверхностями качения, Н;
T2 - суммарное усилие предварительного натяжения в нижней путевой структуре силовых органов и корпусов с сопряженными с ними поверхностями качения, Н;
M1 - суммарная масса подвижных средств, находящихся на верхней путевой структуре в пролете между смежными опорами, кг;
M2 - суммарная масса подвижных средств, находящихся на нижней путевой структуре в пролете между смежными опорами, кг;
L - длина пролета между смежными опорами, м;
m1 - погонная масса верхней путевой структуры в пролете между смежными опорами, кг/м;
m2 - погонная масса нижней путевой структуры в пролете между смежными опорами, кг/м;
g - ускорение свободного падения, м/с2.
Таким выполнением транспортной системы с путевыми структурами, размещенными друг под другом на определенном расстоянии и при определенном их натяжении, достигается уменьшение материалоемкости и стоимости строительства транспортной системы. При этом уменьшается изъятие почв у землепользователя под строительство двухпутных трасс, как и снижается наносимый при этом экологический ущерб природе.
Решение задачи достигается и тем, что груженые подвижные средства установлены на верхней путевой структуре, а порожние - на нижней путевой структуре.
Таким выполнением также обеспечивается уменьшение материалоемкости конструкции, так как менее нагруженная порожними подвижными средствами нижняя путевая структура может быть выполнена облегченной.
Решение задачи обеспечивается и тем, что груженые подвижные средства установлены на нижней путевой структуре, а порожние - на верхней путевой структуре.
Таким выполнением также обеспечивается уменьшение материалоемкости конструкции, так как менее нагруженная порожними подвижными средствами верхняя путевая структура может быть выполнена облегченной.
Решение задачи обеспечивается также достижением технического результата предлагаемым в качестве другого изобретения способом построения струнной транспортной системы, включающим установку опор на основании, подвеску и натяжение между ними, по меньшей мере, двух силовых органов, последующую фиксацию концов силовых органов в опорах, а также крепление силовых органов относительно корпусов, имеющих поверхности качения и образующих две путевые структуры для движения подвижных средств. Согласно способу по изобретению силовые органы размещают на опорах на разных уровнях друг под другом вначале на верхнем уровне, а затем - на нижнем уровне на расстоянии друг от друга, определяемом из соотношения (1):
1,5 ≤ H / h ≤ 20,
где: H - расстояние между поверхностями качения верхней и нижней путевых структур на опорах, м;
h - наибольшая высота подвижных средств, м,
и натягивают силовые органы и корпусы с поверхностями качения в каждой путевой структуре до усилий, удовлетворяющих соотношению:
2 ≤ (T3 + T4) / (Mg + mgL) ≤ 50, (3)
где: T3 - суммарное усилие натяжения в путевой структуре силовых органов, Н;
T4 - суммарное усилие натяжения в путевой структуре корпусов с поверхностями качения, Н;
M - суммарная расчетная масса подвижных средств, находящихся на путевой структуре в пролете между смежными опорами, кг;
m - погонная масса путевой структуры в пролете между смежными опорами, кг/м;
L - длина пролета между смежными опорами, м;
g - ускорение свободного падения, м/с2.
Указанными приемами по способу обеспечивается эквидистантность верхней и нижней путевых структур на пролетах при движении по ним расчетных (по массе) подвижных средств во время эксплуатации транспортной системы. Поэтому верхняя и нижняя путевые структуры во время их эксплуатации будут находиться относительно друг друга примерно на равном расстоянии на всем протяжении каждого пролета. Это позволяет проектировать транспортную систему с минимальной высотой опор и, соответственно, с минимальной их материалоемкостью и стоимостью.
Сущность представленных изобретений поясняется с помощью фиг. 1 - фиг. 4, на которых изображены:
фиг. 1 - фрагмент схемы общего вида струнной транспортной системы;
фиг. 2 - один из возможных вариантов выполнения рельсовой нити (поперечное сечение);
фиг. 3 - общий вид опоры (в направлении движения подвижных средств);
фиг. 4 - поперечный разрез груженого подвижного средства.
Предлагаемая транспортная система Юницкого (фиг. 1) содержит рассредоточенные на основании 1 из грунта вдоль трассы анкерные опоры 2 и поддерживающие (промежуточные) опоры 3, предназначенные для размещения на них подвесных участков пути. Подвесные участки пути представляют собой закрепленные на опорах 2 и 3, по меньшей мере, две натянутые рельсовые нити - верхняя нить 4 и нижняя нить 5 в виде силовых органов 4a (фиг. 2), заключенных в корпусы 4b с сопряженными с ними поверхностями качения 4c рельсовой головки 4d. На рельсовых нитях 4 и 5, образующих соответственно верхнюю и нижнюю путевые структуры, установлены груженые и порожние подвижные средства: на верхней путевой структуре - подвижные средства 6, на нижней путевой структуре - подвижные средства 7.
Анкерные опоры 2 содержат в своей верхней части (фиг. 3) устройства крепления 2a верхних и устройства крепления 2b нижних силовых органов соответственно верхней и нижней путевых структур, в которых закреплены концы натянутых в пролетах между смежными опорами 2 и 3 (или между смежными опорами 3 и 3, или между смежными опорами 2 и 2) соответственно верхних 4 и нижних 5 рельсовых нитей. Нижняя рельсовая нить 5 размещена (закреплена) на каждой опоре 2 и 3 под верхней рельсовой нитью 4, причем расстояние между нитями и соответственно между силовыми органами нитей и поверхностями качения верхней и нижней путевых структур равно H.
Каждая опора снабжена переходными участками пути 3a и 3b, которые плавно сопряжены с подвесными участками пути в пролетах между опорами и обеспечивают плавное движение подвижных средств по верхним и нижним путевым структурам при переходе через опоры 2 и 3.
Устройства крепления 2а и 2b силовых органов (и рельсовых нитей в целом) в анкерных опорах 2 представляют собой любые известные устройства, аналогичные устройствам, используемым в висячих и вантовых мостах, канатных дорогах и предварительно напряженных железобетонных конструкциях для крепления (анкерения) натянутых силовых органов (арматуры, канатов, высокопрочных проволок и др.).
Конструкция анкерной опоры 2 может изменяться в зависимости от места установки опоры. В частности, форма устройств крепления 2а верхних и устройств крепления 2b нижних силовых органов на анкерных опорах, устанавливаемых на поворотах трассы, на линейных участках пути, в горах или по концам трассы, может быть различной, так как упомянутые устройства, определяющие направление для переходного участка пути, должны быть плавно сопряжены с подвесными участками пути в пролетах между опорами. Кроме того, форма устройств крепления верхних и нижних рельсовых нитей анкерной опоры может определяться и тем, что они являются местом размещения узлов организации развязок (стрелочных переводов и поворотов) струнной рельсовой магистрали.
В зависимости от конкретного назначения транспортная система может включать в себя от одного до множества пролетов L между смежными опорами 2 и 3 (или смежными опорами 3 и 3, или смежными опорами 2 и 2), число которых, в свою очередь, будет пропорционально длине конкретной трассы (минимальное количество анкерных опор - две опоры по концам трассы). Транспортная система может и не содержать промежуточные опоры 3 и может иметь только анкерные опоры 2.
Каждая путевая структура транспортной системы может содержать от одной рельсовой нити (монорельсовая система) до нескольких рельсовых нитей (многорельсовая и, в частности, бирельсовая система).
Суммарное усилие предварительного натяжения в верхней путевой структуре силовых органов 4a и корпусов 4b с сопряженными с ними поверхностями качения 4c рельсовых головок 4d равно T1, а в нижней путевой структуре - T2. Суммарное усилие натяжения только силовых органов 4a в каждой путевой структуре (верхней или нижней) равно T3, а суммарное натяжение только корпусов 4b с поверхностями качения 4c головки 4d в каждой путевой структуре (верхней или нижней) равно T4.
Суммарная масса подвижных средств 6, находящихся на верхней путевой структуре в пролете L между смежными опорами, равна M1, а подвижных средств 7, находящихся на нижней путевой структуре в пролете L между смежными опорами, равна M2.
Масса путевой структуры на пролете может превышать массу рельсовых нитей, входящих в путевую структуру, так как к рельсовым нитям могут быть подвешены контактная сеть с электроизоляторами (для транспортной системы с электроприводом подвижных средств), тяговый канат, датчики системы управления, освещение и т. д. Натяжение в путевой структуре может отличаться от натяжения рельсовых нитей, так как в путевой структуре дополнительно могут быть натянуты контактный провод, тяговый канат и т.д. Поэтому суммарное усилие натяжения в путевой структуре будет равно величине T0, значение которого будет больше или равно суммарному значению (T3 + T4). Суммарная же расчетная масса подвижных средств, находящихся на каждой путевой структуре (верхней или нижней) в пролете L между смежными опорами, будет равна M, а погонная масса путевой структуры (верхней или нижней) в пролете L между смежными опорами будет равна m. Таким образом, при описании устройства транспортной системы обозначения параметров системы разделены на верхнюю и нижнюю путевые структуры (соответственно M1, m1, T1 и M2, m2, T2), а при описании способа построения струнной транспортной системы эти же параметры не разделены (M, m, T3, T4).
Как натяжение T0 в путевой структуре, так и масса M подвижных средств на пролетах являются величинами переменными. Усилие T0 в значительной степени зависит от температуры окружающей среды и от веса подвижных средств, находящихся на смежных пролетах, а масса M - от количества подвижных средств, одновременно находящихся на одном пролете, и от степени их загрузки перевозимыми пассажирами и/или грузами. Поэтому задаваемые в описываемых изобретениях диапазоны изменения значений усилий натяжения в путевой структуре силовых органов T3 и корпусов с сопряженными с ними поверхностями качения T4, а также их суммарные значения T1 в верхней путевой структуре и T2 - в нижней путевой структуре определены с учетом прогнозируемых реальных температурных режимов эксплуатации транспортной системы, а массы M - с учетом прогнозируемой реальной нестабильности количества подвижных средств на трассе и степени их загрузки перевозимыми пассажирами и/или грузами.
Выбором оптимальных расстояний H между верхней и нижней путевыми структурами, отношением H к наибольшей высоте h подвижных средств и оптимальных усилий натяжения верхних и нижних путевых структур определяется минимизация высоты размещения путевых структур транспортной системы над основанием 1 и соответственно высоты опор и их материалоемкости, а также их стоимости.
При величине соотношения H / h < 1,5 расстояние между верхней и нижней путевыми структурами будет настолько малым, что подвижные средства, находящиеся на верхней путевой структуре, особенно в средней части пролета, могут задевать при своем движении нижнюю путевую структуру или подвижные средства, движущиеся во встречном направлении и находящиеся на нижней путевой структуре (например, при раскачке путевых структур пульсирующим ветром).
При величине соотношения H / h > 20 расстояние между верхней и нижней путевыми структурами будет чрезмерно большим, что потребует увеличения высоты опор, так как в средней части пролета должна быть обеспечена безопасная высота проезда подвижных средств над поверхностью основания 1. При этом возрастет стоимость опор, так как их материалоемкость примерно пропорциональна квадрату высоты из-за увеличения опрокидывающих моментов, действующих как на тело опор, так и на их фундаменты из-за воздействия горизонтальных сил (не только сил натяжения в путевых структурах, но и поперечных ветровых нагрузок, действующих как на путевые структуры, так и на подвижные средства, одновременно находящиеся на смежных пролетах).
Поэтому рельсовые нити 4 и 5 и соответственно верхняя и нижняя путевые структуры на опорах 2 и 3 размещены друг под другом на расстоянии, определяемом из соотношения (1): 1,5 ≤ H / h ≤ 20.
При величине соотношения T1(M2g + m2gL) / T2(M1g + m1gL) < 0,2 верхняя 4 и нижняя 5 рельсовые нити при движении по ним подвижных средств 6 и 7 сближаются друг с другом в средней части пролета из-за относительной перегруженности верхней путевой структуры и увеличенного ее относительного провиса под нагрузкой на пролете. Поэтому во избежание аварийных ситуаций необходимо будет разносить по вертикали рельсовые нити относительно друг друга, то есть увеличивать расстояние между ними на опорах. Это увеличит высоту опор, их материалоемкость и стоимость.
При величине соотношения T1(M2g + m2gL) / T2(M1g + m1gL) > 5 верхняя и нижняя рельсовые нити при движении по ним подвижных средств удаляются друг от друга в средней части пролета из-за относительной перегруженности нижней путевой структуры и увеличенного ее относительного провиса под нагрузкой на пролете. Поэтому для обеспечения безопасной высоты размещения путевой структуры транспортной системы над основанием 1 необходимо будет увеличивать высоту размещения нижней и верхней рельсовых нитей на опорах. Это увеличит высоту опор, их материалоемкость и стоимость.
Поэтому рельсовые нити 4 и 5 на анкерных опорах 2 предварительно натянуты до усилий, определяемых из соотношения (2):
0,2 ≤ T1(M2g + m2g L) / T2(M1g + m1g L) ≤ 5.
Верхняя рельсовая нить 4 в данной транспортной системе представляет собой сборную многослойную конструкцию (фиг. 2), в которой силовой орган 4а состоит из набранных в пакет слоев отдельных силовых элементов в виде высокопрочных проволок, лент, полос, нитей, канатов и/или прядей. В минимальном исполнении силовой орган может включать один силовой элемент. Нижняя рельсовая нить 5 конструктивно выполнена аналогично.
Погонная масса путевых структур (масса структур протяженностью 1 м), определяемая, преимущественно, массой рельсовых нитей (одной или нескольких), входящих в путевую структуру, равна верхней - m1, нижней - m2.
В показанном на фиг. 2 предпочтительном варианте исполнения силового органа 4a в многослойном пакете силовых элементов может быть применено от одного до двадцати слоев высокопрочной стальной проволоки диаметром от одного до шести миллиметров каждая. Проволоки предпочтительно должны быть связаны между собой связующим 4e, а также - с корпусом 4b и с головкой 4d в монолит (по всему объему) посредством любого из известных заполнителей, например цементного раствора или полимерного связующего (в частности, на основе эпоксидной смолы), нагнетаемого в корпус под давлением после сборки рельсовой нити и герметизации корпуса 4b.
В зависимости от вида реализуемой путевой структуры - бирельсовой или монорельсовой - подвижные средства 6 и 7 в струнной транспортной системе могут располагаться как над рельсовыми нитями 4 и 5 (см. фиг.1), так и подвешиваться к ним снизу.
Согласно предлагаемому способу построения струнной транспортной системы необходимо обеспечивать стабилизацию положения силовых органов в пространстве. Эту функцию могут выполнять сами элементы силового органа рельсовых нитей, если при их сборке слои силовых элементов натягивать до различных напряжений, уменьшающихся от верхнего слоя пакета к нижнему в пределах соотношения (3), с последующей объемной фиксацией в корпусе рельса.
Подвижное средство 6 или 7 имеет максимальную высоту h с обязательным учетом находящегося в нем груза 6а и снабжено любым из возможных типов привода колес 6b, обеспечивающего перемещение подвижного средства в транспортной системе, а именно двигателем внутреннего сгорания, электроприводом, тяговым канатом и т.п. (фиг. 4).
В качестве одного из вариантов реализации предлагаемой транспортной системы груженые подвижные средства установлены на верхней путевой структуре, а порожние - на нижней путевой структуре.
Так как нижняя путевая структура в этом случае в меньшей степени будет нагружена порожними подвижными средствами, она может быть выполнена облегченной за счет уменьшения количества высокопрочных проволок в силовом органе рельсовой нити 5 и, соответственно, путем уменьшения натяжения T2.
Груженые подвижные средства могут быть также установлены и на нижней рельсовой нити 5, а порожние - на верхней рельсовой нити 4. В этом случае верхняя путевая структура в меньшей степени будет нагружена порожними подвижными средствами, поэтому она может быть выполнена облегченной за счет уменьшения количества высокопрочных проволок в силовом органе рельсовой нити 4 и, соответственно, путем уменьшения натяжения T1.
Согласно другому изобретению предлагается способ построения представленной выше струнной транспортной системы, включающий установку опор на основании, подвеску и натяжение между ними, по меньшей мере, двух силовых органов, последующую фиксацию концов силовых органов в опорах, а также крепление силовых органов относительно корпусов, имеющих поверхности качения и образующих две путевые структуры для движения подвижных средств.
Способ реализуют следующим образом. На основании 1 из грунта устанавливают опоры 2, в верхней части которых подвешивают две путевые структуры, каждая из которых включает натянутые рельсовые нити, соответственно 4 и 5, в виде силовых органов 4a, заключенных в корпусы 4b с сопряженными с ними поверхностями качения 4c. Затем на путевые структуры устанавливают груженые и порожние подвижные средства 6 и 7. Между анкерными опорами 2 могут быть размещены промежуточные опоры 3 (в отдельных случаях транспортная система может быть построена и без опор 3).
Концы натянутых в пролетах L между анкерными опорами 2 верхних 4 и нижних 5 рельсовых нитей закрепляют в расположенных в верхней части опор 2 (фиг. 3) устройствах крепления 2а верхних и устройствах крепления 2b нижних силовых органов.
На каждой опоре устройство крепления 2а верхних силовых органов размещено на определенном расстоянии H от устройства крепления 2b нижних силовых органов.
Согласно предлагаемому способу по изобретению силовые органы размещают на опорах на разных уровнях друг под другом вначале на верхнем уровне, а затем - на нижнем уровне на расстоянии друг от друга, определяемом из соотношения (1):
1,5 ≤ H / h ≤ 20,
где: H - расстояние между поверхностями качения верхней и нижней путевых структур на опорах, м;
h - наибольшая высота подвижных средств, м,
и натягивают силовые органы 4a и корпусы 4b с поверхностями качения 4c в каждой путевой структуре до усилий, удовлетворяющих соотношению (3):
2 ≤ (T3 + T4) / (M g + m g L) ≤ 50,
где: T3 - суммарное усилие натяжения в путевой структуре силовых органов, Н;
T4 - суммарное усилие натяжения в путевой структуре корпусов с поверхностями качения, Н;
M - суммарная расчетная масса подвижных средств, находящихся на путевой структуре в пролете между смежными опорами, кг;
m - погонная масса путевой структуры в пролете между смежными опорами, кг/м;
L - длина пролета между смежными опорами, м;
g - ускорение свободного падения, м/с2.
В случае одновременного выполнения условия (1) и соотношения
(T3 + T4) / (M g + m g L) < 2
у путевой структуры (верхней или нижней) будет чрезмерный провис на пролете как от собственного веса, так и от веса подвижных средств, находящихся на пролете. Это потребует увеличения высоты опор, как анкерных, так и промежуточных и, соответственно, увеличения их материалоемкости и стоимости.
При одновременном выполнении условия (1) и соотношения
(T3 + T4) / (M g + m g L) > 50
предварительное натяжение в путевой структуре (верхней или нижней) будет чрезмерно высоким, что потребует значительного увеличения поперечного сечения силовых органов и, соответственно, увеличения материалоемкости и стоимости как путевой структуры, так и опор, анкерных и промежуточных.
При достижении одновременного выполнения условий (1) и (3) верхние и нижние рельсовые нити с расположенными на них подвижными средствами, составляющие соответственно верхнюю и нижнюю путевые структуры, во время их эксплуатации будут находиться относительно друг друга примерно на равном расстоянии на всем протяжении каждого пролета. Это позволяет проектировать транспортную систему с ее оптимизацией по высоте опор. Поэтому, как показывает практика, для снижения материалоемкости и стоимости построения струнной транспортной системы усилие натяжения силовых элементов в каждой путевой структуре должно удовлетворять условию (3):
2 ≤ (T3 + T4) / (M g + m g L) ≤ 50
при одновременном выполнении условия (1):
1,5 ≤ H / h ≤ 20.
Пример конкретного выполнения
Грузовая трасса транспортной системы Юницкого для перевозки железной руды имеет следующие заданные оптимальные значения характеристик, входящих в соотношения (1) - (3): H = 1,6 м, h = 0,4 м, M1 = 12000 кг (на одном пролете - десять груженых подвижных средств грузоподъемностью 1000 кг каждое, приводимых в движение канатной тягой), M2 = 2000 кг (на каждом пролете - десять порожних подвижных средств, приводимых в движение канатной тягой), m1 = 34,2 кг/м (верхняя бирельсовая путевая структура с двумя рельсовыми нитями), m2 = 21,4 кг/м (нижняя бирельсовая путевая структура с двумя рельсовыми нитями), L = 100 м, T1 = 1,8·106 Н (при этом силовые органы верхней путевой структуры натянуты до усилия 1,7·106 Н, а корпусы с сопряженными с ними поверхностями качения - до усилия 105 Н), T2 = 4,4·105 Н (при этом силовые органы нижней путевой структуры натянуты до усилия 4,2·105 Н, а корпусы с сопряженными с ними поверхностями качения - до усилия 2·104 Н). Усилия натяжения приведены для средней температуры расчетного температурного диапазона в 100°C (зимой эти усилия будут возрастать, а летом при нагреве на солнце будут падать).
В приведенном примере соотношения (1) - (3) будут равны: соотношение (1): H / h = 4; соотношение (2): T1(M2g + m2g L) / T2(M1g + m1g L) = 1,1; соотношение (3): (T3 + T4) / (M g + m g L) = 11,9 для верхней путевой структуры и (T3 + T4) / (M g + m g L) = 10,8 для нижней путевой структуры. Эти соотношения в данном примере являются оптимальными. Рассмотрим граничные значения соотношений (1) - (3) для данного примера.
При величине соотношения H / h < 1,5 расстояние между верхней и нижней путевыми структурами (между поверхностями качения путевых структур) будет равно всего 0,6 м, т. е. будет настолько малым, что подвижные средства, находящиеся на верхней путевой структуре, особенно в средней части пролета, могут задевать при своем движении подвижные средства, движущиеся во встречном направлении и находящиеся на нижней путевой структуре (например, при раскачке путевых структур пульсирующим ветром).
При величине соотношения H / h > 20 расстояние между верхней и нижней путевыми структурами будет более 8 м, что потребует увеличения высоты опор и, соответственно, их материалоемкости и стоимости. Это обусловлено тем, что в средней части пролета дополнительный прогиб верхней путевой структуры под нагрузкой от груженых подвижных средств будет равен 0,77 м, поэтому зазор между гружеными подвижными средствами, движущимися по верхней путевой структуре, и нижней путевой структурой, превышающий величину 8 - 0,77 = 7,33 м, будет явно завышенным из условий безопасности движения (даже с учетом раскачки под действием ветра).
При величине соотношения T1(M2g + m2gL) / T2(M1g + m1gL) < 0,2 либо величина натяжения T1 в данном примере должна быть снижена в 5,5 раза (натяжение менее 3,3·105 Н), либо во столько же раз должно быть увеличено количество порожних подвижных средств, размещенных на одном пролете нижней путевой структуры (их суммарная масса должна в этом случае превышать 11000 кг). Это привело бы к чрезмерным провисам на пролете длиной 100 м, например более 1,32 м - под собственным весом верхней путевой структуры и более 4,24 м - при проезде груженых подвижных средств (суммарный провис на пролете в этом случае будет более 5,56 м). Для компенсации такого провиса потребовалось бы увеличение высоты опор, что привело бы к увеличению стоимости транспортной системы.
При величине соотношения T1(M2g + m2gL) / T2(M1g + m1gL) > 5 верхняя и нижняя рельсовые нити при движении по ним подвижных средств будут удаляться друг от друга в средней части пролета из-за относительной перегруженности нижней путевой структуры и увеличенного ее относительного провиса под нагрузкой на пролете, т.к. нижняя путевая структура должна быть натянута в этом случае в 4,5 раз слабее (усилие натяжения должно быть менее 9,8·104 Н). Поэтому для компенсации увеличенного в 4,5 раза провиса и для обеспечения безопасной высоты размещения путевой структуры транспортной системы над основанием необходимо будет увеличивать высоту размещения как нижней, так и верхней рельсовых нитей на опорах. Это увеличит высоту опор, их материалоемкость и стоимость.
При величине соотношения (T3 + T4) / (M g + m g L) < 2 у путевой структуры (верхней или нижней) будет чрезмерный провис на пролете как от собственного веса, так и от суммарного веса подвижных средств, находящихся на пролете. Например, в приведенном примере в этом случае усилие натяжения в верхней путевой структуре должно быть снижено более чем в 5,9 раз, а в нижней - более чем в 5,4 раза. Тогда суммарный провис верхней путевой структуры на пролете превысил бы величину 6,5 м, а нижней - 6,2 м, что потребовало бы увеличения высоты опор, как анкерных, так и промежуточных, и, соответственно, увеличения их материалоемкости и стоимости.
При величине соотношения (T3 + T4) / (M g + m g L) > 50 предварительное натяжение в путевой структуре (верхней или нижней) будет чрезмерно высоким, что потребует значительного увеличения поперечного сечения силовых органов и, соответственно, увеличения материалоемкости и стоимости как путевой структуры, так и опор, анкерных и промежуточных. Например, в приведенном примере суммарное усилие T3 + T4 в верхней путевой структуре должно было бы быть в таком случае в 4,2 раза более высоким (усилие более 7,5·106 Н или более 750 тонн), а в нижней - более чем в 4,6 раза более высоким (усилие более 2·106 Н или более 200 тонн).
Кроме перечисленных усилий и напряжений в провисающей (криволинейной) на пролете конструкции рельсовых нитей, будут возникать также температурные напряжения, примерно равные 2·106 Н/м2 (или примерно 20 кгс/см2) на один градус Цельсия изменения температуры (для продольных элементов, выполненных из стали). Поэтому транспортная система проектируется с учетом того, что при снижении температуры на 50°C (относительно среднего значения температуры) в несущей стальной конструкции рельсовой нити напряжения увеличатся на 108 Н/м2 (или примерно на 1000 кгс/см2), а при повышении температуры на 50°C (относительно среднего значения температуры) в несущей стальной конструкции рельсовой нити напряжения снизятся на 108 Н/м2 (или примерно на 1000 кгс/см2). Поэтому соотношения (1) - (3) составлены также с учетом температурного фактора таким образом, чтобы в оптимально спроектированной конструкции рельсовых нитей возникающие суммарные напряжения за весь период эксплуатации не превысили бы напряжений, которые допускаются нормативами, по которым проектируются мосты и эстакады, к разновидности которых и относится транспортная система Юницкого.
Строительство струнной транспортной системы в приведенном примере конкретного выполнения согласно изобретению осуществляют посредством следующих технологических операций.
На подготовленные в основании из грунта фундаменты устанавливают опоры, анкерные и промежуточные. На опоры подвешивают и натягивают между ними силовые органы двух путевых структур с последующей фиксацией концов силовых органов в анкерных опорах. Силовые органы размещают на опорах на разных уровнях друг под другом: вначале на верхнем уровне, а затем - на нижнем уровне. При этом силовые органы разных уровней фиксируют на опорах на расстоянии 0,6 м друг под другом, что удовлетворяет требованиям соотношения (1).
Затем монтируют, например, надвижкой на силовой орган корпус каждой рельсовой нити с поверхностью качения. После сборки рельсовых нитей, натяжения корпусов и их герметизации корпусы крепят к опорам и закрепляют относительно силовых органов, например, нагнетанием под давлением в их объем связующего на основе эпоксидной смолы.
Силовые органы верхней путевой структуры при этом натягивают до усилия T3=1,7·106 Н, а корпусы верхней путевой структуры с сопряженными с ними поверхностями качения - до усилия T4=105 Н. Таким образом, суммарное усилие натяжения в верхней путевой структуре силовых органов и корпусов с сопряженными с ними поверхностями качения составит T1 = 1,7·106 + 105 = 1,8·106 Н. Это отвечает требованиям как соотношения (2), так и соотношения (3).
Силовые органы нижней путевой структуры при этом натягивают до усилия T3=4,2·105 Н, а корпусы нижней путевой структуры с сопряженными с ними поверхностями качения - до усилия T4=2·104 Н. Таким образом, суммарное усилие натяжения в нижней путевой структуре силовых органов и корпусов с сопряженными с ними поверхностями качения составит T2 = 4,2·105 + 2·104 = 4,4·105 Н. Это отвечает требованиям как соотношения (2), так и соотношения (3).
Усилия предварительных натяжений T1, T2, T3 и T4 даны для средней температуры сборки, например, равной +20 °C (для расчетного диапазона температур в 100 °C: например, от -40 °C зимой до +60 °C летом в результате нагрева конструкции на солнце).
Изобретение может найти применение в грузовых транспортных системах, в горах, а также в системах организации переправ через водные препятствия, в рудниках, шахтах и т. п.
1. Транспортная система, включающая размещенные на основании на опорах, по меньшей мере, две предварительно натянутые рельсовые нити в виде силовых органов, заключенных в корпуса с сопряженными с ними поверхностями качения для движения подвижных средств, образующие две путевые структуры, и установленные на них груженые и порожние подвижные средства, отличающаяся тем, что путевые структуры на опорах размещены друг под другом на расстоянии, определяемом из соотношения
где Н - расстояние между поверхностями качения верхней и нижней путевых структур на опорах, м;
h - наибольшая высота подвижных средств, м,
и предварительно натянуты до усилий, определяемых из соотношения
где T1 - суммарное усилие предварительного натяжения в верхней путевой структуре силовых органов и корпусов с сопряженными с ними поверхностями качения, H;
T2 - суммарное усилие предварительного натяжения в нижней путевой структуре силовых органов и корпусов с сопряженными с ними поверхностями качения, Н;
M1 - суммарная масса подвижных средств, находящихся на верхней путевой структуре в пролете между смежными опорами, кг;
M2 - суммарная масса подвижных средств, находящихся на нижней путевой структуре в пролете между смежными опорами, кг;
L - длина пролета между смежными опорами, м;
m1 - погонная масса верхней путевой структуры в пролете между смежными опорами, кг/м;
m2 - погонная масса нижней путевой структуры в пролете между смежными опорами, кг/м;
g - ускорение свободного падения, м/с2.
2. Транспортная система по п.1, отличающаяся тем, что груженые подвижные средства установлены на верхней путевой структуре, а порожние - на нижней путевой структуре.
3. Транспортная система по п.1, отличающаяся тем, что груженые подвижные средства установлены на нижней путевой структуре, а порожние - на верхней путевой структуре.
4. Способ построения струнной транспортной системы, включающий установку опор на основании, подвеску и натяжение между ними, по меньшей мере, двух силовых органов, последующую фиксацию концов силовых органов в опорах, а также крепление силовых органов относительно корпусов, имеющих поверхности качения и образующих две путевые структуры для движения подвижных средств, отличающийся тем, что силовые органы размещают на опорах на разных уровнях друг под другом, вначале на верхнем уровне, а затем - на нижнем уровне, на расстоянии друг от друга, определяемом из соотношения (I):
1,5≤H/h≤20,
где H - расстояние между поверхностями качения верхней и нижней путевых структур на опорах, м;
h - наибольшая высота подвижных средств, м,
и натягивают силовые органы и корпуса с поверхностями качения в каждой путевой структуре до усилий, удовлетворяющих соотношению:
где T3 - суммарное усилие натяжения в путевой структуре силовых органов, H;
T4 - суммарное усилие натяжения в путевой структуре корпусов с поверхностями качения, H;
M - суммарная расчетная масса подвижных средств, находящихся на путевой структуре в пролете между смежными опорами, кг;
m - погонная масса путевой структуры в пролете между смежными опорами, кг/м;
L - длина пролета между смежными опорами, м;
g - ускорение свободного падения, м/с2.
