МОНОРЕЛЬСОВАЯ ДОРОГА НАВЕСНОГО ТИПА Российский патент 2003 года по МПК B61B13/04 E01B25/10 

Изобретение относится к области специального строительства и может быть использовано при создании монорельсовых транспортных систем.

Классической, основополагающей разработкой в области монорельсовых транспортных систем следует считать "Аэропоезд" С.С. Вальднера (см. а.с. СССР 35209, 1933 г. ). Конструкция Вальднера - типичный пример системы "навесного" типа. Экипаж охватывает несущую балку сверху, опираясь колесами на центральный рельс, а два боковых рельса обеспечивают устойчивость экипажа. Привод опытного образца осуществлялся за счет двух поршневых авиамоторов с пропеллерами. Разумеется, указанное решение для городского транспорта неприемлемо из-за большого шума. В дальнейшем Вальднер планировал перейти на электрическую тягу, однако из-за слабого сцепления опорных колес с рельсом быстрый разгон и эффективное торможение вряд ли возможны. Подобное противоречие знакомо всем конструкторам автомобилей. При снижении веса автомобиля снижается трение в колесах и расход бензина, однако ухудшается сцепление колес с дорогой и тем самым резко повышается вероятность аварии. Можно утверждать, что для любого традиционного наземного экипажа противоречие неразрешимо и приходится жертвовать экономичностью ради безопасности. Но даже если экипаж движется по эстакаде и опасность столкновения с другими транспортными средствами ему не угрожает, слишком длинный тормозной путь создает значительные неудобства.

Особенностью эстакады по проекту Вальднера является наличие трех раздельных продольных элементов, однако боковые балки не несут весовой нагрузки экипажа. Центральная, основная балка имеет характерный Т-образный профиль с достаточно узким вертикальным ребром.

Выполнение профиля из цельного (монолитного) бетона проблематично, поскольку бетон не выдерживает деформации растяжения по нижнему краю.

Наиболее близкой к заявленному техническому решению является "Монорельсозая транспортная система навесного типа", см. патент РФ 2145557 МПК В 61 В 13/04, Е 01 В 25/10, бюл. 5 за 2000 г. Ходовой путь содержит несущий элемент - металлическую транспортную балку специального двутаврового профиля и закрепленный на ней незамкнутый металлический короб прямоугольного сечения. Опорные (ходовые) ролики экипажа движутся по внутренним горизонтальным поверхностям короба, играющим роль "ездовых полок". Одна пара стабилизирующих боковых роликов взаимодействует с боковыми стенками короба, а другая пара боковых роликов - с вертикальным ребром транспортной балки. Главное достоинство системы - защищенность ездовых полок от атмосферных осадков в виде дождя и снега.

Недостаток прототипа - большое число роликов (колес). Как известно, колеса с пневматическими шинами широкого профиля создают довольно значительное сопротивление движению.

У рельсового поезда коэффициент трения составляет примерно 5%, а у автомобиля превосходит 10%, хотя нагрузка на ось ж/д вагона значительно больше. Причина повышенного трения - значительный объем сминаемой резины, а также неупругое сжатие воздуха в камерах. Гораздо лучшими свойствами обладает тонкопрофильное велосипедное колесо, сопротивление движению которого на хорошей дороге не превышает 2% от нагрузки на ось. Именно поэтому велосипедист способен развить довольно высокую скорость при сравнительно малых затратах энергии.

Таким образом, обеспечивать "мягкий ход" навесного монорельсового экипажа за счет большого числа колес автомобильного типа энергетически нерационально. Более целесообразно добиваться "мягкого хода" за счет совершенствования путевых элементов.

Далее, конструкция ходового пути прототипа не в состоянии обеспечить достаточную жесткость при разумном расходе материала (до 200-300 кг на погонный метр пути). Во-первых, тонкие стенки короба под давлением опорных роликов стремятся выгнуться наружу. Устранить деформацию короба можно только за счет постоянного обжима боковых роликов, что существенно увеличивает трение. Во-вторых, сама несущая (транспортная) балка прототипа имеет неудачный профиль.

Наибольшее сопротивление весовой нагрузке оказывает тонкое, упругое вертикально ориентированное ребро. Хорошей моделью здесь служит обычная металлическая линейка с отношением ширины к длине примерно 1:20 и отношением толщины к ширине примерно 1:40. Укреплять испытывающий деформацию растяжения нижний край ребра не имеет смысла, если нагрузка меньше предела текучести (для высоколегированных сталей 100-200 кг на 1 кв.мм сечения). Верхний край ребра испытывает деформацию сжатия и теряет устойчивость (дает характерную "волну" по линии сжатия). Следовательно, для полного использования несущих свойств ребра необходимо укреплять (стабилизировать) именно верхний край. Простейшим вариантом является профиль Т-образной формы, однако по линиям соединения ребра и полок возникают локальные перенапряжения. Поэтому переход от несущего ребра к полкам стараются сделать плавным, криволинейным. В пределе имеем хорошо известный профиль Виньоля (рельс). Нижние полки железнодорожного рельса отнюдь не повышают его жесткость, а служат исключительно для распределения весовой нагрузки от подвижного состава на максимальную площадь опоры.

Проведенный анализ показывает, что широкие нижние полки профиля прототипа являются совершенно излишними, тогда как маленькие верхние полки обязательно будут смяты под нагрузкой. Поскольку типовой прокат не обладает выраженными упругими свойствами, смятие полок приведет к необратимому повреждению и в дальнейшем - к обрушению балки. Если попытаться представить идеальную балку, то верхний ее край должен быть максимально устойчив к сжатию, а нижний край - к растяжению.

Очевидно, столь противоречивые свойства не могут сочетаться в одном материале. Аналогичное противоречие исторически привело к появлению железобетона, сочетающего жесткость бетона и прочность стали. Однако обычные типы железобетонных конструкций (фермы) здесь также неприменимы, поскольку имеют весьма значительную массу и довольно громоздки. Налицо принципиальный недостаток, свойственный всем традиционным монорельсовым системам. Эстакада становится наиболее выгодной, если длина пролета (расстояние между опорами) составляет 20-30 и более метров. Эстакада с пролетами менее 10 метров никаких преимуществ не дает и даже может оказаться убыточной, поскольку значительное число опор резко повышает стоимость сооружения. Итак, с точки зрения экономики конструктор должен стремиться предельно увеличить длину пролета эстакады. С другой стороны, обязательное требование максимальной механической прочности и жесткости вынуждает делать несущую балку из цельного материала по длине пролета. Соответственно возникает проблема доставки и монтажа длинномерных элементов, практически неразрешимая в условиях большого города с тесной застройкой. Но и за пределами городской черты транспортировка негабаритных грузов весьма затруднена. Можно определенно утверждать, что балки длиной 20-30 метров невозможно перевозить по большинству автомобильных дорог (особенно в России). Для доставки по железной дороге балки придется устанавливать на специальные поворотные платформы и соблюдать особые предосторожности в пути. Стоимость доставки тысяч балок перекрывает все теоретические выгоды.

Именно по указанной причине предпочтение до сих пор отдавалось не монорельсовым, а канатным дорогам различных типов (включая варианты с неподвижными несущими канатами). Выполнение несущего элемента гибким дает возможность транспортировки его к месту монтажа в компактном виде - на барабане. Но у любой канатной системы есть свой принципиальный недостаток, а именно - локальное повреждение небольшого участка по соображениям безопасности требует замены всего каната" Кроме того, невозможно обеспечить надежное сцепление автономного экипажа с канатом (тросом) из-за малой поверхности сцепления. Системы же с тянущим канатом ограничены протяженностью порядка нескольких километров. Наконец, обеспечить необходимое натяжение каната (троса) на реальной местности бывает довольно сложно.

Следовательно, идеальный несущий элемент должен обладать максимальной жесткостью в вертикальной плоскости и минимальной жесткостью в перпендикулярном направлении. Поставленному условию лучше всего отвечает упругая металлическая ЛЕНТА. Как и канат (трос), лента может доставляться к месту монтажа на барабане.

Задачей создания изобретения является повышение жесткости ходового пути при одновременном сокращении его погонной массы, а также существенное упрощение доставки элементов и их монтажа.

Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в 1-м пункте формулы изобретения и общих с прототипом, таких как монорельсовая дорога навесного типа, включающая транспортную балку с симметрично расположенными ездовыми полками, а также установленное над ездовыми полками защитное приспособление, и отличительных, существенных признаков - транспортная балка представляет собой вертикально ориентированную многослойную ленту с четным числом слоев, а ездовые полки выполнены из отдельных жестких, например, бетонных элементов трапецевидного профиля с утолщениями по краям и на углах, причем горизонтальные части элементов расположены ниже соединенных с несущей лентой вертикальных частей, а рабочие поверхности ездовых полок по всей длине снабжены сменным покрытием, например, из армированной резины, тогда как защитное приспособление представляет собой кровлю "вагонного" профиля, закрепленную по верху несущей ленты, слои которой над ездовыми полками разделены надвое.

Жесткость ходового пути обеспечивается как свойство конструкции (совокупности элементов), а не является простым следствием механических свойств применяемых материалов.

Особенность выполнения ездовых полок отражена в п.2 формулы изобретения. Для повышения жесткости сборной конструкции элементы левой и правой ездовых полок установлены со сдвигом на половину длины элемента - аналогично кирпичной кладке.

Возможность дальнейшего укрепления ходового пути отражена в п.3 формулы изобретения, а именно - ездовые полки снабжены дополнительными периодически установленными поддерживающими кронштейнами, симметрично прикрепленными к несущей ленте на расстоянии друг от друга не более половины длины элементов ездовых полок. Кронштейны принимают на себя боковые усилия.

Указанные выше отличительные признаки - каждый в отдельности и все совместно - направлены на решение поставленной задачи и являются существенными.

Использования предлагаемого сочетания существенных отличительных признаков в известном уровне техники не обнаружено - следовательно, предлагаемое решение соответствует критерию патентоспособности "новизна".

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

Настоящее изобретение конкретно иллюстрируется примером осуществления, который лишь иллюстрирует, но отнюдь не ограничивает объем использования изобретения. В частности, профиль элементов ездовых полок может несколько отличаться от изображенного.

Поперечный разрез конструкции показан на чертеже.

Монорельсовая дорога содержит: несущий элемент 1 в виде многослойной ленты с четным числом слоев, выполненные из отдельных элементов ездовые полки 2 и 3, а также защитное приспособление 4 - кровлю "вагонного" профиля. Позицией 5 обозначены упрочняющие выступы элементов 2 и 3, 6 - сменное покрытие ездовых полок, 7 - "зонтичный" крепеж кровли 4, а 8 - дополнительные поддерживающие кронштейны. Позицией 9 обозначено положение ходовых (опорных) роликов экипажа, а позицией 10 - положение боковых (стабилизирующих или приводных) роликов. Для упрощения чертежа "охватывающая" рама экипажа не показана, поскольку ее исполнение в целом соответствует прототипу.

Высота ленты составляет не менее 0,05 от длины пролета, а толщина зависит от качества применяемой стали. Реально толщина ленты может быть порядка нескольких миллиметров. Раздвоение слоев над ездовыми полками необходимо для придания максимальной жесткости "зонтичному" креплению кровли. Материал кровли и ее конкретное устройство выбираются из практических соображений.

Максимальная эффективность конструкции достигается за счет оптимального режима нагрузки каждого элемента Ездовые полки обеспечивают "локальную" жесткость ходового пути и принимают весовую нагрузку экипажа. Несущая лента обеспечивает "пролетную" жесткость за счет высокой сопротивляемости деформации растяжения по нижнему краю. Кронштейны принимают изгибные нагрузки и стабилизируют ходовой путь относительно продольной оси. Все элементы скреплены болтовыми соединениями, что позволяет производить оперативную замену любого из них. При этом все болты несут только поперечные нагрузки, т.е. конструкция сохраняет устойчивость при откручивании всех гаек.

Имеются два варианта крепления ленты-балки к опорам. По первому варианту элементы 2, 3 укладываются на специальную "подушку", повторяющую их форму, а лента свободно проходит сквозь прорезь "подушки" и опирается нижним краем. По второму варианту лента зажимается между двумя опорными элементами. Можно сочетать оба варианта, снабдив опоры "переходниками" с возможностью регулировки по высоте.

Сплошными являются лишь ездовые полки, а несущая лента 1 может состоять из отдельных не связанных между собой секций по длине пролета. Конструкция допускает возможность подтяжки ленты с целью устранения деформаций, вызванных неточностью элементов. Все подтяжки и регулировки могут происходить без длительных перерывов в движении.

Особую роль играет сменное покрытие 6 ездовых полок 2 и 3. Поскольку колеса автомобильного типа создают значительное сопротивление движению, желательно выполнить опорные ролики 9 жесткими. Чтобы исключить износ ездовых полок и устранить шум, рабочие поверхности ездовых полок покрываются специальным материалом типа транспортерной ленты. Трение в паре "жесткий ролик - упругая лента" не превышает 1-2%.

Боковые (стабилизирующие) ролики 10 не несут значительной нагрузки, поэтому сменное покрытие вертикальных поверхностей элементов 2 и 3 не обязательно. Интересен вариант использования боковых роликов как движителя, для чего каждая пара должна быть снабжена гидравлической системой регулировки силы прижима. С целью улучшения сцепления приводные боковые ролики нужно выполнить "мягкими", деформируемыми. Поскольку режим разгона (торможения) является кратковременным, повышенные потери на трение несущественны. Крейсерский ход экипажа требует гораздо меньших тяговых усилий, соответственно уменьшается сила прижима боковых роликов и тем самым снижаются потери мощности.

Преимущество монорельсовой дороги заявленной конструкции - наличие рабочих поверхностей различного назначения. У опорных роликов 9 главным следует считать минимальное сопротивление движению, что достигается выбором материала сменного покрытия 6. У боковых (стабилизирующих, приводных) роликов главное - возможность получения максимального сцепления, прежде всего для эффективного торможения экипажа.

У обычных наземных транспортных средств обе функции колес - опорная и движительная (приводная) - вынужденно совмещены. Если на железной дороге еще возможны некоторые манипуляции со сцеплением, например подсыпка песка под ведущие колеса локомотива, то для автомобиля подобные способы повышения сцепления практически исключены. Фактически автомобиль непрерывно движется в режиме максимального сцепления колес с дорогой и соответственно преодолевает максимальное сопротивление движению. Индивидуальный автомобиль в некотором смысле является "тупиковой ветвью" развития транспортной техники, поскольку тратит для перемещения 1-2 человек чрезмерно большую энергию - свыше 1 МДж на 1 км пути. Велосипедист расходует на 1 км пути не более 10 кДж, "скорый" поезд в расчете на 1 пассажира 200-300 кДж, современный рейсовый самолет в расчете на 1 пассажира - не более 1 МДж. Таким образом, расход энергии у автомобиля сравним с расходом энергии у самолета при различии скоростей на порядок.

Дальнейшее развитие монорельсовой дороги заявленной конструкции возможно за счет использования принципа магнитной подвески для частичной или полной компенсации веса экипажа. Магнитопроводы крепятся на продолжениях кронштейнов 8 без переделки ходового пути.

Именно сборность конструкции становится важнейшим фактором, обеспечивающим модернизацию.

Монорельсовая дорога включает транспортную балку с симметрично расположенными ездовыми полками, над которыми установлено защитное приспособление. Балка представляет собой вертикально ориентированную многослойную ленту с четным числом слоев. Ездовые полки выполнены из отдельных жестких, например, бетонных элементов трапециевидного профиля с утолщениями по краям и на углах. Горизонтальные части элементов расположены ниже соединенных с несущей лентой вертикальных частей. Рабочие поверхности ездовых полок по всей длине снабжены сменным покрытием, например, из армированной резины. Защитное приспособление представляет собой кровлю "вагонного" профиля, закрепленную по верху несущей ленты, слои которой над ездовыми полками разделены надвое. Данный ходовой путь характеризуется повышенной жесткостью и одновременно сокращенной погонной массой. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Монорельсовая дорога навесного типа, включающая транспортную балку с симметрично расположенными ездовыми полками, а также установленное над ездовыми полками защитное приспособление, отличающаяся тем, что транспортная балка представляет собой вертикально ориентированную многослойную ленту с четным числом слоев, а ездовые полки выполнены из отдельных жестких, например, бетонных элементов трапециевидного профиля с утолщениями по краям и на углах, причем горизонтальные части элементов расположены ниже соединенных с несущей лентой вертикальных частей, а рабочие поверхности ездовых полок по всей длине снабжены сменным покрытием, например, из армированной резины, тогда как защитное приспособление представляет собой кровлю “вагонного” профиля, закрепленную по верху несущей ленты, слои которой над ездовыми полками разделены надвое.2. Монорельсовая дорога по п.1, отличающаяся тем, что элементы левой и правой ездовых полок установлены со сдвигом на половину длины элемента.3. Монорельсовая дорога по п.1 или 2, отличающаяся тем, что ездовые полки снабжены дополнительными периодически установленными поддерживающими кронштейнами, симметрично прикрепленными к несущей ленте на расстоянии друг от друга не более половины длины элементов ездовых полок.