НАПРАВЛЯЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ХОДОВОГО ПУТИ Российский патент 2009 года по МПК B61B13/04 E01B25/10 

Область техники

Изобретение относится к области транспортных механизмов с заданной (фиксированной) траекторией движения и может служить основой при создании нового вида общественного транспорта.

Уровень техники

Имеющие сравнительно длительную историю, монорельсовые эстакадные транспортные системы до сих пор не играют заметной роли в городских инфраструктурах. Как это ни удивительно, но появившиеся примерно 100 лет назад первые устройства имели примерно такие же технические характеристики, какими обладают вполне современные транспортные системы, эксплуатируемые в некоторых городах мира. Для примера здесь можно привести патент США №1.049.782, содержащий описание скоростного экипажа с электрическим приводом. Автор предусмотрел даже специальные аэродинамические обтекатели - и все это в 1913 г.

В дальнейшем меняются преимущественно внешние формы транспортных средств и их деталей (корпусов, окон, дверей) согласно модным тенденциям промышленного дизайна.

По всей видимости причиной малой распространенности «монорельсов» является высокая стоимость путевых сооружений, отражающаяся в конечном счете на стоимости проездного билета. Несмотря на кажущуюся простоту технических решений в части подвижного состава реальные требования к ходовому пути оказались весьма жесткими в прямом и переносном смысле. Любая большепролетная эстакада - по сути своей мост длиною в десятки километров, а мосты являются наиболее сложными из всех строительных сооружений. Если же попытаться упростить задачу и уменьшить длину пролета эстакады, то из-за большого количества опор она вполне может оказаться дороже, чем наземные путевые сооружения традиционного типа. Проектирование большепролетной эстакады является серьезной научно-технической задачей, а существующие решения находятся на грани возможного для современной строительной технологии. Специалисты считают вполне логичным сложившийся порядок вещей, при котором требования технического совершенства и экономичности являются взаимоисключающими. Поскольку универсального решения не существует, «монорельс» пока остается невостребованным.

Аналог. В качестве аналога здесь рассматривается система, описанная в пат. РФ №2.167.403 (МПК 7 G01M 17/08, бюл. 14/01) и ныне реально действующая в г.Москве как «экскурсионная».

Для этой системы характерны конструктивные особенности, позволяющие говорить о новом этапе развития «монорельсовой» идеи. Прежде всего авторы пошли на заметное удлинение осей сдвоенных опорных колес примерно до 1 метра, что несомненно приближает монорельсовый подвижной состав к традиционным транспортным средствам. Во-вторых, для снижения уровня шума и вибраций вместо жестких металлических ходовых колес железнодорожного типа авторы использовали колеса автомобильного типа с резиновыми пневматическими камерами. В-третьих, вместо традиционных пар разнесенных по высоте направляющих роликов авторы применили взаимно перпендикулярные пары роликов (колес), расположенные под горизонтальными выступами ходового пути. Таким образом, налицо отказ от заманчивой, но практически трудно реализуемой концепции одной-единственной несущей плоскости качения и попытка выхода за искусственно поставленные рамки.

Конструкцию ходового пути авторы практически не изменили, использовав в качестве несущей балки коробчатый металлический профиль П-образного типа (в описании патента РФ №2.167.403 фигурирует замкнутый короб-труба прямоугольного сечения). По причине больших размеров балки являются сборными и выполнены из листов металла, заведомо меньших длины пролета. Так устроены все современные металлические мосты, причем наличие «стыков» считается нынешними конструкторами столь же обязательным, как наличие асфальта на дороге. Однако «стыки» не позволяют облегчить балку, поскольку жесткость определяется исключительно толщиной листа. В весьма подробном описании изобретения имеются сведения о несущей балке, ее погонная масса составляет примерно 500 кг/м. Предполагавшаяся на ранней стадии проекта бетонная балка имела бы погонную массу примерно 1000 кг/м, но оказалась бы дешевле примерно на 30%. Авторы определенно предпочли эстетику, а не экономичность - бетонная эстакада смотрелась бы гораздо хуже. С технической точки зрения, полученный выигрыш не столь уж велик. Вот простой расчет, дающий представление об истинном масштабе «достижений». Монорельсовый поезд обычно состоит из 5-7 вагонов, каждый из которых рассчитан на перевозку 15-20 пассажиров и имеет длину примерно 5 метров (половина длины салона автобуса или троллейбуса). Полная длина состава достигает 35-40 м, на которые приходятся около 15 т общего веса, т.е. «погонная нагрузка» от поезда составляет 400 кг/м - меньше, чем вес 1 м балки! Если же сравнить балку-монорельс с обычными мостами, то выявится даже ее своеобразное преимущество: ведь мост заведомо тяжелее любого транспорта, в любом количестве проезжающего по нему. Получается, что главная задача моста - выдержать свой вес и не разрушиться от природных воздействий. Даже изящные на вид подвесные мосты весьма тяжеловесны, просто у них большая часть материала расположена по вертикали, а не по горизонтали (имеются в виду «пилоны» - высокие башни, через которые проходят натяжные тросы). Так, мост Веразано в Нью-Йорке имеет два «этажа», и при длине пролета 1200 м общая масса его элементов превышает 50 тыс. тонн. Заняв все имеющиеся 12 полос движения поставленными вплотную тяжелыми грузовиками, удастся обеспечить мосту статическую нагрузку около 20 тыс. тонн - меньше половины его собственного веса.

Помимо общих для подобных систем «слабых мест» у аналога имеется еще один серьезный недостаток - речь идет о проблеме привода. Поскольку сцепление опорных (ходовых) колес с гладкой поверхностью металлической балки очень сильно зависит от наличия летом водяной, а зимой ледяной пленки, скорость движения пришлось ограничить на уровне 40 км/ч (цифра взята из газетного репортажа об официальном открытии линии). Здесь интересно отметить, что сцепление железнодорожных колес с рельсами оказывается более надежным по причине огромного давления, возникающего в зоне их непосредственного контакта (до 1 тыс. атмосфер). Рекомендуемое давление в пневматических камерах легковых автомобилей не превышает 2 атм, а в камерах грузовых автомобилей - 6 атм.

Сам по себе факт наличия резиновой покрышки еще не гарантирует ее надежного сцепления с дорогой, и поэтому все многолетние усилия разработчиков имеют целью создание «идеального» рисунка протектора. Увы, на гладкой поверхности металлической балки обычные способы преодоления проскальзывания неэффективны. Вероятно, именно из-за проблемы с приводом эксплуатационная скорость движения выбрана весьма небольшой, «экскурсионной». Наконец, увеличение скорости движения невозможно из-за наличия многочисленных криволинейных участков пути с малыми радиусами закругления. Авторы пат. РФ №2.167.403 создали своеобразный эстакадный трамвай, зато во всех рекламных проспектах говорится о новом скоростном виде общественного транспорта.

Прототип. Конструкция ходового пути согласно патенту РФ №2.264.316 (МПК В61В 13/04, Е01В 25/10, бюлл. №32/2005) представляет собой попытку создания системы, у которой роль несущего элемента должна выполнять специальным образом изогнутая упругая стальная лента. Автор указанного патента отнюдь не одинок в поисках «минимальной» конструкции ходового пути, похожие идеи фигурируют у другого автора в устройствах согласно патентам РФ №2.204.640, №2.223.357 и др. Главное здесь - отсутствие стыков, т.е. принцип цельности силового элемента.

Это весьма важное отличие приближает конструкцию к различным типам подвесных мостов, но лента по сравнению с натяжным тросом имеет важное преимущество - она способна обеспечить боковую устойчивость. Склонность подвесных конструкций ко всевозможным колебаниям является их основным недостатком, который присущ и устройствам согласно патентам №2.204.640, 2.223.357. Увеличение внутренних напряжений приводит лишь к расширению спектра колебаний - «одномерный» несущий элемент становится подобием гитарной струны. Преимущества ленты демонстрируются именно с помощью гитары, на которую вместе с обычными струнами круглого сечения устанавливается близкая по свойствам материала лента. Ленточная «струна» звучит гораздо хуже, поскольку ее колебания очень быстро затухают и не содержат высших гармоник.

Для разгона и торможения подвижного состава у прототипа служит бетонный направляющий элемент, установленный поверх изогнутой несущей ленты и обеспечивающий высокий коэффициент сцепления обрезиненных боковых колес, прижимаемых к бетону гидравлическими устройствами. К сожалению, удобная и простая конструкция создает проблему на криволинейных участках трассы. Изгибать бетонные блоки недопустимо, поэтому придется заказывать специальные детали с различными радиусами закругления. Но даже при наличии ассортимента подобных блоков обеспечить «гладкость» поверхностей качения для боковых колес очень сложно. Известно, что криволинейные участки железнодорожного полотна имеют форму гиперболы, а отнюдь не дуги окружности. При вхождении вагона на окружность центростремительная сила нарастает практически мгновенно - колеса испытывают значительные боковые нагрузки, а пассажиры ощущают неприятный толчок. Если же криволинейные участки пути выполнены с плавным изменением радиуса кривизны, то движущийся на полной скорости поезд «вписывается» в поворот практически незаметно для пассажиров. Отсюда очевидно, что все продольные путевые элементы должны допускать плавный изгиб. Легче всего такому изгибу поддаются длинномерные металлические изделия, а с объемными конструкциями дело обстоит гораздо хуже. Очень важным является тот факт, что истинная траектория движения транспортного средства определяется не опорными (ходовыми), а боковыми колесами. Поэтому вполне допустимы некоторые погрешности монтажа всех основных элементов, за исключением направляющего. Увы, металлический направляющий элемент возвращает нас к проблеме сцепления приводных колес. Примерно 10-15 лет назад большие надежды возлагали на ЛЭД - линейные электродвигатели, однако они оказались неспособными обеспечить достаточные усилия при разумной массе подвижной части. Особенно важен «запас силы» при торможении - эстакадная система отнюдь не исключает опасности столкновения транспортных средств.

Нужен принципиально новый подход к поставленной задаче. Для привода важны только боковые поверхности, которые следует снабдить специальным покрытием с большим коэффициентом сцепления. Ничего искать не нужно, ведь подходящий материал имеется - это транспортерная (конвейерная) лента. Если удастся прочно закрепить ее по всей длине металлического направляющего элемента, то получится «транспортер наоборот». Главное, чтобы направляющий элемент имел достаточную жесткость в поперечном направлении и был способен выдержать обжимающие усилия гидравлики, но это вполне решаемый практический вопрос.

Итак, технической задачей настоящего изобретения является создание направляющего элемента ходового пути, позволяющего на практике добиться точного соответствия между истинной и расчетной траекториями движения подвижного состава, а также обеспечить эффективный разгон и торможение при любых погодных и климатических условиях.

Технический результат - высокоточный монорельсовый ходовой путь с минимальной погонной массой, обеспечивающий подвижному составу необходимые динамические характеристики.

По первому пункту технический результат достигается за счет общих с прототипом признаков, таких как направляющий элемент ходового пути, имеющий с обеих сторон вертикальные поверхности качения для боковых приводных колес транспортного средства, а также отличительных существенных признаков - направляющий элемент выполнен из листового металла и снабжен по бокам сменным покрытием с повышенным коэффициентом сцепления из рулонного материала типа конвейерной (транспортерной) ленты.

Пункт 2 конкретизирует крепление рулонного материала - вдоль нижних краев направляющего элемента выполнены продольные пазы, в каждом из которых помещается нижний край рулонного материала покрытия, тогда как сверху направляющий элемент имеет трубчатое утолщение с профилем в форме правильного ромба и снабжен двумя параллельными прижимными накладками в виде установленных под углом 45° пластин, при этом ширина рулонного материала превосходит высоту направляющего элемента, а накладки имеют на своих внешних краях продольные выступы в форме половины цилиндрической трубы.

Изобретение иллюстрируется чертежом, в общих чертах поясняющим конструкторскую идею. На чертеже показан поперечный разрез направляющего элемента ходового пути.

Позициями обозначены: 1 - металлический направляющий элемент, 2 - сменное покрытие из материала типа конвейерной ленты, 3 - паз для размещения нижнего края сменного покрытия, 4 - ромбовидное утолщение в верхней части направляющего элемента, 5 - прижимные накладки, 6 - полуцилиндрические выступы на прижимных накладках, 7 - затяжные болты, 8 - изогнутая в форме арки несущая упругая лента, 9 - крепежные детали, 10 - приводные боковые колеса транспортного средства.

С целью упрощения чертежа опорные колеса транспортного средства и «ездовые полки» для них не показаны, поскольку расположение этих элементов полностью соответствует прототипу.

Возможность продольного смещения направляющего элемента является непременным условием надежной работы всей системы в целом, поскольку при разгоне и при торможении транспортного средства ходовой путь испытывает значительные продольные нагрузки. Если направляющий элемент 1 жестко прикрепить к несущей ленте 8, то при резком торможении транспортного средства возможна катастрофа - «срыв» несущей ленты 8 с ее креплений или падение опор эстакады. «Свободное» крепление направляющего элемента позволяет распределить тяговое усилие на длинный участок ходового пути, имеющий значительную суммарную массу и вполне ощутимую эквивалентную продольную упругость. Продольная упругость направляющего элемента затрудняет торможение, но эта мера является вынужденной, поскольку защищает эстакаду от разрушения.

Надежный прижим транспортерной ленты 2 осуществляется за счет того, что действующие на ее края силы приложены под углом к боковой поверхности направляющего элемента 1. Поскольку исходная ширина рулона превосходит размер предназначенного для установки ленты места, при затяжке болтов 7 лента 2 сжимается, увеличивается в толщине и при этом сохраняет плотный контакт с боковой поверхностью направляющего элемента. Для резиновой ленты недопустимы «точечные» крепежи - вокруг них возникают концентрации напряжений и в местах креплений лента очень быстро рвется. Максимальную прочность обеспечивает только равномерный обжим ленты по всей длине ходового пути, что и составляет суть настоящего изобретения. Клеевое соединение представляется более дорогостоящим и менее надежным, хотя полностью не исключено. Возможно также простое решение проблемы путем напыления вязкого вещества типа гудрона или битума, однако при этом заметно возрастает коэффициент трения в «крейсерском» режиме движения.

Следует особо подчеркнуть, что важнейшим отличием монорельсового транспортного средства является управляемое сцепление боковых роликов с ходовым путем. Наилучшим будет такой вариант, при котором трение неплотно прижатых боковых роликов является минимальным, а коэффициент сцепления плотно прижатых роликов - максимальным.

Изобретение относится к области транспортных механизмов с заданной траекторией движения. Направляющий элемент ходового пути выполнен из листового металла и имеет боковые поверхности для качения приводных колес транспортного средства. Боковые поверхности снабжены сменным покрытием из рулонного материала типа конвейерной ленты. Вдоль нижних краев направляющего элемента выполнены продольные пазы, в каждом из которых расположен нижний край рулонного материала покрытия. Сверху направляющий элемент имеет трубчатое утолщение с профилем в форме правильного ромба и снабжен двумя параллельными прижимными накладками в виде установленных под углом 45° пластин, при этом ширина рулонного материала превосходит высоту направляющего элемента, а накладки имеют на своих внешних краях продольные выступы в форме половины цилиндрической трубы. В результате создан высокоточный монорельсовый ходовой путь с минимальной погонной массой, обеспечивающий подвижному составу необходимые динамические характеристики. 1 ил.

Направляющий элемент ходового пути, выполненный из листового металла и имеющий боковые поверхности для качения приводных колес транспортного средства, отличающийся тем, что боковые поверхности снабжены сменным покрытием из рулонного материала типа конвейерной ленты, при этом вдоль нижних краев направляющего элемента выполнены продольные пазы, в каждом из которых расположен нижний край рулонного материала покрытия, тогда как сверху направляющий элемент имеет трубчатое утолщение с профилем в форме правильного ромба и снабжен двумя параллельными прижимными накладками в виде установленных под углом 45° пластин, при этом ширина рулонного материала превосходит высоту направляющего элемента, а накладки имеют на своих внешних краях продольные выступы в форме половины цилиндрической трубы.