транспортная система

Формула изобретения

1. Транспортная система, содержащая рельсовый путь, выполненный из полых рельсов цилиндрической формы, радиус которых меньше радиуса кривизны вогнутого обода контактирующего с ним колеса подвижной единицы, отличающаяся тем, что внутри рельса размещен предварительно напряженный продольный элемент, площадь поперечного сечения которого выбрана из соотношения



где F_п.э - площадь поперечного сечения продольного элемента, мм²;

F_p - площадь поперечного сечения стенок полого рельса, мм²,

при этом отрезки рельса и продольного элемента закреплены в общих анкерных узлах, а рельсы и обод колеса выполнены со следующими соотношениями размеров:



где R_k - радиус кривизны вогнутой поверхности обода колеса, мм;

R_p - радиус внешней поверхности цилиндрического рельса, мм.

2. Транспортная система по п. 1, отличающаяся тем, что рельсы и обод колеса выполнены со следующими соотношениями размеров:



где R_п.к - радиус колеса по поверхности касания, мм.

3. Транспортная система по п. 1, отличающаяся тем, что пространство между внутренними стенками рельса и продольным элементом заполнено материалом, расширяющимся при затвердевании.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к транспорту, в частности к транспортным системам эстакадного и подвесного типа, использующим рельсовую путевую структуру. Оно может быть использовано при создании скоростных дорог для больших городов и междугородных сообщений, в том числе в условиях сильно пересеченной местности, гор, пустынь, а также при построении межцеховых транспортных структур рассредоточенных производственных предприятий как для многорельсовых, так и монорельсовых путей.

Известна транспортная система, содержащая рельсовый путь, выполненный из полых рельсов со скругленной головкой, и перемещающиеся по нему подвижные единицы с составными колесами, контактирующими с рельсами (см. патент США 4520733, НКИ 104/93, 1985).

Недостатком известной системы является сложность конструкции рельса и колес, что удорожает систему.

Известна транспортная система, содержащая рельсовый путь, выполненный из полых рельсов цилиндрической формы, и подвижные единицы с колесами, контактирующими с рельсами. При этом ободья колес выполнены вогнутыми, охватывающими цилиндрические рельсы (см. патент США 5738016, НКИ 104/107, 1998).

Недостатками известной транспортной системы являются сложность конструкции колесного модуля, высокий износ рельсов и колес и большое сопротивление качению. Это обусловлено тем, что обод колеса контактирует с рельсом всей своей вогнутой поверхностью.

Наиболее близкой к заявляемой по своей технической сущности и достигаемому результату является транспортная система, известная из описания к патенту США 2997003, НКИ 104/93, 1961. Указанная транспортная система содержит рельсовый путь, выполненный из полых рельсов цилиндрической формы, и подвижные единицы с колесами, контактирующими с этими рельсами. Ободья колес выполнены вогнутыми, охватывающими рельс, при этом радиус кривизны вогнутости больше внешнего радиуса рельсов.

Недостатком известного технического решения является то, что рельсы в известной системе обладают малой удельной несущей способностью, если под ней понимать отношение нагрузки к их собственному весу, что особенно важно для подвесных дорог.

Заявляемая в качестве изобретения транспортная система направлена на повышение износостойкости и несущей способности рельсов.

Указанный результат достигается тем, что в транспортной системе, содержащей рельсовый путь, выполненный из полых рельсов цилиндрической формы, радиус которых меньше радиуса кривизны вогнутого обода контактирующего с ним колеса подвижной единицы, внутри рельса размещен предварительно напряженный продольный элемент, площадь поперечного сечения которого выбрана из соотношения



где F_п.э - площадь поперечного сечения продольного элемента, мм²;

F_р - площадь поперечного сечения стенок полого рельса, мм²,

отрезки рельса и продольного элемента закреплены в общих анкерных узлах, а рельсы и обод колеса выполнены со следующими соотношениями размеров:



где R_k - радиус кривизны вогнутой поверхности обода колеса, мм;

R_p - радиус внешней поверхности цилиндрического рельса, мм.

Указанный результат достигается также тем, что рельсы и обод колеса выполнены со следующими соотношениями размеров:



где R_п.к - радиус колеса по поверхности касания, мм.

Указанный результат достигается также тем, что пространство между внутренними стенками рельса и продольным элементом заполнено твердеющим материалом, расширяющимся при затвердевании.

Размещение внутри полости рельса предварительно напряженного продольного элемента с указанными соотношениями площадей поперечного сечения и их закрепление в анкерных узлах позволяет существенно повысить удельную несущую способность рельса. Это объясняется следующим. При перепаде температур в 100^oC (от -50^oС зимой до +50^oС летом на солнце), коэффициенте температурного расширения стали =0,0000125, модуле упругости стали Е=210⁶ кгс/см² (210^-1 кгс/мм²) изменение напряжений в стали под воздействием температуры (при неизменной длине конструкции) составляет

=0,000012520000100^oС=25 кгс/мм² (2500 кгс/см²)

Без продольного предварительно напряженного элемента при положительной температуре окружающей среды в рельсе могут возникнуть недопустимые напряжения сжатия, в результате чего произойдет потеря продольной устойчивости.

При установке в полости корпуса рельса продольного предварительно напряженного элемента потери устойчивости рельса при возникновении в нем сжимающих напряжений не происходит, если усилия сжатия в рельсе будут ниже усилий растяжения в предварительно напряженном продольном элементе (для конструкции в целом важна результирующая сила, равная сумме сжимающих и растягивающих усилий, а не каждая сила в отдельности)

N_{р.сжатия}<N _{раст яж},

или

_{р.сжатия}F_p<_{п.э.растяж}F_пр.э,

или

_{п.э.растяж}F_пр.э-_{р.сжатия}F_p>0.

При этом эпюра температурных напряжений в рельсе может быть с в два раза меньшими наибольшими напряжениями (напряжения растяжения 0-12,5 кгс/мм² в температурном диапазоне 0. . . -50^oС и напряжения сжатия 0-12,5 кгс/мм² в температурном диапазоне 0. ..+50^oС). Допустимые температурные напряжения в продольном высокопрочном элементе (например, стальном канате, высокопрочные проволоки которого получают волочением через фильеру) могут быть до 200 кгс/мм², а в рельсе, получаемом прокатом, порядка 20 кгс/мм², поэтому для обеспечения одинаковых усилий площадь каната может быть в 200 кгс/мм²/20 кгс/мм² = 10 раз меньшей (или, наоборот, 20/200=0,1).

При максимальном соотношении F_п.э/F_р= 10 и более будет значительной площадь каната (и соответственно повышенная материалоемкость рельсового пути и анкерных опор, на которые натягиваются канат и рельс, и соответственно повышенная стоимость транспортной системы). Это также приведет к возникновению значительных температурных изменений, усилий в канате, что потребует возведения более мощных анкерных опор.

Выбор соотношений кривизны вогнутости обода колеса и радиуса внешней поверхности цилиндрического рельса обусловлен следующими соображениями. Если это соотношение будет меньше, чем 0,001, то площадь поверхности контакта "колесо - рельс" будет достаточно большой и криволинейной, что приведет к повышению величины трения качения и к повышенному износу колес и рельсов. Если же это соотношение будет больше, чем 1,5, то площадь контакта будет очень малой, что будет приводить к высоким контактным напряжениям и к повышенному локальному износу контактирующих поверхностей колес и рельсов. Кроме того, при возрастании такого соотношения может оказаться, что колесо становится "очень большим", а рельс - очень "тонким" и поэтому теряющим свою несущую способность. Этими соображениями следует руководствоваться и при выборе соотношения размеров колеса и рельса. При R_п.к/R_р < 3 в зоне контакта "колесо - рельс" будут чрезмерно высокими контактные напряжения (более 100 кгс/мм²) из-за малой площади контакта. При R_п.к/R_р > 20 будет чрезмерно большим колесо подвижной единицы (и его неподрессоренная масса), что приведет к чрезмерным динамическим нагрузкам при высоких скоростях движения и потребует усиления рельсового пути и соответственно приведет к увеличению материалоемкости системы.

Заполнение пространства между внутренними стенками рельса и продольным элементом расширяющимся при затвердевании материалом (с созданием тем самым избыточного давления в полости рельса в 2-100 кгс/см²) позволяет повысить несущую способность рельса, т.к. в этом случае оболочка рельса будет находиться в напряженном состоянии под усилием, направленным от центра рельса, и воздействие колес подвижных единиц, приводящее к локальному сжатию участков рельса, будет этим частично компенсироваться. Кроме того, повышается сопротивление прогибу рельса под действием веса подвижных единиц (транспортных средств).

Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 показано предпочтительное выполнение рельса транспортной системы (поперечный разрез) и колеса подвижной единицы; на фиг.2 схематично показан отрезок пути транспортной системы с колесной парой подвижной единицы.

Транспортная система содержит рельс 1 цилиндрической формы, выполненный, например, из стали с внешним радиусом R_p (центр окружности О₁). Внутри рельса установлен предварительно напряженный продольный элемент 2, который выполнен в виде стального каната или набора стальных проволок или прутьев. Рельс 1 заполнен расширяющимся при затвердевании материалом 3. На рельс опирается колесо 4 подвижной единицы (транспортного средства).

Отрезки рельса и продольного элемента закрепляются в общих анкерных узлах известным образом. Например, в случае реализации транспортной системы с путевой структурой, размещенной на опорах, как это показано на фиг.2, такими узлами могут служить анкерные опоры 5. Корпус рельса 1 может соединяться с анкерным креплением 6 с помощью сварки или болтов, а продольный элемент (канат) 2 - с помощью зажимов 7. В частных случаях пространство между рельсом 1 и продольным элементом 2 может оставаться свободным, а в других заполняться наполнителем 3, который при затвердевании увеличивает свой объем. В качестве такого материала может использоваться цементный раствор с мелкозернистым заполнителем и специальными полимерными добавками, обеспечивающими требуемые жесткостные и пластические характеристики наполнителя 3. Этим же материалом может быть заполнено и пространство между проволоками продольного элемента 2, что в значительной степени позволит увеличить его изгибную жесткость.

С рельсом взаимодействует колесо 4 подвижной (транспортной) единицы, которое выполнено с вогнутым ободом с радиусом R_k кривизны (центр окружности О₂) и радиусом R_п.к к по поверхности его касания с рельсом 1.

Транспортная система функционирует следующим образом.

Подвижная единица, снабженная автономной энергоустановкой, или состав подвижных единиц с локомотивом перемещаются по рельсовым путям, взаимодействуя колесами 4 с рельсами 1. При движении подвижной единицы по рельсовым путям будет появляться прогиб рельса в нагруженном пролете, нарастающий по мере приближения к середине пролета и исчезающий при нахождении подвижной единицы на опоре. При этом, благодаря наличию предварительно напряженного продольного элемента, прогиб будет находиться в пределах 0,5-5 см при пролете ~50 м.

Естественно, что при перепаде эксплуатационных температур напряженно-деформированное состояние элементов рельса будет меняться, но при предлагаемом выборе площадей поперечных сечений наборного элемента и стенок корпуса отрицательное влияние этого фактора будет минимизировано.

Благодаря разнице в кривизне вогнутой поверхности обода колеса и внешней поверхности рельса перемещение транспортной единицы будет осуществляться с минимальными потерями па трение, т.к. будет отсутствовать имеющий место в традиционных системах контакт реборд колеса с рельсом.

За счет отсутствия этого контакта существенно снижается износ рельсов и колес, а также уровень шума. Кроме того, при поворотах подвижных единиц или движении их по дуге будет сохраняться оптимальная площадь контактной дорожки "рельс-обод" и будет устранено отрицательное влияние центростремительных сил вследствие самоустановки обода колеса относительно рельса.