Монорельсовый транспорт

                Федеральное государственное образовательное учреждение

                             высшего профессионального образования

      ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ        

                                                    СООБЩЕНИЯ

                                                   (ПГУПС-ЛИИЖТ)

                                                Факультет «Заочный»

 

                            Кафедра Железнодорожные станции и узлы

 

                                                     РЕФЕРАТ

                            На тему: «Монорельсовый транспорт»

 

 

 

 

       Выполнил:                                                                        Проверил:

       Студент 2 курса

       Пушнегин Н.С.

       11-УППк-274

 

                                            

 

 

 

 

                                                             Санкт-Петербург

                                                                       2013

 

Оглавление

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

        Традиционная железнодорожная технология, основанная на принципе взаимодействия в системе колесо-рельс, уже подошла к пределу своих технических возможностей, и дальнейшего ощутимого количественного и качественного прогресса в части повышения скорости движения ожидать не приходится. Из-за резкого ухудшения сцепления колес с рельсами скорость колесного транспортного средства составляет примерно 350 км/ч. Дальнейшее увеличение скорости колесного транспорта может привести к экономически неоправданным затратам, и ее ограничение диктуется прежде всего расходом энергоресурсов. Известно, что затраты энергии при увеличении скорости со 100 до 300 км/ч возрастают почти в 9 раз. Для их снижения необходимо переходить на новые технологии. 
       Своеобразным вариантом железнодорожной транспортной системы является монорельсовый транспорт. Получивший развитие в начале XIX века как городской и пригородный вид транспорта на направлениях с большими и регулярными пассажирскими потоками (Вупперталь, Нью-Йорк, Париж), к концу XX века монорельсовый транспорт вышел на междугородные трассы (Токио-Осака).

 

 

 

 

 

          

 

1.  Монорельсовые пути

         Монорельсовая дорога - это транспортная система, в которой вагоны перемещаются по балке-монорельсу, установленной на отдельных опорах или эстакаде (рис. 1-30). 
           Различают навесные и подвесные монорельсовые дороги. В навесных системах вагоны опираются на ходовую тележку, расположенную над путевой балкой, а в подвесных - вагоны подвешены к ходовой тележке и перемещаются под монорельсом. Подвеска вагонов может быть осуществлена двумя способами: либо симметричным, либо несимметричным. Не так давно в Киеве разработали монорельсовую систему с боковой подвеской.

 
Рис. 1-30. Путевая структура в уровне земли

 

       В 2002 г. в аэропорту Дюссельдорфа впервые построена автоматическая монорельсовая транспортная система с двухколейной путевой структурой и двухвагонными поездами (рис. 1-31). 
       Поезда курсируют в автоматическом режиме в соответствии с тактовым графиком. В периоды уменьшения пассажиропотока возможна также эксплуатация поездов в режиме вызова. Один или два диспетчера контролируют движение поездов и могут управлять ими из центрального диспетчерского пункта, расположенного в главном станционном здании. Никакой другой персонал для обеспечения перевозочного процесса не требуется.

 
Рис. 1-31. Поезд монорельсовой дороги на линии

 
          В настоящее время высокоскоростной пассажирский наземный монорельсовый транспорт с бесколесными системами на электромагнитном подвесе с использованием эффекта сверхпроводимости еще не имеет значительного применения. По мнению сторонников указанного вида транспорта, основными достоинствами системы магнитного подвеса являются полное отсутствие механического износа и возможность развивать сверхвысокую скорость. 
         Система, где поезд движется без контакта с путем и где электроника заменила механику, находится на более высоком техническом уровне по сравнению с традиционной системой колесо - рельс. 
          Работа в этой области, начатая в Германии в 70-х годах XX века, увенчалась созданием уникального поезда типа Transrapid, скорость которого составляла 400 км/ч. Бесколесные поезда с линейным приводом и электромагнитным подвесом при воздушном зазоре 10 мм были предназначены для использования на высокоскоростной линии Гамбург - Берлин. 
В системе Transrapid используется принцип линейного электрического двигателя. В ней имеются статор и ротор, однако статор выполнен в развернутом виде и интегрирован в несущую структуру, а роль ротора выполняют магниты подвеса, смонтированные на поезде. 
Когда на развернутую статорную обмотку с обоих концов подается напряжение переменного трехфазного тока, в ней возникает линейно перемещающееся магнитное поле. Это поле увлекает за собой ротор, а с ним - и весь поезд. Сила тяги и скорость движения поезда регулируются путем изменения амплитуды напряжения и частоты. Торможение поездов в системе Transrapid также осуществляется без использования сил трения. Переключив направление линейного перемещения магнитного поля, систему переводят из режима двигателя в режим генератора. Поезд замедляется, а вырабатываемая при этом энергия возвращается в сеть. 
        Вместо традиционной ходовой части и рельсового пути в системе Transrapid используются системы магнитного подвеса, направления и тяги. Системы подвеса и направления (рис. 1-32) работают по электромагнитному принципу, используя силы притяжения.

Рис. 1-32. Модуль с магнитами  подвеса и направления

        Система подвеса состоит из электромагнитов, симметрично расположенных с обеих сторон вдоль всего поезда и притягиваемых статорной обмоткой, уложенной на нижней поверхности несущей балки монорельса. Сила притяжения электромагнитов автоматически регулируется средствами электроники таким образом, чтобы она уравновешивала силу тяжести при сохранении заданного воздушного зазора между магнитами поезда и монорельсом. 
        Система направления включает в себя расположенные с обеих сторон поезда электромагниты с электронным регулированием, которые взаимодействуют с реактивными шинами, закрепленными с обеих сторон балок монорельса по всей ее длине. Система электронного регулирования следит за тем, чтобы зазор между магнитами подвеса и монорельсом в среднем поддерживался равным 10 мм. Расстояние между днищем кузова и поверхностью пути составляет 150 мм. Благодаря этому небольшие предметы или снежный покров на монорельсе не оказывают помех движению поезда в режиме магнитного подвеса. 
На основе макетных проработок, выполненных в Японии, принято решение оборудовать линию Токио-Осака поездами с электродинамическим подвеском и линейными синхронными двигателями со сверхпроводящими электромагнитами. В ходе испытаний экспериментального поезда на испытательном полигоне (линия длиной 42,8 км) в провинции Яманаси в апреле 1999 г был установлен рекорд скорости - 552 км/ч. Новые поезда смогут обеспечить регулярные пассажирские перевозки с эксплуатационной скоростью до 500 км/ч . 
       В 2001 году начаты испытания этой системы, рассчитанные на 5 лет. Они позволят уточнить эксплуатационную готовность, проверить надежность и сроки службы элементов системы, а также ее технические и экономические показатели. Общими особенностями для немецкой и японской систем на магнитном подвесе являются отсутствие контактной сети и замена колеса (как опоры и направляющих подвижного состава) магнитным подвесом. Совершен переход от тяги, основанной на сцеплении колесо-рельс, к тяге электромагнитным полем с помощью линейных синхронных двигателей, уложенных вдоль путевого полотна. 
      Казалось бы, благодаря способности развивать высокие скорости (до 500 км/ч при использовании воздушной подушки) и возможности сообщения по кратчайшему расстоянию монорельсовый транспорт является перспективным видом городского, пригородного и промышленного транспорта. Однако, несмотря на кажущуюся внешнюю простоту, монорельсовый путь сложен в устройстве, трудоемок в постройке и экологически небезопасен. Поэтому возможности его применения ограничиваются из-за большой капиталоемкости сооружения и дороговизны обслуживания. Но, несмотря на огромные затраты, в 2002 г. в Шанхае (Китай) проведены испытания первой коммерческой трассы поездов на магнитном подвесе (рис 1-33). Поезд преодолел 30 км всего за 8 мин, развив скорость 405 км/ч. Опытная эксплуатация первой коммерческой линии в Шанхае поездов на магнитном подвесе была начата в канун 2003 года.  Стоимость проекта оценивается в 1,2 млрд. долларов. Если линия будет работать успешно, то такие поезда в будущем будут использоваться в Китае и на других маршрутах.

Рис. 1-33. Поезд системы Transrapide Шанхае

 
Следует отметить, что в Японии проводятся также работы по созданию поездов  на воздушной подушке. Японские исследователи обратились к этой технологии в ходе совершенствования системы магнитного подвеса. Это объясняется тем обстоятельством, что для создания воздушной подушки требуется в 4 раза меньше энергии. В качестве источника питания предложено использовать солнечные батареи, устанавливаемые на плитах, на которых смонтирован монорельс. Создан 8-метровый опытный образец вагона на воздушной подушке, который успешно прошел испытания со скоростью 50 км/ч. Ведутся работы над созданием новой модели поезда для движения со скоростью 150 км/ч, а в 2003 г. планировалось построить экипаж-прототип, рассчитанный на скорость 500 км/ч.

 

2.Конструкция первых монорельсов

          Первый монорельс в мире появился в 1820 году в России. Тогда житель села Мячково в Подмосковье Иван Эльманов построил «Дорогу на столбах» -- по верхнему продольному брусу катились вагонетки, которые тянули лошади.Немногим позже, независимо от русского изобретателя, монорельс схожей конструкции был изобретён в Великобритании Генри Робинзоном Пальмером. Он запатентовал своё изобретение 22 ноября 1821 года. В 1824 году в Великобритании был построен первый действующий монорельс. Он использовался на военно-морской верфи исключительно для перевозки грузов.

        Первый пассажирский монорельс в мире был открыт 25 июня 1825 года. Он был устроен по принципу Пальмера.

        После этого в течение примерно полувека ничего нового в области строения монорельса не происходило. Попытки создать работоспособный монорельс, теперь уже на паровой тяге, возобновились в конце XIX века. Известно, что в 1872 году на политехнической выставке в Москве демонстрировался участок монорельсовой дороги конструкции инженера Лярского. В 1876 году паровой монорельс демонстрировался на выставке Centennial Exposition в США. Длина трассы монорельса составляла 170 ярдов (около 150 м).В общем в конце XIX века монорельс был частым гостем на разнообразных выставках. В 1872 году монорельс на кабельной тяге демонстрировался в Лионе, в 1891 году в Сент-Луисе демонстрировался монорельс с вагонами наподобие трамвайных.В то же время создание действующего, работоспособного монорельса оказалось гораздо более сложным делом. В XIX веке было создано огромное количество конструкций монорельса, но большинство из них так и остались на бумаге, а те, которые были реализованы, не отличались долголетием. В 1878 году начал действовать паровой монорельс, соединяющий Брадфорд и Гилмор (Пенсильвания). Его длина составляла 6,4 км. Этот монорельс создавался для перевозок промышленного оборудования, но он также перевозил пассажиров. Брадфордский монорельс закрылся вскоре после случившейся 27 января 1879 года серьёзной катастрофы, когда погиб машинист монорельса и три его пассажира.С развитием электротехники на монорельсах стали использовать электрический привод. Одна из первых электрических монорельсовых дорог, известная как Enos Electric Railway Гринвилей, Нью-Джерси. Как уже было указано выше, несмотря на активные поиски, создать монорельс, способный быть полноценным транспортным средством, в XIX веке так и не удалось. Единственный успешный монорельс той эпохи -- построенный в Ирландии в 1888 году монорельс, соединявший Баллибунион и Листоуэл. Он просуществовал до 1924 года. Однако распространения эта конструкция не получила (более подробно -- см. Монорельс системы Лартига).Первые монорельсы на конной тяге были подвесными. Паровые монорельсы имели своеобразную полуподвесную конструкцию: состав опирался на несущий рельс, стабильность обеспечивалась боковыми направляющими рельсами. Поперечный разрез такого пути напоминал букву «А», где верхняя точка соответствует несущему рельсу, а точки соединения боковых сторон и поперечной перекладины -- направляющим. С появлением электрических монорельсов снова стала использоваться подвесная компоновка.

Однако предлагались и более необычные конструкции. В 1894 году в США была построена монорельсовая железная дорога Boynton Unicycle Railway. На этой дороге поезд опирался на один несущий рельс, сверху же проходил поддерживающий деревянный рельс. Основным недостатком такой дороги было то, что на поворотах из-за инерции («центробежной силы») на поддерживающий рельс действовали высокие силы. В 1967 году планировалось построить разветвлённую линию подвесного монорельса от станции метро «Автозаводская» до станции «Коломенская»; был выпущен опытный вагон, который выставлялся на ВДНХ. Позднее оказалось, что на пути монорельса располагается район Царицыно - бывший посёлок Ленино , ставший районом массовой жилой застройки, и с его пассажиропотоком могло справиться только метро.

 

3.Виды монорельсов

3.1 Классический монорельс

Предложенная концепция  относительно дешевой, быстрой и  экологически чистой формы общественного  транспорта может стать прекрасным решением в условиях большого города, а также для междугородних  транспортных соединений. Пути, по которым будет двигаться монорельс, могут быть построены над уже существующими дорогами и шоссе, что избавит города от необходимости выделять дополнительную площадь. Еще одним важным преимуществом такой системы общественного транспорта может стать ее малая стоимость: монорельс обойдется городу от трех до пяти раз дешевле, чем высокоскоростной железнодорожный транспорт. Согласно с Globe and Mail, такие монорельсы смогут достигать скорости 250 км/ч; каждый вагон сможет вместить 60-75 пассажиров. При этом движение вагонов обеспечивается за счет 16 электрических двигателей, расположенных внутри колес, что исключает выброс вредных веществ в атмосферу. Актуальность этой идеи кажется еще более очевидной в условиях повышения цен на горючее топливо. Тип двигателей, которые будут применены в этом проекте, уже на данном этапе способны конкурировать с уже существующими моторами.

3.2. Монорельс с боковым рельсом

Более полутора веков  монорельсовые дороги делились на два  типа: подвесные (вагон под балкой) и навесные (вагон на балке). Но вот в 1989 году на "украинской ВДНХ" появилась модель - копия проектной монорельсовой дороги в масштабе 1:5, вагоны по отношению к балке располагались там не сверху, и не снизу, а сбоку.

Автором этой оригинальной системы  был инженер Евгений Иванович Попов, а финансировалась разработка Киевским центром НТТМ "Прогресс".

Собственно, идея боковой подвески давно витала в воздухе и в  прямом и в переносном смысле. Ещё  в шестидесятых годах в промышленности нашли распространение однобалочные мостовые краны, у которых тележка подвешивалась сбоку балки. Тем не менее до Попова никто не предлагал перенести эту схему на пассажирский монорельс.