Монорельсовый транспорт

Боковая подвеска вагона (см. рисунок) дает целый ряд существенных преимуществ:

а) для двухпутного движения можно  использовать одну балку;

б) на значительной части пути балка  может быть выполнена в виде стенки из железобетонных панелей или монолитного  железобетона.

в) благодаря устойчивости вагона при боковой подвеске можно снизить  вес ходовых частей.

Другая особенность системы  Попова - сбалансированная подвеска вагонов на восьми катках, что позволяет выполнять путь в вертикальной плоскости не из кривых балок, а из прямых, составленных под углом.

Поезд монорельса Попова должен был  состоять из десяти двухэтажных вагонов  с общим числом посадочных мест 960. Конструкционная скорость - 120 километров в час. Стоимость строительства по расчетам выходила в 20 раз дешевле, чем у метро, а при цене билета 5 копеек в ценовом масштабе 1989 года срок окупаемости должен был составить около 4 лет.

4.Страны использующие монорельс

Очень широкое  развитие монорельс получил в  Японии, США и Германии, также  Россия начинает строительство монорельсовых  дорог. Япония выбрала монорельс  из-за его компактности так как  он размещается над землёй, тем  самым он занимает места меньше чем расширение дорог а также строительство обходится гораздо дешевле чем если бы строить метро.В США монорельс в основном используется в парках развлечений чтобы из одного конца добраться в другой. Строиться монорельс быстрыми темпами в Германии, в Берлине и Франкфурте крупнейшая сеть монорельсовых дорог в Европе. В Японии первый монорельс появился в 1964 году и до сих пор работоспособный. Эта линия Токио - Ханеда, её длинна: 17,8 км, 10 станций, обслуживает 137 900 пассажиров в день. Работает без перебоев 43 года подряд считается самой загруженной монорельсовой дорогой в мире. Линия соединяет аэропорт Ханеда с железнодорожной станцией Хамамацуко. Проходит через высокоразвитые деловые и жилые районы Токио. В некоторых местах идёт параллельно Синкансену и основным железнодорожным линиям. В основном линия проходит на эстакаде, но есть и несколько подземных участков в районе аэропорта и под каналами (линия проходит через несколько искусственных островов в Токийском заливе). Много опор стоит в воде. Станции также бывают надземными, на уровне земли, встроенными в зданияи подземными (в аэропорте). Составы оборачиваются при помощи стрелок.Последнее продление линии было в 2004 году (добавили 900 метров): была построена новая станция во втором терминале аэропорта Ханеда. В Малайзии монорельс-ОТ действует в Куала-Лумпуре (с 2003 года, 8,6 км). Ещё в нескольких городах этой страны монорельсы-ОТ строятся. В Чунцине (Китай) с 2005 года действует монорельс протяжённостью 13,5 км. Монорельсы также строятся в Сингапуре (планируемая длина -- 2,1 км), Джакарте (27 км), Объединённых Арабских Эмиратах, Тегеране, нескольких городах Китая.

5.Физика монорельсовых дорог

Монорельсы, основанные на магнитном поле

Магнитоплан или Маглев (от англ. magnetic levitation) -- это  поезд на магнитном подвесе, движимый и управляемый магнитными силами. Такой состав, в отличие от традиционных поездов, в процессе движения не касается поверхности рельса. Так как между поездом и поверхностью движения существует зазор, трение исключается, и единственной тормозящей силой является сила аэродинамического сопротивления. Скорость, достижимая маглев, сравнима со скоростью самолета и позволяет составить конкуренцию воздушным сообщениям на малых (для авиации) расстояниях (до 1000 км). Хотя сама идея такого транспорта не нова, экономические и технические ограничения не позволили ей развернуться в полной мере: для публичного использования технология воплощалась всего несколько раз. В настоящее время, Маглев не может использовать существующую транспортную инфраструктуру, хотя есть проекты с расположением элементов магнитной дороги между рельсов обычной железной дороги или под полотном автотрассы.

6.Общие сведения о поездах на магнитном подвесе

На данный момент существует 3 основных технологии магнитного подвеса поездов:

1. На сверхпроводящих  магнитах (электродинамическая подвеска, EDS).

Сверхпроводящий магнит - соленоид или электромагнит  с обмоткой из сверхпроводящего материала. Обмотка в состоянии сверхпроводимости обладает нулевым омическим сопротивлением. Если такая обмотка замкнута накоротко, то наведённый в ней электрический ток сохраняется практически сколь угодно долго. Магнитное поле незатухающего тока, циркулирующего по обмотке сверхпроводящего магнита, исключительно стабильно и лишено пульсаций, что важно для ряда приложений в научных исследованиях и технике. Обмотка сверхпроводящего магнита теряет свойство сверхпроводимости при повышении температуры выше критической температуры Тк сверхпроводника, при достижении в обмотке критического тока Iк или критического магнитного поля Нк. Учитывая это, для обмоток сверхпроводящих магнитов. применяют материалы с высокими значениями Тк, Iк и Нк.

2. На электромагнитах (электромагнитная подвеска, EMS).

3. На постоянных  магнитах; это новая и потенциально  самая экономичная система.

Состав левитирует за счёт отталкивания одинаковых полюсов  магнитов и, наоборот, притягивания разных полюсов. Движение осуществляется линейным двигателем.

Линейный  двигатель - электродвигатель, у которого один из элементов магнитной системы разомкнут и имеет развёрнутую обмотку, создающую бегущее магнитное поле, а другой выполнен в виде направляющей, обеспечивающей линейное перемещение подвижной части двигателя.

Сейчас разработано  множество проектов линейных двигателей, но всех их можно разделить на две  категории - двигатели низкого ускорения  и двигатели высокого ускорения.

Двигатели низкого  ускорения используются в общественном транспорте (маглев, монорельс, метрополитен). Двигатели высокого ускорения весьма небольшие по длине, и обычно применяются, чтобы разогнать объект до высокой скорости, а затем выпустить его. Они часто используются для исследований гиперскоростных столкновений, как оружие или пусковые установки космических кораблей. Линейные двигатели широко используются также в приводах подачи металлорежущих станков,и в робототехнике. расположенным либо на поезде, либо на пути, либо и там, и там. Серьёзной проблемой проектирования является большой вес достаточно мощных магнитов, поскольку требуется сильное магнитное поле для поддержания в воздухе массивного состава.

По теореме  Ирншоу (S. Earnshaw, иногда пишут Эрншоу), статичные поля, создаваемые одними только электромагнитами и постоянными магнитами, нестабильны, в отличие от полей диамагнетиков.

Диамагнетики - вещества, намагничивающиеся навстречу  направлению действующего на них  внешнего магнитного поля. В отсутствие внешнего магнитного поля диамагнетики не имеют магнитного момента. и сверхпроводящих магнитов. Существуют системы стабилизации: датчики постоянно замеряют расстояние от поезда до пути и соответственно ему меняется напряжение на электромагнитах. Наиболее активные разработки маглев ведут Германия и Япония.

7.Советский магнитный монорельс и его потомки

Действующие ныне монорельсовые дороги имеют  в основном электрическую тягу, получая  энергию от контактного провода. Они малошумны и не загрязняют воздушного бассейна. Поезд монорельсовой  дороги, как и поезд метрополитена, может состоять из одного или нескольких вагонов. Максимальная скорость движения на действующих дорогах составляет 70-125 км/ч, провозная способность - до 40 тыс. пасс/ч. Стоимость сооружения монорельсовых дорог примерно в 2 раза ниже стоимости подземного метрополитена. При наличии свободных пространств для установки эстакады они признаются эффективными в качестве средств городского и пригородного транспорта, а также в сильно пересеченной и горной местности.

В восьмидесятых  годах учеными Физико - энергетического института АН Латвийской ССР был создан весьма оригинальный проект монорельса на магнитной подушке для перевозок со скоростью 500 километров в час. Вагон предполагалось создать на базе уже проверенного в эксплуатации фюзеляжа транспортного самолета Ил-18. Длина такого вагона, по проекту вмещавшего 100 пассажиров, составляла 36 метров, ширина 3,5 метра, высота 3, 85 метра, а масса - 40 тонн. Под полом вагона размещались криостаты со сверхпроводящими магнитами, которые соединялись с кузовом через рессорное подвешивание (т.к. при скорости 500 километров в час возмущения от пути невозможно гасить только за счет зазора в магнитной подвеске, принятого равным 22 миллиметра). Преобразователи частоты управлялись бортовым компьютером.

Во время  стоянки и перемещения в депо и на экипировочные участки вагон должен был двигаться на колесах по рельсам с колеей 3 метра, при движении на перегоне колеса убирались. На эти колеса экипаж также должен был "приземляться" при аварии системы магнитной подвески. Была построена экспериментальная модель с вагоном массой 3,2 килограмма. В 90-е годы сведений о продолжении работ по данному проекту не поступало. Несмотря на кажущуюся внешнюю простоту, монорельсовый путь и сложен в устройстве, и трудоемок в постройке. Несущая балка (собственно монорельс) на навесных дорогах изготавливается из монолитного или сборного железобетона, а на всех подвесных - из высокопрочной стали. Этот элемент конструкции должен выдерживать очень большие нагрузки во время разгона и торможения поездов, а также при прохождении поездами криволинейных участков пути. Таковые, в частности, для компенсации центробежных сил, изогнуты в двух плоскостях, что приводит к удорожанию всей постройки. Например, для строительства пути монорельсовой дороги в Диснейленде пришлось заказывать сложную сборную опалубку, состоящую из пятидесяти элементов. Кроме того, монорельсовые дороги сложны в обслуживании пути и подвижного состава, а также требуют подъема пассажиров на эстакаду и спуска с нее. Указанные недостатки привели к тому, что мире на данный момент построено несколько десятков отдельных линий монорельсовых дорог на магнитной подушке протяженностью от сотен метров до нескольких километров главным образом в качестве аттракционов в парках, на выставках и т.п. Вместе с тем монорельсовые дороги могут иметь свою экономически целесообразную сферу применения как полноценный вид городского и междугороднего транспорта.

8.Особенности строения

Несущая балка

Несмотря  на кажущуюся внешнюю простоту, монорельсовый  путь и сложен в устройстве, и  трудоемок в постройке. Несущая балка (собственно монорельс) на навесных дорогах изготавливается из монолитного или сборного железобетона, а на всех подвесных - из высокопрочной стали. Этот элемент конструкции должен выдерживать очень большие нагрузки во время разгона и торможения поездов, а также при прохождения поездами криволинейных участков пути. Таковые, в частности, для компенсации центробежных сил, изогнуты в двух плоскостях, что приводит к удорожанию всей постройки. Например, для строительства пути монорельсовой дороги в Диснейленде пришлось заказывать сложную сборную опалубку, состоящую из пятидесяти элементов. Помимо этого, каждый элемент монорельсовой балки должен быть изготовлен с высокой точностью, иначе поезд будет идти по ней, как телега по булыжной мостовой. Стальная балка дороже, но в условиях отечественного климата железобетон долго не прослужит - частые чередования зимой оттепелей и похолоданий, чего не бывает ни в Западной Европе, ни в Америке, приведут к тому, что поверхность бетонной балки станет выкрашиваться, а замена изношенного участка балки из-за больших размеров и массы - задача достаточно проблематичная. Сложна из-за размеров монорельса и его трудной доступности и дефектоскопия пути, а надежная работа без нее невозможна. Стальной путь нуждается в серьезной защите от коррозии, а также в специальных стыках, которые компенсировали бы его удлинение из-за нагрева летом и укорачивание зимой. Такие необходимые для обеспечения путевого развития элементы, как стрелочные переводы и крестовины, у монорельсовых дорог крайне громоздки, сложны и ненадежны, а без них невозможны ни крупные станции и вокзалы, ни разветвленные сети линий, ни тем более депо.

9.Характеристики

Транспортное  средство общего пользования. Может  обладать высокой скоростью, малой стоимостью и экологической безопасностью.

Балка

     В обычном монорелсе пролет представляет собой массивную железобетонную балку на опорах, причем ширина балки проектируется приблизительно равной ширине самого вагона для обеспечения устойчивости. В данном проекте для сохранения устойчивости применяется маховик, поэтому пролет представляет собой один обычный рельс, по которому движется одноколейный высокоскоростной вагон. Кроме того, маховик может использоваться как накопитель энергии торможения, что позволит снизить суммарные затраты энергии при движении с частыми остановками. Благодаря высокой ровности и жесткости пути на монорельсе легко достижимы скорости движения в 200 км/час и выше.

Рельс представляет собой жесткую конструкцию, состоящую  из обычного рельса и размещенных снизу с провесом двух высокопрочных стальных канатов. Канаты растянуты с помощью домкратов до суммарного усилия в несколько сотен тонн. Рельс спроектирован таким образом, что провесы струны (каната) при пролетах 10-100м. составляют 1-10см. Кстати, можно подобрать такую высоту прокладки, чтобы в случае аварии на одной из опор угол между краем упавшего пролета и землей допускал плавный "перекат" вагона на дорогу.

На один рельс  оптимальное усилие натяжения составит 250 тонн (при расчетной прочности проволоки на разрыв 100 кгс/мм2 их суммарная площадь поперечного сечения составит 25 см2 на один рельс, а масса - около 20 кг/м; если струну выполнить в виде трех канатов, диаметр каждого каната будет около 35 мм).

Для сравнения: канаты современных висячих мостов достигают в поперечнике 1500 мм, а усилия их натяжения - 100 тыс. тонн и более. Усилия натяжения в 250 тс на один рельс обеспечат длину пролета до 100 м, 500 тс - до 1000 м, 1000 тс - до 2000 м.

Пролеты путевой  структуры, превышающие 100 м, должны поддерживаться специальным тросом (размещенным снизу или сверху), т.е. они должны быть выполнены по типу висячих или вантовых мостов. Учитывая малый вес путевой структуры и транспортных модулей, канаты диаметром 10 см из высокопрочной стальной проволоки обеспечат поддержание пролета длиной до 2000 м, 20 см - до 4000 м. Современные композиционные материалы обеспечат максимальную длину пролета в 5000...6000 м.

Таким образом, каждый рельс поддерживается снизу  двумя тросами. В случае обрыва одного из них система сохранить свою работоспособность.

Подобная  конструкция обладает малой массой и низкой трудоемкостью в изготовлении, что позволит значительно снизить  расходы на строительство и эксплуатацию линии.