Žiroskopiski stabilizēta vienceļa sliedes

Žiroskopiskā viensliežu dzelzceļu sistēma, žiroskopiskā viensliežu dzelzceļu sistēma, žiroskopiski stabilizēta viensliežu dzelzceļu sistēma vai žiroautomašīna ir termini, kas apzīmē sauszemes transportlīdzekli ar vienu sliedi, kurā tiek izmantota riteņa rotējoša riteņa žiroskopiskā darbība, lai pārvarētu nestabilitāti, kas raksturīga balansēšanai uz vienas sliedes virsmas.

Vienkolejs ir saistīts ar Luisa Brennana, Augusta Šerla un Pjotra Šilovska vārdiem, kuri katrs 20. gadsimta sākumā uzbūvēja pilna izmēra darbojošos prototipus. Versiju 1962. gadā ASV izstrādāja Ernests F. Svinnijs, Harijs Ferreira un Luiss E. Svinnijs.

Žirokonveijera sliežu ceļš nekad netika izstrādāts tālāk par prototipa stadiju.

Šilovska minētā vienceļa galvenā priekšrocība ir medību svārstību novēršana, kas bija ātruma ierobežojums, ar ko tolaik saskārās parastie dzelzceļi. Turklāt ir iespējami asāki pagriezieni salīdzinājumā ar 7 km pagrieziena rādiusu, kas raksturīgs mūsdienu ātrgaitas vilcieniem, piemēram, TGV, jo transportlīdzeklis līkumos automātiski sasveras, līdzīgi kā lidmašīna, tādējādi vilcienā nav jūtams sānu centrbēdzes paātrinājums.

Būtisks trūkums ir tas, ka daudziem vagoniem - tostarp pasažieru un kravas vagoniem, ne tikai lokomotīvei - būtu nepieciešams žiroskops, lai noturētos vertikālā stāvoklī.

Atšķirībā no citiem līdzsvara uzturēšanas veidiem, piemēram, smaguma centra sānu pārvietošanas vai reakcijas riteņu izmantošanas, žiroskopiskā līdzsvara sistēma ir statiski stabila, tāpēc vadības sistēma kalpo tikai dinamiskās stabilitātes nodrošināšanai. Tāpēc balansēšanas sistēmas aktīvo daļu precīzāk raksturot kā rites amortizatoru.

Vēsturiskais fons

Brennana vienlaidu sliežu ceļš 

Vadošajā sadaļā attēlotais attēls attēlo Louis Philip Brennan CB izstrādāto 22 tonnas (22 garās tonnas; 24 īsās tonnas) smagā (pašmasa) transportlīdzekļa prototipu. Brennans 1903. gadā pieteica savu pirmo vienceļa sliežu patentu.

Viņa pirmais demonstrācijas modelis bija tikai 30,0 x 11,8 collas (762 x 300 mm) kaste, kurā bija balansēšanas sistēma. Tomēr ar to pietika, lai Armijas padome ieteiktu 10 000 sterliņu mārciņu summu pilna izmēra transportlīdzekļa izstrādei. Finanšu departaments to noraidīja ar veto. Tomēr armija no dažādiem avotiem atrada 2000 sterliņu mārciņu, lai finansētu Brennana darbu.

Šī budžeta ietvaros Brennans izgatavoja lielāku modeli ar izmēriem 6,0 x 1,5 pēdas (1,83 x 0,46 m), kura līdzsvaru uzturēja divi 5,0 collas (127 mm) diametra žiroskopa rotori. Šis modelis joprojām atrodas Londonas Zinātnes muzejā. Transportlīdzekļa trase tika ierīkota Brennana mājas teritorijā Gillinghemā, Kentā. To veidoja parasts gāzes cauruļvads uz koka gulšņiem, ar 50 pēdu (15 m) stiepļu troses tiltu, asiem stūriem un slīpumiem līdz 1:5. Brennans demonstrēja savu modeli lekcijā Karaliskajai biedrībai 1907. gadā, kad tas tika parādīts, kā tas brauc uz priekšu un atpakaļ "pa mācītu un tievu stiepli" "izgudrotāja perfektā vadībā".

Brennana samazinātais dzelzceļš lielā mērā attaisnoja Kara ministrijas sākotnējo entuziasmu. Tomēr 1906. gadā ievēlētā liberāļu valdība, kas īstenoja finanšu samazināšanas politiku, faktiski apturēja armijas finansējumu. Tomēr 1907. gadā Indijas ministrija piešķīra 6 000 sterliņu mārciņu avansu (kas 2021. gadā atbilst 675 267 sterliņu mārciņām), lai Ziemeļrietumu pierobežas reģionā attīstītu vienceļa līniju, un vēl 5 000 sterliņu mārciņu (kas 2021. gadā atbilst 555 391 sterliņu mārciņai) avansu 1908. gadā piešķīra Kašmiras Durbārs. Šī nauda bija gandrīz iztērēta līdz 1909. gada janvārim, kad Indijas birojs izmaksāja vēl 2000 sterliņu mārciņu (kas 2021. gadā atbilst 221 795 sterliņu mārciņām).

1909. gada 15. oktobrī vagoniņš pirmo reizi darbojās ar savu jaudu, pārvadājot 32 cilvēkus pa rūpnīcu. Transportlīdzekļa izmēri bija 40,0 x 9,8 pēdas (12,2 x 3 m), un ar 20 zirgspēku (15 kW) benzīna dzinēju tā ātrums bija 22 jūdzes stundā (35 km/h). Pārnesumkārba bija elektriska, benzīna dzinējs darbināja ģeneratoru, bet elektromotori atradās uz abiem ratiņiem. Šis ģenerators darbināja arī žiroskopa motorus un gaisa kompresoru. Balansēšanas sistēmā izmantoja pneimatisko servopiedziņu, nevis berzes riteņus, ko izmantoja agrākajā modelī.

Žiroskopi atradās kabīnē, lai gan Brennans plānoja tos pārvietot zem transportlīdzekļa grīdas, pirms parādīt transportlīdzekli publiski, taču Šerla mašīnas atklāšana lika viņam pārcelt pirmo publisko demonstrāciju uz 1909. gada 10. novembri. Nebija pietiekami daudz laika, lai pirms monoraila publiskās debijas žiroskopus novietotu no jauna.

Brennana vienlaidu sliežu ceļa reālā publiskā debija notika Japānas un Lielbritānijas izstādē Baltajā pilsētā Londonā 1910. gadā. Vienuvietīgais vagons pa apļveida trasi ar ātrumu 20 jūdzes stundā (32 km/h) vienlaicīgi pārvadāja 50 pasažierus. Pasažieru vidū bija arī Vinstons Čērčils, kurš izrādīja ievērojamu sajūsmu. Interese bija tik liela, ka Anglijā un Vācijā tika ražotas bērnu rotaļlietas - vienriteņu un žiroskopiski stabilizētas monorailas ar pulksteņa mehānismu. Lai gan tas bija dzīvotspējīgs transporta līdzeklis, viendzelzceļš nespēja piesaistīt turpmākus ieguldījumus. No diviem uzbūvētajiem transportlīdzekļiem vienu pārdeva metāllūžņos, bet otru līdz 1930. gadam izmantoja kā parka nojumi.

Scherl's car 

Tikko Brennans pabeidza testēt savu transportlīdzekli, vācu izdevējs un filantrops Augusts Šerls paziņoja par Vācijā izstrādātā žiro vienceļa dzelzceļa publisku demonstrāciju. Demonstrējums bija paredzēts trešdien, 1909. gada 10. novembrī, Berlīnes Zooloģiskajā dārzā.

Šerla mašīna, kas arī bija pilna izmēra transportlīdzeklis, bija mazliet mazāka par Brennana mašīnu - tās garums bija tikai 17 pēdas (5,2 m). Tajā varēja sēdēt četri pasažieri uz šķērsām novietotiem sēdekļiem. Žiroskopi atradās zem sēdekļiem, un tiem bija vertikālas asis, bet Brennans izmantoja horizontālu žiroskopu pāri. Servomehānisms bija hidraulisks, bet dzinējs elektriskais. Stingri runājot, Augusts Šērls tikai nodrošināja finansiālo atbalstu. Taisnošanas mehānismu izgudroja Pauls Frēlihs, bet automobili konstruēja Emīls Falke.

Lai gan automašīna tika atzinīgi novērtēta un tās publisko demonstrējumu laikā darbojās lieliski, tā nespēja piesaistīt ievērojamu finansiālu atbalstu, un Šerls norakstīja savu ieguldījumu tajā.

Šilovska darbs 

Pēc tam, kad Brennanam un Šerlam neizdevās piesaistīt nepieciešamās investīcijas, pēc 1910. gada žiromonoraļa praktisko attīstību turpināja Londonā dzīvojošais krievu aristokrāts Pjotrs Šilovskis. Viņa balansēšanas sistēma balstījās uz nedaudz atšķirīgiem principiem nekā Brennana un Šerla sistēma, un tā ļāva izmantot mazāku un lēnāk rotējošu žiroskopu. Pēc tam, kad 1911. gadā viņš izstrādāja žiroskopa vienceļa modeli, viņš konstruēja žiroautomobili, ko 1913. gadā uzbūvēja uzņēmums Wolseley Motors Limited un izmēģināja Londonas ielās. Tā kā tas izmantoja vienu žiroskopu, nevis pretēji rotējošu pāri, ko bija iecienījuši Brennans un Šērls, tā uzvedība bija asimetriska, un tas kļuva nestabils asos kreiso pagriezienu laikā. Tas izraisīja interesi, bet ne piesaistīja nopietnu finansējumu.

Attīstība pēc Pirmā pasaules kara 

1922. gadā padomju valdība uzsāka Šilovska vienceļa būvniecību starp Ļeņingradu un Carskoje Selo, taču drīz pēc projekta uzsākšanas līdzekļi izsīka.

1929. gadā, būdams 74 gadus vecs, Brennans izstrādāja arī žiroauto. Austin/Morris/Rover konsorcijs to atteica, pamatojoties uz to, ka viņi varētu pārdot visus parastos automobiļus, ko viņi uzbūvēja.

Darbības principi

Pamatideja 

Transportlīdzeklis pārvietojas uz vienas parastās sliedes, tāpēc bez balansēšanas sistēmas tas apgāztos.

Rotējošais ritenis ir uzstādīts kardāna rāmī, kura rotācijas ass (precesijas ass) ir perpendikulāra rotācijas asij. Mezglu uzstāda uz transportlīdzekļa šasijas tā, lai līdzsvara stāvoklī griešanās ass, precesijas ass un transportlīdzekļa griešanās ass būtu savstarpēji perpendikulāras.

Piespiežot kardānu griezties, ritenim rodas precesija, kas rada žiroskopiskos griezes momentus ap rites asi, tādējādi mehānisms var iztaisnot transportlīdzekli, kad tas ir sasvēries no vertikāles. Ritenim ir tendence sakārtot savu griešanās asi ar rotācijas asi (kardāna asi), un šī darbība ir tā, kas apgāž visu transportlīdzekli ap tā griešanās asi.

Ideālā gadījumā mehānismam, kas iedarbina vadības griezes momentus uz kardānu, vajadzētu būt pasīvam (atsperu, amortizatoru un sviru sistēma), bet problēmas būtība norāda, ka tas nav iespējams. Līdzsvara stāvoklī transportlīdzeklis ir vertikālā stāvoklī, tāpēc jebkurš traucējums no šī stāvokļa samazina smaguma centra augstumu, samazinot sistēmas potenciālo enerģiju. Visam, kas atgriež transportlīdzekli līdzsvarā, ir jāspēj atjaunot šo potenciālo enerģiju, un tāpēc tas nevar sastāvēt tikai no pasīviem elementiem. Sistēmā jābūt kādam aktīvam servopiedziņai.

Sānu slodzes 

Ja pastāvīgiem sānu spēkiem pretotos tikai ar žiroskopisko darbību, kardāns strauji grieztos uz bremzēm, un transportlīdzeklis apgāztos. Patiesībā mehānisms liek transportlīdzeklim noliekties pret traucējumu, pretojoties tam ar svara sastāvdaļu, kad žiroskops ir tuvu savam neizliektajam stāvoklim.

Inerces sānu spēki, kas rodas, braucot pagriezienā, liek transportlīdzeklim noliekties pagriezienā. Atsevišķs žiroskops rada asimetriju, kuras dēļ transportlīdzeklis noliecas pārāk tālu vai nepietiekami tā, lai tīrais spēks paliktu simetrijas plaknē, tāpēc sānu spēki joprojām būs jūtami uz kuģa.

Lai nodrošinātu pareizu transportlīdzekļa slīpumu pagriezienos, ir jānovērš žiroskopiskais griezes moments, ko rada transportlīdzekļa pagrieziena ātrums.

Brīvs žiroskops saglabā savu orientāciju attiecībā pret inerciālo telpu, un žiroskopiskie momenti tiek radīti, rotējot to ap asi, kas ir perpendikulāra griešanās asij. Taču vadības sistēma novirza žiroskopu attiecībā pret šasiju, nevis attiecībā pret fiksētajām zvaigznēm. No tā izriet, ka transportlīdzekļa slīpuma un pagrieziena kustība attiecībā pret inerciālo telpu radīs papildu nevēlamus žiroskopiskos griezes momentus. Tie rada neapmierinošu līdzsvaru, bet, kas ir vēl nopietnāk, izraisa statiskās stabilitātes zudumu, pagriežoties vienā virzienā, un palielina statisko stabilitāti pretējā virzienā. Šilovskis saskārās ar šo problēmu ar savu autotransporta līdzekli, kas tādēļ nevarēja veikt asus kreisos pagriezienus.

Brennans un Šērls apzinājās šo problēmu un ieviesa balansēšanas sistēmas ar pretēji rotējošu žiroskopu pāriem, kas darbojas pretējos virzienos. Izmantojot šādu izkārtojumu, visas transportlīdzekļa kustības attiecībā pret inerciālo telpu rada vienādus un pretējus griezes momentus abiem žiroskopiem, un līdz ar to tie tiek izlīdzināti. Izmantojot dubulto žiroskopu sistēmu, tiek novērsta nestabilitāte līkumos, un transportlīdzeklis sasveras pareizajā leņķī, tādējādi uz kuģa nerodas sānu spēks.

Pagriezienu laikā pretēji rotējošie žiroskopi novērš nestabilitāti pagriezienos.
Šilovskis apgalvoja, ka ar dubulto žiroskopu sistēmu ir grūtības nodrošināt stabilitāti, lai gan nav skaidrs, kāpēc tas tā būtu. Viņa risinājums bija mainīt vadības cilpas parametrus atkarībā no pagrieziena ātruma, lai saglabātu līdzīgu reakciju jebkura virziena pagriezienos.

Līdzīgi arī nobīdes slodzes izraisa transportlīdzekļa sasvēršanos, līdz smaguma centrs atrodas virs atbalsta punkta. Sānu vēji liek transportlīdzeklim sasvērties pret tiem, lai tiem pretotos ar svara sastāvdaļu. Šie saskares spēki, visticamāk, radīs lielāku diskomfortu nekā pagrieziena spēki, jo to rezultātā uz transportlīdzekļa rodas tīrie sānu spēki.

Saskares sānu spēki rada kardāna novirzes novirzi Šilovska cilpā. To var izmantot kā ieejas signālu lēnākai cilpai, lai novirzītu smaguma centru uz sāniem, lai transportlīdzeklis ilgstošu neinerciālu spēku klātbūtnē paliktu vertikālā stāvoklī. Šāda žiroskopa un sānu cg nobīdes kombinācija ir 1962. gada patenta priekšmets. Ernests F. Svinnijs (Ernest F. Swinney), Harijs Ferreira (Harry Ferreira) un Luiss E. Svinnijs (Louis E. Swinney) 1962. gadā ASV uzbūvēja transportlīdzekli, kurā izmantoja žiroskopu un sānu lietderīgās slodzes nobīdi. Šo sistēmu sauc par Gyro-Dynamics monorail.

Iespējamās priekšrocības salīdzinājumā ar divsliežu transportlīdzekļiem 

Šilovskis minēja vairākas apgalvotās priekšrocības, tostarp:

samazinātas braukšanas ceļa labās puses problēmas, jo teorētiski var pārvarēt stāvākus kāpumus un asākus pagriezienus.

Savā grāmatā Šilovskis apraksta bremzēšanas veidu uz sliežu ceļa, kas ir iespējama vienceļa sliežu transportlīdzeklim, bet traucētu parastā sliežu transportlīdzekļa virziena stabilitāti. Tas potenciāli ļautu ievērojami saīsināt bremzēšanas ceļu salīdzinājumā ar parasto riteņu bremzēšanu ar tērauda riteņiem, attiecīgi samazinot drošu attālumu starp vilcieniem. 

Šilovskis apgalvoja, ka viņa konstrukcijas patiesībā ir vieglākas par līdzvērtīgiem divsliežu sliežu transportlīdzekļiem. Pēc Brennana teiktā, žiroskopa masa veido 3-5 % no transportlīdzekļa svara, kas ir salīdzināms ar ratiņu svaru, kas ietaupīts, izmantojot viena sliežu ceļa konstrukciju.

Pagriezieni līkumos 

Ņemot vērā transportlīdzekļa braukšanu horizontālā līkumā, visnopietnākās problēmas rodas, ja žiroskopa ass ir vertikāla. Par kardāna šarnīru darbojas pagrieziena ātruma sastāvdaļa , tāpēc pagriešanās vienādojumā tiek ieviests papildu žiroskopiskais moments:

.

Tas novirza sānsveri no pagriezienam pareizā sānsveres leņķa, bet, kas ir vēl nopietnāk, maina raksturīgā vienādojuma konstanto locekli uz:

Acīmredzot, ja pagrieziena ātrums pārsniedz kritisko vērtību:

balansēšanas cilpa kļūs nestabila. Tomēr identisks žiroskops, kas griežas pretējā virzienā, anulēs nestabilitāti izraisošo griešanās momentu, un, ja tas būs spiests griezties pretējā virzienā nekā pirmais žiroskops, radīs vadības momentu tajā pašā virzienā.

Kanādas valdības Mašīnbūves nodaļa 1972. gadā noraidīja priekšlikumu par vienceļa sliežu ceļu, galvenokārt pamatojoties uz šo problēmu. Viņu analīze bija pareiza, taču tā attiecās tikai uz vienas vertikālās ass žiroskopu sistēmām, bet ne universāla.

Maksimālais griešanās ātrums 

Gāzturbīnu dzinēji ir konstruēti ar perifēro ātrumu līdz pat 400 metriem sekundē (1300 pēdu/s), un pēdējos 50 gados tie ir droši darbojušies tūkstošiem lidaparātu. Tādējādi aplēstā žiroskopa masa 10 tonnu (9,8 garās tonnas; 11 īsās tonnas) lidmašīnai ar cg augstumu 2 metri (6 pēdas 7 collas), pieņemot, ka perifēriskais ātrums ir uz pusi mazāks nekā reaktīvo dzinēju konstrukcijā, ir tikai 140 kg (310 lb). Tāpēc Brennana ieteikums 3-5 % no transportlīdzekļa masas bija ļoti piesardzīgs.

Atsauces 

Dzelzceļš