МОНОРЕЛЬСОВАЯ ТРАНСПОРТНАЯ СИСТЕМА С ВАГОНАМИ НА ВОЗДУШНОЙ ПОДУШКЕ
MONORAIL TRANSPORT SYSTEM WITH AIR CUSHIONED CARS

Изобретение относится к монорельсовому транспорту, к пассажирским перевозкам и предназначено для использования в системе городского пассажирского транспорта, а также для высокоскоростных междугородних пассажирских перевозок. При построении заявленной в изобретении монорельсовой транспортной системы с вагонами на воздушной подушке могут использоваться различные варианты ее реализации - с опорой монорельсового пути на наземное дорожное полотно, с прокладкой монорельсового пути в тоннелях, в метрополитенах, а также с установкой на наземных опорах эстакадного типа над уже действующими линиями железнодорожного и автомобильного транспорта.
Из уровня техники известны аналоги заявленного изобретения.
7
Известен способ эксплуатации подвижного состава на магнитной подвеске с линейным двигателем (Фишперер Рольф (DE) «Способ эксплуатации подвижного состава на магнитной подвеске с длинностаторным линейным двигателем и устройство для эксплуатации подвижного состава на магнитной подвеске с синхронным длинностаторным линейным двигателем». Патент №2244636 МПК B60L 13/03 приоритет 05.05.2000, RU). Способ эксплуатации подвижного состава на магнитной подвеске с длинностаторным синхронным линейным двигателем относится к транспортным системам с электротягой, создаваемой линейными двигателями. Синхронный линейный двигатель имеет множество расположенных друг за другом в направлении движения секций статорной обмотки, последовательно подключаемых к секционному кабелю. Во время проезда коммутационного стыка по меньшей мере обе примыкающие к коммутационному стыку секции обмотки электрически соединяют последовательно или параллельно. Таким образом, в зоне коммутационного стыка активным всегда остается весь транспортный двигатель, и уменьшения силы тяги в зоне коммутационного стыка не наблюдается. Устройство для эксплуатации подвижного состава на магнитной подвеске с синхронным длинностаторным линейным двигателем, содержащее по меньшей мере одну проложенную в направлении пути движения обмотку длинного статора, которая разделена на множество непосредственно следующих друг за другом в направлении пути движения, электрически отделенных друг от друга коммутационными стыками секций обмотки, по меньшей мере один проходящий в направлении пути движения, предназначенный для снабжения электрическим током секций обмотки секционный кабель, по меньшей мере одну соединенную с секционным кабелем подстанцию и первые коммутационные устройства для последовательного подключения секций обмотки к секционному кабелю в соответствии с движением подвижного состава, отличающееся тем, что оно содержит вторые коммутационные устройства, выполненные с возможностью электрического соединения друг с другом двух расположенных непосредственно друг за другом в направлении движения секций обмотки. Недостатком аналога является сложное коммутационное устройство, к которому предъявляются высокие требования безопасности и надежности.
6
Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению является монорельсовая дорога с вагонами на воздушной подушке (Андреев Н.П. «Монорельсовая дорога с вагонами на воздушной подушке», Патент №2098301, МПК B60V 3/04 приоритет 23.07.1996, прототип). Монорельсовая дорога с вагонами на воздушной подушке, содержащая линейный двигатель, установленный на опорном пути, при этом вагоны имеют гибкие ограждения воздушной подушки и центробежные компрессоры для ее формирования под их днищами, отличающаяся тем, что передняя и задняя части каждого вагона нависают своими днищами над опорным путем для вписывания вагонов в пределы опорного пути на его участках с малым радиусом кривизны.
Прототип имеет ряд существенных недостатков, которые устраняет заявленное изобретение. Например, заявленное изобретение устраняет дополнительный компрессор в вагоне.
В прототипе изобретения, в монорельсовой дороге с вагонами на воздушной подушке, активная часть линейного двигателя (ротор) установлена на подвижном составе, а пассивная часть линейного двигателя (статор) размещается на монорельсовом пути. При эксплуатации монорельсовой дороги с вагонами на воздушной подушке движением поезда управляет машинист из кабины первого вагона при помощи контактора и бортовой ЭВМ, посредством изменения высоты воздушной подушки, формируемой компрессорами. Использование компрессоров увеличивает потребление электроэнергии. Размещение системы управления линейным двигателем на электроподвижном составе усложняет ее техническую реализацию и снижает надежность работы монорельсовой дороги.
Заявленное изобретение поясняется графическими материалами на фиг.1-2.
На фиг.1 показана монорельсовая транспортная система с вагонами на воздушной подушке.
На фиг.2 показан вагон на воздушной подушке.
Заявленная в изобретении монорельсовая транспортная система с вагонами на воздушной подушке содержит монорельсовый путь 1, который размещается внутри защитной трубы 2, см. фиг.1. Защитная труба исключает попадание транспортных средств, человека, животных или каких-либо посторонних предметов в опасную зону. Защитная труба оборудована специальными дверями для посадки и высадки пассажиров на станциях (на фиг.1 не показаны). Монорельсовый путь имеет форму стальной ходовой балки 1. Ходовая балка используется как направляющая при перемещении вагонов. В нижней части монорельсового пути размещается обмотка возбуждения статора линейного асинхронного двигателя переменного тока 3. Статорная обмотка линейного асинхронного двигателя состоит из отдельных секций 3. Секции статорной обмотки возбуждения линейного асинхронного двигателя последовательно подключаются к источнику питания переменного тока. Частота переменного тока определяет скорость движения вагонов 4. Для изменения скорости движения вагона, секции статорной обмотки подключают к источнику питания переменного тока через схемы умножения или деления частоты. Вагоны 4 управляются автоматически, без участия машиниста. Вагоны 4 рассчитаны на перевозку нескольких пассажиров, имеют небольшой размер и малую массу. Вагоны 4 выполнены на воздушной подушке 5 и имеют автоматические двери 6 для посадки-высадки пассажиров на станциях. Вагоны оборудованы колесами 7, которые при движении вагона на воздушной подушке не касаются поверхности монорельсового пути. Колеса 7 используются при разгоне, торможении и остановке вагона на станции. Вагоны оборудованы горизонтальными 8 и вертикальными 9 рулями для управления движением. Горизонтальные рули 8 выполнены в виде крыльев и расположены по бокам вагона 4. Вертикальные рули 9 выполнены в виде хвостового оперения и расположены на крыше вагона 4. Днище вагона имеет аэродинамическую форму и совместно с горизонтальными и вертикальными рулями обеспечивает экранный эффект с возможностью формирования и управления высотой воздушной подушки 5 под днищем вагона 4. Основное назначение горизонтальных и вертикальных рулей заключается в управлении высотой воздушной подушки. Горизонтальные 8 и вертикальные рули 9 меняют направление воздушного потока при движении по кривым участкам монорельсового пути.
Для обеспечения безопасности движения под днищем вагона установлен один или несколько штоков 10. В монорельсе 1 имеется паз 11, по которому движется шток вагона 10. Паз монорельса выполнен с возможностью контроля высоты воздушной подушки 5 и с возможностью контроля движения вагона по заданной траектории. При нормальной работе шток вагона 10 не касается поверхности паза 11, и, следовательно, трения между ними нет. При выходе штока вагона за установленные допуски, паз 11 обеспечивает механическую стабилизацию и корректирует высоту воздушной подушки и траекторию движения вагона.
Ротор линейного асинхронного двигателя установлен в вагоне и является пассивным элементом. Статор линейного асинхронного двигателя 3 является активным элементом и размещается на монорельсовом пути. Статор линейного асинхронного двигателя переменного тока состоит из нескольких секций, расположенных вдоль монорельсового пути. Отдельная секция статора линейного асинхронного двигателя переменного тока выполнена в виде индуктивного шлейфа, который зигзагообразно уложен в основании монорельсового пути.
Секции статора линейного асинхронного двигателя 3 через схемы умножения и деления частоты 12 подключаются к источнику переменного тока 13. Система управления движением 14 определяет скорость движения вагонов. Система управления движением 14 реализована с возможностью выбора скорости движения вагонов и переключения выходов схемы умножения и деления частоты 12. Управляющим параметром линейного асинхронного двигателя является частота переменного тока в секции статора. С увеличением частоты переменного тока возрастает скорость движения вагонов. Такая конструкция позволяет существенно упростить бортовое оборудование, сделать вагон полностью автоматическим устройством.
Монорельсовый путь разделен на отдельные перегоны, которые ограничены соседними станциями. Перегон, в свою очередь, разделяется на блок-участки, которые организованы для управления движением вагонов с помощью автоблокировки и диспетчерской централизации. В границах каждого блок-участка размещается одна или несколько секций статора. Система управления движением 14 реализована на базе известных систем автоблокировки и диспетчерской централизации. Система управления движением 14 построена по централизованному принципу. Отдельные элементы системы управления размещаются на станциях и взаимодействуют с элементами этой системы на соседних станциях и с центром управления движения.
Монорельсовая транспортная система с вагонами на воздушной подушке характеризуется улучшенными эксплуатационными показателями, в частности, простотой конструкции и высокой надежностью работы.
Монорельсовая транспортная система с подвижным составом на воздушной подушке работает следующим образом.
Монорельсовая транспортная система с вагонами на воздушной подушке включает монорельсовый путь 1, вагоны 4 и систему управления 14. Вагон 4 оборудован автоматическими дверями 6 для посадки-высадки пассажиров на станции. Вагон 4 оборудован колесами 7 для движения при разгоне, торможении и остановке на станции. Согласно изобретению, днище вагона 4 имеет аэродинамическую форму. По бокам вагона 4 размещаются горизонтальные рули 8. На крыше вагона 4 размещаются вертикальные рули 9. Днище вагона, горизонтальные и вертикальные рули совместно обеспечивают экранный эффект и формируют воздушную подушку 5 под днищем вагона, а также регулируют высоту этой подушки.
Для удержания вагона на монорельсе предусмотрены штоки 10, которые размещаются под днищем вагона 4. Штоки 10 расположены в пазе монорельса 11. Шток обеспечивает контроль траектории движения вагона на криволинейных участках пути. Шток позволяет также контролировать высоту воздушной подушки 5.
Внутри вагона имеется автономная система управления движением, которая регулирует высоту воздушной подушки с помощью горизонтальных и вертикальных рулей, а также управляет траекторией движения вагона, в основном, на криволинейных участках монорельсового пути. Автономная система управления движением связана с системой управления движением вагонов 14 посредством беспроводного информационного канала, который проложен вдоль монорельсового пути.
Движение вагонов 4 по монорельсу 1 обеспечивается за счет тяги, которую создает линейный асинхронный двигатель. Ротор этого двигателя размещен в вагоне. Для экономии электроэнергии, а также с целью обеспечения безопасности движения, статор линейного асинхронного двигателя выполнен в виде отдельных секций 3, последовательно расположенных вдоль монорельсового пути. Система управления движением 14 через схемы умножения и деления частоты 12 подключает секции статора 3 к источнику переменного тока 13.
Монорельсовый путь между двумя соседними станциями включает один или несколько блок-участков, организованных для регулирования скорости движения вагонов. В границах блок-участка размещаются одна или несколько секций статора. Система управления движением 14 подключает и отключает источник переменного тока 13 от секций статора 3. Переменный ток подается на секции статора линейного асинхронного двигателя только на том блок-участке монорельсового пути, где находится вагон. После прохождения вагона по блок-участку, источник переменного тока отключается от секций статора. Таким образом, при свободном состоянии монорельсового пути, секции статора линейного асинхронного двигателя обесточены.
Изменение частоты переменного тока может производиться не плавно, а ступенчато, например, удвоением его частоты. Изменение частоты переменного тока можно реализовать, например, с помощью схемы умножения или деления частоты 12. За счет проскальзывания линейного асинхронного двигателя, скорость движения вагона будет плавно увеличиваться или уменьшаться.
При отказе оборудования, например, при отключении питания в секциях статора, вагон снизит скорость и остановится. При этом вагон будет опираться колесами на поверхность монорельса.
Технический результат заявленного изобретения состоит в следующем.
1. Монорельсовая транспортная система с вагонами на воздушной подушке обеспечивает широкий диапазон скоростей движения вагонов от 20-30 км/ч в городской черте и до 400-500 км/ч на участках высокоскоростного междугороднего движения.
2. Воздушная подушка исключает трение между монорельсом и колесами вагонов в процессе движения. Соприкосновение поверхностей монорельсового пути и колес вагонов происходит только на станциях или в случае аварийной остановки - при торможении, остановке и разгоне вагона. При этом сокращается износ колес вагона и монорельсового пути.
3. Упрощается бортовая система управления вагонами. Вагоны на воздушной подушке могут двигаться в автоматическом режиме, без управления машинистом. Монорельсовая транспортная система с вагонами на воздушной подушке может работать круглосуточно, в автоматическом режиме.
4. Монорельсовая транспортная система с вагонами на воздушной подушке обеспечивает высокую безопасность движения вагонов. Движение двух попутно следующих вагонов на одном блок-участке будет происходить с одинаковой скоростью, что исключает их наезд и столкновение. При механическом разрушении участков монорельсового пути (например, в случае взрыва, землетрясения и т.п.) секции статора обесточиваются, вагон плавно тормозит и останавливается перед опасным участком. При соскальзывании вагона с поверхности монорельса или в случае падения с высоты вагон плавно приземляется за счет экранного эффекта.
5. Монорельсовая транспортная система с вагонами на воздушной подушке обеспечивает экономию электроэнергии. В отсутствие вагонов секции статора обесточены, система не потребляет электроэнергию.
6. Количество отправленных вагонов в сутки может регулироваться в зависимости от интенсивности потока пассажиров.
Технический результат обеспечивается тем, что монорельсовая транспортная система с вагонами на воздушной подушке содержит линейный асинхронный двигатель, который создает тягу для движения вагонов, при этом вагоны выполнены с возможностью формирования воздушной подушки под их днищами, согласно изобретению, днище вагона аэродинамической формы, а также горизонтальные и вертикальные рули, размещенные по бокам и на крыше вагона, выполнены с возможностью экранного эффекта, для формирования и регулирования высоты воздушной подушки.
Технический результат обеспечивается тем, что согласно изобретению, ротор линейного асинхронного двигателя размещается в вагоне, а статор линейного асинхронного двигателя-размещается на опорном пути, где статор состоит из отдельных секций, которые подключаются к источнику переменного тока через схему умножения и деления частоты, при этом скорость движения вагона регулируется частотой переменного тока в секциях статора.
Технический результат обеспечивается тем, что согласно изобретению, переменный ток подается только в секции статора на участках, по которым движется вагон, а секции статора на свободных участках обесточены.
Технический результат обеспечивается тем, что согласно изобретению, на днище вагона размещен шток, а в монорельсе имеется паз, внутри которого располагается шток вагона, при этом паз выполнен с возможностью контроля и механической корректировки высоты воздушной подушки и траектории движения вагона.
Технический результат обеспечивается тем, что согласно изобретению, вагон выполнен с возможностью автоматического управления, без участия машиниста, при этом система управления движением по монорельсу размещается в диспетчерском центре.
Отличие заявленной монорельсовой транспортной системы с вагонами на воздушной подушке от известных на момент подачи заявки аналогов и прототипов состоит в следующем.
1. Аэродинамическая форма днища вагона, горизонтальные и вертикальные рули совместно создают экранный эффект. За счет экранного эффекта под днищем вагона образуется воздушная подушка. Таким образом, исключается необходимость компрессоров на борту вагона. Горизонтальные и вертикальные рули используются для контроля высоты воздушной подушки и для управления вагоном в автоматическом режиме. Цель использования горизонтальных и вертикальных рулей - это обеспечить воздушную подушку между вагоном и монорельсом с заданной высотой (1-3 см). Горизонтальные и вертикальные рули обеспечивают изменение направления движения на криволинейном участке пути (это аналог горизонтальных рулей самолета).
2. Движение вагона по монорельсу происходит за счет тяги линейного двигателя переменного тока. Статор двигателя состоит из отдельных секций и размещается вдоль монорельсового пути. Ротор размещается в вагоне. Статор является активным элементом и подключается к источнику переменного тока. Скорость движения вагона зависит от частоты переменного тока в секции статора.
3. Система управления размещается вне вагона. Это позволяет обеспечить движение вагонов монорельсовой системы 24 часа в сутки, в полностью автоматическом режиме, т.е. без участия машиниста.
4. Для обеспечения безопасности движения в монорельсе имеется паз, внутри которого движется шток вагона. При нормальной работе шток вагона не касается паза, и трения между ними нет.При выходе штока вагона за установленные допуски, паз обеспечивает механическую стабилизацию, корректирует высоту воздушной подушки и траекторию движения вагона.
Возможность технической реализации отдельных элементов и устройств, упомянутых в данном изобретении, подтверждается следующими сведениями.
7
Схему деления частоты можно реализовать, например, с помощью делителя частоты с изменяемым коэффициентом деления (Дикарев И.И., Егоров Л.Б., Шишкин Г.И. Делитель частоты с изменяемым коэффициентом деления. Патент на изобретение №1669376, МПК H03K 23/66, приоритет 19.12.1989, Петух A.M., Ободник Д.Т., Денисюк В.А. Делитель частоты с переменным коэффициентом деления. Авторское свидетельство СССР N 1159017, кл. G06F 7/68, приоритет 25.12.1990).
6
Схему умножения частоты можно реализовать, например, с помощью умножителя частоты (Борисов В.А., Воронович В.В., Могилин В.А. Умножитель частоты. Патент на изобретение №2102831(13), МПК Н03В 19/00, приоритет 17.08.1987).
6
Линейный асинхронный двигатель можно реализовать, например, с помощью устройства, описанного в патенте (Соломин В.А., Проценко О.А., Ретивых М.В., Жабинская Н.А. Линейный асинхронный двигатель. Патент на изобретение №2040102, МПК H02K 41/025, приоритет 30.06.1992).
Систему управления движением можно реализовать как устройство автоблокировки монорельсовой транспортной системы (Солдатов Г.Б., Куленюк С.В., Вершинина Н.В. Система автоблокировки монорельсовой транспортной системы. Патент на изобретение №2349481, МПК B61L 23/00, B61L 1/16, приоритет 12.02.2007).
Детали конструкции вагонов, в том числе их днище, а также горизонтальные и вертикальные рули могут быть выполнены в соответствии с описанием к патенту на легкий экраноплан (Картовенко М.В., Макаров Ю.В. Легкий экраноплан. Патент на изобретение №2299822, МПК B60V 1/08 приоритет 05.06.2006).
Указанные в независимом пункте формулы изобретения признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности необходимых признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Свойства, регламентированные в заявленном устройстве отдельными признаками, общеизвестны из уровня техники и не требуют дополнительных пояснений.
Заявленная совокупность существенных признаков обеспечивает в соединении синергетический (сверхсуммарный результат).
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
- заявленная монорельсовая транспортная система с вагонами на воздушной подушке имеет практическое применение и предназначена для использования в системе городского пассажирского транспорта и для междугородних высокоскоростных пассажирских перевозок;
- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте нижеизложенной формулы, подтверждена возможность его осуществления с помощью указанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- при реализации монорельсовой транспортной системы с вагонами на воздушной подушке достигается усматриваемый заявителем технический результат.
На основании изложенного, заявленное изобретение соответствуют требованию условия патентоспособности «новизна» и «изобретательский уровень».