Устройство и способ доставки грузов
CARGO DELIVERY DEVICE AND METHOD

Изобретение относится к транспортной отрасли и может быть использовано для экономичной доставки грузов в прибрежные населенные пункты арктического побережья.
Известно, что доставка грузов различного назначения в населенные пункты арктического побережья производится в основном морским транспортом, имеющим ледокольный класс. Морские перевозки характеризуются рядом недостатков. Во-первых, круглогодичная доставка грузов при этом, как правило, невозможна, ввиду крайне сложной ледовой обстановки. Доставка грузов производится эпизодически с большими временными интервалами. Во-вторых, стоимость доставки грузов достаточно высока, что объясняется использованием ледоколов, которые необходимы, как известно, для проводки судов сквозь ледяные заторы, или судов ледового класса, а также сравнительно большим их расходом топлива, обусловленным необходимостью колоть толстый лед.
Доставку грузов авиатранспортом также дешевым способом назвать нельзя, и по воздуху большие объемы грузов, как известно, не перевозят, что также связано со значительными денежными затратами. Кроме того, для воздушного транспорта необходимо строительство аэропортов, что в условиях крайнего севера с его вечной мерзлотой является трудной и дорогостоящей задачей.
Строительство железнодорожных, монорельсовых или автомобильных дорог в условиях огромного крайнего севера с его вечной мерзлотой и природно-климатическими особенностями к разбросанным по всему побережью немногочисленным малонаселенным пунктам с экономической точки также крайне нецелесообразно.
Как вариант решения задачи обеспечения непрерывной доставки груза можно предложить строительство тоннелей с помощью тоннелепроходческих комплексов, известных также под названием тоннелепроходческая машина (тоннелепроходческий механизированный комплекс (ТПМК)). Такое решение обеспечит независимость доставки грузов от погодных условий - снегопада, ураганного ветра, снежной бури, льда и времени года.
Однако реализация этого способа, во-первых, является одной из самых экономически затратных, а во-вторых, является, вероятно, самой время затратной, т.к. скорость прокладки тоннелей подобными машинами составляет порядка 1 км/месяц.
В наземных (сухопутных) условиях при сильно пересеченной местности доставку грузов иногда производят с помощью канатной дороги. Канатная дорога, как известно - это транспортное сооружение для транспортирования грузов в подвесных вагонетках, а также пассажиров в подвесных вагонах и креслах посредством натянутого между конечными станциями и поддерживаемого на линии промежуточными опорами стального каната. При ветре более 15 м/с канатные дороги, как правило, не эксплуатируют, в то же время известно, что для северных широт характерны частые сильные ветра со скоростью до 40 м/с. Известные преимущества подвесных канатных дорог: сравнительная простота устройства, надежность в работе и низкие эксплуатационные расходы. Кроме того, доставка грузов с помощью подвесной канатной дороги является одним из наиболее дешевых видов механической транспортировки (Евтюхов К.С. Техника безопасности внутризаводского транспорта. Государственное издательство оборонной промышленности, М - 1951 г, 182 с.). Целесообразно применить опыт наземного (сухопутного) использования канатной дороги для подводной транспортировки грузов.
Известен, например, способ доставки грузов с использованием подводной железной дороги, - вида транспорта, не зависящего от погоды и времени года (https://www.neizvestniy-geniy.ru/cat/invention/aviacia/995250.html?all).
Подводные локомотивы и вагоны данной подводной железной дороги представляют собой варианты связанных между собой корпусов подводных лодок (с регулируемой балластной системой, действующей при изменении глубины), двигающихся вдоль подводного рельса-каната. При этом устойчивость данных локомотивов и вагонов обеспечивают с помощью боковых канатов, за которые данные вагоны и локомотивы зацеплены фиксаторами, а их движение осуществляют либо за счет зацепления рельса-каната движущими шестернями локомотивов, либо архимедовым винтом. В этом случае локомотивы и вагоны движутся вдоль рельса-каната на колесах. Недостаток этого способа, основанного на использовании подводной железной (канатной) дороги, заключается в низкой эффективности и надежности способа организации движения ее локомотивов и вагонов. В первом случае движущиеся (вращающиеся) шестерни локомотивов имеют значительный износ вследствие того, что велики инерционные массы локомотивов и вагонов и, соответственно, при их движении на зубцы данных движущихся (вращающихся) шестерней действуют достаточно большие механические усилия. А при увеличении размеров шестерней (диаметра и/или длины) для уменьшения этих механических усилий, возрастает сила сопротивления воды движению локомотивов и вагонов данной подводной железной (канатной) дороги, пропорциональная квадрату скорости движения, что приводит, очевидно, к снижению ее коэффициента полезного действия (КПД). Использование архимедова винта во втором случае также не эффективно, т.к. известно, что его КПД сравнительно небольшой (50-70) %, причем КПД высоко оборотистых винтов небольшого диаметра редко превышает 50%.
Кроме того, для вращения шестерней или винта необходим источник механической энергии, - очевидно электродвигатель, не потребляющий кислород в процессе своей работы, а также источник электроэнергии (аккумуляторная батарея, топливный элемент и пр.) с соответствующей аппаратурой управления, которые должны быть герметично установлены в локомотиве. Таким образом, запас хода (время автономной работы) данной известной подводной железной (канатной) дороги достаточно ограничен и зависит от энергетической емкости (накопленной (запасенной) энергии) источника электроэнергии, а ее стоимость велика и существенно зависит от стоимости источника электроэнергии. При этом сам локомотив, как известно, полезный груз не перевозит, но создает дополнительное сопротивление движению при перемещении подводного состава (локомотива и последовательно сцепленных с ним вагонов). За счет чего КПД этого известного способа доставки грузов с использованием подводной железной (канатной) дороги оказывается еще более низким.
Известен, например, способ доставки грузов с использованием подводного транспортного средства, (патент РФ №2320515 МПК, B63G 8/00, В61В 11/00 (2008.03), содержащего герметичный корпус с обтекателем и колесами, систему подвеса на канат с холостым и приводным роликами подвесной канатной дороги, трос постоянной длины, а также расположенные в этом корпусе системы управления и жизнеобеспечения, и движитель.
Недостатками данного способа являются:
- возможность перемещения герметичного корпуса на сравнительно небольшие расстояния;
- необходимость обеспечения и контроля натяжения троса постоянной длины, т.к. при его провисании возникает вероятность его зацепа за подводный грунт (дно) и последующий обрыв.
В том случае, если для перемещения герметичного корпуса используются собственные движители, то к недостаткам данного изобретения можно отнести сравнительно низкий его КПД, т.к. известно, что КПД гребного винта не превышает 45-50%, повышенная шумность из-за вращающихся гребных винтов, а также достаточно ограниченный запас хода в том случае, если для привода движителей используются электродвигатели, а источником электроэнергии для них служат аккумуляторные батареи. Если для привода движителей используется двигатель внутреннего сгорания, то используемое транспортное средство может двигаться только на перископной глубине при отсутствии ледяного покрова, и поэтому его можно легко обнаружить по выхлопным газам на водной поверхности. Наличие в конструкции данного транспортного средства колес и движителей с их креплениями снижает его обтекаемость, из-за которых при перемещении транспортного средства образуются водяные завихрения вокруг них, создавая, таким образом, большее сопротивление его движению, и снижая, тем самым общий КПД, что также является недостатком данного изобретения.
Известен, например, способ транспортировки пассажиров (туристов) с их грузами под водой с использованием подводной канатной дороги (ПКД) "Телескаф" (журнал "Техника молодежи" 1973-08, стр. 25), запатентованной в 1963 г французами, по достигаемому эффекту принятый за прототип. Эта ПКД содержит две пары канатов из нержавеющей стали, натянутых под водой между двумя станциями, находящимися на противоположных берегах. На одной станции канаты проходят через тяговые колеса с приводом от двойных гидравлических устройств, на другой - через натяжные. На каждой паре канатов закреплены по две близко расположенные кабины. Причем каждая кабина состоит из двух частей - нижней, прочно сцепленной с канатами и снабженной четырьмя колесиками, и верхней - в виде застекленного герметичного водопогружного колокола с аварийным люком.
Известный способ заключается в том, что на одной станции водопогружной колокол поднимают краном и после его разгерметизации в него садятся (или из него высаживаются) пассажиры (туристы) с их грузами. После герметизации данного водопогружного колокола его опускают краном на нижнюю часть кабины. Двойные гидравлические устройства приводят во вращение тяговые колеса. Вращение последних приводит к движению натянутых между данными станциями под водой канатов, и соответственно к движению прочно связанной с ними нижней части кабины и водопогружного колокола с пассажирами (туристами) и их грузами. При достижении этой кабиной другой станции, находящейся на противоположном берегу, водопогружной колокол посредством крана поднимают и разгерметизируют. Пассажиры (туристы) с их грузами высаживаются из него (или в него садятся). Таким образом, осуществляют перемещение пассажиров (туристов) и их грузов под водой.
При этом длина канатов составляет 1200 м, глубина их погружения 10-15 м, скорость перемещения кабин 0,5-1,5 м/сек, а время переключения гидравлических приводных устройств равно 20 с.
Известный способ обладает рядом эксплуатационных и технических недостатков, связанных с используемой ПКД. Во-первых, ее длина достаточно ограничена и она не может быть использована на больших расстояниях. Во-вторых, ввиду того, что в используемой в данном способе ПКД содержится всего по две кабины на каждой паре канатов, то с его помощью возможно перемещать сравнительно небольшое число пассажиров (туристов) и достаточно малогабаритные по объему грузы ограниченной массы. В-третьих, гидравлические приводные устройства, как известно, имеют следующие недостатки:
- зависимость вязкости применяемых жидкостей от температуры, и, соответственно, зависимость рабочих характеристик гидропривода от температуры;
- снижение КПД гидропривода, а также неравномерность движения (вращения) выходного звена (барабана) гидропередачи из-за утечек жидкости из гидросистемы при нарушении герметичности ее шлангов (рукавов высокого давления) и трубопроводов.
Кроме того, гидравлические приводные устройства в целом обладают сравнительно невысоким КПД и требуют периодического обслуживания в связи с выработкой ресурса гидронасоса и гидродвигателя, а также износом шлангов (рукавов высокого давления), их старением, потерей эластичности резины, из которой они изготовлены, и появлением в них трещин, что в конечном итоге приводит к потере герметичности гидросистемы. Таким образом, помимо высокой стоимости самого оборудования гидропривода, стоимость техобслуживания данного типа привода также является достаточно высокой. При этом основные преимущества гидропривода - высокая удельная мощность, высокое быстродействие и плавность регулирования, - в используемой в данном способе подводной канатной дороге практически не имеют значение.
В-четвертых, ввиду того, что используемая в данном способе ПКД изначально адаптирована для подводного туризма, то ее кабины не могут быть использованы для перевозки больших по объему и массе грузов, и, кроме того, корпуса этих кабин имеют плохую обтекаемость, т.к. имеют форму вертикально расположенного цилиндра, поэтому они обладают большим гидродинамическим сопротивлением. Следовательно, для перемещения таких кабин под водой требуется значительная мощность приводного устройства. По этой же причине КПД, используемой в данном способе ПКД, небольшой, т.к. значительная часть энергии приводного устройства расходуется на волнообразование, образующееся при перемещении кабин, на преодоление силы трения и на вихреобразование при обтекании корпусов данных кабин, а скорость перемещения кабин достаточно мала.
Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в устранении указанных эксплуатационных и технических недостатков, в том числе: обеспечить доставку практически любых грузов без ограничения по расстоянию, а также повысить надежность и КПД подводной канатной дороги.
Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве для доставки грузов, включающем подводную канатную дорогу, содержащую две пары канатов из нержавеющей стали, натянутых под водой между двумя станциями; тяговые колеса с приводом от двойных гидравлических устройств, расположенные на одной станции, а также расположенные на другой станции натяжные колеса; а также закрепленные на каждой данной паре канатов по две близко расположенные кабины; в отличие от него, в заявляемом устройстве для доставки грузов подводная многоканатная дорога содержит один тяговый канат и несколько грузонесущих канатов, и образована множеством последовательно соединенных между собой приводных участков в виде самостоятельных секций, каждый из которых содержит расположенные в противоположных его концах приводное устройство тягового каната и натяжное устройство тягового каната, а также содержит установленные на этих участках угловые станции, при необходимости, обусловленной рельефом дна, или для изменения ее направления, и линейные сооружения в виде многочисленных опор и линейных станций, посредством которых грузонесущие канаты разделены на натяжные участки, установленных в местах стыка натяжных участков данных несущих канатов. При этом каждая данная линейная станция выполнена в виде двойной натяжной, якорной или якорно-натяжной станции. Также подводная многоканатная дорога содержит погрузочные, разгрузочные, погрузочно-разгрузочные и проходные станции, установленные в местах сопряжения каждых соседних между собой приводных участков. При этом элементы и конструкции всех этих станций и сооружений выполнены из коррозионно-стойких материалов, грузонесущие канаты имеют плавучесть, близкую к нейтральной, а электропроводящие элементы и привода выполнены в герметичном исполнении и являются водопогружными. При этом в подводной многоканатной дороге один из канатов каждой упомянутой секции выполнен тяговым, его концы сплетены между собой с образованием из него кольца, а остальные канаты каждой упомянутой секции выполнены грузонесущими. Кабины выполнены в виде отцепляемых грузовых герметичных водопогружных сигарообразных капсул (ОГГВСК) с плавными конусообразными торцами и с нейтральной плавучестью, и с возможностью их перемещения вдоль неподвижных грузонесущих канатов при помощи каждого тягового каната. При этом каждая такая капсула выполнена с жестким прочным корпусом, имеющем по всей его наружной поверхности защитное покрытие от обрастания. Привод тягового колеса в каждом приводном устройстве каждого тягового каната в каждой упомянутой секции выполнен в виде мотор-редуктора. Электропитание каждого данного мотор-редуктора выполнено от силового высоковольтного подводного кабеля комбинированного типа с интегрированным волоконно-оптическим кабелем через каждый отдельный полупроводниковый инвертор. Каждая погрузочная, разгрузочная и погрузочно-разгрузочная станция установлена внутри подводной нижней части каждого прямоугольного здания, выполненного из коррозионностойкого материала, и образует совместно с ним терминал. В надводной верхней, отапливаемой электричеством части, каждого такого здания установлено грузоподъемное оборудование, а в одной из ее боковых стен установлены секционные ворота. Также каждая надводная верхняя часть оборудована площадками для маневрирования погрузчиков, служебными, бытовыми и складскими помещениями с оборудованием для переработки, взвешивания и хранения грузов, а также выполнения операций по приемке, отправлению и оформлению грузов. При этом верхняя и нижняя части каждого данного прямоугольного здания разделены между собой прочной сплошной переборкой со сквозным прямоугольным отверстием для подъема/спуска через него ОГГВСК с помощью упомянутого грузоподъемного оборудования. А каждая боковая внешняя сторона каждого прямоугольного здания по всей линии ее соприкосновения со спокойной поверхностью воды имеет протяженный сплошной выступ в форме трехгранной горизонтально расположенной призмы, также выполненный из такого же коррозионностойкого материала и образующий с ней единое целое.
Электродвигатель в каждом мотор-редукторе в частном случае выполнен трехфазным синхронным высоковольтным с возбуждением от редкоземельных постоянных магнитов.
Каждый грузонесущий канат в частном случае выполнен из материала типа Dyneema, коррозионностойким материалом конструкций станций и сооружений, в частном случае является железобетон, а металлические элементы подводной канатной дороги выполнены из коррозионностойкой стали А4 или 316.
Число канатов в используемой многоканатной подводной дороге в частном случае равно двум, один из которых является тяговым, а второй канат является грузонесущим.
Эксплуатационно оправдано такое выполнение силового высоковольтного подводного кабеля, при котором он выполнен по типу марки 2XS(FL)2YRAA с изоляцией из сшитого полиэтилена.
Решение поставленной задачи достигается также тем, что в известном способе доставки грузов, включающем погрузку грузов в герметичную водопогружную верхнюю часть кабины на одной станции, ее спуск посредством грузоподъемного устройства на нижнюю часть кабины, прочно сцепленную с тяговым канатом, транспортировку данной кабины под водой посредством подводной канатной дороги до другой станции, подъем верхней части кабины посредством грузоподъемного устройства и выгрузку из нее грузов, в отличие от него, в заявляемом способе транспортировку грузов под водой осуществляют с помощью устройства по п. 1, при этом производят доставку грузов с берега к распложенному на шельфе терминалу, летом при отсутствии льда на поверхности моря, с помощью мелкосидящей плоскодонной самоходной баржи, а зимой, при наличии льда на поверхности моря, трактором. Через секционные ворота осуществляют приемку этих грузов электропогрузчиком и временное их складирование в верхней части терминала на переборке. Производят взвешивание грузов и их оформление. С помощью электрического грузового устройства осуществляют погрузку грузов в ОГГВСК. Герметизируют ее и опускают с помощью этого же электрического грузового устройства через сквозное отверстие в переборке в погрузочную или в погрузочно-разгрузочную станцию на подвеску ходовой тележки. Осуществляют транспортировку данной ОГГВСК посредством устройства для доставки грузов по п. 1 путем подачи электроэнергии к каждому его приводному устройству от силового высоковольтного подводного кабеля через каждый его полупроводниковый инвертор. По мере приближения ОГГВСК к нужному терминалу, осуществляют плавное ее торможение за счет уменьшения частоты вращения каждого приводного устройства каждого тягового каната с помощью каждого соответствующего полупроводникового инвертора. После того, как эта ОГГВСК войдет в расположенную внутри нижней части терминала разгрузочную, или погрузочно-разгрузочную станцию и окажется непосредственно под прямоугольным сквозным отверстием в переборке, ее скорость останавливают полностью. Затем поднимают эту ОГГВСК с подвески ходовой тележки через сквозное прямоугольное отверстие электрическим грузовым устройством и временно ее размещают на данной переборке в верхней части терминала. Этим же электрическим грузовым устройством, а также с помощью электропогрузчика осуществляют разгрузку грузов из ОГГВСК и временное их складирование в этой верхней части терминала на переборке. Подгоняют к терминалу летом, при отсутствии на водной поверхности льда, мелкосидящую плоскодонную самоходную баржу, а зимой, при его наличии, трактор, производят ее или его погрузку складированными на переборке грузами электропогрузчиком через секционные ворота, после чего посредством этой баржи или, соответственно, этого трактора, доставляют грузы на берег.
3
Выполнение ОГГВСК с нейтральной (нулевой) плавучестью (каждая из которых может быть снабжена балластной системой или, например, устройством (механизмом) изменения плавучести) позволяет снизить создаваемую ими механическую нагрузку на каждый грузонесущий канат практически до нуля, при этом соответственно снижается механическая нагрузка на привода, натяжные устройства промежуточных и конечных станций, направляющие ролики, а также на конструкции самих упомянутых станций и их фундаменты. Кроме того, сам грузонесущий канат в воде, как известно, имеет меньший вес, чем в воздухе, как и любое погруженное в нее тело. Поэтому появляется возможность существенно увеличить расстояние между промежуточными (линейными) натяжными или якорными станциями, по сравнению с расстоянием между аналогичными станциями сухопутных канатных дорог, что позволяет снизить стоимость строительства ПКД. Еще более снизить механическую нагрузку на перечисленные выше элементы ПКД и одновременно увеличить при этом расстояние между промежуточными (линейными) натяжными или якорными станциями можно в том случае, если использовать грузонесущий канат, выполненный из легкого, по сравнению со сталью, синтетического материала, например, из сверхвысокомолекулярного полиэтилена высокой плотности (СВМПЭ) (Ultra-high molecular weight polyethylene, UHMW РЕ) типа «Дайнема» (Dyneema) или «Спектра» (Spectra). Канат типа «Дайнема» не впитывает воды, имеет удельный вес 0,977 г/см, низкий коэффициент трения, обладает высокой прочностью и стойкостью к истиранию, низкой растяжимостью, а также стойкостью к морской воде.
Благодаря тому, что плавучесть данного каната близка к нейтральной, обеспечивается снижение механической нагрузки не только на элементы подводной канатной дороги, но и на сам канат.
Благодаря низкому коэффициенту трения данного каната, сравнимому с коэффициентом трения фторопласта и полиамида, обеспечиваются низкие потери на трение при перемещении ОГГВСК вдоль грузонесущего каната, и соответственно, более высокий КПД заявляемого изобретения.
Благодаря высокой прочности, стойкости к истиранию и стойкости к морской воде данного каната обеспечивается большой срок его эксплуатации и при этом он практически не требует обслуживания.
Выполнение ОГГВСК с плавными конусообразными торцами позволяет снизить создаваемое ими волнообразование при их перемещении в воде, при этом соответственно снижается мощность приводных электродвигателей и механическая нагрузка на каждый тяговый канат.
За счет того, что питание многочисленных электроприводов подводной канатной дороги осуществляется от высоковольтной линии электропередач (ЛЭП) постоянного тока, достигается существенное снижение потерь энергии, т.к. общеизвестно, что, во-первых, при одинаковой передаваемой от источника к потребителю мощности по мере увеличения напряжения снижается ток, а потери в ЛЭП при этом уменьшаются пропорционально квадрату тока, а во-вторых, в такой линии нет потерь реактивной мощности. Кроме того, электропередача может иметь практически любую длину и мощность, т.к. отсутствует проблема электрической устойчивости в случае ее питания от нескольких источников электрической энергии.
Пропускная способность (предельная передаваемая мощность) ЛЭП постоянного тока выше, чем у аналогичной ЛЭП переменного тока, что также является преимуществом заявляемого изобретения.
Благодаря тому, что используется силовой высоковольтный подводный кабель комбинированного типа с интегрированным волоконно-оптическим кабелем, обеспечивается не только передача электроэнергии мотор-редукторам, но и дистанционный контроль ряда эксплуатационных показателей элементов ПКД, в том числе мониторинг температуры и состояния токопроводящего кабеля, инверторов и электродвигателей в мотор-редукторах в режиме реального времени, при этом также обеспечивается дистанционное управление частотой вращения и электромагнитным моментом каждого из них посредством изменения выходной частоты тока и выходного напряжения каждого соответствующего инвертора, за счет чего обеспечивается высокая надежность заявляемого изобретения.
Благодаря тому, что гидравлические приводные устройства заменены на мотор -редукторы, в заявляемом изобретении автоматически устраняются все перечисленные выше, свойственные гидравлическим приводам, недостатки. Мотор-редуктор, как известно, представляет собой агрегат (блок), в котором совмещены механически соединенные между собой электродвигатель и редуктор. Такая компоновка обеспечивает следующие известные преимущества данного привода: высокий КПД, надежность, компактность, достаточно большой срок службы, простота техобслуживания и упрощенный монтаж, что способствует в свою очередь, уменьшению стоимости техобслуживания, а также меньшей стоимости монтажа и пусконаладочных работ привода. Кроме того, конструктивно обеспечить герметичность такого агрегата (блока) значительно проще и дешевле, чем использовать отдельные герметично выполненные электродвигатель и редуктор, а затем соединять их валы между собой посредством муфты. Таким образом, замена гидравлических приводных устройств на мотор-редукторы позволяет не только устранить часть существенных недостатков прототипа, но и дает дополнительные эксплуатационные и экономические преимущества заявляемого изобретения.
За счет того, что в качестве приводных электродвигателей используются высоковольтные машины синхронного типа с возбуждением от редкоземельных постоянных магнитов, обеспечивается наибольший КПД каждого электропривода, работающего при этом с cosϕ=1.
Выполнение всех металлических элементов ПКД из материалов, обладающих высокой коррозийной стойкостью к морской воде, например стали А4 или 316, обеспечивает высокую ее долговечность. Кроме того, сравнительно слабая соленость вод на арктическом континентальном шельфе (т.е. прибрежных вод морей Северного Ледовитого океана) также способствует уменьшению скорости коррозии металлических деталей ПКД.
Таким образом, за счет того, что в заявляемом изобретении используется ПКД, образованная множеством последовательно соединенных между собой приводных участков в виде самостоятельных секций, доставка грузов с ее помощью, в отличие от прототипа, возможна практически на неограниченные расстояния, что и обеспечивает расширение области ее применения.
Выполнение канатной дороги с несколькими грузонесущими канатами повышает ее надежность и грузоподъемность. Также можно несколько увеличить расстояние между опорами и линейными станциями, что способствует некоторому снижению стоимости используемой ПКД. При этом снижаются требования и к балластной системе (устройству (механизму) изменения плавучести) сохранения нейтральной (нулевой) плавучести ОГГВСК при изменении массы перевозимых грузов или глубины погружения ПКД, что также способствует снижению стоимости ПКД, и, соответственно, снижению стоимости заявляемого способа доставки грузов. В то же время необходимость установки более массивных линейных станций, а также опор с их креплениями нескольких грузонесущих канатов, и поэтому большая конструктивная сложность этих опор, приводит к росту стоимости ПКД.
Более низкая стоимость доставки грузов обеспечена тем обстоятельством, что не требуется ни ледоколов, ни авиатранспорта, доставка производится при минимальном участии обслуживающего персонала, который требуется лишь на погрузочных, разгрузочных и погрузочно-разгрузочных станциях. При этом не требуется колоть толстый лед, а время доставки грузов не зависит от погодных условий, - ветра, урагана, метели, шторма и пр.
Заявляемое изобретение иллюстрируется: фиг. 1 - Подводная канатная дорога - вид сбоку; фиг. 2 - Приводной участок подводной канатной дороги - вид сбоку; фиг. 3 - Терминал - вид с торца; фиг. 4 - Схема электропитания мотор-редукторов.
Заявляемое изобретение содержит расположенную в морской воде (1) (фиг. 1) на континентальном (арктическом) шельфе (морском дне) (2) подводную канатную дорогу (ПКД), образованную множеством последовательно соединенных между собой приводных участков I (фиг. 2) в виде самостоятельных секций, с кольцевым движением отцепляемых грузовых герметичных водопогружных сигарообразных капсул (ОГГВСК) (3) с нулевой (нейтральной) плавучестью, каждую из которых перемещают посредством традиционной подвески (4) со сцепным прибором в виде зажима (не показан), и ходовой тележки (5) вдоль одного или более неподвижных грузонесущих канатов (6) при помощи тягового каната (7), аналогичную сухопутной канатной дороге, с ее погрузочными, разгрузочными и погрузочно-разгрузочными станциями (8), многочисленными промежуточными (линейными) натяжными (или якорными) станциями (9), проходными станциями (10), угловыми станциями (не показано), а также установленными на фундаментах (11) опорами (12), с их опорными башмаками (13) грузонесущих канатов (6), которые лежат свободно в канавках (не показано) данных опорных башмаков (13), и с поддерживающими роликами (не показано) тяговых канатов (7), с тем отличием от нее, что все элементы и конструкции ПКД выполнены из коррозионностойких материалов, а электропроводящие элементы и привода (не показано) каждого тягового каната (7) каждого приводного участка (I) выполнены в герметичном исполнении и являются водопогружными.
Промежуточные (линейные) натяжные (или якорные) станции (9) устанавливают в местах стыка соседних между собой натяжных участков II (фиг. 2) грузонесущих канатов (6). Посредством этих станций (9) обеспечивают натяжение грузонесущих канатов (6) между ними и, а также ограничивают силы трения данных канатов (6) об опорные башмаки (13) опор (12). Т.о., посредством этих станций (9) неподвижные грузонесущие канаты (6) разбивают на натяжные участки II, причем проход ОГГВСК (3) всех этих станций (9) производят без расцепления с тяговым канатом (7), а сами неподвижные грузонесущие канаты (6) служат для передвижения по ним многочисленных ходовых тележек (5). С помощью погрузочных, разгрузочных и погрузочно-разгрузочных станций (8) обеспечивают соответственно погрузку грузов (ОГГВСК (3)) на ПКД, разгрузку грузов (ОГГВСК (3)) с ПКД, или погрузку грузов (ОГГВСК (3)) на ПКД и разгрузку грузов (ОГГВСК (3)) с ПКД одновременно.
Проходные станции (10) устанавливают в местах сопряжения каждых соседних между собой приводных участков I и обеспечивают переход ОГГВСК (3) между ними, а именно автоматическое отключение (расцепление) сцепного прибора в виде зажима (не показан) подвески (4) от тягового каната (7) одного приводного участка I, переход ОГГВСК (3) к соседнему приводному участку, и автоматическое подключение (сцепление) этого же сцепного прибора к тяговому канату (7) этого соседнего приводного участка. Таким образом, переход ОГГВСК (3) между соседними приводными участками в ПКД производят аналогично переходу вагонеток между соседними приводными участками в сухопутных канатных дорогах.
Кроме того, посредством этого же сцепного прибора (не показан) обеспечивают аналогичным образом автоматическое расцепление подвески (4) с тяговым канатом (7) при входе ОГГВСК (3) на станции (8), а также ее сцепление с тяговым канатом (7) при выходе ОГГВСК (3) с этих станций (8).
/
При этом в каждой одной проходной станции (10) каждого приводного участка I (фиг. 2) устанавливают традиционное приводное устройство (мотор-редуктор) (не показано) тягового каната (7), а в каждой другой проходной станции (10) каждого приводного участка I устанавливают натяжное устройство (не показано) этого же тягового каната (7). Таким образом, каждый приводной участок I содержит расположенные в противоположных его концах приводное устройство тягового каната (7) и натяжное устройство этого же тягового каната (7).
Угловые станции (не показано) устанавливают на приводных участках при необходимости, обусловленной рельефом дна, или для изменения направления ПКД, т.о., посредством этих станций обеспечивают поворот ПКД, позволяя, тем самым, обойти непреодолимое природное препятствие (например, скалистый риф).
Опоры (12) посредством опорных башмаков (13) поддерживают грузонесущие канаты (6), а посредством поддерживающих роликов (не показано) поддерживают тяговые канаты (7) на линии, и изготовлены из коррозионностойкого (нержавеющего) металла или железобетона. Число опор (12), устанавливаемых на каждом натяжном II и каждом приводном участках I, зависит от длины этих участков.
При этом расстояние  между водной поверхностью (14) и верхними краями (сторонами) (15) промежуточных (линейных) натяжных (или якорных) станций (9) и промежуточных станций (10) равно 3-5 метра, т.е. не менее максимальной толщины образующегося в зимний период льда.
Также ПКД содержит расположенные в морской воде (1) на континентальном (арктическом) шельфе (морском дне) (2) вблизи населенных пунктов (не показаны) арктического побережья погрузочно-разгрузочные терминалы (ПРТ) (16) (фиг. 1, фиг. 3), каждый из которых представляет собой железобетонную конструкцию (здание), усиленную от сдавливания образующимися в зимний период льдами по всем ее сторонам по линии соприкосновения со спокойной поверхностью воды наклонным с внешней стороны протяженным сплошным железобетонным выступом (17) в форме трехгранной горизонтально расположенной призмы. Нижняя часть (18) этого выступа (17) расположена ниже толщины образующегося в зимний период льда, а верхняя его часть (19) расположена выше водной поверхности (14). Благодаря железобетонному выступу (17) силы сдавливания, действующие на боковые стены терминала (16) образующимся на водной поверхности (14) в зимний период льдом, существенно уменьшены, т.к. под действием этих сил лед выталкивается по наклонной его поверхности.
Внутреннее пространство ПРТ (16) разделено переборкой (20) на верхнюю (надводную) часть (21) и нижнюю (подводную) часть (22). В нижней (подводной) части (22) ПРТ (16) внутри него расположена погрузочная (или разгрузочная, или погрузочно-разгрузочная) станция (8), а в двух его противоположных сторонах (стенках) (23) выполнены под водой друг напротив друга сквозные прямоугольные отверстия (24), сквозь которые ОГГВСК (3) перемещают тяговым канатом (7) во внутрь ПРТ (16) в данную погрузочную (или разгрузочную, или погрузочно-разгрузочную) станцию (8), и, соответственно, наружу из него. Подъем ОГГВСК (3) из нижней (подводной) части (22) ПРТ (16) со станции (8) на верхнюю (надводную) его часть (21) и, соответственно, опускание обратно сквозь прямоугольное сквозное отверстие (25) в переборке (20), а также временное размещение (складирование) ОГГВСК (3) на данной переборке (20) осуществляют электрическим грузовым устройством (например, передвижной кран-балкой опорного типа) (26), перемещаемым вдоль пролетной балки (направляющей) (27). В одной из стен ПРТ (16) выше водной поверхности (14) установлены секционные ворота (28), через которые осуществляют прием и сдачу перевозимых грузов.
В каждом приводном устройстве (мотор-редукторе) (не показано) каждого тягового каната (7) каждого приводного участка I используют водопогружной трехфазный синхронный высоковольтный электродвигатель (29) (фиг. 4) с возбуждением от редкоземельных постоянных магнитов, а питание каждого из них осуществляют от высоковольтной линии электропередачи постоянного тока (HVDC), выполненной в виде силового высоковольтного подводного кабеля (30) комбинированного типа с интегрированным волоконно-оптическим кабелем (31), например аналогично типа 2XS(FL)2YRAA, через каждый отдельный герметично выполненный полупроводниковый инвертор (32), также расположенный внутри каждой одной проходной станции (10). Питание на силовой высоковольтный подводный кабель (30) подают от береговой сети через полупроводниковый выпрямитель переменного тока (33). При этом этот выпрямитель (33) располагают на берегу в береговом щите питания (не показан) или в верхней (надводной) части (21) терминала (16), а сам кабель располагают на шельфе вдоль ПКД.
упр
Заявляемый способ доставки грузов осуществляют следующим образом. С помощью мелкосидящей плоскодонной самоходной баржи (не показана) летом, при отсутствии на водной поверхности (14) (фиг. 1, фиг. 3) льда, а зимой, при его наличии, с помощью трактора (не показан) осуществляют доставку грузов с берега к ПРТ (16). Через секционные ворота (28) с помощью электропогрузчика (не показан) осуществляют приемку этих грузов и временное их складирование в верхней (надводной) части (21) на переборке (20). Производят взвешивание грузов и их оформление. С помощью электрического грузового устройства (например, передвижной кран-балки опорного типа) (26), осуществляют погрузку грузов в ОГГВСК (3). Герметизируют ее и опускают с помощью того же электрического грузового устройства (26) через сквозное отверстие (25) в переборке (20) в погрузочную (или в погрузочно-разгрузочную) станцию (8) на подвеску (4) ходовой тележки (5). Подают питание на силовой высоковольтный подводный кабель (30) от береговой сети через полупроводниковый выпрямитель переменного тока (33). Каждый полупроводниковый инвертор (32) при этом по сигналу управления f, поступаемому на него от оператора (не показан) по интегрированному волоконно-оптическому кабелю (31), преобразует постоянный ток в регулируемый переменный ток с заданной амплитудой и частотой. Этот регулируемый по амплитуде и частоте переменный ток подают в трехфазные обмотки (не показано) каждого водопогружного трехфазного синхронного высоковольтного электродвигателя (29) каждого приводного устройства (мотор-редуктора) (не показано) каждого тягового каната (7), обеспечивая, тем самым, плавный разгон ОГГВСК (3) и ее движение с установившейся скоростью. Транспортируют ОГГВСК (3) посредством ПКД до нужного (конечного) ПРТ (16). При этом по мере приближения ОГГВСК (3) к этому ПРТ (16) осуществляют плавное ее торможение за счет уменьшения частоты вращения каждого приводного устройства (мотор-редуктора) каждого тягового каната (7) с помощью каждого соответствующего полупроводникового инвертора (32). После того, как ОГГВСК (3) войдет в расположенную внутри нижней (подводной) части ПРТ (16) разгрузочную, или погрузочно-разгрузочную станцию (8) и окажется непосредственно под прямоугольным сквозным отверстием (25) в переборке (20), ее скорость останавливают полностью. Осуществляют подъем этой ОГГВСК (3) с подвески (4) ходовой тележки (5) сквозь это отверстие (25) электрическим грузовым устройством (например, передвижной кран-балкой опорного типа) (26) и временное ее размещение (складирование) на данной переборке (20) в верхней (надводной) части (21). Этим же электрическим грузовым устройством (26), а также с помощью электропогрузчика (не показан) осуществляют и разгрузку грузов из ОГГВСК (3) и временное их размещение (складирование) в верхней (надводной) части (21) внутреннего пространства ПРТ (16). Доставку грузов из терминала (16) на берег осуществляют: летом, при отсутствии на водной поверхности (14) льда, с помощью мелкосидящей плоскодонной самоходной баржи, а зимой, при его наличии, с помощью трактора. При этом их погрузку осуществляют посредством электропогрузчика (не показан) через секционные ворота (28).
Предложенный способ доставки грузов с использованием устройства, включающего ПКД, позволяет осуществлять круглогодичную непрерывную доставку практически любых по объему и по назначению грузов в населенные пункты арктического побережья.
Благодаря тому, что устройство, включающее ПКД, посредством которого реализован заявленный способ доставки грузов используется на арктическом шельфе (мелководной части Северного Ледовитого океана), где температура воды круглый год колеблется около нуля градусов и даже летом обычно не превышает +5°С, обрастание элементов ПКД поселениями организмов бактерий, водорослей, беспозвоночных животных и минеральными частицами крайне мало. Поэтому обслуживание данного устройства минимально.
Помимо решения поставленной технической задачи, заявленный способ позволяет обеспечить высокую скрытность перевозимых грузов, вследствие того, что большее время года поверхность морей арктического побережья затянута толстым льдом, сквозь который обнаружить с поверхности местоположение и/или перемещение ОГГВСК (3) невозможно. А благодаря тому, что ПКД расположена на сравнительно небольшой глубине, повышается ее недоступность для потенциальных врагов страны, т.к. известно, что в арктических морях подо льдом могут ходить лишь атомные подводные лодки, для которых необходима большая глубина.
Благодаря тому, что у ОГГВСК (3) отсутствуют гребные винты, а их перемещение производится посредством каждого тягового каната (7), а также благодаря тому, что силовое электрооборудование - мотор-редукторы с их трехфазными электродвигателями (29) переменного тока и полупроводниковые инверторы (32) расположены внутри проходных станций (10), в процессе работы ПКД обеспечивается достаточно низкий уровень производимого ей акустического шума, что также повышает скрытность перевозимых в (ОГГВСК (3)) грузов.
При необходимости ОГГВСК (3) могут быть использованы для транспортировки пассажиров (гражданских и/или военных лиц), в этом случае их снабжают комплексом систем жизнеобеспечения, включающим (Н.Ф. Гладышев, Т.В. Гладышева, С.И. Дворецкий, Системы и средства регенерации и очистки воздуха обитаемых герметичных объектов. - М: Издательский дом «Спектр», 2016. - 204 с):
- систему кислородообеспечения, обеспечивающую подачу в атмосферу обитаемого отсека ОГГВСК (3) кислорода в количестве 0,9 кг/сут (на одного пассажира) и поддержание парциального давления кислорода в заданном диапазоне значений (18…32 кПа);
- систему очистки атмосферы, обеспечивающую сбор и удаление из атмосферы CO2, а также обеспечивающую очистку атмосферы от вредных микропримесей, выделяемых пассажирами и оборудованием. Эти две системы функционально могут быть объединены в одну - систему обеспечения газового состава атмосферы;
- средства регулирования температуры и влажности атмосферы вместе с общей системой терморегулирования, осуществляющие отвод из отсека тепла, выделяемого пассажирами, удаление из атмосферы паров воды, выделяемых пассажирами, а также поддержание заданной температуры (18…25°С), относительной влажности (30…70%) и циркуляции воздуха (0,1…0,4 м/с);
- систему питания пассажиров, систему их водообеспечения. средства удаления отходов, а также средства регулирования давления, поддерживающие общее давление атмосферы в ОГГВСК (3) равным 77…107 кПа.
Заявляемое изобретение может быть использовано и аналогично прототипу - для подводного туризма. В этом случае в корпусе ОГГВСК (3), оборудованной вышеупомянутым комплексом систем жизнеобеспечения, устанавливают иллюминаторы (не показано), аналогично иллюминаторам, установленным в экскурсионной подводной лодке "Нептун" проекта 19730 "Ихтиандр", а в ее торцах при этом также могут быть установлены прозрачные полусферы, обеспечивающие панорамный вид на подводный мир и позволяющие рассмотреть все вокруг.
Возможность подводного плавания в мелководных северных морях (на континентальном шельфе) подо льдом, посредством использования заявляемого изобретения, является единственной в своем роде, аналогов которой в мире нет. Поэтому, в туристическом бизнесе заявляемое изобретение будет пользоваться большим спросом, предоставляя пассажирам возможность увидеть своими глазами подводный мир - флору и фауну мелководной части северных морей.
Заявляемое изобретение может быть использовано и для науки, например морской геологии, в частности для исследований гидрофизической и гидродинамической структуры шельфа, а также состава морской воды. В этом случае ОГГВСК (3) снабжают соответствующим комплексом измерительного оборудования.
Заявляемое изобретение может стать транспортной артерией, позволяющей осуществлять с ее помощью сравнительно дешевую, быструю и непрерывную доставку и перевозку грузов вдоль северных сухопутных границ РФ, что позволило бы, в свою очередь, не только улучшить снабжение населенных пунктов разнообразными товарами, в том числе продовольствием, строительными материалами, топливом, которые при этом стали бы более доступными по цене, и дать, тем самым импульс развитию огромному богатому природными ресурсами региону, но и способствовать решению важной стратегической задачи по повышению обороноспособности страны.
Таким образом, помимо решения поставленной задачи, заявляемое изобретение имеет ряд дополнительных преимуществ.