Обеспечение массовых перевозок пассажиров в современных крупных городах неразрывно связано с дальнейшим совершенствованием городского общественного транспорта, созданием новых видов и новых систем.
Современное развитие и создание новых видов общественного транспорта, в том числе н электрического, характеризует:
вынесение общественного транспорта с проезжей части улиц больших городов, что вызвано перенасыщением транспортных магистралей индивидуальным автомобильным транспортом;
увеличение скорости на всех основных видах пассажирского транспорта;
освоение новых синтетических материалов, пластмасс и сплавов, новых видов автономных источников электрической энергии, широкая автоматизация и внедрение электронной техники в системы управления и контроля движением подвижного состава, совершенствование методов расчета и испытаний его электрического и механического оборудования.
Генеральным направлением развития общественного пассажирского транспорта в современных городах является создание комплексных систем, включающих в себя несколько взаимосвязанных видов транспорта. Один или два вида транспорта в комплексных системах являются основными, а остальные — вспомогательными, обеспечивающими подвоз пассажиров к линиям основных транспортных магистралей.
К основным видам транспорта предъявляются требования высокой скорости сообщения и большой провозной способности. Это скоростные виды транспорта. Их роль в крупных городах отводится метрополитену, скоростным городским железным дорогам, скоростному трамваю, а в отдельных случаях экспрессным автобусам или специальным видам транспорта: монорельсовому и другим. В крупных городах расширяется сеть существующих и создаются новые метрополитены, а также глубокие вводы скоростных железных дорог, которые часто стыкуются с метрополитенами. Создаются новые транспортные системы высокоскоростного сообщения с большой провозной способностью, в том числе полностью автоматизированные: монорельсовые аэропоезда на воздушной подушке и с магнитной подвеской («подушкой»), системы трубопроводного транспорта н др.
Доставка пассажиров к линиям основных транспортных магистралей и транспортирование их от этих линий к местам назначения осуществляются обычными видами транспорта, имеющими сравнительно небольшие скорость и провозную способность: автобусами, троллейбусами, такси н т. д. Задачей этих, в данном случае вспомогательных, видов транспорта является обеспечение для пассажиров максимального сокращения зоны пешего хождения.
Большое внимание при проектировании новых средств городского транспорта уделяется не только их динамическим показателям, но и комфортабельности, внешнему виду, внутренней отделке. Как правило, современный подвижной состав оборудуется системами кондиционирования воздуха, люминесцентным освещением, окнами с широким обзором, удобными сидениями. В конструкции подвижного состава широко используются пластмассы, алюминиевые сплавы, нержавеющая и легированная стали, обеспечивающие красивый внешний вид, небольшие весовые и хорошие эксплуатационные показатели.
В конструкциях ходовых частей широко применяется пневматическая подвеска и резина, обеспечивающие снижение уличного шума, связанного с работой транспорта, и уровня шума в пассажирском салоне до гигиенических норм.
Большое внимание уделяется частичной и полной автоматизации управлення подвижным составом с использованием систем автоблокировки.
В сложных городских транспортных системах большое значение приобретают вопросы согласованной работы всех видов транспорта.
Транспорт на специальных путевых устройствах
Основной особенностью этого транспорта является специальная конструкция путевых устройств, определяющая и конструкцию ходовых частей. Как правило, путевые устройства располагают обособленно от проезжей части улицы независимо от движения других видов транспорта (на эстакадах или в тоннелях) и предназначаются для эксплуатации подвижного состава только одного типа. Ходовые части подвижного состава оборудуются устройствами для принудительного изменения направления движения за счет взаимодействия ходовых частей и пути без участия водителя. Для этого помимо вертикальных движущих и поддерживающих колес ходовые части подвижного состава снабжаются дополнительными горизонтальными колесами, удерживающими его на путевом устройстве и воспринимающими горизонтальные боковые нагрузки при изменении направления движения.
Боковые нагрузки могут восприниматься не только горизонтальными колесами, но и, например, ребордами на ходовых колесах рельсового транспорта, взаимодействием электромагнитных или пневматических устройств ходовых частей бесколесных экипажей в пути и др.
По отношению к путевому устройству подвижной состав может располагаться над ним (бирельсовые и лотковые дороги, рис. 1.12, а, б) *, охватывать путевое устройство элементами кузова и ходовыми частями (навесные монорельсовые дороги, рис. 1.12, в) или подвешиваться ниже плоскости качения ходовых колес (подвесные монорельсовые дороги, рис. 1.12, г, д).
* Сюда же может быть отнесен подвижной состав метрополитенов и скоростного трамвая.
Наиболее распространенным в настоящее время видом транспорта на специальных путевых устройствах являются монорельсовые дороги. Имеются также и другие проекты дорог этого типа. Некоторые из них рассмотрены ниже.
Рис. 1.12. Основные схемы расположения подвижного состава по отношению к путевому устройству
а — бирельсовые дороги; б — лотковые дороги; в — навесные монорельсовые дороги; а — подвесные асимметричные дороги, д — подвесные симметричные дороги (с «расщепленной балкой»)
Монорельсовые дороги.
Подвижной состав монорельсовых дорог движется по специальному путевому устройству, имеющему обычно вид одинарной путевой балки различного сечения. Путевая балка устанавливается над поверхностью земли на опорах или эстакадах. Высота ее установки выбирается так, чтобы обеспечить движение монорельсовых поездов независимо от других видов транспорта на разных уровнях.
Монорельсовый транспорт рассматривают обычно как один из видов основного транспорта, предназначенного для скоростного сообщения, преимущественно между двумя конечными пунктами, например городом и аэропортом, городами-спутниками, зонами отдыха; в ряде случаев монорельсовыми дорогами оборудуются выставочные территории, аттракционы и т. д. Применение монорельсовых дорог снижает плотность наземного городского движения и требует минимальной площади на поверхности улиц. Надземная трассировка монорельсовых дорог не требует переустройства подземных коммуникаций улиц, реконструкции или сноса сооружений и больших земляных работ.
Монорельсовые дороги обеспечивают высокую скорость движения и провозную способность до 60 000 пасс/ч. Максимальные скорости подвижного состава современных монорельсовых дорог достигают 33—45 м/сек (120—160 км/ч), .причем в зависимости от длины перегона и конструкции ходовых частей они сравнительно легко могут быть повышены до 85—110 м/сек (300—400 км/ч). Подвижной состав современных монорельсовых дорог отличается высокой плавностью хода и безопасностью движения.
Монорельсовые дороги имеют относительно невысокую строительную стоимость эстакад по сравнению с сооружением тоннелей метрополитена и сравнительно низкие эксплуатационные расходы. Применение монорельсового транспорта может оказаться экономичным и перспективным для крупных и средних городов с напряженными условиями городского движения. К недостаткам монорельсового транспорта относят:
известную трудность вписывания трасс монорельсовых дорог в городские улицы; увеличение шума;
сложность строительства станций, так как они требуют сооружения надземных вестибюлей, оборудованных, как правило, эскалаторами;
сложность конструкции стрелочных переводов и спасательных устройств.
Все монорельсовые дороги можно по основному принципу их конструкции разделить на две категории: навесные и подвесные. К навесным относятся конструкции, в которых подвижкой состав располагается над путевой балкой и движется, опираясь на нее ходовыми и направляющими колесами (рис. 1.12, в). На подвесных дорогах подвижной состав располагается под путевой балкой и подвешивается к тележкам, которые опираются на нее. Подвесные монорельсовые дороги, в свою очередь, бывают асимметричные и симметричные с «расщепленной балкой» (рис. 1.12, г и д).
Рис. 1.13. Общий вид навесной монорельсовой дороги типа «Альвег»
Средняя протяженность линий действующих в настоящее время монорельсовых дорог (за исключением Вуппертальской и монорельсовой дороги Токио — аэропорт) не превышает 2—4 км.
Наиболее распространены две конструкции монорельсовых дорог: навесная типа «Альвег» (Alweg, патент ФРГ) и подвесная типа «Сафеже» (Safege, французский патент).
Общий вид навесной дороги типа «Альвег» показан на рис. 1.13. Ее путь состоит из полых железобетонных балок прямоугольного сечения, уложенных на опоры разной высоты, компенсирующие неровности профиля.
Движущая тележка имеет вертикальные ходовые колеса и четыре горизонтально расположенных направляющих колеса с пневматическими шинами. Ведущими являются ходовые колеса. Однако при необходимости увеличения тягового усилия система в отдельных конструкциях предусматривает включение в качестве тяговых и боковых направляющих колес. Степень нажатия боковых колес может в этом случае регулироваться в зависимости от требуемого тягового усилия специальным гидравлическим приводом.
На рис. 1.14 показана схема сочлененного вагона монорельсовой дороги навесного типа, введенной в эксплуатацию в 1961 г, в Турине (Италия).
Трехсекционный вагон общей длиной 33 м имеет шесть осей, из которых четыре средние ведущие соединены с приводом от тяговых двигателей мощностью по 113 квт. Двигатели 5 установлены в боковых свесах кузова вагона ниже уровня пола и вращают оси ведущих колес через систему редуктора 6 и карданных валов 7. Контактные шины для питания тяговых двигателей укрепляют вдоль путевой балки. Применяемое напряжение в контактной сети постоянного тока составляет 1200 в.
Рис. 1.14. Схема сочлененного вагона монорельсовой дороги навесного типа
1 — путевая балка; 2 — вертикальные ходовые колеса; 3 — горизонтальные (поддерживающие) колеса; 4 — пневматическое упругое подвешивание; 5 — тяговый электродвигатель; 6 — редуктор; 7 — кардан; 8 — дисковый тормоз
Вместимость поезда 340 пассажиров, максимальная скорость движения 22,2 м/сек (80 км/ч), ускорение 1,2 м/сек2. Предусматривается возможность соединения нескольких трехсекционных вагонов в поезд.
Кузов вагона изготовлен из легких сплавов и пластмассы. Конструкция ходовых частей соответствует схеме, приведенной на рис. 1.12, в. Вагон опирается на путевую балку 1 (см. рис. 1.14) вертикальными 2 (ходовыми) и горизонтальными 3 (поддерживающими) пневматическими колесами. Вертикальные колеса через пневматическую упругую подвеску 4 передают вертикальное давление и катятся по верхней плоскости путевой балки, они же являются и движущими колесами. Горизонтальные колеса служат только для направления движения и обеспечения вагону необходимой устойчивости. Вертикальные ходовые колеса поезда оборудованы дисковыми тормозами 8 с электрическим приводом. При полной нагрузке поезда замедление при служебном торможении составляет 1,5 м/сек2, а при экстренном торможении — 2—3,5 м/сек2.
Основное преимущество навесных монорельсовых дорог — относительно простая конструкция путевых устройств на прямых участках и несложная технология изготовления путевой балки, опор и элементов фундамента под опоры. Монорельсовые дороги навесного типа допускают максимальное снижение высоты эстакад и возможность укладки путевых балок непосредственно на землю без устройства опор (на свободной загородной местности, на обособленной полосе движения в городской черте, при подходе к тоннелям и т. д.). Это позволяет в определенных условиях уменьшить вес и количество опор и удешевить строительство дороги и станционных сооружений.
Вместе с тем устройство ходовой части вагона навесной дороги должно обеспечить его необходимую устойчивость от действия боковых сил при движении, так как центр тяжести вагона расположен выше точки опоры на путевую балку. Воздействие боковых реакций при движении поезда вызывает возникновение в путевой балке скручивающих сил, что требует усиления ее сечения и, следовательно, веса конструкции в целом. Конструктивные особенности расположения ходовой части вагонов в рассматриваемом случае снижают объем салона и площадь пола, а соответственно и его вместимость. Так, при прочих равных условиях свободная площадь пола салона вагона навесной дороги составляет около 70% площади вагона подвесного типа. Удельная масса у поездов навесных дорог составляет около 300 кг на 1 место, в то время как у подвесных поездов она снижается до 200 кг на 1 место. Поскольку кузова вагонов целиком охватывают путевую балку, конструкция стрелочных переводов получается сложной и громоздкой; криволинейные участки пути приходится делать больших радиусов (80—100 м) или же уменьшать длину вагонов; открытая конструкция ходовых дорожек и контактной сети путевой балки усложняет их защиту от атмосферных воздействий, в частности от гололеда.
Общий вид вагона подвесной симметричной монорельсовой дороги системы «Сафеже» показан на рис. 1.15. Ходовая часть вагонов выполнена на пневматических шинах, что обусловливает бесшумный ход, комфортабельность и высокие динамические показатели. Уменьшение вибрации и ударов, связанное с применением пневматических шин, позволяет снизить вес подвижного состава и упростить упругое подвешивание.
Рис. 1.16. Сечение монорельсовой балки системы «Сафеже»: 1 — ходовые дорожки; 2 — контактные рельсы
Рис. 1.15. Общий вид подвесной монорельсовой дороги типа «Сафеже»
Коробчатое сечение монорельсовой балки системы «Сафеже» показано на рис. 1.16. Ее поперечное сечение обеспечивает хорошее сопротивление изгибу и кручению. Ходовые дорожки, контактные рельсы и кабели находятся внутри балки и защищены от атмосферных осадков. Благодаря этому сохраняется постоянный коэффициент сцепления колес с покрытием ходовых дорожек.
2
Рис. 1.17. Ходовая тележка подвесной дороги
1 — тяговый электродвигатель; 2, 3 — токоприемники; 4, 5 — ходовые и направляющие колеса
Цельнонесущий кузов вагона подвешивается на двух двухосных тележках, аналогичных ходовым тележкам парижского метрополитена (рис. 1.17). Каждая тележка снабжена двумя тяговыми двигателями 1 мощностью 400 квт. Ток поступает от верхнего контактного рельса через два токоприемника 2, а возвращается через два боковых контактных башмака 3. Тяговые электродвигатели через двухступенчатые редукторы приводят в движение четыре вертикальных ходовых колеса 4 тележки. Колея ходовых колес равна 910 мм. Четыре горизонтальных направляющих пневматических колеса 5 укреплены на кронштейнах по концах тележки и катятся по вертикальным боковым стенкам путевой балки.
Специальная система подвешивания вагонов монорельсовых дорог системы «Сафеже» снижает воздействие крутящих усилий на монорельсовую балку и автоматически устанавливает вагон перед станционной платформой в положение, обеспечивающее удобство посадки и высадки пассажиров.
Длина кузова вагона 16,9 (17,3) м, ширина 3,08 м и высота 2,96 м. За исключением несущей рамы и некоторых усиленных элементов, кузов вагона построен в основном из легкого алюминиевого сплава. Вагон имеет три двери шириной по 1300 мм с пневматическим приводом. Общая вместимость вагона 123 пассажира, в том числе 56 мест для сидения. Вагоны оборудованы автоматической автосцепкой, позволяющей соединять их в поезда.
При полной нагрузке скорость поезда, равная 25 м/сек (90 км/ч), достигается со средним ускорением 0,625 м/сек2, максимальная скорость и ускорение равны соответственно 33,4 м/сек (120 км/ч) и 1,5 м/сек2. Практически же применяемые скорости не превышают 14—17 мі сек Провозная способность рассматриваемой дороги может достигать 36 000 пасс/ч.
Для посадки и высадки используются посадочные платформы, расположенные над землей или на уровне земли.
Преимуществом конструкции подвижного состава и путевых устройств дорог подвесного типа по сравнению с навесным является возможность прокладки кривых участков пути с меньшими радиусами. У подвесных дорог лучше используется строительный объем и площадь пола кузова вагона, поскольку в навесных вагонах много места занимают кожуха, защищающие ходовые колеса.
Серьезной проблемой для подвесных и навесных монорельсовых дорог является создание падежной конструкции стрелочных переводов. Для подвесных дорог применяются металлические стрелки по принципу железнодорожных перевернутых другим концом, открывающих доступ к основному пути или ответвлению.
Для навесных монорельсовых дорог применяются гибкие металлические стрелки- балки длиной до 40 м, поворотные стрелки горизонтального типа, а также стрелки вертикального типа, направляющие поезд на пути, лежащие во втором уровне. Время перевода стрелок составляет от 3,5 до 6 сек.
Подвесные монорельсовые дороги симметричного типа получили относительно большое распространение, так как являются одной из наиболее отработанных систем. Дороги этого типа эксплуатируются (с пневматическими или стальными колесами) в Нью-Йорке, Токио, Хьюстоне, Далласе и других городах.
Основные технические данные некоторых пассажирских монорельсовых дорог современных типов приведены в табл. 1.4.
Большая работа по проектированию и исследованию систем монорельсовых дорог проведена за последние годы в СССР. Разработаны проекты таких дорог для Москвы, Киева, Тбилиси, Еревана и некоторых других городов Советского Союза, а также для курортных районов Крыма и Кавказа.
Проект подвесной дороги для Москвы предусматривает движение шестивагонных поездов с максимальной скоростью 42 м/сек (150 км/ч). На всех шестимоторных вагонах устанавливаются по 4 двигателя мощностью по 120 квт, работающих от сети постоянного тока напряжением 750 в. Поезд оборудуется автоматической системой управления, электрическим и гидравлическими тормозами. Провозная способность монорельсовой дороги составит 22 000 пассажиров в час.
Таблица 1.4
Основные технические данные некоторых пассажирских монорельсовых дорог современных систем
Продолжение табл. 1.4
* в знаменателе указано число кузовных секций.
Проект навесной дороги для Киева предусматривает применение двигателя с развернутым статором. «Ротор» электродвигателя этого типа представляет собой неподвижную вертикально установленную вдоль пути алюминиевую шипу, а статор выполнен в виде двух расположенных вдоль ротора держателей с развернутыми в плоскость обычными статорными обмотками. К статорным обмоткам подводится трехфазный ток, в результате чего при неподвижных держателях образуется бегущее вдоль ротора поле. В результате взаимодействия магнитного поля с ротором (шиной) создается сила, действующая на держатель статорной обмотки и направленная в сторону, противоположную движению магнитного поля.
Бирельсовые дороги.
Путевые устройства бирельсовых дорог — железобетонные с расщепленным на две колеи лотком. Для облегчения конструкции лотка эстакады он выполняется из двух параллельных профилированных половин, симметричных для каждой полосы движения. Путевое устройство и схема ходовых частей подвижного состава бирельсовых дорог показана на рис. 1.12, а. Установка кузова подвижного состава на ходовых частях аналогична конструкции обычного подвижного состава.
Ходовые части имеют ходовые и направляющие колеса. Ходовые (вертикальные) колеса катятся по горизонтальной поверхности лотка железобетонной эстакады, а направляющие — по возвышенным боковинам лотка либо по специальным направляющим рельсам эстакады. Ходовые колеса подвижного состава бирельсовых дорог, как правило, пневматические. В некоторых случаях они снабжаются дополнительными (аварийными) стальными колесами. Направляющие колеса могут быть как пневматическими, так и стальными. Подобная конструкция путевых устройств и подвижного состава находят применение также на метрополитенах и фуникулерах с подвижным составом на пневматических шинах. Вагоны оборудуются индивидуальным электроприводом постоянного или переменного тока. Имеются также проекты комбинированного подвижного состава для смешанного движения как по эстакадам, так и по обычному дорожному полотну.
Одна из эстакадных бирельсовых дорог сооружена в Питсбурге (США) в 1964 г. Ее принципиальная схема соответствует приведенной на рис. 1.12, а. Длина двухосного вагона 7 м, ширина 2,5 м и высота 2,9 м. Максимальная скорость движения поезда 22,2 м/сек (80 км/ч). Обе ведущие оси вагона со сдвоенными ходовыми колесами имеют привод от асинхронных двигателей. Для обеспечения плавного пуска и торможения поезда между двигателями и редукторами тяговой передачи устанавливаются гидротрансформаторы. В середине путевого лотка на опорных изоляторах устанавливаются три контактные шины, токосъем с которых осуществляется при помощи специальных башмачных трехфазных токоприемников.
Система дистанционного автоматического управления подвижным составом обеспечивает автоматический пуск, езду при заданной скорости, торможение, остановку, автоматическое открывание н закрывание дверей. Автоматическая диспетчерская система управления обеспечивает движение поездов по графику с заданными интервалами движения от 90 до 120 сек.
Провозная способность подвижного состава меняется за счет автоматизированного изменения составности поезда (от 1 до 10 вагонов) на конечных станциях.
Бесколесный высокоскоростной транспорт на воздушной или магнитной подушке. Максимальная скорость современного колесного электроподвижного состава не превышает 55—67 м/сек (200—240 км/ч). Дальнейшее увеличение скорости при движении по нормальному рельсовому пути ограничивается прочностью рельсов, условиями токосъема и прохождением поездами кривых участков пути, условиями взаимодействия упругих систем верхнего строения пути, конструктивными возможностями подвижного состава и контактной сети, скоростными ограничениями работы системы сигнализации при скоростях выше 55 м/сек. Этими обстоятельствами объясняется появление в последние годы большого числа проектов новых сверхскоростных дорог, у подвижного состава которых колеса и тележки заменены скользящими на воздушной или магнитной подушке лыжами или башмаками.
Воздушной подушкой обычно называют слой сжатого воздуха, находящегося между основанием вагона и бетонированным лотком и выполняющего роль воздушного подшипника. На этом слое в подвешенном состоянии располагается вагон или целый поезд. Известны два основных типа подвижного состава сверхскоростного транспорта на воздушной подушке: система «Левакар» (США) с зазором между поверхностью путевой балки 0,5—1,3 мм и система «Хюверкар» (Англия) с зазором около 13 мм. Опорный элемент «Левакара», схема которого показана на рис. 1.18, а, представляет собой плоскую плиту 1 с отверстиями, в которые нагнетается воздух в пространство между опорной плитой и путевой балкой 2. Необходимое давление сжатого воздуха составляет 0,1—0,7 Мн/м2 в зависимости от веса и скорости экипажа. Слой воздуха выполняет роль смазки между опорной поверхностью рельса и ходовой частью. Особенностью системы является необходимость иметь путевую балку с очень ровной поверхностью. В качестве путевой балки могут применяться обычные или специальные профилированные стальные рельсы. Поступательное движение сообщается электропоезду линейными индукционными двигателями.
Подвижной состав на воздушной подушке системы «Ховеркар» рассчитан на большую вместимость (150—500 мест). Путевая балка 2 для этого подвижного состава имеет форму лотка (рис. 1.18, б). Воздушная подушка, создаваемая специальной системой сопел 1, вывешивает подвижной состав на высоту 13 мм над эстакадой. В середине по всей длине эстакады установлен постоянный магнит 5, по бокам которого в тело лотка путевой балки утоплены токопроводы 3 трехфазного переменного тока, создающие бегущее магнитное поле, при взаимодействии которого с постоянным магнитом и стальным корпусом 4 подвижного состава и создается тяговое усилие. Мощность, требуемая для создания воздушной подвески, составляет около 1000 квт, а для создания поступательного движения — около 4000 квт. Строительство опытного участка эстакадной дороги системы «Ховеркар» начато в 1964 г. вблизи Саутгемптона (Англия). Расчетная скорость для этой дороги 89 м/сек (320 км/ч).
Рис. 1.18. Схемы образования воздушной подушки
a — система «Левакар»; б — система «Ховеркар»
Имеется еще ряд проектов поездов на воздушной подушке, не имеющих принципиальных отличий от описанных выше, однако все они (за исключением французского проекта аэропоезда) находятся пока в начальной стадии разработки. До сих пор не решены вопросы снижения аэродинамического шума, обеспечения стабильности воздушной подушки при высоких скоростях движения и близком расстоянии до неподвижных предметов. Весьма высока стоимость прокладки эстакадного пути нового типа.
Для того чтобы исключить сильный шум, производимый сжатым воздухом, непрерывно выходящим из воздушной подушки, и сделать ее устойчивой при любых скоростях движения, ведутся эксперименты с электромагнитной подвеской подвижного состава, так называемой магнитной подушкой.
Магнитная подушка создается при помощи сильного поля постоянных рельсовых магнитов и магнитов, установленных на подвижном составе. Одноименные полюса постоянных магнитов, отталкиваясь, поддерживают подвижной состав в подвешенном состоянии.
Вагоны на магнитной подушке не имеют непосредственного контакта с верхним строением пути, вследствие чего могут развивать чрезвычайно большие скорости.
В настоящее время уже насчитывается более 10 проектов высокоскоростных поездов на магнитной подушке (наибольшее число проектов в Англии и США).
В одной из предложенных конструкций магнитного подвешивания подвижного состава для получения сильного магнитного поля используются размещенные на опорных поверхностях вагона (лыжах) сверхпроводниковые катушки из ниобиево-титановой проволоки, охлаждаемой жидким гелием до температуры —269°С.
В подвешивании вагона предусматриваются также электромагнитные устройства для его самоустановки как по высоте, так и по отношению к оси пути в поперечном направлении. Тяговое усилие создается линейным асинхронным двигателем.