Из рассмотрения основных технико-экономических показателей вагонов построенных и спроектированных монорельсовых дорог можно сделать вывод о том, что вагоны значительно отличаются друг от друга по вместимости, основным геометрическим размерам и весу.
Создание подвижного состава нового типа представляет собой чрезвычайно сложную задачу, связанную с необходимостью одновременного решения комплекса специальных технических проблем. Создание достаточно совершенных опытных вагонов для монорельсовой дороги связано с особыми трудностями вследствие того, что эти дороги развиваются на основе новейших достижений нескольких видов транспорта (железнодорожного, автомобильного и авиационного) и находят практическое применение именно там, где обычные виды транспорта по тем или другим причинам не обеспечивают удовлетворительного решения транспортной проблемы.
Непосредственное сопоставление вагонов с различными геометрическими размерами и вместимостью не может дать правильного представления о преимуществах и недостатках конструкции каждого из них. Для этого целесообразно воспользоваться сравнением веса вагонов, приходящегося на 1 м длины вагона, на 1 м2 площади его горизонтальной проекции, на одно место для сидения и одного пассажира при максимальном заполнении вагонов. Следует иметь в виду, что нельзя делать общие выводы по результатам сопоставления какого-либо одного показателя. Необходимо рассматривать и сравнивать все или большинство параметров. Однако нельзя не учитывать и того, что в каждом конкретном случае решающим может оказаться лишь несколько главнейших показателей, которые и должны рассматриваться в первую очередь.
Если исключить так называемую микромонорельсовую дорогу в Лозанне и подвесную дорогу в зоопарке Токио, а также построенную в масштабе 4/5 навесную дорогу Диснейленда, то вагоны всех остальных дорог можно разбить на две группы с размерами (см. табл. 7): по длине 9,3—13,2 м и 16—17 м, по ширине 2,4—2,5 и 2,7—3,1 м и по высоте 2,4—3,0 м и 4,0—4,3 м. При этом только по высоте эти группы зависят от типа дороги (первая — для вагонов подвесных дорог, вторая — для навесных). Остальные размеры (длина и ширина) изменяются вне зависимости от типа дороги. Изменение весовых показателей (на 1 м длины и на 1 м2 площади) также почти не зависит от типа дороги.
Из большого числа рассмотренных вариантов конструкций вагонов монорельсовых дорог наиболее совершенными являются вагоны подвесных дорог с симметричным подвешиванием и вагоны навесных дорог.
Одним из основных факторов, определяющим эксплуатационные и экономические параметры вагонов, являются их габаритные размеры. Размеры вагонов определяют многие строительные размеры эстакады и поэтому существенно влияют на стоимость постройки дороги. С размерами вагонов тесно связана компоновка их внутреннего оборудования, которая определяет как степень комфорта, так и общую вместимость вагонов и, следовательно, оказывает прямое влияние на эксплуатационные и экономические показатели работы дороги в целом.
Вагоны монорельсовой дороги должны обладать большим комфортом по сравнению с вагонами метрополитена. В вагонах метрополитена продольное расположение сидений является в какой-то мере обоснованным, так как в окна вагона ничего, кроме стен тоннеля, увидеть нельзя и при таком расположении сидений предоставляется максимальная площадь для стоящих пассажиров. Однако, несмотря на это, в вагонах многих метрополитенов (например, в нью-йоркском) применяется продольно-поперечное расположение сидений. Нормальным режимом работы вагонов монорельсовой дороги следует считать не перегрузку их в часы пик, а занятость всех мест для сидения и наличие небольшого количества стоящих пассажиров (не более 3—4 человек на 1 м2 свободной площади).
Вследствие этого принятое в проекте КБ для Московской монорельсовой дороги продольное расположение сидений не может быть признано обоснованным, хотя оно и позволило уменьшить ширину вагона до 2,5 м. При применении поперечного расположения сидений по схеме 2 + 2 для предоставления пассажирам нормальных условий комфорта (ширина сидений 450 мм и ширина среднего прохода 550—600 мм) ширина вагона получается равной 2,7 м, как это и предусмотрено обоими заданиями на проектирование. При этом не требуется усиления несущих элементов кузова вагона и увеличения его веса. Следует учитывать также и то, что, кроме вагонов метрополитена, ни у одного из существующих средств общественного транспорта в настоящее время не применяется продольное расположение сидений (исключение могут составлять только сохранившиеся в некоторых городах старые трамвайные вагоны).
Характерным при этом является то, что переход на продольное расположение сидений в вагоне по сравнению с поперечным расположением привело к сокращению в поезде числа мест для сидения с 224 до 132, т. е. на 41 %, а общая вместимость возросла на 9,5% (с 315 до 345 пассажиров). Кроме того, это достигнуто в результате значительного уменьшения площади горизонтальной проекции вагона, приходящейся на одного пассажира при максимальном заполнении (с 0,452 до 0,3 м2), т. е. за счет снижения уровня комфорта (см. табл. 7).
Интересные данные получаются при сопоставлении весовых характеристик вагонов. Вес среднего вагона конструкции КБ равен 14,0 т (вес головных вагонов будет больше, так как добавляется еще вес кабины машиниста). Без учета веса двух кабин предложенный вагон имеет вес 1010 кг на 1 м длины, 405 кг на 1 м2 горизонтальной проекции кузова, 319 кг на одно место для сидения и 122 кг на одно место при максимальном заполнении вагона. Соответствующие показатели для вагона по проектному заданию равны 880, 328, 250 и 150 кг.
Таким образом, данный вагон значительно превышает весовые нормы, установленные заданием на проектирование. Только в отношении веса вагона, приходящегося на одного пассажира при максимальном заполнении, этот вагон оказывается более легким (82% веса по проектному заданию).
При дополнительном рассмотрении вопроса об облегчении вагонов следует особое внимание обратить на весовые характеристики тележек, так как две тележки весят 7,5 т, что составляет 54% общего веса вагона.
Кузов вагона выполнен из сплавов легких металлов и вместе с внутренней отделкой весит всего 2730 кг. Поэтому дальнейшее снижение его веса вряд ли целесообразно и возможно. На несколько завышенные весовые параметры вагона конструкции КБ следует обратить особое внимание также вследствие того, что для этого вагона нарушаются даже те нормы, которые были установлены первым проектным заданием на опытные образцы вагонов, послужившим основным документом для разработки в 1963 г. эскизного проекта вагона подвесной монорельсовой дороги Мытищинским машиностроительным заводом. В первом задании при тех же размерах был установлен предельный вес вагона 17 т.
Важнейшим элементом конструкции вагона, в наибольшей степени влияющим на общую стоимость его постройки, является тележка, так как ее размеры определяют необходимые размеры несущих балок-монорельсов и вместе с приходящейся на монорельс нагрузкой являются главнейшими параметрами для расчета поперечных сечений и веса балок, веса опор и стоимости пролетных строений. От конструкции тележки зависит также удельное сопротивление движению и, следовательно, с ней связаны многие эксплуатационные расходы и общая экономичность монорельсовой дороги. Решение вопроса о рациональной конструкции тележки (с пневматическими или с металлическими обрезиненными колесами) может быть получено только на основе технико-экономических расчетов с учетом всех преимуществ и недостатков обеих конструкций. Без детальной проработки технико-экономических вариантов и конструкций (вплоть до разработки рабочих чертежей) делать какие-либо выводы о целесообразности той или иной конструкции затруднительно.
Наиболее подробно в отечественных проектах разработана конструкция тележки с колесами на пневматических шинах. По размерам этой тележки установлены размеры балок-монорельсов. Предложенная конструкция тележек требует значительного уменьшения габаритных размеров, что вместе с более компактным расположением внутри балки контактных проводов должно привести к значительному уменьшению поперечных размеров балок- монорельсов.
При обосновании вариантов тележек и в первую очередь типа колес для магистральных монорельсовых дорог необходимо учитывать следующие соображения. Сопротивление качению стального обрезиненного колеса по металлическому рельсу (основное удельное сопротивление движению) в 5—6 раз меньше сопротивления качению колеса с пневматическими шинами по ровной поверхности. При применении колес с пневматическими шинами возникает дополнительное сопротивление, для преодоления которого требуется установка электродвигателей большей мощности и более тяжелого прочего электрооборудования. Примером этого могут служить две конструкции тележек, разработанные КБ для одного и того же вагона: тележки с пневматическими шинами и электродвигателями мощностью 110 кВт и тележки со стальными обрезиненными колесами и электродвигателями мощностью 80 кВт. Большая на 38% мощность электродвигателей первой тележки потребует в эксплуатации больших расходов электроэнергии.
Применение стальных обрезиненных колес позволяет значительно упростить питание электродвигателей, так как для подвода тока могут использоваться основные рельсы, отпадает надобность в специальных токонесущих рельсах и пантографах, заменяемых более простым токосъемным устройством.
Наличие стальных рельсов позволяет применить в конструкции тележек электромагнитные тормоза, являющиеся наиболее эффективными и экономичными. Наличие защищенных от атмосферных воздействий поверхностей качения рельса и металлического обода колеса обеспечивает достаточно высокие пусковые ускорения поезда.
Срок службы колес со стальными бандажами значительно превышает срок службы колес с пневматическими шинами. На Московском метрополитене колеса проходят до 1,5 млн. км, имея за это время по установленным пределам износа бандажей четыре-пять переточек по поверхности качения, и только после этого заменяются новыми (у сборных колес заменяется только бандаж). Пробег шин, освоенных производством, редко превышает 100 тыс. км. Требуемые для вагонов монорельсовой дороги шины с давлением воздуха в них до 18 кГ/см2 еще нигде не производились, следовательно, никакого опыта эксплуатации их не существует. Лучшими шинами высокого давления (9—12 кГ/см2) являются шины французской фирмы Мишлен. Эти шины, имеющие пробег до 200 тыс. км, устанавливаются на колеса вагонов, эксплуатируемых на нескольких линиях Парижского метрополитена. О сложности производства высококачественных шин высокого давления свидетельствует тот факт, что и США, и Канада (где проектировалось построить некоторые линии метрополитена с вагонами на пневматических шинах) предполагали закупить их у фирмы Мишлен.
Общая конструкция тележки с ребордными стальными обрезиненными колесами резко упрощается. Отпадает необходимость в направляющих колесах. В случае возможности применения безредукторного двигателя тележка получается чрезвычайно компактной, простой по конструкции, надежной в работе и несложной в эксплуатации. Но даже при применении высокооборотного электродвигателя с зубчатой или карданной передачей тележки с обрезиненными колесами экономичнее и надежнее в эксплуатации, чем тележки с пневматическими колесами.
При этом следует исходить из более легких условий работы тележек монорельсовых дорог по сравнению с условиями работы обыкновенных железнодорожных тележек, так как рельсовый путь в балках можно уложить на упругих подкладках, сделать его почти бесстыковым, а отсутствие кривых малого радиуса (наименьший радиус по проектному заданию 400 м) резко уменьшает боковые силы, возникающие между подвижным составом и рельсовым путем. Большое внимание должно быть обращено на выбор оптимальных зазоров в рельсовой колее, чтобы свести к минимуму синусоидальные колебания колес между рельсами. Это тем более важно, что основным видом износа колес на линиях метрополитена является боковой подрез реборды. Поступающие в переточку колесные пары часто почти не имеют поддающегося замеру проката по поверхности качения. Вследствие этого можно предположить, что если в монорельсовой дороге удастся уменьшить боковой износ реборд колес, то это приведет к значительному увеличению срока их службы между ремонтами даже по сравнению со сроком службы колес вагонов метрополитена.
Выдвигаемые обычно доводы о якобы высоком уровне шума монорельсовых дорог на стальных обрезиненных колесах не вполне убедительны. Об этом свидетельствуют полученные экспериментальным путем при скорости движения 100—120 км/ч уровни шума от качения обрезиненного колеса пассажирского вагона по обычному рельсовому пути (115—125 дб) и пневматической шины автомобиля, движущегося по автостраде в режиме наката (105 дб). Как видно, эта небольшая разница не может считаться решающим фактором при выборе типа дороги. Кроме того, уровень шума вагонов монорельсовой дороги на обрезиненных колесах может быть уменьшен как в результате усовершенствования самих колес (работающих на монорельсовой дороге при значительно меньших нагрузках и в условиях лучшего содержания пути), так и вследствие увеличения бесшумности пути.
Известно, что себестоимость перевозок на рельсовом транспорте, как правило, ниже, чем на безрельсовом. Ориентировочный расчет показывает, что при применении колес с пневматическими шинами вместо стальных обрезиненных колес себестоимость перевозок на монорельсовой дороге возрастет почти вдвое. Поэтому для подвесных грузо-пассажирских и пассажирских значительной протяженности (междугородных) монорельсовых дорог, а также некоторых монорельсовых дорог для связи крупных городов с пригородами, аэропортами и городами-спутниками должна рассматриваться возможность использования ходовых частей со стальными обрезиненными колесами.
В определенных условиях можно рекомендовать монорельсовую дорогу с металлической коробчатой балкой и вагонами на стальных обрезиненных колесах. Применяя эластичные резиновые прокладки в дисках колес и упругие элементы в подрельсовых прокладках, можно свести к минимуму шумовое воздействие катящихся внутри балки колес, а при рациональном сочетании длин балок и их поперечных сечений с весовыми характеристиками и скоростями движения вагонов можно устранить опасность возникновения собственных колебаний балок в звуковом диапазоне частот.
Коробчатая стальная балка такой монорельсовой дороги может быть очень легкой, что положительно отразилось бы на всех стоимостных показателях дороги.
Обращают на себя внимание следующие соотношения расхода металла и бетона, необходимых для строительства разработанных вариантов конструкций железобетонных и металлических балок. При одинаковой длине балок (29,95 м) для железобетонной балки требуется 31,1 т бетона и 12,9 т металла и весит она 78 т; для металлической сварной балки нужно только металла 18,7 т и весит она 18,7 т. Таким образом, при использовании железобетона на одной балке экономится 18,7 — 12,9 = 5,8 т металла (193 кг на 1 м), но при этом расход бетона составляет 31,1 м3 и вес балки увеличивается с 18,7 до 78 т. Естественно, что в этом случае необходимо соответствующее утяжеление ригелей и опор эстакады. Анализ этих данных свидетельствует о необходимости дальнейшей работы также над вариантом монорельсовой дороги со стальной коробчатой балкой.