Features design and construction of artificial structures for Maglev - roads

Abstract


The article is devoted to the design and construction of artificial structures. Introduction. A brief analysis of foreign experience in the design and construction of bridges and overpasses for roads with magnetic levitation technology (maglev-roads). The basic parameters and design and technology solutions span structures of various sections and pillars. Analysis: Based on international experience, discussed the use of different materials for possible use in the construction of roads, maglev, such as concrete and steel, as well as composite materials. The operation of superstructures of various lengths and systems. The estimation of man-made structures of a continuous system, which can reduce their material consumption due to a more favorable distribution of forces arising in the beams. Results: The possible construction methods magnetic levitation roads, such as the use of scaffolding , moving from a flight to flight as the concreting sections, as well as the method of cyclical longitudinal sliding, which combines the serial production of sections of continuous superstructure on the stocks and longitudinal shifting collected whip of several sections on axis of the bridge. Conclusions: Formulated the main technical problem related to the construction of artificial structures.

Введение Создание трассы под магнитолевитационный транспорт [1, 2], для пассажирских или грузовых перевозок - серьёзная многофакторная задача, возможность реализации и цена которой определяется на этапе проектирования. Причем, такой проект применительно к грузовым перевозкам во многом имеет «пилотный», инновационный характер. 1 июня 2015 г. состоялось важное событие на пути создания грузового Маглева в России. На территории моторовагонного депо СПб Балтийский (ТЧ-15) был смонтирован стенд для проведения натурного эксперимента. Специалисты и гости смогли своими глазами увидеть и оценить возможности перевозки морских контейнеров с использованием магнитолевитационной технологии. Эксперимент полностью подтвердил достоверность теоретических разработок в области магнитной левитации. В сборниках статей 2-й и 3-й Международных научных конференций «Магнитолевитационные транспортные системы и технологии» и других источниках, посвященных этой тематике достаточно подробно были рассмотрены общие вопросы проектирования и строительства дорог с использованием магнитной левитации [3, 4, 5]. Данная статья является более детальным рассмотрением одного из важных элементов инфраструктуры магнитолевитационного транспорта - искусственных сооружений. Но, очевидно, магнитная часть не может эксплуатироваться сама по себе, она должна опираться на так называемую «путевую структуру» 36 (подобную «верхнему строению пути» на обычных железных дорогах), которая, в свою очередь, тоже должна на «что-то» опираться: земляное полотно или искусственные сооружения. И этим «что-то» мы уже серьезно занимаемся. Естественно, начав с изучения мирового и отечественного опыта. Определение возможных скоростных режимов и степени разрежения Сравнительный анализ энергозатрат атмосферных систем «колесо-рельс», системы магнитной левитации и систем транспорта в разреженной среде показывает, что последние приобретают экономическую целесообразность только при скорости движения, не достижимой атмосферным транспортом, так как затраты энергии, объемы капитальных вложений, затраты на обслуживание данной системы будут значительно выше, чем в уже существующем традиционном атмосферном транспорте. На сегодняшний день практическое применение имеет транспорт, движущийся со скоростью до 300 км/ч (железнодорожный) и свыше 900 км/ч (воздушный). Скоростной диапазон от 300 до 900 км/ч остается не освоенным, и является оптимальным для исследуемого вида транспорта. Анализ данных, полученных при эксплуатации магнитолевитационного транспорта в Г ермании, Китае и Японии, позволил сделать обзор скоростных режимов движения (табл. 2.1). Таблица 2.1 - Достижения скоростных режимов магнитолевитационного транспорта [5] ^ермания Китай Япония Год Достигнутая скорость, км/ч Год Достигнутая скорость, км/ч Год Достигнутая скорость, км/ч 1973 250 2004 350 1979 517 1974 401 2007 550 1987 400,8 1980 420 2009 394 1997 550 1984 400 - - 2003 581 1993 450 - - 2015 603 1999 500 - - - - 2002 430 - - - - 2003 501 - - - - На основании данных, приведенных в таблице 2.1, можно сделать вывод о том, что для получения явных преимуществ перед существующими видами транспорта исследуемый транспорт должен обладать скоростными характеристиками от300 до 1 000 км/ч. Основным фактором, влияющим на скоростной диапазон движения транспортных единиц в исследуемой системе, является аэродинамическое сопротивление, возникающее при движении. 37 Особенностью разрабатываемой системы является снижение аэродинамического сопротивления при движении транспортной единицы за счет создания на пути следования зоны низкого давления -разрежения. Зависимость аэродинамической силы торможения от скорости и степени разрежения вычисляется по формуле: Плотность воздуха в зависимости от степени разрежения находится по формуле [8]: Для расчетов принят наиболее «неблагоприятный» с точки зрения аэродинамики вариант формы носовой части транспортной единицы -торцевая стенка морского контейнера. Результаты расчетов аэродинамической силы торможения в зависимости от скорости движения и степени разрежения при температуре воздуха +20 оС приведены на рис. 2.1. F = -• С • p^S^v2, 2 и ’ (2.1) где С - аэродинамический коэффициент сопротивления; р - плотность воздуха, кг/м3; S - фронтальная (лобовая) площадь поперечного сечения, м2; v - скорость движения, м/с. Р'Р 353 -Pi R-Т (273 +1)- Рбар. ’ (2.2) где Р - давление воздуха; ^ - молярная масса воздуха; t - температура воздуха; Рбар - барометрическое давление воздуха. 38 700000 -, ■250 км/ч ■350 км/ч ■400 км/ч ■ 600 км/ч ■800 км/ч ■ 1000 км/ч Давление, Па Рис. 2.1. Зависимость силы аэродинамического торможения от степени разрежения Зависимость аэродинамической силы торможения от скорости движения при различном давлении показано на рис. 2.2. 20000 Па 40000 Па 60000 Па 80000 Па 100000 Па 100 Па 50 100 150 200 Скорость, м/с 250 300 Рис. 2.2. Зависимость силы аэродинамического торможения от скорости движения Эксплуатация исследуемого вида транспорта предполагается в широком диапазоне климатических условий, что требует проведения анализа влияния температуры воздуха в диапазоне от -55 оС до +55 оС на 39 силу аэродинамического торможения. Результаты анализа приведены на рис. 2.3 и рис. 2.4. 325000 -100000 па -80000 Па -60000 Па -40000 Па -20000 Па Температура, оС Рис. 2.3. Зависимость силы аэродинамического торможения от температуры среды (при скорости движения 600 км/ч) 120000 -, ■а Ч 100000 § М а к 80000 -\ Е я § * ме я ffl 60000 -s: = оо £ в 40000 -ао - W е р е в 20000 0 0 20000 40000 60000 Давление, Па 80000 100000 120000 Рис. 2.4. Диапазон изменения силы аэродинамического торможения в температурных пределах от -55 оС до +55 оС в зависимости от давления В исследуемой транспортной системе применяется три класса оборудования: 1) для создания разрежения (высокой производительности); 2) для поддержания разрежения (малой / средней производительности); 3) для обеспечения работы шлюзовых участков. 40 Предполагаемая схема установки оборудования приведена на рис. 2.5. Рис. 2.5. Предполагаемая схема установки оборудования для создания разрежения: 1 - установка создания разрежения; 2 - установка для обеспечения работы шлюзовых камер; 3 - установка для поддержания разрежения Установки (1) предназначены для создания разрежения в вакуумном трубопроводе. Время работы данных установок зависит от протяженности магистрали, диаметра и производительности вакуумных станций. При эксплуатации в штатном режиме, для поддержания требуемого давления в вакуумном трубопроводе используются установки (3) меньшей производительности, а установки высокой производительности (1) не задействованы. Для обеспечения работы шлюзовых камер используются установки (2). Так как разрабатываемая ТС предполагается в двухтрубном и более исполнении предлагается схема работы шлюзовых камер и вакуумных станций по схеме приведенной на рис. 2.6. 41 Рис. 2.6 - Принципиальная схема работы шлюзовых камер 1 - вакуумная станция; 2 - регулирующий клапан; 3 - обратный клапан всасывающего трубопровода; 4- всасывающий трубопровод; 5 - зона создаваемого разрежения; 6 - зона создания атмосферного давления; 7 - регулирующий клапан напорного трубопровода; 8 -напорный трубопровод; 9 - обратный клапан напорного трубопровода; 10 - регулируемая предохранительная линия. Шлюзование прибывшей и отправляемой транспортных единиц осуществляется одновременно. Данная технология позволяет сократить время и затраты энергии на откачку воздуха из первой шлюзовой камеры и заполнение второй. Схема позволяет обеспечивать переключение шлюзовых камер как на откачку воздуха, так и на заполнение. Кроме того, такой способ шлюзования позволяет обеспечить плавность откачки и заполнения шлюзовых камер, что является не маловажным, поскольку резкие перепады давления могут оказать негативное воздействие на всю конструкцию в целом. Контроль степени разрежения осуществляется с помощью датчиков разрежения, установленных на протяжении всей магистрали. Откачка воздушной среды осуществляется через патрубки, оборудованные регулирующими и предохранительными клапанами. Степень вакуума определяется количеством вещества, оставшимся в системе. Вакуум, в первую очередь, определяется абсолютным давлением, а полная характеристика требует дополнительных параметров, таких как температура и химический состав. Одним из наиболее важных параметров является средняя длина свободного пробега остаточных газов, которая указывает среднее расстояние, которое частица пролетает за время 42 свободного пробега от одного столкновения до следующего. Свойства разреженного газа сильно изменяются, когда длина свободного пробега становится сравнима с размерами сосуда, в котором находится газ. Вакуум подразделяется на диапазоны в соответствии с технологией, необходимой для его достижения или измерения. Эти диапазоны не имеют общепризнанных определений; типичное распределение представлено в таблице 2.2. Таблица 2.2. Классификация вакуума Давление, мм рт. ст. Давление, Па Атмосферное давление 760 1,С31С5 Низкий вакуум 76С...25 1,С31С5...1С Средний вакуум 25...1С-3 1С.1С'3 Высокий вакуум 10-3.1С'9 10-3.1С'6 Сверхвысокий вакуум 10-9...1С-12 10-6...1С-10 Экстремальный вакуум <10-12 <10-10 Космическое пространство 10-6...31С-17 10-4...31С-15 Абсолютный вакуум 0 0 В системе рассматривается применение низкого вакуума. Применение среднего, сверхвысокого и экстремального вакуума нецелесообразно с точки зрения сложности его получения и безопасности всей системы. На основании произведенных оценочных расчетов можно сделать следующие выводы: 1. При скорости движения свыше 3СС км/ч целесообразно рассматривать движение в среде с давлением от С,1 до 2С кПа (1СС - 20000 Па). 2. При давлении С,1 кПа (1СС Па) среда, в которой движется транспортное средство, практически не влияет на скорость движения. 3. При понижении давления существенно снижается влияние температуры на величину аэродинамической силы сопротивления. Так как наименьшее влияние аэродинамической силы сопротивления при скорости свыше 3СС км/ч достигается при давлении среды менее 5 кПа (5ССС Па), данную величину целесообразно рассматривать при проектировании нового вида транспорта. Габариты Одним из важных факторов при разработке транспорта, движущегося в разреженной среде, являются габариты транспортного средства. В частности, необходимо рассмотреть соотношение лобовой площади транспортной единицы к площади сечения трубы. Минимальный зазор между транспортной единицей и ограждающей конструкцией 43 трубопровода должен быть такой величины, которая согласуется с различными режимами эксплуатации транспортной единицы (равномерность, степень загрузки (порожняя и полная), движение транспортной единицы отдельно или в составе). Кроме того, необходим учет возможного загрязнения поверхностей. В отсутствии аналогов разработок грузовых магнитолевитационных систем, целесообразно рассмотреть вариант создания транспортных единиц, предназначенных для контейнерных перевозок, что обеспечит конкурентоспособность нового вида транспорта по отношению к другим видам. Исходя из габаритов контейнеров и грузовой магнитолевитационной транспортной платформы, диаметр ограждающих конструкций разрабатываемой системы должен составлять не менее 3,7...4,0 м. Данные параметры являются оптимальными на данном этапе работ, однако могут быть скорректированы на основании результатов, которые будут получены в ходе математического моделирования. Диаметр и площадь сечения транспортной единицы зависят от компоновки пассажирского салона, компоновки грузового отсека транспортной единицы и расположения элементов систем левитации, стабилизации и линейного двигателя. Грузоподъемность системы При проектировании транспортной системы необходимо учитывать: 1) Разницу в массе порожней и загруженной магнитолевитационной транспортной единицы, влияющую на рабочий левитационный зазор между транспортной платформой и активной путевой структурой. При изменении зазора процессы взаимодействия магнитных полей существенно изменяются, резко ухудшая тяговые и левитационные характеристики; 2) Неравномерное распределение центра масс груза по площади магнитолевитационной платформы, вызывающее кренение в продольных и поперечных осях платформы. Вследствие кренения происходит изменение рабочего левитационного зазора, в результате могут возникать не расчетные характеристики взаимодействия магнитных полей, которые могут привести к нештатным ситуациям: - Взаимное разрушение активной путевой структуры и платформы при контакте; - Нарушение боковой стабилизации. 3) Изменение рабочего левитационного зазора при резком разгоне и аварийном торможении, приводящее к контакту платформы и активной путевой структуры; 44 4) Высокую стоимость магнитов или большие затраты энергии, необходимые для обеспечения достаточной жесткости магнитного поля при больших массах груза. Все вышеперечисленные проблемы имеют приемлемые технические решения применительно к пассажирскому магнитолевитационному транспорту: 1) Масса состава с пассажирами и без не критична, разница не способна повлиять на процессы левитации и стабилизации; 2) Ускорения разгона и торможения в пассажирском составе жестко лимитированы, в связи с чем не возникает критических значений кренов; 3) Распределение массы в пассажирском составе равномерно; 4) Вагоны пассажирского магнитолевитационного транспорта изготавливаются из материалов, имеющих низкий удельный вес, так как нагрузка на конструкцию пассажирского состава мала. На основании результатов проведенных исследований получена зависимость (рис. 2.7.) величины зазора левитации /от вертикального усилия P, создаваемого с помощью гидравлического пресса, моделирующего различные массы грузов. Р, т Рис. 2.7. График зависимости подъемной силы левитации Р от левитационного зазора / магнитного модуля Из графика видно, что величина левитационного зазора магнитных модулей зависит от массы, которая будет воздействовать на магниты в реальных условиях. 45 В ходе испытаний экспериментального полномасштабного макета грузовой магнитолевитационной транспортной платформы (Приложение Б) была продемонстрирована практическая осуществимость основных систем - левитации и линейной тяги. При нагрузке 28 т левитационный зазор составляет 15-20 мм при нулевой скорости и при перемещении на расстояние 60 см (рис. 2.8). Полученные параметры согласуются со значениями, которые установлены экспериментально при испытании на нагрузку четырех штатных магнитных модулей левитации. Рис. 2.8. Полномасштабный макет грузовоймагнитолевитационной транспортной платформы с 40-футовым морским контейнером серии ISO 1ААА Оценка энергозатрат системы Энергозатраты разрабатываемой транспортной системы можно разделить на несколько основных направлений: - Затраты энергии на системы обеспечения разряжения; - Затраты энергии на обеспечение движения и левитации транспортной единицы; - Затраты энергии на обеспечение работы системы управления (системы автоматизации и диспетчеризации). К основным затратам электроэнергии в разрабатываемой системе можно отнести затраты на системы создания и поддержание разряжения. При скорости свыше 300 км/ч аэродинамическое сопротивление достигает критических значений, тогда продольный профиль пути можно не принимать во внимание в расчетах энергетических затрат транспортной системы. Принимая во внимание результаты анализа скоростных режимов и степени разрежения в разрабатываемой системе, создаваемое 46 разряжение должно лежать в пределах <5 кПа (50 мбар). В соответствии с таблицей, приведенной в Приложении А, установки, способные обеспечить данные параметры, имеют различную производительность. Затраты электроэнергии на создание разрежения в данном случае так же существенно зависят от производительности. График производительности установок и мощности приведен на рисунке 2.10. 4500 -, я 4000 Н вк о g 3500 ст ь т с о н ь ÿ 2500 ти д о оа и о оПр 3000 g 2000 - 1500 -1000 500 0 50 50 50 50 50 Остаточное давление, мбар 50 50 90 н тВк 80 в о 70 о ь 60 о н щ о 50 S 40 30 20 10 0 і Остаточное давление, мбар Потребляемая мощность, кВт Рис. 2.10. Изменение производительности установки с учетом габаритов системы, приведенных в п. 2.3, определеноизменение затрат электроэнергии в зависимости от времени откачки на 1 км разрабатываемой системы (табл. 2.3). 47 Таблица 2.3. Производительность установки, м3/ч Время создания разрежения, ч Предполагаемые затраты электроэнергии, кВт-ч 50 мбар 1060 12 290 1400 9 278 1780 7 247 2230 6 248 2780 5 244 3520 4 250 4300 3 228 25 мбар 930 14 331 1250 10 311 1620 8 264 2060 6 262 2540 5 262 3250 4 263 3980 3 243 Количество запусков системы создания разрежения предусматривается 2 раза в год после проведения регламентных работ по окончанию зимнего и летнего периодов. Проведение регламентных работ предусматривает повышение давления в системе до атмосферного и осмотр технического состояния системы в целом. Описание оборудования, предлагаемого к установке, приведено в Приложении В отчета. При анализе принимались следующие исходные данные: - рассматриваемая протяженность участка магистрали - 1000 км; - скорость движения - 250 км/ч; - рассматриваемый временной промежуток эксплуатации - 1 год; - схема движения - в одном направлении (один вакуумный трубопровод). Результаты сравнительного анализа показаны в табл. 2.4 и на рис. 2.11. 48 42000 H П s s u a « 35 m © a H а a r? 2 £ a H я r>

Gennadiy N Talashkin

Union of Builders of the Railroads; Emperor Alexander I Petersburg State Transport University

Candidate of Economic Sciences, President; manager of scientifically research laboratory "Infrastructure of Magnetolevitation Transport" Scientific and Educational Center of Passenger Traffic

  • Зайцев А. А. Грузовая транспортная платформа на магнитолевитационной основе: опыт создания // Транспортные системы и технологии. - СПб.: ПГУПС, 2015. - № 2(2). - С. 5-15. - URL: http://www.transsyst.ru/tekushiy-nomer2.html.html (дата обращения 16.11.2016).
  • Антонов Ю. Ф., Зайцев А. А. Магнитолевитационная транспортная технология / под ред. В. А. Гапановича. - М.: Физматлит, 2014. - 476 с.
  • Талашкин Г. Н. Проектирование, строительство и эксплуатация дорог с использованием магнитной левитации. С чего начинать? / Г. Н. Талашкин, В. Е. Красковский, В. Н. Смирнов, И. О. Потапова // Транспортные системы и технологии. - СПб.: ПГУПС, 2016. - № 1(3). - С. 112-125. - URL: http://www.transsyst.ru/tekushiy-nomer3.html (дата обращения 16.11.2016).
  • Красковский В. Е. Общие вопросы проектирования искусственных сооружений на дорогах с использованием магнитолевитационной технологии // Магнитолевитационные транспортные системы и технологии: труды 2-й Междунар. научн. конф., Санкт-Петербург, 17-20 июня 2014. - Киров: МЦНИП, 2014. - С. 72-78. - URL: http://www.transsyst.ru/fıles/sbornik-trudov_mtst_2014-pdf.pdf (дата обращения 16.11.2016).
  • Зайцев А. А. Особенности магнитолевитационной технологии, применяемой на общественном транспорте / А. А. Зайцев, Ю. Ф. Антонов // Известия петербургского университета путей сообщения. - СПб.: ПГУПС, 2012. - №3. - С. 11-18.
  • Компании TohoTenaxc и KawasakiHeavylndustries организуют серийное производство углепластиковых рессор для тележек железнодорожных вагонов / Пресс-релиз ООО «ТЕЙДЖИН РУС». - URL: http://www.teijin-russia.ru/page/news/0107 (дата обращения 16.11.2016).
  • Овчинников И. И., Овчинников И. Г., Чесноков Г. В., Михалдыкин Е. С. Анализ экспериментальных исследований по усилению железобетонных конструкций полимерными композитными материалами. Часть 1. Отечественные эксперименты при статическом нагружении // Интернет-журнал «Науковедение» - 2016. - № 3. - URL: http://naukovedenie.ru/PDF/24TVN316.pdf (дата обращения 16.11.2016).
  • Смирнов В. Н. Современные технологии мостостроения // Инновации на железнодорожном транспорте: труды юбилейной науч. техн. конф., Санкт-Петербург, 28-29 сентября, 2009. - СПб.: ПГУПС, 2009. - С. 47-54.
  • Смирнов В. Н. Строительство мостов и труб. - СПб.: Изд-во ДНК, 2007. - 288 с.
  • Пименов С. А. Строительство мостов методом навесного бетонирования // Транспортное строительство. - 1964. - № 9. - С. 53-54.
  • Каньшин Е. Строительство мостов по технологии цикличной продольной надвижки (ЦПН) // Наука и прогресс транспорта: Вестник Днепропетровского национального университета железнодорожного транспорта. - 2010. - № 33. - С. 106-110.
  • Смирнов В. Н. Особенности работы опор мостов скоростных железнодорожных магистралей // Известия Петербургского университета путей сообщения. - СПб.: ПГУПС, 2014. - №2. - С. 168-171.
  • Якунин В. И., Тони О. В., Ивашкин А. Г. Строительство уникальных объектов транспортной системы олимпийского Сочи / под общ. редакцией проф. П. Г. Грабового. Часть III. Инновационнотехнологические решения при проектировании и строительстве тоннелей и мостов олимпийкой трассы: теория и практика. - М.: ОАО «РЖД», 2013. - 535 с.
  • Бобриков В. Б. Строительные работы и машины в мосто- и тоннелестроении: в двух частях. Часть 1. Основные положения технологии и механизации процессов строительного производства. - М: «ИД «Транспортная книга», 2008. - 630 с.
  • Вейнблат Б. М. Краны для строительства мостов: справочник. - М.: Транспорт, 1988. - 240 с.

Views

Abstract - 0

PDF (Russian) - 0


Copyright (c) 2016 Talashkin G.N.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.