Использование двухстронней левитации транспортных модулей относительно арочной эстакады

Полный текст

Введение

Транспортные системы эстакадного типа находят широкое применение при решении задач перевозки пассажиров и грузов. К ним можно отнести маглев [1], вакуумно-левитационные [2], монорельсовые [3], струнные и другие транспортные системы, а также комбинации конструктивных элементов таких систем.

Во многих случаях, когда в первую очередь требуется обеспечить доступность, а уже потом массовость, грузовых и пассажирских перевозок, например, в северных регионах РФ, экономичнее и надежнее могут оказаться малогабаритные транспортные системы эстакадного типа [4]. В частности, на полигоне компании SkyWay неподалеку от г. Минска проходит испытания линия струнного транспорта Юницкого (СТЮ) с новым элементом инфраструктуры – арочными опорами для жесткой путевой структуры [5]. В качестве подвижного состава будут использоваться навесные и подвесные пассажирские и грузовые модули. Разработчики СТЮ считают одним из наиболее важных аспектов функционирования системы контакт «стальное колесо – рельс».

В отличие от струнных технологий магнитолевитационные технологии позволяют обеспечить бесконтактное перемещение транспортных модулей (экипажей) относительно эстакады, что исключает любое трение. Преодолевать приходится только сопротивление воздушной среды при скоростях движения более 300 км/ч.

Описание арочной эстакады и транспортных модулей

Наибольшее распространение получили магнитолевитационные системы Т-образной формы (германский вариант) и U-образной формы (японский вариант).

В данной статье рассматриваются варианты возможного развития малогабаритных магнитолевитационных систем с арочными опорами эстакады или эстакадой арочного типа -образной формы [6]. Пролеты путепровода в общем случае представляют собой жесткую конструкцию, оборудованную источниками магнитного поля, которые обеспечивают ускорение (propulsion) и поднятие и/или подвешивание (levitation) малогабаритных транспортных модулей [7].

Арочная эстакада позволяет использовать для перемещения транспортных модулей (ТМ) две рабочие поверхности: внутреннюю (под аркой) и внешнюю (над аркой). В зависимости от этого ТМ могут быть навесные (верхнее расположение) и подвесные (нижнее расположение).

Основными элементами ТМ являются кабина (грузовая или пассажирская) и мувер (один или несколько). Мувер представляет собой устройство, содержащее источник магнитного постоянного поля (ИМПП), для взаимодействия с источниками магнитного поля эстакады, обеспечивающими ускорение ТМ. Мувер и кабина могут быть соединены друг с другом непосредственно, либо с использованием механического соединения – тяги, либо каким другим способом.

Ускорение ТМ может задаваться посредством линейного электромагнитного двигателя, для чего эстакада оборудуется статорной обмоткой. Для задания лучшего магнитного усилия витки электромагнита могут устанавливаться наклоненными относительно направления движения ТМ [8].

Источники магнитного поля эстакады, обеспечивающие левитацию ТМ, могут быть как постоянными магнитами – ИМПП, так и электромагнитами. В последнем случае эстакада оборудуется дополнительной статорной обмоткой ограничителя перемещений [9].

Варианты использования «статор – мувер – кабина» и «статор – мувер – тяга – кабина»

Рассматриваемые ниже варианты арочной эстакады разработаны авторами статьи, оформлены заявкой на выдачу патента РФ на изобретение № 2018144317 приоритет 14.12.2018 г., получено положительное решение формальной экспертизы.

На Рис. 1 показана одна из возможных конфигураций транспортной системы на основе арочной эстакады с двухсторонней левитацией ТМ при верхнем расположении грузового модуля (вариант «статор – мувер – кабина») и нижнем расположении пассажирского модуля (вариант «статор – мувер – тяга – кабина»), где:

1 – кабина грузового модуля;

2 – мувер грузового модуля;

3 – ИМПП грузового модуля, обеспечивающие левитацию;

4 – арочная опора;

5 – статорная обмотка для левитации грузового модуля;

6 – статорная обмотка электромагнита;

7 – пассажирский модуль;

8 – кабина пассажирского модуля;

9 – мувер пассажирского модуля;

10 – соединительная тяга;

11 – ИМПП эстакады для левитации пассажирского модуля;

12 – балочная конструкция для размещения мувера и ИМПП, обеспечивающих левитацию пассажирского модуля;

13 – опорная поверхность.

Рис. 1. Транспортная система на основе арочной эстакады с двухсторонней левитацией модулей: 1 – кабина грузового модуля; 2 – мувер грузового модуля; 3 – ИМПП грузового модуля, обеспечивающие левитацию; 4 – арочная опора; 5 – статорная обмотка для левитации грузового модуля; 6 – статорная обмотка электромагнита; 7 – пассажирский модуль; 8 – кабина пассажирского модуля; 9 – мувер пассажирского модуля; 10 – соединительная тяга; 11 – ИМПП эстакады для левитации пассажирского модуля; 12 – балочная конструкция для размещения мувера и ИМПП, обеспечивающих левитацию пассажирского модуля; 13 – опорная поверхность

 

В данной конфигурации мувер 2 грузового модуля непосредственно крепится к грузовой кабине 1, как и источники 3 магнитного постоянного поля, обеспечивающие левитацию ТМ. Статорная обмотка 5 для левитации ТМ  располагается слева и справа от статорной обмотки электромагнита 6, которая имеет двойное назначение: одновременно задается ускорение и грузовому (верхнему), и пассажирскому (нижнему) ТМ.

Пассажирская кабина 8 и мувер 9 модуля 7 соединены посредством тяги 10. Мувер 9 используется как для левитации ТМ, для и для задания ему ускорения. Левитация осуществляется при взаимодействии ИМПП мувера 9 с постоянными магнитами 11, расположенными по всей протяженности эстакады внутри балочной конструкции 12. Мувер 9 перемещается внутри конструкции 12, под действием сил ускорения, создаваемых при запитывании током определенных витков обмотки 6, соответственно, с ним перемещается весь транспортный модуль 7.  При этом одновременно перемещается грузовой модуль с мувером 2. В зависимости от полярности ИМПП муверов 2 и 9 верхний и нижний ТМ будут перемещаться либо в попутном, либо в противоположных направлениях.

Магнитолевитационные системы на основе эстакады арочного типа способны обеспечить перевозки пассажиров и грузов в лесистых и заболоченных местностях, а также эффективное противостояние снежным заносам и другим атмосферным явлениям. Более защищенными в таких условиях окажутся системы с нижним расположением кабины (Рис. 2).

 

Рис. 2. Магнитолевитационная система на основе эстакады арочного типа с нижним расположением кабины

 

Опоры и направляющая балка эстакады могут изготавливаться из стеклопластика. Применение композитных материалов позволяет увеличить прочность и коррозийную стойкость сооружений [10, 11]. Вес стеклопластикового настила составляет всего около 20 % от веса аналогичного железобетонного покрытия.

Источниками магнитного постоянного поля могут быть мощные постоянные магниты на основе редкоземельных элементов [12, 13].

Как говорилось выше, мувер также содержит в себе ИМПП. Желательно, чтобы магнитное поле ИМПП мувера было наведенным, а величина его магнитной индукции задавалась бы в зависимости от веса кабины и условий, в которых происходит движение. Эту функцию позволит обеспечить криостат в форме диска, внутри которого находится сверхпроводящий ИМПП.

Предполагается, что мувер будет интеллектуальным устройством и, помимо ИМПП, содержит вычислительное устройство, определяющее допустимые нагрузки, маршрут движения и др.

Вариант использования «статор – мувер – тревеллер – кабина»

Следующим шагом в развитии подобных транспортных систем может быть бесконтактное соединение мувера и кабины, которое обеспечивается использованием эффекта «магнитной потенциальной ямы» [14], основанного на взаимодействии двух идеально проводящих колец. Одним из колец будет ИМПП мувера,  а другим – ИМПП кабины (Рис. 3). Назовем его «тревеллер» (попутчик, fellow traveller). В этом случае направляющая балка будет неразрезной, что позволит создать благоприятные условия для движения мувера и стабилизации его положения. Тревеллер будет повторять движения мувера.

 

Рис. 3. Магнитолевитационная система на основе эстакады арочного типа с нижним расположением кабины и бесконтактным подсоединением мувера и тревеллера

 

В зависимости от веса и размеров кабины на ее гребне может быть установлено несколько тревеллеров, для каждого из которых в балку запускается «персональный» мувер.

Мувер, находящийся в сильно разреженной среде, может перемещаться с высокой скоростью. Однако, кабина при высоких скоростях движения будет преодолевать сильное сопротивление встречного воздуха и нагреваться. Поэтому согласованная скорость движения кабины и мувера не должна превышать критического значения ‒ 300 км/ч.

На стадии создания системы [15] конструкция эстакады и ТМ может включать страховочные элементы, препятствующие возможным повреждениям, например, в случае потери сверхпроводимости ИМПП мувера. По мере совершенствования технологий данные элементы станут атавизмами.

В условиях Севера России можно рекомендовать использование арочных эстакад закрытого типа [7]. В районах, где нет сильной ветровой нагрузки и снежных заносов, вполне возможно использование вариантов арочной эстакады, предлагаемых авторами (см. Рис. 2, 3). При этом модули для перевозки пассажиров оборудуются гребнями, высота которых обеспечивает безопасное удаление от источников магнитного поля, находящихся в балочной конструкции [6].

Выводы

Транспортные системы с двухсторонней левитацией модулей относительно арочной эстакады могут использоваться для перевозок пассажиров и грузов со скоростями до 300 км/ч, при этом:

• желательно использовать малогабаритные транспортные модули;
• либо пассивная статорная обмотка, либо постоянные магниты обеспечивают левитацию транспортных модулей;
• активная статорная обмотка взаимодействует с муверами транспортных модулей;
• для перемещения муверов создаются идеальные условия;
• тревеллеры, в случае их использования, повторяют движения муверов;
• при строительстве магнитолевитационных систем на основе арочной эстакады возможно использовать конструктивные решения других инновационных транспортных систем.

Об авторах

Евгений Юрьевич Сундуков

Коми научный центр Уральского отделения Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: jek-sun@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0141-8292
SPIN-код: 8735-7995

кандидат экономических наук, доцент

Россия, 167982, Сыктывкар, ул. Коммунистическая, д. 26

Надежда Андреевна Тарабукина

Коми научный центр Уральского отделения Российской академии наук

Email: nadandtar@mail.ru
SPIN-код: 2559-9676

старший инженер

Россия, 167982, Сыктывкар, ул. Коммунистическая, д. 26

Список литературы

Дополнительные файлы