Том 2, № 3 (2016)
Обзоры
О создании вакуумно-левитационной транспортной системы
Аннотация
Начало двадцать первого века характеризуется усилением глобальных приоритетов в развитии транспортной системы. Переход к ресурсоэффективной экономике с минимальным воздействием на экологию и климат требует развития инновационных технологий на транспорте. Помимо инноваций драйвером развития технологий на железнодорожном транспорте является растущая конкурентоспособность альтернативных видов транспорта (авиационный, автотранспорт).
Современные оценки скоростных параметров транспортной системы основаны на контактных парах «колесо – рельс» и «токоприемник – контактный провод», которые предопределяют предел скорости на уровне 350–360 км/час. Для построения эффективных высокоскоростных транспортных средств обоснован бесконтактный способ передачи энергии от инфраструктуры к подвижному составу – магнитно-левитационный. Однако из-за сохранения высокого уровня сопротивления окружающей воздушной среды подвижного состава реализуемая скорость ограничена 450–500 км/час.
Проект транспортной системы, основанный на использовании искусственно созданной вакуумной среды для движения транспортного средства по принципу магнитной или аэролевитации, базируется на «подрывных» для традиционных видов транспорта технологиях. Физическая основа проекта – многократное снижение сопротивления воздушной среды движущемуся транспортному средству, предопределяет многократный энергетический эффект.
Алгоритм подготовки концепции проекта создания высокоскоростной системы с использованием вакуумно-левитационного поезда представляет собой систему организационно-выстроенных шагов по формированию фундаментальной научной основы для создания высокоскоростного сообщения до 1000 и более км/час на новых принципах.
Особое значение для России и мирового сообщества может иметь разработка принципиально нового вида транспорта – вакуумно-левитационной «контейнерной системы», которая по принципу беспрерывного скоростного конвейера смогла бы обеспечить многократный рост конкурентоспособности российской транспортной системы в глобальном товарообмене между странами Европы и Азии.
5-17
Вакуумный магнитолевитационный транспорт: поиск оптимальных рабочих параметров
Аннотация
Известная в широком кругу специалистов транспортная концепция «Evacuated Тube Тransport Тechnology» (ET3) («Вакуумно-Трубопроводной Транспортной Технологии» («ВТ3»)) [1] являет собой энергоэффективный комплекс магнитолевитационной, вакуумной и сверхпроводниковой технологий для высокоскоростного наземного транспорта. Рассматриваемая концепция представляется как наиболее эффективное решение проблемы кардинального повышения скорости и пропускной способности транспортных систем c приемлемой стоимостью перемещения пассажиров и грузов и невысокими затратами энергии.
Для определения оптимальных диапазонов рабочих параметров рассматриваемой транспортной системы выполнен анализ характеристик разреженной среды. Исходя из соображений баланса энергетических затрат на поддержание вакуума в системе и преодоления аэродинамического сопротивления во всем рассматриваемом диапазоне скоростей транспортного средства (ТС) (500÷6500 км/ч) показано, что нижняя граница оптимальной глубины разрежения вакуумной среды, для ТС с относительно невысокими скоростями, находится в районе 25÷80 Па. Для ТС со скоростям, близкими к максимальной хотелось бы иметь давление от 1Па и менее.
18-35
Направления инновационного развития железнодорожного транспорта
Аннотация
Введение. Проводимые в настоящее время структурные преобразования железнодорожного транспорта коренным образом меняют механизмы управления процессами его функционирования. Осуществляемая в настоящее время в ОАО «РЖД» структурная реформа затрагивает все уровни управления и все сферы её деятельности. Ключевым методом реализации реформы при этом является создание конкуренции в секторе железнодорожных перевозок.
Цель. Цель статьи – оценить возможности создания конкурентных преимуществ железнодорожного транспорта в результате внедрения концепции стратегических инноваций. В статье рассмотрены: 1) особенности инновационного развития железнодорожного транспорта; 2) концепция стратегических инноваций как ресурс ускорения роста корпораций и снижения конкуренции за счет новых бизнес-моделей; 3) направления и объемы финансирования инновационного процесса ОАО «РЖД»; 4) технологическое обеспечение реализации инновационной программы холдинга.
Методология. Для достижения поставленной цели использовались такие общенаучные методы, как анализ и синтез, обобщение, аналогия, сравнение, системный подход.
Результаты. В статье обозначены основные направления развития железнодорожного транспорта в соответствии с инновационной стратегией ОАО «РЖД». Альтернативой является реализация концепции стратегических инноваций.
Практическая значимость. Описанная в статье концепция стратегических инноваций может получить практическое применение при изменении стратегических целей и приоритетов развития холдинга.
Заключение. Предприятия и компании вынуждены в условиях современного рынка искать новые подходы к управлению, способные обеспечить им конкурентные преимущества. Стратегия развития железнодорожного транспорта помимо строительства новых железнодорожных линий и модернизации инфраструктуры предполагает также качественное обновление подвижного состава, повышение качества перевозочных услуг, их эффективности и безопасности. Для ОАО «РЖД» в этом контексте перспективными являются развитие кадрового потенциала, переход на инновационное развитие. И одной из методик повышения конкурентоспособности и эффективности деятельности компании, имеющих перспективу практического применения, является концепция управления стратегическими инновациями.
36-46
Оригинальные статьи
Эффективность использования диспетчерского приёма «изменение пунктов скрещения или обгона грузовых поездов на железнодорожном участке»
Аннотация
Введение. Важное место в оперативном управлении перевозками на основе плана формирования, графика движения поездов, технических норм использования перевозочных средств и инфраструктуры железных дорог занимает оперативное диспетчерское регулирование эксплуатационной работы.
К настоящему времени недостаточно исследований, которые в полной мере позволяли бы оценить эффективность применяемых диспетчерских регулировочных приёмов на участках, в узлах и сортировочных станциях с учетом специфики их работы и развитости инфраструктуры.
Цель обосновать эффективность реализации диспетчерского приёма «Изменение пунктов скрещения или обгона грузовых поездов на участке».
Метод. Использован метод имитационного моделирования.
Результаты. Установлено, что благодаря применению диспетчерского воздействия «Изменение пунктов скрещения или обгона грузовых поездов на железнодорожном участке» суммарные задержки в ожидании обслуживания меньше в среднем на 60% чем без его использования.
Практическая значимость. Результаты исследования будут способствовать повышению эффективности диспетчерского регулирования эксплуатационной работы на участках.
47-56
Выбор модели развития пригородного транспортного комплекса с учетом мирового опыта функционирования региональных пассажирских перевозок
Аннотация
Введение. Процесс реформирования железнодорожного транспорта привел к выделению пригородных пассажирских перевозок и обособлению данного вида деятельности в рамках пригородных пассажирских компаний (ППК). В своей деятельности ППК сталкиваются с целым рядом проблем, одной из которых является недофинансирование со стороны субъектов РФ.
Цель. Цель статьи – выявление общих тенденций и отличительных особенностей развития региональных пассажирских перевозок в различных странах по итогам обзора мирового опыта, в том числе особенностей взаимодействия региональных перевозчиков с органами государственной власти. Обзор проводится по следующим основным аспектам: 1) наличие или отсутствие конкуренции на рынке пригородных перевозок; 2) формы собственности на инфраструктуру и подвижной состав; 3) принадлежность самих перевозчиков государству или частным собственникам; 4) модели финансирования пригородных компаний; 5) возможности повышения их доходности.
Методология. Для достижения поставленной цели использовались такие общенаучные методы, как анализ и синтез, обобщение, аналогия, сравнение, индукция, системный подход.
Результаты. В статье выделены и проанализированы основные формы конкуренции на региональных рынках пассажирских перевозок, определены их достоинства и недостатки. Выделены две основные модели развития региональных пассажирских перевозок в мире – конкурентная и государственная.
Практическая значимость. Результаты обзора могут быть использованы федеральными и региональными органами власти при выработке регулирующих мероприятий по отношению к железнодорожному пригородному комплексу, разработке нормативно-правовой базы его реформирования и дальнейшего развития.
Заключение. Обзор мирового опыта развития региональных пассажирских перевозок следует учитывать при осуществлении преобразований железнодорожного пассажирского комплекса в нашей стране, при этом следует иметь в виду условия функционирования ППК в отдельных регионах России, высокую социальную значимость и исторические аспекты развития пригородных перевозок.
57-69
Системы электроснабжения собственных нужд высокоскоростных магнитолевитационных экипажей с линейным синхронным тяговым приводом
Аннотация
Введение. В системе линейного тягового привода высокоскоростных экипажей, движущихся со скоростями 350-450 км/ч, целесообразно применение синхронного двигателя, обмотка статора которого располагается на путевой структуре, а источники постоянного магнитного поля (постоянные магниты, сверхпроводниковые электромагниты в режиме "замороженного потока", объемные сверхпроводники) размещаются на экипаже. Такая система высокоскоростного тягового привода не требует подвижного токосъема для питания тягового привода, что является ее весьма существенным преимуществом. Отсутствие подвижного токосъема на высокоскоростном экипаже предполагает использование бесконтактной системы питания потребителей собственных нужд.
Цель. Целью работы является анализ вариантов организации системы бесконтактного электроснабжения потребителей собственных нужд высокоскоростных магнитолевитационных экипажей с линейным синхронным тяговым приводом.
Метод. Рассматриваются массогабаритные и энергетические параметры источников питания собственных нужд магнитолевитационных экипажей, анализируются области применения источников питания.
Результаты. Для бесконтактного питания потребителей собственных нужд магнитолевитационных экипажей с электродинамическим подвесом целесообразно использование линейных индукторных генераторов и аккумуляторных батарей. Для магнитолевитационных экипажей с электромагнитным подвесом целесообразно использовать линейный генератор, линейный трансформатор и аккумуляторные батареи.
Практическая значимость. Результаты могут быть использованы при создании отечественного коммерческого высокоскоростного пассажирского транспорта на магнитном подвесе.
Заключение. Выбор сочетания источников питания потребителей собственных нужд (ПСН) определяется типом магнитного подвеса экипажа. При электромагнитном подвесе целесообразно использование линейного трансформатора, линейного генератора индукторного типа и аккумуляторных батарей. При электродинамическом подвесе с использованием сверхпроводниковых магнитных систем целесообразно применение линейного генератора и аккумуляторных батарей.
70-83
Определение переходного сопротивления слаботочных электрических контактов в условиях запыленности контактных поверхностей
Аннотация
Введение. В настоящее время на транспорте, в автомобильной, авиационной, космической, бытовой и иной технике широко применяются миниатюрные механически управляемые переключатели. К их преимуществам относятся небольшой вес и малые габариты. Однако плохое контактное соединение может привести к выходу из строя приборов, от которых зависит работа всей сложной техники. В бытовой технике это не приведет к серьезным проблемам, но для транспорта сбой контактной системы может привести к катастрофическим последствиям. Важнейшим показателем надежности микропереключателей является безотказность работы. Отказы микропереключателей возникают из-за тепловых, электрических, механических и химических явлений в переходной зоне электрических контактов. В настоящее время большое распространение получили слаботочные контакты. Отказы и сбои в таких контактах появляются в основном из-за попадания в межконтактное пространство пыли и других загрязнений, образования пленок, не разрушающихся при замыкании контактов, внезапного изменения силы прижатия контактов, из-за поломки упругого элемента или распорной пружины.
В статье представлена математическая модель контактных систем при сбое на примере современных электронных микропереключателей стержневого типа.
Цель. Создание математической модели контактных систем при сбое на примере современных электронных микропереключателей стержневого типа, исследование работы микропереключателей в реальных условиях эксплуатации.
Методология. Для достижения поставленной цели применялись теоретические методы исследования с использованием ПЭВМ. Были использованы теория контактного взаимодействия шероховатых поверхностей, теория электрических контактов, методы линейной алгебры и др. Использовались программные комплексы Mathcad, ANSYS. При экспериментальных исследованиях применялись методы математической статистики.
Результаты. В статье предложена методика определения переходного сопротивления слаботочных электрических контактов, учитывающая возможную запыленность контактных поверхностей, образование пленок на поверхностях контактов и изменение параметров шероховатости контактных поверхностей в результате пластических деформаций. Для исследуемых контактов получена зависимость вероятности сбоя от концентрации частиц пыли.
Практическая значимость. Описанная в статье методика позволяет определить переходное сопротивление электрических контактов как при нормальной работе, так и при сбое.
Заключение. Разработка математических моделей контактов при сбое дает возможность оценивать надежность соединений в реальных условиях работы, выбирать основные параметры коммутационных элементов с учетом возможных загрязнений, а также разрабатывать новые и уточнять имеющиеся методики обнаружения сбоев.
84-96
Математическая модель гибридных систем магнитной левитации энерговырабатывающего оборудования автономных систем электроснабжения
Аннотация
Введение. Обычно при разработке математических моделей магнитолевитационных систем (магнитных подшипников, электростатических подшипниковых опор, гибридных магнитных подшипников (ГМП и т.д.), рассматривается непосредственно сама подшипниковая опора, как отдельная, изолированная электромеханическая система. Данный подход позволяет довольно точно исследовать процессы в магнитолевитационных системах, но практически не позволяет оценивать процессы, происходящие в системе магнитная опора–объект установки. Для решения данной проблемы автором предлагается иной подход к анализу процессов в магнитолевитационных системах в целом, и в ГМП в частности– рассмотрение системы магнитная опора–объект установки, как единого комплекса.
Цель. Работа направленна создание обобщенной аналитической модели высокооборотных ЭМПЭ с высококоэрцитивными постоянными магнитами (ВПМ) на упругих подшипниковых опорах, учитывающей взаимовлияние процессов в ЭМПЭ и подшипниковых опорах. Данная задача является новой и актуальной и имеет важное значение для современного энергомашиностроения. Для решения данной задачи в статье разрабатывается обобщенная математическая модель роторной системы на гибридном магнитном подвесе. Оценивается влияние гибридных магнитных подшипников на общее поведение роторной системы. Производиться анализ процессов в электромеханическом преобразователей энергии и механических процессов, протекающих в роторной системе.
Метод и методология. Методология исследования основана на совместном решении уравнений Максвелла и уравнений, описывающих механические процессы роторной системы с пятью степенями свободы.
Заключение. Разработана обобщенная математическая модель высокооборотного ЭМПЭ с ВПМ на бесконтактных подшипниковых опорах и проведены ее исследования. На основе исследований разработанной математической модели, авторами был разработан оригинальный алгоритм управления положением ротора в гибридных магнитных подшипниках который позволяет при проектировании высокооборотных ЭМПЭ с ВПМ отказаться от датчиков положения ротора. Кроме этого, на основе результатов расчетов была разработан способ диагностики эксцентриситета ротор высокооборотных ЭМПЭ с ВПМ, а также новые методы расчета высокооборотных ЭМПЭ с ВПМ, прошедшие экспериментальную верификацию.
97-108
Модель деформирования бетона на основе теории течения при исследовании долговечности бетонных и железобетонных конструкций мостов
Аннотация
Цель исследования – совершенствование математических подходов к оценке долговечности железобетонных конструкций. Использованный в работе метод исследования основан на известных положениях теории пластического течения с двойным изотропным упрочнением.
Результатом работы являются основные математические зависимости модели нелинейного деформирования бетона на базе теории пластического течения, и алгоритм их применения для оценки долговечности бетонных и железобетонных конструкций мостов.
При построении модели использован закон неассоциированного течения. Для описания нелинейной сжимаемости материала при трехосном напряженном состоянии, введены дополнительные поверхности нагружения и пластического потенциала.
Поверхность прочности представлена в пространстве главных напряжений в виде замкнутого объема (колпачковая модель). Поверхность нагружения строится на основе принципа подобия поверхности прочности.
Сложность полученной математической модели компенсируется возможностями расчета конструкций при непропорциональных нагружениях.
Модель может быть встроена в общую модель деформирования бетона и железобетона с трещинами, в том числе – с учетом циклических и длительных нагружений.
Практическая значимость состоит в применимости модели для прогнозирования долговечности статически неопределимых бетонных и железобетонных конструкций, имеющих повреждения в виде трещин.
109-118
Невозможность сверхпроводимости электрического тока
Аннотация
Предлагается решение застарелой и актуальной научно-технической проблемы сверхпроводимости электрического тока.
Выявлены несоответствия фактам и внутренние противоречия гипотезы о сверхпроводимости электрического тока телами, в условиях сверхнизких температур. Сформулировано новое (альтернативное) понимание сути и адекватной теории явления, ошибочно называемого низкотемпературной сверхпроводимостью электрического тока без сопротивления. Анализ закона Ома и его ограничений доказывает невозможность возникновения сверхпроводимости. Утверждается, что при охлаждении проводника его электросопротивление увеличивается, а не уменьшается. При переохлаждении проводника происходит изоляция им электрического тока.
Предложены двухтоковая модель и начала соответствующей теории электропроводности. Показано, что в соответствии с реальной двухтоковой теорией распространения (течения) электрической энергии по проводнику, сверхпроводимости не может быть. Этот же вывод доказывают закон Джоуля-Ленца и факты увеличения электросопротивления от действия на проводник внешнего магнитного поля и уменьшения температуры проводника.
Обосновано, что физическая природа электросопротивления состоит в противодействии движению внешнего электромагнитного поля (электричества) по проводнику от самоиндуцированного в нем диамагнитного поля. Утверждается, что при глубоком переохлаждении дианамагниченность проводника становится больше магнитного поля электричества и проводник превращается в сверхдиамагнитный электроизолятор (диэлектрик).
Замена ошибочного учения о сверхпроводимости электричества на давно предлагаемую автором этой статьи альтернативную и наиболее обоснованную теорию холодной сверхдианамагничиваемости веществ позволяет решить многие проблемы практического использования явления сверхдианамагничиваемости при создании новых процессов и перспективной техники будущего.
119-132
Метод условной границы
Аннотация
Цель работы состоит в том, чтобы предложить новый подход к расчету электромагнитного поля, которое возбуждается вихревыми токами, индуцированными в проводящей среде под воздействием внешнего источника магнитного поля. В работе принято квазистационарное приближение, то есть, не учитываются токи смещения.
Метод. Главная особенность метода – введение так называемых условных границ. Такое название дано мысленным поверхностям, которые можно провести в области, свободной от проводящей среды. Форма условной границы произвольна и диктуется соображениями удобства расчетов. Принимается соглашение, что на условной границе выполняются такие же граничные условия, как на границе проводник-вакуум.
В работе доказано, что такое изменение задачи приводит к изменению ее решения только вне проводника и только в части электрического поля. Вектор магнитной индукции во всем пространстве, а также вектор напряженности электрического поля в проводящей среде изменению не подвергаются.
В то же время, удачный выбор условных границ в ряде случаев позволяет упростить задачу с расчетной точки зрения.
Помимо введения условных границ, предлагаются также некоторые формальные преобразования основных соотношений, описывающих квазистационарное электромагнитное поле. Эти преобразования преследуют ту же цель облегчения расчетов.
Результат. Получена новая формулировка задачи расчета квазистационарного электромагнитного поля в виде системы дифференциальных уравнений и граничных условий, включающей как известные соотношения, так и вновь полученные. Новая формулировка равносильна традиционной (с описанной выше оговоркой). Вместе с тем она обладает некоторыми преимуществами с точки зрения удобства расчетов.
Практическая значимость. В практике конкретных расчетов разработанный метод будет полезен, в частности, в тех случаях, когда форма проводника близка к некоторой «простой» форме.
133-144
Управление безопасным движением магнитолевитационного транспорта с использованием цифрового радиоканала
Аннотация
Введение. Система управления транспортными средствами на магнитном подвесе (далее – СУТС МП) имеет ключевое значение для развития магнитолевитационного транспорта.
Цель. В статье рассмотрены вопросы управления безопасным движением магнитолевитационного транспорта с использованием цифрового радиоканала, проанализирован международный опыт и сделаны выводы применительно к российской практике.
Методология. Использовались следующие методы: системный подход, анализ и синтез, обобщение.
Результаты. СУТС МП должна учитывать физические возможности магнитной левитации, факторы и ограничения, влияющие на эти возможности, в том числе – факторы, связанные с безопасностью. СУТС МП должна обладать комплексом функций, позволяющих эффективно, полно и безопасно реализовать возможности магнитной левитации в условиях действия указанных факторов и ограничений.
Практическая значимость. Основными практическими результатами, которые могут быть получены при разработке СУТС МП, являются:
- создание СУТС МП с высоким уровнем автоматизации управления и потому эффективной и безопасной;
- разработка в рамках СУТС МП типовых проектных решений, применимых для адаптации к задачам мониторинга и управления различными системами и средствами транспорта на магнитном подвесе;
- создание предпосылок разработки и совершенствования всего комплекса нормативных документов, соответствие которым обеспечивает безопасность инфраструктуры и подвижного состава транспорта на магнитном подвесе;
- получение опыта взаимодействия Заказчика, исследовательских и проектных организаций, предприятий промышленности, монтажных и эксплуатирующих организаций на этапах жизненного цикла СУТС МП, как ключевой подсистемы транспорта на магнитном подвесе.
Заключение. Главное назначение СУТС МП – создание и постоянное обеспечение условий, в которых реализуется безопасное и эффективное функционирование и развитие этого нового вида транспорта.
145-154