Русский   English
ДонНТУ   Портал магістрів

Вступ

Підвісні монорейкові дороги становлять транспортну систему, що включає: ходової шлях, підвішений до конструкцій естакади або будівлі, по якій можуть пересуватися рухомі одиниці; колійні пристрої, що забезпечують переклад рухомих одиниць з одного шляху на інший, розташований під кутом або на іншому рівні по відношенню до першого; шино провід, призначений для постачання механізмів дороги електроенергією та пристроїв адресування і блокування.

Найперший монорельс був створений в Росії в 1820 році в селі Мячково, його автор був Іван Кирилович Ельманн (Ельманов). Його монорельс був побудований на стовпах по верхньому поздовжньому брусу котилися вагонетки, які тягнули коня. У монорейці Ельманова візок котилася на спеціальному полозі по укріплених на естакаді колесам. До даної конструкції проявили інтерес і в торгово-промислових колах; наприклад, був проект використовувати її в Криму для перевезення солі тобто створити промисловий монорельс.

Загалом в кінці XIX століття монорельс був частим гостем на різноманітних виставках. У 1872 році монорельс на кабельної тязі демонструвався в Ліоні, в 1891 році в Сент-Луїсі демонструвався монорельс з вагонами на зразок трамвайних.

Але працюючого і який проходить експлуатацію монорейки все ще не було. Вони залишалися на стадії експериментальних зразків, але в більшості випадків - на стадії проектів.

Перша в світі підвісна монорейкова дорога (ПМД) була змонтована і здана в експлуатацію 1 березня 1901р. в місті Вупперталь, Німеччина, діюча по теперішній час. Офіційна назва монорейкова підвісна дорога системи Ойгена Ланге (нім. Einschienige Hangebahn System Eugen Langen). протяжністю в 13,3км (3,3км в місті, 10км над руслом річки).

В ході руху складу по підвісній монорельсової дорозі, відбуваються різні напруги, коливання і руху (уздовж осі), як позитивні і негативні. У зонах з залишковими напруженнями, вібраційні навантаження можуть викликати пластичні деформації.

Так само потрібно звернути увагу на стики, які сприймають згинальний момент і поперечну силу на протязі стику так само, як вони сприймаються цілим рейкою, допускати поздовжні переміщення кінців рейок в стику при зміні довжини рейок внаслідок коливань температури.

1. Актуальність теми

В даний час, у великих мегаполісах в країнах СНД і за кордоном, часто стикаються з проблемами пасажиро- і вантажопотоками, особливо в годину пік. За кордоном вже доведено на живих прикладах, на скільки ефективно застосування транспортних гілок монорейкових доріг, де їх вантажопотік безперервний і своєчасний як для фірм (і їх вантажів), так і для пасажирів. Так само застосування підвісних монорейкових доріг масово застосовується в легкій і легко-середньої промисловості на заводах цехах. У країнах СНД застосування ПМД було лише тільки на гірничодобувних підприємствах, зокрема на Донбасі. Так само застосовано в основному на харчових заводах. І тільки в 2000-х роках зароджувалися ідеї, як використовувати такі дороги як для суспільного таки промислового транспорту.

Разом з тим, монорейкові дороги можуть мати свою економічно доцільну сферу застосування як повноцінний вид промислового і дорожньо-будівельного транспорту. Так, зокрема, мобільна монорельсова дорога дає можливість переміщення виконавчого органу для заливки цільного бордюру, дорожнього полотна на автодорозі далеко від населених пунктів, не вдаючись до перегону великої кількості техніки, і персоналу. Переміщення вантажів в обмеженому або утрудненому просторі.

2. Мета і ідея об'єкта роботи

Мета роботи - підвищення ефективності мобільної підвісної монорекової дороги (МПМД), за рахунок обґрунтування параметрів монорейкового шляху і рухомого складу.

Ідея роботи - розробити план шляху, а так само знизити навантаження на елементи монорельсової дороги.

Завдання:

  1. розробити план шляху МПМД по трасі і дузі дороги;
  2. встановити фактори, що впливають на динаміку при русі монорейки по дорозі;
  3. проаналізувати дослідження на наявність удосконалень - скласти інженерний метод аналізу завдання ;
  4. виконати дослідження і знизити динамічне навантаження;

Об'єкт дослідження - динамічні процеси, які формуються рухомим складом під час руху монорейки.

Предметом дослідження функціональний зв'язок між параметрами монорейкового шляху і рухомого поїзду.

Поняття мобільний монорельс

Мобільний - здатність порівняно швидко збірні, і готовий швидко виконувати завдання для проведення робіт, а так само нарощування для переміщення по ходу фронту робіт.

Монорельс - залізниця, в якій використовується один тримаючий рейок.

Малюнок 1. Вид збоку

 

Малюнок 2. Вигляд спереду

 

Малюнок 3. Схема руху мобільного монорельса (Анімація: 3 кадри, 11 повторів, 85,3 кілобайт)

3. Обзор научных статей и исследований

Исследованиями подвесных монорельсовых дорог занималось большое количество ученных, среди которых следует отметить: Айзеншток Л.И., Берсенев В.С., Нос В.С., Кузнецов Е.В., Желтухин Л.Г., Гутаревич В.О., Следь Н.Н., Чашко М.В., Расцветаев В,А., Ногих В.Р., Веткин А.С., Евтух Е.С., Хлусов А.Е., Вербицкий В.Г., Ширин Л.Н., Петренко О.С., Коваль А.И., Качурин Н.М.

В работе [1] предложено исследовать процесс транспортирования грузов по подземным выработкам как взаимодействующую транспортно- технологическую систему «подвижной состав подвесной монорельсовой дороги – крепь подготовительной выработки – горный массив». В частности, исследование технологического процесса взаимодействия подсистем «горный массив – крепь подготовительной выработки», «крепь выработки – став монорельса», «монорельс – подвижной состав подвесной монорельсовой дороги» предусматривает установить конструктивные параметры способов подвески монорельсовой дороги и закрепления горной выработки в целом. Разработано математическая модель, позволяющая учесть взаимосвязь технологических параметров транспортировки при помощи ПДМ и параметров, характеризующих организацию их взаимодействия с транспортно-технологической системой шахты в целом. Установлено, что своевременная подготовка запасов в условиях интенсификации горных работ обеспечивается применением подвесных монорельсовых дорог, эксплуатационные параметры которых, в отличие от традиционных схем транспортирования, характеризуются состоянием боковых пород вокруг подготовительных выработок и величинами деформации несущих рам арочной крепи, которые изменяются в пределах 50 – 150 мм при транспортировании грузов массой 180 – 4000 кг со скоростью 0,5 – 2,0 м/с.

Кроме того разработана и рекомендована рациональная схема подготовки выемочных столбов с использованием подвесных монорельсовых дорог. Однако область применения данного вида вспомогательного транспорта ограничена в связи с непредусмотренным снижением скорости перемещения подвижного состава с 1,2 до 0,5 м/с, что ведет за собой увеличение времени доставки грузов в 1,3 – 1,6 раза по сравнению с расчетными показателями.

Разработан новый способ крепления става подвесной монорельсовой дороги, согласно которому устойчивость арочной крепи достигается за счет распределения статических и реактивных динамических нагрузок, возникающих и передающихся крепи от монорельса как при движении подвижного состава в различных режимах транспортирования, так и в моменты прохождения его через стыковые соединения несущего профиля. Это позволит увеличить срок службы арочной крепи и исключить деформацию и изменение площади поперечного сечения транспортной выработки.

Впервые разработали способ подготовки запасов, который заключается в совмещении времени проведения монтажной камеры и монтажа очистного оборудования из отработанного очистного забоя, чем предполагается сократить общие временные затраты (общее время сооружения монтажной камеры и монтажа очистного оборудования сокращается на 20 – 25 %) и тем самым повысить производительность ведения горно-подготовительных работ при добыче угля из пологих пластов в условиях шахт Западного Донбасса. Предполагаемый дополнительный годовой экономический эффект от внедрения предложенного выше способа подготовки запасов составляет 619 тыс. грн.

В работе [2] исследователи Айзеншток Л.И. и Нос В.С. изложили основные требования к строению монорельсового пути, сформулированные на основании исследования процесса колебания сосудов и нагрузок в несущих элементах пути, приводе тяговых канатах и креплении выработки в зависимости от скорости движения и параметров стыковых соединений.

Работы [3,4,5] Гутаревича В.О. затрагивают важнейшие аспекты развития подвесных монорельсовых дорог, начиная от рассматривания стыков монорельса и разработки новых, заканчивая исследованием процессов возникающих при движении подвесного состава по монорельсу.

Были разработаны Гутаревичем В.О.[3] математические модели движения подвесных экипажей по монорельсу как системы упругих тел, связанных между собой. Математические модели представлены системами дифференциальных уравнений, численное решение которых получено методом Рунге-Кутты с использованием пакета прикладных программ Mathcad.

Работа шахтной подвесной [5] монорельсовой дороги, когда происходит движение состава по монорельсу, связана с силовыми действиями, обусловленными реализацией тягового и тормозного усилий, перемещением груза, изменчивостью ускорений, наличием стыков и неровностью пути . В результате этого наблюдаются колебания, приводящие к дополнительным затратам энергии, деформации самого пути и его подвешивания, включая крепь горной выработки. Вследствие чего ухудшаются эффективность, снижается надежность и повышается аварийность работы. С ростом скорости движения и массовой нагрузки на монорельс негативные последствия многократно усиливаются, что в значительной мере ограничивает возможность их эксплуатации

Модель железнодорожного пути предложена Евтух Е.С. в диссертации [6]. Эта модель позволяет исследовать динамические процессы, обусловленные перекатыванием кол?сной пары через рельсовый стык. Модель позволяет учитывать просадку балластного слоя в области рельсового стыка.

В научных трудах Кузнецова Е.В. [11] установлено, что при движении поездных составов на анкеры подвески монорельсовых дорог действуют динамические силы. Суммарные динамические силы складываются от действия инерционных, центробежных и ударных сил. Основную долю в суммарных динамических нагрузках составляют силы, возникающие от движения составов по стыкам и неровностям пути (89,8%). Влияние динамических сил учитывается коэффициентом динамики, величина которого принимается равным 2.

В научных трудах Зеленчука С.М [ 7,8,9] было установлено, что при движении состава на монорельс действует ряд нагрузок, напряжений и деформаций. Это вертикальные, горизонтальные, нагрузка собственного веса, а также сейсмические нагрузки, возникающие в случае обрыва одной из тяг подвески пути. Суммарные динамические силы складываются от действия инерционных, центробежных и ударных сил. Основную долю в суммарных динамических нагрузках составляют силы, возникающие от движения составов по стыкам и неровностям пути (около 89,5%). Выполнены с гнездами для заведения соединено го вертикального торца.

Разработанная динамическая модель бокового раскачивания подвесной монорельсовой дороги. Полученные уравнения движения, проведения их анализ, определены частоты и амплитуды бокового раскачивания подвижного состава. Во время движения подвижного состава монорельсом возникает боковая раскачка экипажа относительно точки подвеса. Установлено, что снуют периодические по времени колебания точки подвеса, при которых отклонение экипажа от заданного фиксированного наклонного положения будут сколько угодно малыми.

В результате теоретических и экспериментальных исследований [10] уточнены закономерности напряженно-деформированного состояния пород кровли при взаимодействии подвесных транспортных устройств с породным массивом. Это позволило разработать и внедрить комплекс технических средств обеспечения устойчивости подземных транспортных выработок, что имеет важное значение для угольной промышленности Кузбасса.

Рассмотрены проблемы [11] эксплуатации шахтных подвесных монорельсовых дорог. Цель работы заключается в повышении эффективности работы и безопасности эксплуатации шахтной подвесной монорельсовой дороги за счет оптимизации переходных процессов, возникающих во время разгона или торможения подвижного состава. Для этого с учетом управляющих воздействий разработана математическая модель движения подвижного состава, установлен критерий оптимальности управления, составлен гамильтониан системы, получена сопряженная система уравнений и ее решение. Установлено, что во время пуска и торможения подвижного состава возникают дополнительные динамические нагрузки, которые через подвеску монорельсового пути передаются на крепь горной выработки. Определен оптимальный режим торможения шахтной подвесной монорельсовой дороги. Найдены зависимости между параметрами подвижного состава и тормозными усилиям. Полученные зависимости позволяют устанавливать целесообразное время включения или отключения тормоза подвижного состава, когда в первоначальный момент еще действует тяговое усилие, частично гасится скорость движения, а затем в момент отключения тяги производится дополнительное торможение до нулевой скорости. Это дает возможность минимизировать время торможения, повысить эффективность и безопасность работы шахтной подвесной монорельсовой дороги.

Обоснованы [12] особенности формирования и актуальность определения дополнительных нагрузок на арочную крепь подготовительных участковых выработок с подвесными монорельсовыми дорогами. С учетом пара- метров транспортирования, характеристик транспортных средств и состояния массива горных пород вокруг подготовительной выработки, проведен анализ ее устойчивости. Представлены результаты шахтных исследований проявления горного давления в выработках, закрепленных арочной крепью, с подвесной монорельсовой дорогой. Приведены рекомендации по определению дополнительных нагрузок на арочную крепь для прогнозирования устойчивости транспортных выработок.

Изложена методика расчета [13] параметров сталеполимерных анкеров, при помощи которых производится подвешивание монорельсовой дороги к кровле горной выработки.

Рассмотренный метод [14] выбора параметров анкеров опробован в условиях шахты ОАО "Разрез Сибиргинский" при подвеске монорельсовой дороги с дизельным локомотивом фирмы "SCHARF" грузоподъёмностью до 25 т. Результаты испытаний подтвердили возможность применения сталеполимерных анкеров для подвески монорельсовых дорог большой грузоподъемности.

Проведены теоретические исследования [15] процесса взаимодействия подвесного состава и монорельсового пути. Определены пределы изменения координат и скорости движения составных частей подвесной монорельсовой дороги. Найдено влияние упруго-диссипативных связей на параметры движения во время торможения подвесного состава. Исследовано движение подвесных экипажей, перевозящих по монорельсовому пути крупногабаритный груз. Установлено, что продольные динамические силы более чем в 1,6 раза могут превышать значение прикладываемых тормозных усилий. Возникающие во время торможения перевозимого груза отклонения относительно вертикали периодически изменяются в пределах от 0,05 до 0,67 рад. Для снижения колебаний достаточно увеличивать значение коэффициента демпфирования сцепок только тормозных тележек, что позволяет не усложнять конструкцию подвижного состава.

По результатам шахтных наблюдений установлено [16], что основными причинами возникновения неровностей рельсового пути и нарушения параллельности рельсовых нитей являются: недостаточная тщательность укладки, содержания и ремонта пути; просадка стыков; исходная искривленность рельсов; особенности конструкции верхнего строения пути, значительный водоприток и пучение почвы и т. д. В соответствии с программой и методикой экспериментальных исследований были проведены замеры рельсовых путей специальным путеизмерительным шаблоном. Обследованию подверглись: откаточный квершлаг (участок длинной 100 м), конвейерный квершлаг (60 м), конвейерный штрек (40 м) и два дренажных штрека (общая длинна участков 200 м). Выработки оборудованные рельсовыми путями с колеей 900 мм из рельсов типа Р33 на железобетонных шпалах – в капитальных выработках и на деревянных – в участковых выработках. Методика измерения включала разбивку исследуемых участков на пикеты длинной 1 метр и определение на каждом пикете ширины колеи, продольного и поперечного профиля. Согласно методике измерений через дно самой глубокой впадины как продольного, так и поперечного профиля проводится условная плоскость, от которой и производится отсчет величины неровности. Результаты обработки шахтных экспериментов указывают на то, что в реальных условиях рельсовая нить представляет собой сложную кривую, которая существенно изменяет свою кривизну как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях на относительно малой базе, равной одному метру. Полученные показатели дают возможность определить фактическое пространственное положение оси рельсового пути и величину отклонения её от номинального положения.

В работе [17] установлена взаимосвязь между тяговой способностью монорельсового локомотива и параметрами механизма прижатия приводных колес. Даны рекомендации по выбору типа прижимного механизма. Анализ влияния типа прижимного механизма показывает, что при движении тягового устройства по участкам с различными углами наклона достаточно иметь три фиксированных уровня усилия прижатия приводных колес. Возникающие за счет этого потери мощности не превышают 5% от расходуемой. Применение автоматического прижима можно считать целесообразным, если потери мощности при трех уровнях будут существенно превышать потери, вызванные увеличением массы тягового устройства, за счет использования механизмов, обеспечивающих автоматический прижим.

Впервые установлены [18] зависимости допускаемых размеров и параметров монорельсовых дорог (радиусов закруглений, вылетов габаритов, линейных и угловых размеров, коэффициентов сопротивления движению на закруглении) от их конструкций и условий эксплуатации, что позволило разработать методику расчёта вписывания.

4. Основная часть

Выводы

  1. В даний час, у великих мегаполісах в країнах СНД і за кордоном, часто стикаються з проблемами пасажиро- і вантажопотоками, особливо в годину пік. За кордоном вже доведено на живих прикладах, на скільки ефективно застосування транспортних гілок монорейкових доріг, де їх вантажопотік безперервний і своєчасний як для фірм (і їх вантажів), так і для пасажирів. Так само застосування підвісних монорейкових доріг масово застосовується в легкій і легко-середньої промисловості на заводах цехах. У країнах СНД застосування ПМД було лише тільки на гірничодобувних підприємствах, зокрема на Донбасі. Так само застосовано в основному на харчових заводах. І тільки в 2000-х роках зароджувалися ідеї, як використовувати такі дороги як для суспільного, так і промислового транспорту. У місці з тим, монорейкові дороги можуть мати свою економічно доцільну сферу застосування як повноцінний вид промислового та дорожньо-будівельного транспорту.

  2. Опис робіт в наукових працях дослідників різних звань, часто описано про узагальнюючих параметрах і їх припущеннях в різних процесах.

  3. Під час експлуатації, підвісна монорейкова дорога відчуває безліч динамічних навантажень, які необхідно знизити, або мінімізувати. В ході руху складу по підвісній монорейковій дорозі, відбуваються різні напруги, коливання і руху (уздовж осі), як позитивні так і негативні. У зонах з залишковими напруженнями, вібраційні навантаження можуть викликати пластичні деформації. Слід звернути увагу на стики, які сприймають згинальний момент і поперечну силу на протязі стику так само, як вони сприймаються цілим рейкою, допускати поздовжні переміщення кінців рейок в стику при зміні довжини рейок внаслідок коливань температури.

Перелік посилань

  1. Ширин Л.Н. Повышение эффективности работы монорельсовых дорог при подготовке запасов угля к очистной выемке : монография / Л.Н. Ширин, В.А. Расцветаев, А.И. Коваль; М-во образования и науки Украины; Нац. горн. ун-т. – Д. : НГУ, 2014. – 144 с.
  2. Айзеншток Л.И. Исследование динамики и обоснование параметров конструкции и условий эксплуатации шахтных скоростных монорельсовых дорог: автореф. дис. ... канд. техн. наук.: спец. 05.05.06 «Горные машины» Айзеншток Леонид Иосифович; ИГТМ АН УССР. – Д., 1983. – 23 с.
  3. Гутаревич В.О. Динамика шахтных подвесных монорельсовых дорог //ЛАНДОН-ХХI, Донецк 2014г. 206стр.
  4. Гутаревич В.О. Влияние подвижной нагрузки на колебания тележек и подвесного монорельсового пути / В.О. Гутаревич // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В.Даля. – 2013. – №18(207). – Ч.1.
  5. Гутаревич В.О. Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах. –2012. –2(30). С. 82-87.
  6. Евтух Е.С. Автореферат. диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Брянск 2014, 19стр.
  7. Зеленчук С.М. Снижение динамических нагрузок подвесной монорельсовой дороги Режим доступа: http://uran.donntu.ru/~masters/2014/fimm/zelenchuk/links/index.htm
  8. Зеленчук С.М. Снижение динамических нагрузок подвесной монорельсовой дороги Режим доступа: http://uran.donntu.ru/~masters/2014/fimm/zelenchuk/library/pdf1.pdf
  9. Зеленчук С.М. Снижение динамических нагрузок подвесной монорельсовой дороги Режим доступа: http://uran.donntu.ru/~masters/2014/fimm/zelenchuk/library/pdf2.pdf
  10. Кузнецов Е. В.. Журнал Вестник Кузбасского государственного технического университета Выпуск№ 4.1 / 2005
  11. Гутаревич В. О. Обоснование оптимального режима пуска и торможения шахтной подвесной монорельсовой дороги / В.О. Гутаревич, Е.Л. Игнаткина // Горный информационно аналитический бюллетень. – 2016. – №9. – С. 29-36.
  12. Ширин Л. Н., Посунько Л. Н., Расцветаев В. А. Оценка эксплуатационных параметров подвесных монорельсовых дорог / Геотехнічна ме- ханіка: Міжвід. зб. наук. праць. Ін-т геотехнічної механіки ім. М.С. По- лякова НАН України. – Дніпропетровськ, 2008. – Вип. 76. – С. 91–96.
  13. Хлусов А. Е. К расчету параметров анкеров, служащих для подвешивания монорельсовой дороги к кровле горной выработки / Сборник научных трудов ВНИМИ // Под ред. Д. В. Яковлева. – СПб.: ВНИМИ, 2012. – С. 317–322.
  14. 15. Кузнецов Е. В. Метод выбора параметров сталеполимерных анкеров для подвески монорельсовых дорог большой грузоподъемности в выработках // Вестник КузГТУ. – 2005. – № 4. – С. 27–28.
  15. Гутаревич В. О. Продольная динамика шахтной подвесной монорельсовой дороги // Науковий вісник НГУ. – 2015. – № 1. – С. 83–88.
  16. Лагунов Д. Оценка влияния состояния рельсового пути на сопротивление движению составаНациональный горный Университет Режим доступа:http://pandia.ru/text/77/290/77690.php
  17. Будишевский В.А. Гутаревич В.О. Обоснование параметров прижимных устройств подвесных монорельсовых локомотивов. Научные труды ДонНТУ, Донецк, Украина 2010. С. 55-65.
  18. Алферова З.В. Теория алгоритмов. М.: Статистика, 1973. - 164 с.