Компьютерный инжиниринг транспортных и логистических систем
Подвесные монорельсовые дороги представляют транспортную систему, включающую: ходовой путь, подвешенный к конструкциям эстакады или здания, по которому могут передвигаться подвижные единицы; путевые устройства, обеспечивающие перевод подвижных единиц с одного пути на другой, расположенный под углом или на другом уровне по отношению к первому; шинопровод, предназначенный для снабжения механизмов дороги электроэнергией и устройств адресования и блокировки.
Самый первый монорельс был создан в России в 1820 году в селе Мячкове, его автор был Иван Кириллович Эльманов (Ельманов). Его монорельс был построен на столбах по верхнему продольному брусу катились вагонетки, которые тянули лошади. В монорельсе Эльманова повозка катилась на специальном полозе по укрепленным на эстакаде колесам. К данной конструкции проявили интерес и в торгово-промышленных кругах; например, был проект использовать ее в Крыму для перевозки соли т.е. создать промышленный монорельс.
В общем в конце XIX века монорельс был частым гостем на разнообразных выставках. В 1872 году монорельс на кабельной тяге демонстрировался в Лионе, в 1891 году в Сент-Луисе демонстрировался монорельс с вагонами наподобие трамвайных.
Но действующего и проходящего эксплуатацию монорельса все еще не было. Они оставались на стадии экспериментальных образцов, но в большинстве случаев – на стадии проектов.
Первая в мире подвесная монорельсовая дорога (ПМД) была смонтирована и сдана в эксплуатацию 1 марта 1901г. в городе Вуппертале, Германия, действующая по настоящее время. Официальное название Монорельсовая подвесная дорога системы Ойгена Лангена (нем. Einschienige Hangebahn System Eugen Langen), протяженностью в 13,3км (3,3км в городе, 10км над руслом реки).
В ходе движения состава по подвесной монорельсовой дороге, происходят различные напряжения, колебания и движения (вдоль оси), как положительные и отрицательные. В зонах с остаточными напряжениями, вибрационные нагрузки могут вызвать пластические деформации.
Так же нужно обратить внимание на стыки, которые воспринимают изгибающий момент и поперечную силу на протяжении стыка так же, как они воспринимаются целым рельсом, допускать продольные перемещения концов рельсов в стыке при изменении длины рельсов вследствие колебаний температуры. (ссылка на википедию)
В настоящее время, в больших мегаполисах в странах СНГ и за рубежом, часто сталкиваются с проблемами пассажиро- и грузопотоками, особенно в час пик. За рубежом уже доказано на живых примерах, на сколько эффективно применение транспортных веток монорельсовых дорог, где их грузопоток непрерывен и своевременен как для фирм(и их грузов), так и для пассажиров. Так же применение подвесных монорельсовых дорог массово применяется в легкой и легко-средней промышленности на заводах цехах. В странах СНГ применение ПМД было лишь только на горнодобывающих предприятиях, в частности на Донбассе. Так же применено в основном на пищевых заводах. И только в 2000-х годах зарождались идеи, как использовать такие дороги как для общественного таки промышленного транспорта.
Вместе с тем, монорельсовые дороги могут иметь свою экономически целесообразную сферу применения как полноценный вид промышленного и дорожно-строительного транспорта. Так, в частности, мобильная монорельсовая дорога дает возможность перемещения исполнительного органа для заливки цельного бордюра, дорожного полотна на автодороге далеко от населенных пунктов, не прибегая к перегону большого кол-ва техники, и персонала. Перемещение грузов в стесненном или затруднённом пространстве.
Цель работы – Повышение эффективности мобильной подвесной монорельсовой дороги (МПМД), за счет обоснования параметров монорельсового пути и подвижного состава.
Идея работы – разработать план пути, а так же снизить нагрузки на элементы монорельсовой дороги.
Задачи:
- разработать план пути МПМД по трассе и дуге дороги
- установить факторы, влияющие на динамику при движении монорельсового состава по дороге
- проанализировать исследования на наличие усовершенствований
- составить инженерный метод анализа задачи
- выполнить исследования и понизить динамическую нагрузку
Объект исследования - динамические процессы, которые формируются подвижным составом при движении монорельса.
Предметом исследования функциональная связь между параметрами монорельсового пути и подвижного состава.
Понятие мобильный монорельс
Мобильный – способность сравнительно быстрой сборки, и готовый быстро выполнять задания для проведения работ, а так же наращиванию для перемещения по ходу фронта работ.
Монорельс - железная дорога, в которой используется один несущий рельс.
Рисунок 1. Вид сбоку
Рисунок 2. Вид спереди
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.
СНГи за рубежом, часто сталкиваются с проблемами пассажиро- и грузопотоками, особенно в час пик. За рубежом уже доказано на живых примерах, на сколько эффективно применение транспортных веток монорельсовых дорог, где их грузопоток непрерывен и своевременен как для фирм(и их грузов), так и для пассажиров. Так же применение подвесных монорельсовых дорог массово применяется в легкой и легко-средней промышленности на заводах цехах. В странах СНГ применение
ПМДбыло лишь только на горнодобывающих предприятиях, в частности на Донбассе. Так же применено в основном на пищевых заводах. И только в 2000-х годах зарождались идеи, как использовать такие дороги как для общественного, так и промышленного транспорта. В месте с тем, монорельсовые дороги могут иметь свою экономически целесообразную сферу применения как полноценный вид промышленного дорожно-строительного транспорта.
Снижение динамических нагрузок подвесной монорельсовой дорогиРежим доступа: http://uran.donntu.ru/~masters/2014/fimm/zelenchuk/links/index.htm
Снижение динамических нагрузок подвесной монорельсовой дорогиРежим доступа: http://uran.donntu.ru/~masters/2014/fimm/zelenchuk/library/pdf1.pdf
Снижение динамических нагрузок подвесной монорельсовой дорогиРежим доступа: http://uran.donntu.ru/~masters/2014/fimm/zelenchuk/library/pdf2.pdf
Оценка влияния состояния рельсового пути на сопротивление движению составаНациональный горный Университет Режим доступа:http://pandia.ru/text/77/290/77690.php