Патент на изобретение №2204636

(54) РЕЛЬС ТРАНСПОРТНОЙ СИСТЕМЫ ЮНИЦКОГО

(57) Реферат:

Изобретение относится к транспорту, в частности к транспортным системам эстакадного и подвесного типа, использующим рельсовую путевую структуру. Сущность изобретения: полый корпус 1 цилиндрической формы, внутри которого размещен предварительно напряженный продольный силовой элемент 2, а пространство между корпусом и наборным элементом заполнено наполнителем 3. Предварительно напряженный продольный силовой элемент 2 выполнен в виде нескольких канатов, распределенных по поперечному сечению рельса, а стенки корпуса выполнены замкнутыми. Возможны различные варианты распределения канатов по сечению рельсов и оптимальное соотношение площадей поперечного сечения корпуса рельса и канатов. Изобретение направлено на увеличение несущей способности рельса, используемого в транспортной системе. 7 з.п.ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к транспорту, в частности к транспортным системам эстакадного и подвесного типа, использующим рельсовую путевую структуру. Оно может быть использовано при создании скоростных дорог для больших городов и междугородных сообщений, в том числе в условиях сильно пересеченной местности, гор, пустынь, а также при построении межцеховых транспортных структур рассредоточенных производственных предприятий – как для многорельсовых, так и монорельсовых путей.

Известен рельс, используемый для перемещения по нему на колесах или роликах подвесных вагонеток и выполненный в виде полой стальной трубы цилиндрической формы (см. описание к патенту США 2997003, НКИ 104-93, 1961).

Недостатком известного рельса является его малая несущая способность, приходящаяся на единицу собственного веса.

Известна транспортная система, в которой используются рельсы в виде полых стальных цилиндрических труб, соединенных прямоугольной пластиной, проходящей внутри труб (см. описание к патенту США 5738016, НКИ 104-107, 1998).

Указанная конструкция имеет более высокую устойчивость и несущую способность, но ее удельная несущая способность еще недостаточно высока.

Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности и достигаемому результату является рельс, используемый в линейной транспортной системе Юницкого (см. описание к патенту РФ 2080268, В 61 В 5/02, 1997, фиг.8). Известный рельс содержит полый корпус цилиндрической формы, внутри которого размещен предварительно напряженный продольный силовой элемент, а пространство между корпусом рельса и силовым элементом заполнено наполнителем.

Недостатком известного рельса является его недостаточно высокая несущая способность, вызванная неоптимальным месторасположением продольного силового элемента, и повышенная материалоемкость. Последнее обусловлено наличием явно выраженной головки рельса, соединяемой с разрезным корпусом. По указанным причинам и головка, и корпус рельса испытывают высокие изгибные напряжения, что вызывает необходимость в увеличении площади поперечного сечения и, как следствие, приводит к увеличению материалоемкости.

Заявляемое изобретение направлено на увеличение несущей способности рельса, используемого в транспортной системе Юницкого.

Указанный результат достигается тем, что в рельсе транспортной системы Юницкого, содержащем полый корпус цилиндрической формы, внутри которого размещен предварительно напряженный продольный силовой элемент, а пространство между корпусом и продольным силовым элементом заполнено наполнителем, предварительно напряженный продольный силовой элемент выполнен в виде нескольких канатов, прутьев или высокопрочных проволок, распределенных по поперечному сечению рельса, а стенки корпуса выполнены замкнутыми.

Указанный результат достигается также тем, что канаты, прутья или высокопрочные проволоки размещены по всему внутреннему периметру корпуса рельса.

Указанный результат достигается также тем, что канаты, прутья или высокопрочные проволоки размещены по дуге в верхнем и нижнем сегментах сечения корпуса рельса.

Указанный результат достигается также тем, что канаты, прутья или высокопрочные проволоки размещены по хордам верхнего и нижнего сегментов сечения корпуса рельса.

Указанный результат достигается также тем, что канаты, прутья или высокопрочные проволоки распределены по сторонам вписанного в сечение полости корпуса квадрата.

Указанный результат достигается также тем, что число канатов, прутьев или высокопрочных проволок, размещенных по горизонтальным сторонам вписанного квадрата, больше, чем по вертикальным.

Указанный результат достигается также тем, что суммарная площадь поперечных сечений канатов, прутьев или высокопрочных проволок и стенок корпуса рельса выбраны из следующего соотношения:

где F_п.э – суммарная площадь поперечных сечений канатов, прутьев, или высокопрочных проволок, мм²;
F_p – площадь поперечного сечения стенок корпуса рельса, мм².

Указанный результат достигается также тем, что участок стенки корпуса рельса, взаимодействующий с колесом транспортного средства, выполнен утолщенным.

Выполнение стенок корпуса замкнутыми позволяет повысить жесткость конструкции и ее несущую способность.

Выполнение предварительно напряженного продольного наборного элемента в виде нескольких канатов, прутьев или высокопрочных проволок, распределенных по поперечному сечению рельса, позволяет существенно повысить несущую способность рельса. Это объясняется тем, что при нагрузке на рельс со стороны колес транспортного средства в момент нахождения его в пролете между опорами рельс работает как гибкая нить (канат) и, в то же время, как неразрезная жесткая балка, работающая на изгиб. Поэтому, от воздействия веса транспортного средства, та часть канатов, которая расположена в нижней части поперечного сечения корпуса рельса, будет испытывать усилия, направленные на растяжение, а расположенная в верхней части – на сжатие. Но поскольку рельсы в транспортной системе крепятся на опорах, то на участках, взаимодействующих с опорами, в этот же момент времени будет наблюдаться обратная картина – канаты в верхней части сечения корпуса рельса будут подвергаться усилию растяжения, а в нижней – сжатия. В результате по всей длине канатов нагрузки на растяжение – сжатие почти полностью компенсируют друг друга. При этом образующаяся в верхних и нижних канатах пара сил частично воспримет возникающий в рельсе под действием нагрузки изгибающий момент. В результате рельс будет частично разгружен и его стенки могут быть выполнены с меньшей толщиной.

Соответственно, чем дальше oт оси рельса будут находиться канаты, тем лучше будет компенсация усилий сжатие – растяжение, поэтому в частных случаях реализации наиболее целесообразно размещать канаты по внутреннему периметру корпуса рельса.

С другой стороны, в частных случаях эксплуатации возможно, что рельсы не будут воспринимать боковых нагрузок (например, ветровых, если пути будут прокладывать в туннелях под водой или в горных массивах), и тогда размещение канатов по всему периметру нецелесообразно. В таких случаях достаточно разместить канаты лишь в верхнем и нижнем сегментах поперечного сечения корпуса рельса, что снизит материалоемкость рельса при сохранении несущей способности. И размещать их можно либо по дуге, либо в горизонтальной плоскости. В последнем случае все канаты будут находиться в одинаковых условиях нагрузок сжатия – растяжения.

Для обеспечения одинаковых условии для канатов при наличии не только вертикальных нагрузок, но и боковых, целесообразно размещать канаты по сторонам квадрата, вписанного в круглое сечение корпуса рельса. При этом, поскольку боковые нагрузки меньше вертикальных, то число канатов, размещаемых по вертикальным сторонам квадрата, может быть меньшим, чем по горизонтальным, что позволит снизить материалоемкость рельса.

Размещение внутри рельса предварительно напряженного продольного силового элемента, с указанными соотношениями площадей поперечных сечений составляющих его канатов и корпуса рельса, позволяет существенно повысить удельную несущую способность рельса. Это объясняется следующим. При перепаде температур 100^oС (от -50^oС зимой до +50^oС летом на солнце), коэффициенте температурного расширения стали =0,0000125, модуле упругости стали Е=210⁶ кгс/см² (210⁴ кгс/мм²) изменение напряжений в стали под воздействием температуры (при неизменной длине конструкции) составляет
=0,000012520000100^oС=25 кгс/мм² (2500 кгс/см²).

Без использования предварительно напряженного силового элемента, при положительной температуре окружающей среды, в рельсе могут возникнуть недопустимые напряжения сжатия, в результате чего произойдет потеря продольной устойчивости. При использовании установленного в корпусе рельса предварительно напряженного силового элемента потери устойчивости рельса при возникновении в нем сжимающих напряжений не происходит, если усилия сжатия в рельсе будут ниже усилий растяжения в предварительно напряженном продольном элементе (для конструкции в целом важна результирующая сила, равная сумме сжимающих и растягивающих усилий, а не каждая сила в отдельности):
N_{р.сжатия}п.э. _{растяж.}, или
_{р.сжатия}F_p<_{п.э.растяж}F_пр.э, или
_{н.э.растяж}F_пр.э–_{р.сжатия}F_p>0.
При этом эпюра температурных напряжений в рельсе может быть с в два раза меньшими наибольшими напряжениями (напряжения растяжения 0…12,5 кгс/мм² в температурном диапазоне 0. . .-50^oС и напряжения сжатия 0…12,5 кгс/мм² в температурном диапазоне 0. ..+50^oС). Допустимые температурные напряжения в продольном силовом элементе (например, стальном канате, высокопрочные проволоки которого получают волочением через фильеру) могут быть до 200 кгс/мм², а в рельсе, получаемом прокатом, – порядка 20 кгс/мм², поэтому для обеспечения одинаковых усилий площадь каната может быть в

раз меньшей (или наоборот:
),
чем площадь стенок корпуса рельса. При максимальном соотношении

и более будет значительной площадь каната (и, соответственно, повышенная материалоемкость рельса и анкерных опор, куда натягивается канат и рельс; соответственно – повышенная стоимость транспортной системы); это также приведет к возникновению значительных температурных изменений усилий в канате, что потребует возведения более мощных анкерных опор.

Поскольку участок стенки корпуса рельса, взаимодействующий с колесами транспортных средств, подвергается износу, то в частных случаях реализации целесообразно выполнять его утолщенным.

Сущность заявляемого рельса поясняется чертежами. На фиг.1 показано поперечное сечение рельса, реализуемого в наиболее общем виде; на фиг.2 показано поперечное сечение рельса с распределением канатов по периметру; на фиг. 3 показано поперечное сечение рельса с распределением канатов по дуге верхнего и нижнего сегментов; на фиг.4 показано поперечное сечение рельса с распределением канатов в горизонтальной плоскости в верхнем и нижнем сегменте; на фиг.5 показано поперечное сечение рельса с распределением канатов по сторонам квадрата, вписанного в сечение; на фиг.6 – поперечное сечение рельса с утолщенным участком стенки; на фиг.7 – поперечное сечение рельса с утолщением в виде соединенного с корпусом сегмента трубы большего диаметра; на фиг.8 – поперечное сечение рельса с составным цилиндрическим корпусом из двух секторов трубы, один из которых выполнен с более толстыми стенками.

Рельс содержит полый корпус 1 цилиндрической формы, выполненный, например, из стали, внутри которого расположен предварительно напряженный продольный силовой элемент 2, выполненный, например, в виде стальных канатов, стального прутка (арматуры) или высокопрочной стальной проволоки (возможно различное их сочетание друг с другом).

Пространство между стенками корпуса и канатами заполнено наполнителем 3, в качестве которого могут быть использованы известные материалы – вспененные полимеры, пенобетон, керамика, бетон и т.п. Этим же материалом может быть заполнено и пространство между проволоками или прутками продольного силового элемента 2, что в значительно степени позволяет увеличить его изгибную жесткость.

Рельс может иметь, в зоне взаимодействия с колесом транспортного средства, утолщение 4 (фиг.6) либо иметь накладку 5 (фиг.7). Полый рельс 1 цилиндрической формы может быть как цельным (фиг.1-7), так и составным, из секторов 6 и 7 (фиг. 8), соединенных друг с другом известными способами, например сваркой. Сектор 6, взаимодействующий с колесом транспортного средства, выполнен утолщенным.

Работа рельса не описывается, поскольку он не содержит движущихся узлов и деталей и используется в статике.

Формула изобретения

1. Рельс транспортной системы, содержащий полый корпус цилиндрической формы, внутри которого размещен предварительно напряженный продольный силовой элемент, а пространство между корпусом и продольным силовым элементом заполнено наполнителем, отличающийся тем, что предварительно напряженный продольный силовой элемент выполнен в виде нескольких канатов, прутьев или высокопрочных проволок, распределенных по поперечному сечению рельса, а стенки корпуса выполнены замкнутыми.

2. Рельс по п. 1, отличающийся тем, что канаты, прутья или высокопрочные проволоки размещены по всему внутреннему периметру корпуса рельса.

3. Рельс по п. 1, отличающийся тем, что канаты, прутья или высокопрочные проволоки размещены в верхнем и нижнем сегментах сечения корпуса рельса по дуге.

4. Рельс по п. 1, отличающийся тем, что канаты, прутья или высокопрочные проволоки размещены по хордам верхнего и нижнего сегментов сечения корпуса рельса.

5. Рельс по п. 1, отличающийся тем, что канаты, прутья или высокопрочные проволоки распределены в корпусе по сторонам квадрата, вписанного во внутреннее сечение корпуса рельса.

6. Рельс по п. 5, отличающийся тем, что число канатов, прутьев или высокопрочных проволок, размещенных по горизонтальным сторонам вписанного квадрата, больше, чем по вертикальным.

7. Рельс по п. 1, отличающийся тем, что суммарная площадь поперечных сечений канатов, прутьев, или высокопрочных проволок и стенок корпуса рельса выбраны из следующего соотношения:

где F_п.э. – суммарная площадь поперечных сечений канатов, прутьев или высокопрочных проволок, мм²;
F_p – площадь поперечного сечения стенок полого рельса, мм².

8. Рельс по п. 1, отличающийся тем, что участок стенки корпуса рельса, взаимодействующий с колесом транспортного средства, выполнен утолщенным.

РИСУНКИ