Согласно плану, установленному Международным Советом по Изменению Климата, к 2050 году парниковые газы в городах должны сократиться на 50% [2]. Однако высочайшие темпы урбанизации ведут к тому, что мегаполисы, экономика которых зависит от мобильности жителей, превращаются в эпицентры дорожно-транспортных и, как следствие, экологических проблем. Необходимость внедрения качественно новых и модернизации имеющихся транспортных комплексов обусловливает актуальность задачи по определению оптимальной концепции транспортной системы мегаполиса.
На основании анализа предлагаемых в мировой практике решений данного вопроса автором сделан вывод о целесообразности проектирования городов с ориентацией на транспорт: общественный, движущийся по выделенной полосе, надземный, рельсовый. Экологичность достигается за счет применения в качестве транспортного средства (ТС) подвижных единиц (ПЕ) на электрической тяге, альтернативы использования которой в мире на сегодняшний день не существует.
Объектом исследования является функционирование трубопроводной системы как пассажирского транспортного комплекса с использованием различных видов энергии для движения ТС, определение массогабаритных и технических характеристик ТС и анализ полученных значений удельных расходов энергии на движение.
Предпосылки к развитию подобной системы появились более 5 тысяч лет назад. Назначение и принцип её функционирования неустанно развивались от напорного трубопровода для перекачки жидкостей и «пневмопочты» до предложения к возведению системы, действующей на основе технологии ET3 (Evacuated Tube Transport Technologies–англ. «технологии транспортировки по вакуумной трубе») [5, 6]. Ретроспективный анализ показал тенденцию к увеличению интереса за последние 50 лет к подобному решению транспортной проблемы городов. Сделан вывод о том, что разработка и внедрение качественно новых маршрутных систем, не как альтернатива уже существующим видам транспорта, но как дополнительная, усиливающая их компонента, могут служить решением актуальной задачи определения оптимальной транспортной системы мегаполиса.
В свою очередь, автором предложено исследовать преимущества применения трубопроводной системы как пассажирского транспортного комплекса. В результате анализа выявлено следующее:
свойство трубы экранировать, защищать подвижной состав от внешней среды; возможность абсолютной автоматизации системы;
предпосылки к снижению материалоемкости производства в 3-4 раза по сравнению с возведением традиционных железобетонных эстакад.
В дополнение ко всему, транспортный комплекс подразумевает использование возобновляемых экологически чистых видов энергии для движения транспортных средств.
Выводы об адекватности идеи применения трубопроводной системы как пассажирского транспортного комплекса основаны на результатах анализа, ориентированного на проектный выбор наиболее рационального поперечного сечения несущей конструкции надземной путевой структуры. В работе исследованы различные сечения на их жесткость, и способность выдерживать механические нагрузки. При этом, сопоставление результатов для любых конструкций подразумевает обязательное соблюдение равенства площадей поперечных сечений.
Такие исследования предполагают выполнение расчета максимального значения нормального напряжения в поперечном сечении несущей конструкции, закрепленной на опорах при ее изгибе, и определение максимальной величины прогиба.
Среди исследованных форм поперечных сечений несущих конструкций были рассмотрены наиболее рациональные с точки зрения построения надземной трубопроводной эстакады:
прямоугольная коробчатая балка,
квадратное сечение,
кольцо.
Из теории сопротивления материалов известно, что стремление при одной и той же площади получить наибольший момент сопротивления сечения при изгибе, а, значит, и наименьшее значение нормального напряжения в поперечном сечении, ведет к размещению большей части материала дальше от нейтральной оси. Этому условию в большей степени соответствуют конструкции, имеющие в поперечном сечении форму окружности.
Вывод подтверждается как аналитическими расчетами, так и результатами имитационного моделирования методом конечных элементов (Finite Element Modelling - FEM), результаты которых сведены в таблицу 1.
Таблица 1
Результаты моделирования методом FEM
|
Сечение |
W, о.е. |
, о.е. |
|
прямоугольная коробчатая балка |
1.0 |
3.0 |
|
квадрат |
1.6 |
1.9 |
|
кольцо |
3.0 |
1.0 |
В таблице приведены в относительных единицах максимальные значения моментов сопротивления сечения (обозначено как W) при изгибе и максимальные значения нормального напряжения в поперечном сечении для рассмотренных форм несущей конструкции надземной путевой структуры. Таким образом, несущие конструкции, имеющие в поперечном сечении форму окружности, оказываются наиболее предпочтительны, для построения надземной путевой структуры пассажирского транспортного комплекса.
Проведенный тягово-энергетический расчет, основные результаты которого отражены в таблице 2, показал эффективность функционирования трубопроводного пассажирского транспортного комплекса.
Таблица 2
Данные по расходам энергии поездами [4, с. 50],
|
Троллейбус |
Трамвай |
Разрабатываемое ТС |
ЭЖД |
Метрополитен |
|
140…170 |
80…110 |
77,5 … 78,2 |
45…60 |
35…45 |
Значения удельного расхода энергии на движение превосходят те же показатели для троллейбуса и трамвайного вагона, и только уступают аналогичным характеристикам метрополитена и ЭЖД.
Дальнейшее совершенствование трубопроводного пассажирского транспортного комплекса, направленное на повышение технико-экономических показателей, может быть достигнуто за счет минимизации веса конструкции трубопровода. Как показывают предварительные результаты, применение волокнистых конструкционных материалов в технологии изготовления элементов несущей конструкции способно снизить материалоемкость производства в 3-4 раза по сравнению с возведением традиционных железобетонных эстакад.
Кроме того, оказывается эффективным использование технологии подземно-наземного перемещения вагонов по рельсовым путям, проложенным в горизонтальной и наклонной плоскостях. Так траектория тоннелей, соединяющих наземные станции системы «Метролюкс» (OOO «ТОМАК, ЛТД»), непрерывно «работает», помогая вагонам в начале пути развивать скорость и плавно снижать ее на подъемах перед остановкой. Таким образом, обеспечивается до 50% экономии электроэнергии на тягу, что многократно окупает стоимость постройки и содержания комплекса [3].
На настоящий момент автором проводятся исследования в данной области, объединяющей преимущества наклонных профилей, рациональных технологий изготовления и конструкций надземных путевых структур.
Основные результаты работы, полученные автором:
Определен оптимальный вариант конструкции надземной путевой структуры – форма трубопровода, произведены прочностные аналитический и расчет с применением имитационных методов FEM, подтверждающие корректность выбранной формы.
Построена модель надземной эстакады трубопроводного типа, исследованы её механические свойства методом конечных элементов.
Разработано транспортное средство и определены его массогабаритные показатели в соответствии с принятыми параметрами конструкции путевой структуры.
Произведен тягово-энергетический расчет с построением кривых движения расчетно-графическим способом.
Научная новизна работы определяется в создании основ теории разработки эстакадного пассажирского транспортного комплекса. Рекомендации и выводы могут быть использованы как в научно-исследовательской, так и в практической деятельности (модернизация, реконструкция и проектирование маршрутных сетей).
Апробация основных результатов работы. Содержание и результаты выполненных исследований докладывались и обсуждались на научной студенческой конференции в рамках Дней Науки НГТУ-2012, всероссийской конференции «Наука. Технологии. Инновации» [1].
Литература:
Воробьева А.К. Трубопроводная эстакада как новый вид путевой структуры городского электрического транспорта/А.К.Воробьева, С.В.Мятеж // Дни науки НГТУ - 2012. Материалы научной студенческой конференции
Ньюман, П. WakeUp! Живая планета нуждается в помощи: Города будущего. Ч.7. [Электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://www.wakeup.ru/articles/18/130/
Скоростная городская транспортная система «Метролюкс». [Электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://mindortrans.tatarstan.ru/rus/innov.proekt/speed_metrlux.htm
Сопов В.И, Прокушев Ю.А. Электроснабжение электрического транспорта: Учебное пособие. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. — 140с.
Транспортная компания «Транспорт-Русь» / Информационная статья. Трубопровод тоже транспорт. [Электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://transportda.ru/article37.html#top
Evacuated Tube Transport Technologies: et3 Network: Space Travel on Earth. [Электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://et3.com/
