PL224868B1 - System kolei na poduszce powietrznej, zwłaszcza pasażerskiej - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest system kolei na poduszce powietrznej, zwłaszcza pasażerskiej.

Dotychczas w stanie techniki znane są projekty wagonów unoszących się na poduszce powietrznej. Według autora A. Moldenhawera „Poduszkowce” wyd. 1966 - Wydawnictwa Komunikacji i Łączności jest podane, że w 1961 r. jedna z brytyjskich firm zaproponowała rozwiązanie transportu między śródmieściami dużych miast W. Brytanii za pomocą poduszkowców. Stwierdzono, że poduszkowce poruszające się po torze betonowym na wysokości 1,5 cm z prędkością 500 km/h były najszybszymi i najtańszymi środkami komunikacji na odcinku 300 do 400 km. Zaproponowano budowę dużych wagonów w kształcie kadłuba samolotu i zdolności przewozu 500 pasażerów lub 50 ton ładunku po pasach betonowych. Siłę ciągu wagonu dawałoby śmigło lotnicze.

Inną koncepcję wagonów przedstawił koncern Ford a jego propozycją była budowa kolei szynowej z dobrą statecznością. Wagony poruszałyby się z prędkością od 300 do 800 km/h na cieniutkiej warstwie sprężonego do kilku atmosfer powietrza o grubości filmu od 1 do 2 mm co pozwalałoby na małe obciążenie mocy na jednostkę ciężaru wagonu z pasażerami.

Aktualnie w Europie i świecie nie realizuje się projektów budowy kolei na poduszce powietrznej.

Niemcy aktualnie prowadzą doświadczenia na kolei z poduszką magnetyczną, w której siłę ciągu wagonu i jego nośność zapewnia elektryczny silnik liniowy.

Z polskiego opisu patentowego Nr 185885 znany jest wentylator do samolotów skróconego startu i lądowania lub do poduszkowca. Jest to urządzenie dwuwirnikowe poprzecznego przepływu wyporowo-dynamicznego z cyrkulacją do tworzenia poduszki powietrznej i uzyskiwania siły ciągu wagonu.

Celem wynalazku jest rozwiązanie problemu wykorzystania istniejącego torowiska kolei po m odernizacji, dostosowując je do systemu kolei na poduszce powietrznej.

lstota systemu kolei na poduszce powietrznej, zwłaszcza pasażerskiej z istniejącym torowiskiem polega na tym, że do końców podkładów przymocowane są sztywno prowadnice o profilu ceowym wzdłuż szyn istniejących na odcinkach linii kolejowej bez zwrotnic, tak aby półki ceowników prowadnic o profilu ceowym skierowane były do szyn istniejących. Dolna powierzchnia górnej półki każdego ceownika prowadnicy o profilu ceowym jest ograniczeniem poprzez rolki ułożyskowane na dolnych końcach podwójnych haków w maksymalnej wysokości hmax pomiarowej poduszki powietrznej, przy czym jeden podwójny hak znajduje się między dwoma kołami wózka wagonu. Koła wózka z zestawem osiowym wagonu mają kołnierze oporowe o powiększonych średnicach do wartości podwojonej sumy h_max + AR_min, gdzie AR_min jest zapasem stateczności. Każdy podwójny hak na górnym końcu zamocowany jest obrotowo na sworzniach o osi ułożonej wzdłuż linii szyn istniejących i osadzony jest w okuciu sztywno przymocowanym do konstrukcji nośnej wagonu, przy czym podwójne haki z rolkami są odchylane obrotowo nad szynami istniejącymi bezkolizyjnie. Przestrzeń między po dłogą wagonu a szynami istniejącymi i prowadnicami o profilu ceowym z podłożem podzielona jest krzyżowo na cztery prostokątne komory a zewnętrzne i wspólne ich boki są uszczelnione z podłożem i prowadnicami o profilu ceowym torowiska, układem szczotek. W każdej komorze wzdłuż wagonu jest zamontowany jeden wentylator poduszki wielosekcyjny z owiewką, przy której znajduje się zbieżnorozbieżna dysza dławiąca, natomiast wspólne boki czterech komór prostokątnych wyposażone są w nastawialne obrotowo szczotki na zawiasach, w bok i do tyłu nad płaszczyzną bieżni szyn istniejących i prowadnic o profilu ceowym. Nad górną półką każdej prowadnicy o profilu ceowym znajduje się czujnik przymocowany do podwójnego haka. Do każdego podwójnego haka przymocowany jest czujnik tak, aby płaszczyzna zagięcia podkowy elektromagnesu znajdowała się w strefie grubości górnej półki prowadnicy o profilu ceowym. Każda z czterech komór poduszki ma przyporządkowany blok sterujący, zaś wejście do każdego bloku połączone jest z czujnikami każdej komory przewodami ele ktrycznymi. Czujnik Halla jest połączony przewodem elektrycznym z blokiem pierwszym natomiast wyjścia z każdego z czterech bloków połączone są przewodami elektrycznymi z hydraulicznymi elektromechanicznymi siłownikami żaluzji w ten sposób, aby każda żaluzja była sterowana oddzielnie przez jeden z czterech bloków. Górne osłony wentylatorów poduszki zaopatrzone są w nastawiane żaluzje z hydraulicznymi elektromechanicznymi siłownikami serwomechanizmów. Do środnika jednej prowadnicy o profilu ceowym, po stronie szyny istniejącej przymocowana jest listwa niemagnetyczna z wtopionymi pionowo stosami magnesów sztabkowych z podziałką, tak aby jednoimiennie ich bieguny były na zewnątrz listwy do współdziałania z przeciwnym biegunem magnesu sztabkowego czujnika Halla, który jest przymocowany do podwójnego haka.

PL 224 868 B1

Korzystnym skutkiem stosowania wynalazku jest wykorzystanie istniejących torowisk linii kolejowych po ich niekosztownej modernizacji i bardzo dobra stateczność wagonów, zwłaszcza w kierunku poprzecznym do linii torów. Kolej na poduszce powietrznej może konkurować z koleją magnetyczną pod względem kosztów budowy i eksploatacji torowisk, które muszą być bardzo dokładnie wykonanie od podstaw. Kolejnym korzystnym skutkiem stosowania wynalazku jest to, że po zmodernizowanych torach może przejechać pociąg bez poduszki powietrznej lub z poduszką wyłączoną np. pociąg do operacji odśnieżania torów. Innym korzystnym skutkiem jest znaczne odciążenie konstrukcji torów, wiaduktów, mostów kolejowych ze znacznym zmniejszeniem ich dynamiki drgań podczas przejazdu pociągu z dużą prędkością i komfort podróżowania pasażerów.

Przedmiot wynalazku przedstawiony jest w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 - przedstawia rzut poziomy wzdłuż linii toru zmodernizowanego torowiska i zestaw osiowy kół wagonu, fig. 1a - powiększony rzut szczegółu A ograniczenia maksymalnej wysokości pomiarowej poduszki, fig. 1b - rzut poziomy w kierunku B na ograniczenia maksymalnej wysokości poduszki, fig. 1c - rzut poziomy w kierunku C na koła wagonu, fig. 2 - przekrój poprzeczny A-A wagonu, fig. 3 - przekrój wzdłużny wagonu z wyrwaniami, fig. 4 - rzut poziomy czujnika C₁ do pomiaru wysokości pomiarowej poduszki, fig. 5 - rzut poziomy czujnika C₂ do pomiaru prędkości zmian wysokości pomiarowej w czasie, fig. 5a - rzut pionowy czujnika C₂ i wycinek prowadnicy o profilu ceowym, fig. 6 - schemat działania czujnika C_H Halla do pomiaru prędkości wagonu, fig. 7 - schemat blokowy układu automatycznej regulacji ciśnienia poduszki powietrznej.

Budowa systemu kolei na poduszce jest następująca: do końców 6 istniejącego torowiska przymocowane są sztywno prowadnice 4 o profilu ceowym wzdłuż szyn i istniejących na odcinkach linii kolejowej bez zwrotnic tak aby półki ceowników skierowane były do szyn 1. Dolna powierzchnia górnej półki każdej prowadnicy 4 o profilu ceowym jest ograniczeniem poprzez rolki 8 ułożyskowane na dolnych końcach podwójnych haków 7 maksymalnej wysokości h_max pomiarowej poduszki powietrznej, przy czym jeden podwójny hak 7 znajduje się między dwoma kołami 2 wózka wagonu. Każdy podwójny hak 7 na górnym końcu zamontowany jest obrotowo na sworzniach 9 o osi ułożonej wzdłuż linii szyn i istniejących i osadzony w okuciu sztywno przymocowanym do konstrukcji nośnej 11 wagonu. Podwójne haki 7 z rolkami 8 są odchylane obrotowo nad szynami 1 istniejącymi bezkolizyjnie po łuku o promieniu r. Koła 2 wagonu mają kołnierze 3 oporowe o powiększonych średnicach do wartości podwojonej sumy h_max + AR_min, gdzie AR_min jest minimalnym zapasem stateczności. Przestrzeń między podłogą wagonu a szynami 1 istniejącymi i prowadnicami 4 o profilu ceowym z podłożem 19 podzielona jest krzyżowo na cztery prostokątne komory I, II, III, IV, a zewnętrzne i wspólne ich boki są uszczelnione z podłożem 19 i prowadnicami 4 o profilu ceowym torowiska, układem szczotek 18. W każdej komorze I, Η, III, IV, wzdłuż wagonu jest wmontowany jeden wentylator 12 poduszki wielosekcyjny z owiewką 15, przy której znajduje się zbieżno-rozbieżna dysza dławiąca. Górne osłony wentylatorów 12 poduszki zaopatrzone są w nastawialne żaluzje 16 z hydraulicznymi elektromechanicznymi siłownikami 22 serwomechanizmów. Wspólne boki czterech komór prostokątnych wyposażone są w nastawialne obrotowo szczotki 18 na zawiasach w bok i do tyłu nad płaszczyzną bieżni szyn 1 istniejących. Do każdego podwójnego haka 7 przymocowany jest czujnik C₂ tak, aby płaszczyzna zagięcia podkowy jego elektromagnesu znajdowała się w strefie grubości górnej półki prowadnicy 4 o profilu ceowym, zaś nad tą półką znajduje się czujnik C1 przymocowany do podwójnego haka 7. Do środnika jednej prowadnicy 4 o profilu ceowym po stronie szyny 1 istniejącej przymocowana jest listwa 10 niemagnetyczna z wtopionymi pionowo stosami magnesów 10a sztabkowych z podziałką t, tak aby jednoimienne ich bieguny były na zewnątrz listwy 10 niemagnetycznej do współdziałania z przeciwnym biegunem magnesu 10b czujnika Ch Halla, który jest przymocowany do podwójnego haka 7. Każdy zestaw 5 osiowy z kołami 2 ułożyskowany jest w konstrukcji wózków 11a, która jest połączona z konstrukcją 11 nośną wagonu poprzez układ resorów. W każdej ściance 24 poprzecznej wagonu jest wykonany przy każdym wentylatorze 12 poduszki otwór 20 łączący przestrzeń cyrkulacji powietrza z przestrzenią domkniętą nad każdym wózkiem wagonu. Wentylatory 12 poduszki są napędzane bliźniaczymi silnikami 23 elektrycznymi. Siła ciągu do uzyskiwania prędkości Vp wagonu jest wytwarzana przez wentylator 25 ciągu z ułożyskowanym wirnikiem łopatkowym w ściankach 30 pionowych, połączonych płatem 26 i przytwierdzonych do dachu konstrukcji 11 wagonu pod przewodem 29 trakcji elektrycznej. Z wirnikiem łopatkowym wentylatora 25 ciągu współpracuje dwupołożeniowa kierownica 27, której walcowa powierzchnia wklęsła z powierzchnią walcową wirnika łopatkowego wentylatora 25 ciągu tworzy spiralną rozbieżną dyszę w kierunku prędkości obrotowej ω. Z wirnikiem łopatkowym wentylatora 25 ciągu i wentylatora 12 poduszki powietrznej współpracuje wirnik wrębowy 13 osłonięty

PL 224 868 B1 od wnętrza wentylatora 12 poduszki i 25 ciągu osłoną 14. Kierownica 27 odwracania ciągu z położenia N - jazda naprzód, do położenia W - jazda wstecz, jest nastawialna obrotowo na sworzniach 28 osadzonych w ściankach 30. Wentylator 25 ciągu jest napędzany silnikiem elektrycznym. Konstrukcja podwozia i nośna wagonu ma zmniejszoną masę w stosunku do masy klasycznego wagonu kolejowego, przypadającej na jednostkę nośności użytkowej wagonu, po to, aby obciążenie mocy na jednostkę nośności poduszki było możliwie małe. W każdym wagonie jest komputer pokładowy z czter ema niezależnymi blokami f, f, III', IV' sterującymi ciśnieniem w każdej komorze poduszki powietrznej wagonu na podstawie sygnałów elektrycznych z czujników C i C₂ przetworzonych przez bloki f, If, Uf, IV' sterujące ciśnieniem poduszki powietrznej na sygnały do siłowników 22 żaluzji 16, których okna ssące połączone są kanałami z oknami 17 bocznymi każdej komory wagonu.

Powstawanie siły nośnej poduszki i stateczność: Po przyłożeniu momentu obrotowego do wirnika łopatkowego każdego wentylatora 12 poduszki pojawia się w płaszczyźnie jego obrotów cyrkulacja powietrza z dławieniem i jego wypływem przez nieszczelność układu szczotek 18 uszczelniających i zasysaniem ubytku powietrza w strefie żaluzji 16 połączonej kanałem z oknem 17 ssącym ściany bocznej wagonu. W strefie żaluzji 16 jest najniższe ciśnienie powietrza, zaś najwyższe jest pod wirnikiem łopatkowym wentylatora 12 poduszki i owiewką 15 dzięki dławieniu w obwodzie cyrkulacji. Główna część siły nośnej poduszki pochodzi od reakcji łożysk każdego wirnika łopatkowego, działających na konstrukcję 11 nośną wagonu i różnicy ciśnień działających na owiewkę 15, przymocowaną do konstrukcji 11 nośnej. Pozostała część siły nośnej powstaje w przymkniętej przestrzeni wózków wagonowych, oddzielonych od przestrzeni cyrkulacji ściankami 24 a każda z otworem 20 na przepływ ubytku powietrza przez nieszczelność od wirnika łopatkowego do przestrzeni z wózkiem wagonu. Każdy wagon w ruchu ma dodatkowo trzy stopnie swobody: zmiana wysokości h środka ciężkości, przechylenie w osi podłużnej i pochylenie w osi poprzecznej. Przesunięcie poprzeczne występuje jedynie w zakresie luzu między szynami 1 istniejącymi a kołnierzami 3 oporowymi zestawu 5 osiowego kół 2 wagonu, co daje bardzo dobrą stateczność wagonu. Skręt wagonu w osi pionowej jest również w zakresie tego luzu.

Działanie czujników układu automatycznej regulacji ciśnienia w poduszce powietrznej jest n astępujące: czujnik C wysokości h pomiarowej poduszki jest transformatorem, którego uzwojenie pierwotne zasilane jest prądem przemiennym a w uzwojeniach wtórnych znajdujących się na biegunach elektromagnetycznych transformatora indukuje się prąd A elektryczny o zmiennej wartości natężenia pod wpływem zmiany wysokości h szczeliny magnetycznej jak w spawarce transformatorowej. Czujnik C₂ różniczkujący, rejestrujący pochodną dh/dT, gdzie τ - czas bieżący, jest elektromagnesem zasilanym prądem stałym, zaś w uzwojeniach jego biegunów indukuje się prąd A elektryczny pod wpływem zmiany pola magnetycznego przez wahania w płaszczyźnie prostopadłej do linii sił tego pola, górnej półki prowadnicy 4 o profilu ceowym jak struna gitary elektrycznej nad przetwornikiem jej drgań. Czujnik Ch Halla zawiera prostopadłościenną płytkę 10c półprzewodnika z arsenku indu. Jeżeli płytka 10C znajduje się w polu magnetycznym magnesu stałego i jest zasilana prądem w płaszczyźnie prostopadłej do linii sił pola magnetycznego to pojawi się różnica potencjałów Vh i prąd Ih w trzeciej płaszczyźnie - tzw. efekt Halla, prostopadłej do obu poprzednich. Czujnik Ch podaje impulsy elektryczne do bloku I sterującego, który liczy ich ilość w jednostce czasu i ze znanej wartości podziałki t między magnesami 10a sztabkowymi listwy 10 oblicza prędkość Vp wagonu z fotelami 21 dla pasażerów. Działanie układu automatycznej regulacji wysokości h pomiarowej poduszki powietrznej.

Obroty wirnika łopatkowego każdego wentylatora 12 i położenie środkowe jego żaluzji 16 jest tak dobrane aby równowaga ciężaru wagonu i siły nośnej jego poduszki ustaliła się przy wysokości h pomiarowej poduszki powietrznej równej h = h_max/2. Jeżeli przy tej wysokości h pomiarowej poduszki powietrznej z czujnika C₂ różniczkującego danej komory, płynie do jej bloku sygnał φ elektryczny, czyli na początku wzrostu wysokości h pomiarowej poduszki powietrznej, blok tej komory wysyła sygnał φ do siłownika 22 serwomechanizmu, żaluzje przymykają się i spada ciśnienie w tej komorze. Wówczas wartość wysokości h pomiarowej poduszki powietrznej ustala się. Jeżeli przy tej samej wysokości h pomiarowej poduszki powietrznej z czujnika C₂ płynie sygnał φ do bloku, czyli na początku spadku wartości wysokości h pomiarowej poduszki powietrznej blok tej komory wysyła sygnał φ do siłownika serwomechanizmu, okna żaluzji 16 poszerzają się i rośnie ciśnienie w komorze a wartość wysokości h pomiarowej poduszki powietrznej ustala się. Czujnik C₂ różniczkujący jest przydatny przy krótkich okresach wahań wysokości h pomiarowej poduszki powietrznej ich małej amplitudzie. Oprócz opisanych wyżej stanów wystąpi zanik sygnału z czujnika C₂ danej komory przy długich okresach wahań wartości wysokości h pomiarowej poduszki powietrznej i wówczas regulacja wartości wysokości h pomiarowej poduszki dokonuje się na podstawie sygnału z czujnika C.. Gdy rośnie prąd A jego uzwoPL 224 868 B1 jenia wtórnego następuje spadek wysokości h pomiarowej poduszki powietrznej i wówczas blok, danej komory wysyła sygnał © do siłownika 22 serwomechanizmu, który poszerza okna żaluzji 16 zwiększając ciśnienie poduszki w tej komorze i wartość wysokości h pomiarowej poduszki powietrznej rośnie. Natomiast gdy prąd A w uzwojeniu wtórnym czujnika C danej komory maleje, rośnie wysokość h pomiarowej poduszki powietrznej i z bloku tej komory płynie sygnał φ do jej siłownika 22, który przymyka okno żaluzji 16 zmniejszając ciśnienie w komorze i wysokość h pomiarowej poduszki powietrznej maleje.

Jazda wagonu na poduszce powietrznej odbywa się następująco: Bezpieczna jazda wagonu na poduszce powietrznej według wynalazku jest możliwa tylko na odcinkach linii kolejowej bez zwrotnic i rozgałęzień torów. Na odcinkach ze zwrotnicami wentylatory 12 poduszki są wyłączone i wagon ląduje kołami 2 na szyny 1 istniejące. Wówczas każdy podwójny hak 7 z położenia roboczego jest automatycznie obrócony po łuku o promieniu r nad płaszczyzną bieżni szyn 1 istniejących bezkolizyjnie. Odwracanie siły ciągu wagonu dokonuje się przez obrót wokół osi 28 kierownicy 27 z położenia N - jazda naprzód, do położenia W - jazda wstecz, ze zmianą kierunku obrotów wentylatora 25 ciągu na przeciwne. Hamowanie wagonu może być dokonane przez odwrócenie ciągu z lądowaniem kołami wag onu na szyny 1 istniejące i hamowanie cierne kół 2. Pociąg poduszkowy może się składać z ciągu wagonów połączonych jak w klasycznym pociągu i może mieć napęd elektryczny z linii trakcji lub napęd z generatora elektrycznego lokomotywy spalinowej. Z centralnej kabiny maszynistów jest kontrolowana praca poszczególnych komór poduszkowych, ich urządzeń i bloków sterujących każdego wagonu.

Claims (8)

1. System kolei na poduszce powietrznej, zwłaszcza pasażerskiej z istniejącym torowiskiem, znamienny tym, że do końców podkładów (6) przymocowane są sztywno prowadnice (4) o profilu ceowym wzdłuż szyn (1) istniejących na odcinkach linii kolejowej bez zwrotnic, tak aby półki ceowników prowadnic (4) o profilu ceowym skierowane były do szyn (1) istniejących.

2. System według zastrz. 1 , znamienny tym, że dolna powierzchnia górnej półki każdego ceownika prowadnicy (4) o profilu ceowym jest ograniczeniem poprzez rolki (8) ułożyskowane na dolnych końcach podwójnych haków (7) w maksymalnej wysokości (h_max) pomiarowej poduszki powietrznej, przy czym jeden podwójny hak (7) znajduje się między dwoma kołami (2) wózka wagonu, zaś koła (2) z zestawem (5) osiowym wagonu mają kołnierze (3) oporowe o powiększonych średnicach do wartości podwojonej sumy h_max + AR_min, gdzie AR_min jest zapasem stateczności.

3. System według zastrz. 1, 2, znamienny tym, że każdy podwójny hak (7) na górnym końcu zamocowany jest obrotowo na sworzniach (9) o osi ułożonej wzdłuż linii szyn (1) istniejących i osadzony jest w okuciu sztywno przymocowanym do konstrukcji nośnej (11) wagonu, przy czym podwójne haki (7) z rolkami (8) są odchylane obrotowo nad szynami (1) istniejącymi bezkolizyjnie.

4. System według zastrz. 1, 2, znamienny tym, że przestrzeń między podłogą wagonu a szynami (1) istniejącymi i prowadnicami (4) o profilu ceowym z podłożem (1 9) podzielona jest krzyżowo na cztery prostokątne komory a zewnętrzne i wspólne ich boki są uszczelnione z podłożem (19) i prowadnicami (4) o profilu ceowym torowiska, układem szczotek (18), zaś w każdej komorze wzdłuż wagonu jest zamontowany jeden wentylator (12) poduszki wielosekcyjny z owiewką (15), przy której znajduje się zbieżno-rozbieżna dysza dławiąca, natomiast wspólne boki czterech komór prostokątnych wyposażone są w nastawialne obrotowo szczotki (18) na zawiasach, w bok i do tyłu nad płaszczyzną bieżni szyn (1) istniejących i prowadnic (4) o profilu ceowym.

5. System według zastrz. 1, 2, znamienny tym, że nad górną półką każdej prowadnicy (4) o profilu ceowym znajduje się czujnik (C₁) przymocowany do podwójnego haka (7), natomiast do każdego podwójnego haka (7) przymocowany jest czujnik (C₂) tak, aby płaszczyzna zagięcia podkowy elektromagnesu znajdowała się w strefie grubości górnej półki prowadnicy (4) o profilu ceowym.

6. System według zastrz. 5, znamienny tym, że każda komora (I), (II), (III), (IV) poduszki ma przyporządkowany blok sterujący, zaś wejście do każdego bloku połączone jest z czujnikami (C₁) każdej komory przewodami elektrycznymi, zaś czujnik (C_H) Halla jest połączony przewodem elektrycznym z blokiem (I'), natomiast wyjścia z każdego bloku (I'), (II'), (III'), (IV') połączone są przewodami elektrycznymi z hydraulicznymi elektromechanicznymi siłownikami (22) żaluzji (16) w ten sposób, aby każda żaluzja (16) była sterowana oddzielnie przez jeden z bloków (I'), (II'), (III'), (IV').

PL 224 868 B1

7. System według zastrz. 6, znamienny tym, że górne osłony wentylatorów (12) poduszki zaopatrzone są w nastawialne żaluzje (16) z hydraulicznymi elektromechanicznymi siłownikami (22) serwomechanizmów.

8. System według zastrz. 1,6, znamienny tym, że do środnika jednej prowadnicy (4) o profilu ceowym, po stronie szyny (1) istniejącej przymocowana jest listwa (10) niemagnetyczna z wtopionymi pionowo stosami magnesów (10a) sztabkowych z podziałką (t), tak aby jednoimiennie ich bieguny były na zewnątrz listwy (10) do współdziałania z przeciwnym biegunem magnesu (10b) sztabkowego czujnika (C_H) Halla, który jest przymocowany do podwójnego haka (1).