Енергозберігаючий профіль верхньої будови дорожнього полотна

Номер патенту: 65558

Опубліковано: 12.12.2011

Автори: Легеза Віктор Петрович, Легеза Дмитро Вікторович

Завантажити PDF файл.

Формула / Реферат

Енергозберігаючий профіль верхньої будови дорожнього полотна, у якому верхня будова виконана у вигляді залізобетонного збірного покриття із закріпленими на ньому рейками, що розміщується на спеціально підготовленій основі, який відрізняється тим, що його виконано у вигляді плавної кривої з локальними максимумами у вигляді горизонтальних ділянок дорожнього полотна у місцях зупинок транспортного засобу та вгнутих ділянок з локальними мінімумами між зупинками, у якій місця спряження зазначених ділянок між собою мають опуклу форму, а кожна вгнута ділянка між двома сусідніми зупинками являє собою параболу, яка математично визначається таким рівнянням:

,

де  - половина дистанції між двома сусідніми зупинками;  - величина коефіцієнта сухого тертя ковзання між рейками та ведучими (тяговими) колесами транспортного засобу;  - загальна кількість колісних пар транспортного засобу;  - кількість ведучих колісних пар транспортного засобу;  - степінь параболи.

Текст

Дивитися

Енергозберігаючий профіль верхньої будови дорожнього полотна, у якому верхня будова виконана у вигляді залізобетонного збірного покриття із закріпленими на ньому рейками, що розміщується на спеціально підготовленій основі, який відрізняється тим, що його виконано у вигляді плавної кривої з локальними максимумами у вигляді горизонтальних ділянок дорожнього полотна у місцях зупинок транспортного засобу та вгнутих ділянок з локальними мінімумами між зупинками, у якій місця спряження зазначених ділянок між собою мають опуклу форму, а кожна вгнута ділянка між двома сусідніми зупинками являє собою параболу, яка математично визначається таким рівнянням: i 1 2 yx   x , 2  2n xmax 1 Корисна модель належить до будівництва дорожніх шляхів міського та приміського громадського транспорту (шляхобудування), який під час свого руху здійснює періодичні зупинки для посадки та висадки пасажирів у чітко зафіксованих місцях. Вона може бути використана для відповідного профілювання трамвайних і залізничних колій для приміських електричок та метропоїздів, автобусного та тролейбусного дорожнього полотна тощо. Відоме облаштування верхньої будови дорожнього полотна трамвайної колії у вигляді залізобетонного збірного покриття [А.А. Тимофеев. Збірні бетонні й залізобетонні покриття міських доріг і тротуарів. - М: Стройиздат, 1986. - с. 88-89, 256258, рис. 88, 286-293]. У відповідності до нього збірне залізобетонне покриття із закріпленими на ньому рейками трамвайної колії розміщується на піщаній або щебеневій основі в траншеї дорожнього грунтового полотна, ширина якої відповідає ширині покриття трамвайної колії з урахуванням розмірів залізобетонних узбічних плит, а її глибина залежить від геологічних та топографічних умов будівництва у відповідній місцевості. Головним недоліком такої верхньої будови дорожнього полотна для трамвайної колії є те, що воно прив'язане до рельєфу конкретної місцевості, де прокладається трамвайна колія, і його профіль практично повторює профіль зазначеного рельєфу. Проте під час руху трамвай повинен періодично робити зупинки у відповідних місцях, що потребує перед зупинкою щоразу виконувати гальмування, а після здійснення посадки-висадки пасажирів на зупинці - відповідний розгін. При такому "рваному" режимі руху трамвая значна частина енергії витрачається на гальмування та розгін, тобто нераціонально. Це призводить до того, що ходову конструкцію трамваїв (або інших транспортних засобів) потрібно обладнувати спеціальними акумуляторами кінетичної енергії для її накопичення під час гальмування перед зупинками, та її повернення - під час розгону трамвая після зупинки. Зазначені акумулятори виготовлені з металу і мають значну масу, що призводить до збільшення непродуктивної маси трамвая і відповідного подорожчання його вартості. Крім того, цей недолік стимулює часті поломки гальмівної системи трамвайних поїздів, не обладнаних такими акумуляторами, через наявність періодичних режимів розгону та гальмування. Найбільш близьким технічним рішенням є будова верхньої частини безстикової трамвайної колії у вигляді залізобетонного збірного покриття (19) UA (11) 65558 (13) U де xmax - половина дистанції між двома сусідніми зупинками;  - величина коефіцієнта сухого тертя ковзання між рейками та ведучими (тяговими) колесами транспортного засобу; n - загальна кількість колісних пар транспортного засобу; i - кількість ведучих колісних пар транспортного засобу; 2 - степінь параболи. 3 65558 [патент України № 6257, МПК Е01В 21/00, Е01С 9/00, опубл. 15.04.2005, бюл. № 4, 2005], прийнятої нами за прототип. У відповідності до цього технічного рішення залізобетонне збірне покриття із закріпленими на ньому рейками розміщується на спеціально підготовленій підплитній основі, виконаній у поглибленні (траншеї) існуючого дорожнього полотна. При цьому ширина траншеї дорівнює ширині самого збірного покриття, а її глибина залежить від геологічних та топографічних умов будівництва дорожнього полотна у відповідній місцевості. Сама підплитна основа складається із шарів піску, щебеню, бетону й верхнього шару асфальтобетонної суміші, а в шарі піску розміщені дренажні труби. Головним недоліком такої конструкції верхньої будови дорожнього полотна безстикової трамвайної колії є те, що вона також повторює профіль рельєфу конкретної місцевості. Тому трамвайна колія з таким "неорганізованим" профілем не пристосована до специфічного "рваного" руху трамваїв, які у своєму русі обов'язково мають режими гальмування та прискорення у місцях їх зупинок. Така ситуація призводить або до швидкого зносу гальмівних колодок, або до нераціонального використання вантажопідйомності рухомого складу трамвайних поїздів через необхідність їх додаткового обладнання акумуляторами механічної енергії. Крім того, при гальмуванні та розгоні значна частина електроенергії витрачається нераціонально. В основу корисної моделі було поставлено наступну задачу визначення профілю верхньої будови дорожнього полотна: за рахунок його спеціального вибору забезпечити надійне гальмування транспортного засобу перед зупинкою і його розгін після неї без додаткових акумулюючих пристроїв з одночасним заощадженням електроенергії. Поставлена задача вирішується тим, що енергозберігаючий профіль верхньої будови дорожнього полотна, у якому верхня будова являє собою залізобетонне збірне покриття із закріпленими на ньому рейками, яке розміщується на спеціально підготовленій основі, згідно з корисною моделлю виконаний у вигляді плавної кривої з локальними максимумами у вигляді горизонтальних ділянок дорожнього полотна у місцях зупинок транспортного засобу та вгнутих ділянок з локальними мінімумами між зупинками, у якій місця спряження зазначених ділянок між собою мають опуклу форму, а кожна вгнута ділянка між двома сусідніми зупинками являє собою параболу, яка математично визначається таким рівнянням: yx   i 1 2 x , 2  2n xmax 1 (1) де хmах - половина дистанції між двома сусідніми зупинками;  - величина коефіцієнта сухого тертя ковзання між рейками та ведучими (тяговими) колесами транспортного засобу; n - загальна кількість колісних пар транспортного засобу; і кількість ведучих колісних пар транспортного засобу; 2 - степінь параболи. 4 Причинно-наслідковий зв'язок між запропонованими ознаками та очікуваним результатом полягає в наступному. Перша і головна ознака корисної моделі пов'язана зі спеціальним якісним вибором профілю верхньої будови дорожнього полотна, який завжди забезпечує пасивне гальмування транспортного засобу перед зупинкою з наступним його розгоном після зупинки. Це відбувається тому, що перед кожною зупинкою транспортний засіб піднімається 2 Mmax , сво2 го руху на підйом його маси М на деяку висоту h зупинки. При цьому основна частина кінетичної енергії перетворюється на потенціальну енергію Mgh зазначеного підйому, яка в подальшому використовується на наступний розгін транспортного 2 засобу (тут g≈10 м/с - прискорення вільного падіння). Отже, виключаються додаткові енергетичні витрати на активне гальмування та розгін транспортного засобу. Така якісна картина перетворення кінетичної енергії транспортного засобу в потенціальну буде спостерігатися періодично, від зупинки до зупинки. Очевидно, що при виборі саме такого профілю верхньої будови дорожнього полотна не потрібно додатково споряджати кожен транспортний засіб акумулятором механічної енергії. Крім того, виключаються аварійні ситуації, пов'язані зі зносом гальмівних колодок. Друга ознака корисної моделі є кількісною і описується формулою (1). Покажемо те, що ця ознака забезпечує практичну та фізичну реалізацію безпечного руху транспортного засобу по такому профілю верхньої будови дорожнього полотна в кожній його точці. Пояснимо причини такого вибору формули (1). По-перше, вибираємо найпростішу для практичної реалізації шуканого профілю плавну криву в класі багаточленів, а саме парну параболу такого 2α виду: у(х)=С|х| , де С - деякий коефіцієнт пропорційності. По-друге, введемо таку прямокутну декартову систему координат, у якої початок координат О співпадає з найнижчою точкою кривої між зупинками, вісь ординат OY напрямлена вертикально вверх, вісь абсцис ОХ - горизонтально вправо. Зазначимо, що вісь OY є одночасно віссю симетрії цієї парної параболи. Нагадаємо, що хmах дорівнює половині "активної" дистанції між двома сусідніми зупинками. По-третє, визначимо формулу для коефіцієнта пропорційності С. Виберемо найневигідніше положення транспортного засобу у верхній точці кривої перед зупинкою (x=xmax), коли його швидкість зменшується до нуля (див. фіг. 1, точка А), а кутовий коефіцієнт k дотичної до кривої найбільший. Визначимо коефіцієнт пропорційності С з тої умови, щоб транспортний засіб зміг зрушити з місця з цього найневигіднішого положення, якщо величина коефіцієнта сухого тертя ковзання між рейками та ведучими (тяговими) колесами транспортного засобу задана і дорівнює . вгору, витрачаючи кінетичну енергію 5 65558 Нехай кутовий коефіцієнт дотичної до кривої в цій точці дорівнює k, тобто похідна у'(х) в точці х=хmах задовольняє таке співвідношення 2  y' xmax   k  tg  2C xmax1 , де  - кут між дотичною і додатним напрямом осі ОХ;  - кут між дотичною і від'ємним напрямом  осі OY;     . 2 Запишемо співвідношення між відповідними проекціями сил, показаних на Фіг. 1. На цьому рисунку позначено: N - нормальна реакція дорожнього полотна, яка виникає під дією сили ваги P всього транспортного засобу; P  Mg - вага тран 6 сталевого колеса відносно сталевої рейки; і=2; n=8. Знайдемо степінь параболи 2. Спочатку визначимо максимальну висоту підйому транспортного засобу (висота зупинки) при 2 такій заданій максимальній швидкості (g≈10м/с ): 2 Mmax 2  Mgh  hmax  ymax  max  5 м. 2 2g Виразимо степінь параболи 2 з формули (1): ixmax 2  . (2) nhmax Після обчислень за формулою (2) дістанемо: 0,16  2  300 2   2,4 . Отже, рівняння шуканої 85 кривої (1) має такий вигляд: 2,4 спортного засобу; Fтяги  Ni n  - модуль сили тяги Fтяги (тертя ковзання), яка виникає під дією ведучих коліс транспортного засобу і напрямлена вздовж дотичної до кривої. Всі зазначені сили проектуються на напрями дотичної та нормалі, які побудовані в точці х=хmах до кривої. Сума проекцій на напрям дотичної має вигляд: Mgcos   Fтяги  0 . Сума проекцій на напрям нормалі має вигляд: N  Mgcos   0 . Із вказаних співвідношень дістанемо таку формулу для кутового коефіцієнта дотичної: i 2  k  tg  y' xmax   2C xmax 1  . n Звідси знайдемо формулу для визначення коефіцієнта пропорційності С: i 1 C 2  2n xmax 1 Отже, математична формула для плавної кривої профілю верхньої будови дорожнього полотна між зупинками набуває такого завершеного вигляду (1): i 1 2 yx   x 2 1 2n xmax Через те, що у вибраній критичній точці кривої кутовий коефіцієнт є найбільшим, то і у всіх інших точках кривої (де кутові коефіцієнти є меншими порівняно із вибраною точкою А при х=хmах) практична та фізична реалізація безпечного руху транспортного засобу по такому профілю верхньої будови дорожнього полотна є надійно забезпеченою. Таким чином, нами доведено, що друга (кількісна) ознака забезпечує практичну реалізацію безпечного руху транспортного засобу по такому профілю верхньої будови дорожнього полотна в будь-якій його точці. Наведемо приклад розрахунку рівняння зазначеної кривої (1) при таких вихідних даних: vmax=10 м/с; xmax=300 м; =0,16 - коефіцієнт тертя ковзання  x  yx   5  .  300  Кутовий коефіцієнт у найвищій точці А кривої дорівнює: k=0,04. Очевидно, що при інших величинах хmах висота уmах зупинок буде іншою. Суть корисної моделі можна уяснити з фіг. 2, де показано якісну форму запропонованого енергозберігаючого профілю верхньої будови дорожнього полотна. Кожна вгнута ділянка А'А між зупинками має свій єдиний локальний мінімум в деякій точці О та з обох кінців має плавні спряження В'А' та АВ у вигляді опуклих кривих, які з'єднують цю вгнуту ділянку із сусідніми горизонтальними ділянками С'В' і ВС кривої відповідно. Завдяки вибору такого профілю верхньої будови дорожнього полотна під час руху транспортного засобу буде відбуватися процес перетворен2 Mmax в потенціальну 2 Mgh, причому це буде спостерігатися періодично, від зупинки до зупинки. В такому динамічному режимі руху практично виключаються додаткові енергетичні витрати на активне гальмування та активний розгін транспортного засобу. Додаткова енергія може потребуватися тільки на подолання сил тертя кочення між колесами транспортного засобу та рейками, які є незначними, і енерговитратами на це можна знехтувати. Такий енергозберігаючий профіль верхньої будови дорожнього полотна може бути використаний не тільки для наземного, а також і для підземного рейкового транспорту з періодичними зупинками (метрополітену). Запропонований профіль верхньої будови дорожнього полотна може бути реалізований за допомогою спеціального профілювання підплитної основи рейкового транспорту, наприклад, підсипкою різної кількості ущільнених шарів ґрунту або з використанням паль різної висоти вздовж дорожнього полотна. Отже, запропоновані ознаки дозволяють отримати очікуваний технічний результат: за рахунок спеціального вибору енергозберігаючого профілю верхньої будови дорожнього полотна забезпечити надійне гальмування транспортного засобу ня його кінетичної енергії 7 перед зупинкою та його розгін після неї без додаткових акумулюючих пристроїв з одночасним зао Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 65558 8 щадженням електроенергії. Підписне Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601

Додаткова інформація

Назва патенту англійською

Energy-saving profile of the upper structure of road bed

Автори англійською

Leheza Viktor Petrovych, Leheza Dmytro Viktorovych

Назва патенту російською

Энергосберегающий профиль верхнего строения дорожного полотна

Автори російською

Легеза Виктор Петрович, Легеза Дмитрий Викторович

МПК / Мітки

МПК: E01C 9/00, E01B 21/00

Мітки: полотна, профіль, дорожнього, верхньої, будови, енергозберігаючий

Код посилання

<a href="http://uapatents.com/4-65558-energozberigayuchijj-profil-verkhno-budovi-dorozhnogo-polotna.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Енергозберігаючий профіль верхньої будови дорожнього полотна</a>

Подібні патенти