Лекция №4. Физические компоненты транспорта Транспортные средства

Каждый вид транспорта должен иметь транспортные сред­ства, в которых перевозятся грузы и пассажиры. Конструкция этих транспортных средств должна удовлетворять конкретному виду транспорта. Так, конструкция сверхзвукового самолета должна отвечать требованиям, отличающимся от требований к вагонам метрополитена, так как на него действуют другие силы. И хотя у любых двух видов транспорта есть много общего, между ними бесчисленное множество различий, отражающих требова­ния, накладываемые путем, тяговыми средствами, характером движения и даже терминалами. Транспортное средство пред­ставляет собой ответ инженеров на требования определенного вида перевозок, выполняемых на определенном пути, приводимых в движение определенными тяговыми сред­ствами по поверхности определенного вида. Каждое конкретное решение таких проблем является компромиссом, в котором инже­нер стремится достигнуть наилучших возможных параметров, но в действительности неизбежно отличающихся от идеальных.

Принципы проектирования транспортных средств

Основные принципы, которыми инженеры должны руковод­ствоваться при проектировании транспортных средств, сле­дующие:

• необходимость охватить наиболее широкий рынок сбыта;

• требования конкретного пути;

• требования соответствующих перевозок;

• эргономические соображения;

• экономичность.

Остановимся на каждом из этих аспектов.

Необходимость охватить наиболее широкий рынок сбыта

Каждое транспортное средство имеет высокую стоимость изготовления, которая должна быть возмещена путем продажи. Поэтому легче всего возместить эту стоимость, если можно про­дать данное транспортное средство широкому кругу покупателей. Таким образом отыскивается основная конструкция моторных транспортных средств, используемых на большинстве видов транспорта, отвечающая разнообразным требованиям и при­страстиям. Она должна иметь стандартную и экономичную конструкцию для широкого использования, вариант для люби­телей и для торговцев или семейных, которым нужна большая емкость. Производство контейнеров должно охватывать широкий диапазон моделей, соответствующих потребностям рынка сбыта, включать контейнеры для генеральных грузов, а также загру­жаемые сверху, сбоку, контейнеры-цистерны и т. п.; все они в максимальной степени должны быть изготовлены из типовых элементов, но соответствовать потребностям отдельных клиентов. Принципы упрощения и стандартизации применимы к конструи­рованию транспортных средств в такой степени, чтобы удовле­творить потребностям максимального числа пользователей данным конкретным средством, тем самым расширив рынок сбыта.

Требования конкретного пути сообщения

Характер пути сообщения имеет огромное влияние на транс­портное средство. Это может быть показано на нескольких при­мерах. Самолет передвигается в атмосфере, которая не может быть его опорой, если он неподвижен. Самолет не может оста­новиться в атмосфере, за исключением специализированных летательных аппаратов, например, вертолетов или самолетов с вертикальным взлетом, которые могут зависать в воздухе. Но и в этих случаях летчик не может выйти из такого аппарата, чтобы выполнить какие-либо работы по обслуживанию. Поэтому самоллет должен быть тщательно изготовлен, почти совершенен по форме и тщательно обслуживаться. Путь накладывает жесткие ограничения на размеры, форму и скорость транспортных средств.

Воздушная среда

Конструкторы самолетов учитывают ограничения среды дви­жения, выбирая скорость или грузоподъемность. Они не могут одновременно увеличить эти оба показателя, не повышая резко мощность двигателей. Это повлечет за собой непропорциональный рост затрат топлива и неэкономичность летательного аппарата. Это ограничение не относится к военным самолетам.

Для повышения грузоподъемности самолета следует увели­чивать не только размеры корпуса, но и площадь крыльев для создания дополнительной подъемной силы с учетом необходи­мого прироста грузоподъемности. Для использования дополни­тельной подъемной силы крыльев нужны более мощные двига­тели, чтобы увеличить скорость полета, создающую необходимую подъемную силу, и поддерживать эту скорость после достижения заданной высоты полета. Более мощные двигатели потребляют больше топлива. Дополнительное топливо нужно взять на борт самолета, что означает увеличение его веса. В конце концов конструктор добивается баланса. Если самолет должен летать на относительно короткие расстояния, для достижения пункта назначения потребуется меньше топлива, а экономия в весе топлива позволит взять на борт больше пассажиров, или груза. Если тот же самый самолет предназначен для полетов на более длинные расстояния, приходится поступиться числом пассажиров или весом груза, чтобы принять на борт больше топлива.

Для повышения скорости полета проектировщик должен выработать такую форму полета, которая обладает наименьшим лобовым сопротивлением, например минимизировать поперечное сечение, и установить более мощные двигатели. Наиболее удачной является форма фюзеляжа в виде остро отточенного карандаша, с минимальными крыльями, поскольку длинные крылья нужны только для взлета, а по достижении заданной высоты полета такая длина больше не требуется. Эта проблема частично решается созданием самолетов с изменяемой геомет­рией крыла.

Море

Проблема объема или скорости возникает и перед проекти­ровщиками судов, хотя и не в такой степени, как в случае проектирования самолетов. Поскольку судно опирается на воду и по сравнению с наземным транспортом трение меньше, по мере роста скорости перед носовой частью судна возникают волны и возрастает сопротивление движению. Для преодоления этого сопротивления наиболее целесообразна форма острого ножа, позволяющая судну разрезать воду. К сожалению, если этот ножеобразный профиль простирается достаточно далеко, возникают проблемы устойчивости и ограничивается грузо­подъемность. По мере создания все более мощных двигателей скорости резко возрастают, но стоимость дополнительно потреб­ляемого топлива на преодоление повышенного сопротивления воды при возрастающих скоростях намного перевешивают преиму­щества, получаемые от сокращения времени в пути.

Благодаря подъемной силе воды не возникает никаких проблем, аналогичных связанным с «подъемом» самолета, что позволяет создавать огромные суда. Однако проектировщики все еще ограничены в отношении размеров возможностями вод­ных путей. Поскольку глубина океанов, морей и рек неодина­кова, приходится учитывать имеющиеся глубины в районах плавания судов и возможности портов.

Парадоксально, но проблема трения, которое нужно преодо­леть при достижении оптимальных скоростей, для крупных судов играет обратную роль. Отсутствие трения, позволяющее очень крупным судам со сравнительно маломощными двигателями плавать в воде, создает трудности при необходимости остановки крупного судна. Мгновенная остановка невозможна. Судно при­ходится тормозить постепенно и окончательно останавливать с помощью буксиров.

Дороги

Дороги имеют малую ширину, часто пропускают большие потоки транспортных средств, без разделения по скорости или уровню проезда, в том числе движущихся во встречных направ­лениях. По дорогам, исключая магистральные, передвигаются животные, следуют пешеходы, а на застроенных территориях их часто ограничивают здания, многие из которых построены за десятки, а то и сотни лет до того, как дорожное движение достигло современного объема и интенсивности. Дороги часто проходят под и над мостами, что накладывает ограничения на высоту и вес транспортных средств. Все эти факторы, часть из которых связана с их особенностями, а часть вытекает из методов использования, привели к ограничениям на размеры и скорость движения транспортных средств. Эти ограничения, первона­чально обусловленные особенностями дорог, вызвали появление законов, утвержденных парламентом и министерствами. Поэтому проектировщик вынужден действовать в узкой зоне допускаемых размеров и весов и в условиях очень детальных норм, регла­ментирующих строительство, а водитель должен соблюдать ограничения скоростей при использовании дорог.

Железные дороги

Железные дороги представляют собой искусственные пути сообщения, обычно принадлежащие одному предприятию. Не­смотря на это, они накладывают ограничения на проектирование. Подобно автодорогам, они часто проходят по мостам или под мостами, что накладывает ограничения на высоту и вес подвиж­ного состава. Большинство железных дорог было построено в конце XIX или начале XX вв. Принятые в то время размеры в значительной степени определяют размеры современного подвиж­ного состава. Он не должен быть шире, чтобы не помешать дви­жению по соседнему пути, а его длина жестко зависит от кривых, по которым он должен следовать. Аналогично, скорость дви­жения зависит от наличия таких кривых в современных условиях на каждом конкретном участке пути и от того, насколько они приспособлены для высокоскоростного движения.

В то время как по условиям рынка сбыта транспортные сред­ства должны быть максимально разнообразными, часто возни­кают трудности в осуществлении перевозок определенного типа, если подвижной состав не предназначен для таких перевозок. Здесь имеется в виду специализация в рамках универсальной группы. Так, изготовитель автоцистерн может предложить на основе стандартной конструкции специальные молоковозы, бензовозы, автомобили для перевозки агрессивных жидкостей и порошкообразных веществ. Покрытие цистерн, их конструкция и насосное оборудование могут быть разнообразными, но шасси должно быть стандартным для всех типов. Нигде специфический характер транспортных средств так не виден, как в проблеме порожнего пробега. Например, во всем мире молоко из сельско­хозяйственных районов перевозят в крупные города. Но как использовать транспортные средства в обратном направлении? Их особенности явно предопределяют возврат транспортных средств в порожнем состоянии. Их нельзя заполнить удобре­ниями для сельскохозяйственных предприятий или предметами домашнего обихода в сельской местности. Но одна крупная фирма нашла рациональное решение проблемы порожнего про­бега с помощью эластичных пластмассовых емкостей типа кон­тейнеров. Большая пластмассовая емкость, соответствующая по форме контейнеру, заполняется концентратом фруктового сока и перевозится в контейнере. По прибытии ее выкачивают, стерилизуют и возвращают в свернутом виде для повторного использования. Неспециализированный контейнер подается под другую отправку. Пластмассовая емкость возвращается очень экономичным способом.

Другие фирмы, пытавшиеся найти решение этой проблемы, обнаружили, что очистка и возврат пластмассовых контейнеров неудобны, не удовлетворяют требованиям потребителей, и нача­ли применять цистерны из нержавеющей стали. Используя раз­личные растворители, моющие средства и пар под высоким давлением, их можно тщательно очистить за очень короткое время. Если этот метод найдет успешное применение, пункты очистки нужно будет соорудить в очень большом числе мест, чтобы избежать больших порожних пробегов к таким пунктам и от них. Договорившись о взаимном использовании таких пунк­тов, многочисленные грузовые автотранспортные предприятия создают сеть центров очистки по всей стране. В итоге после таких грузов, как смазочные масла, допускается вслед за очисткой перевозить вино наливом.

Такие удачные решения проблемы порожнего пробега редки и возможны только в тех случаях, когда имеется подходящий обратный груз. Вообще говоря, необходимо иметь специализи­рованный подвижной состав для каждого вида грузов. А если этого нет, рынком овладеть невозможно. Старое правило транс­порта гласит, что «услуги создают перевозки». Специализиро­ванные транспортные средства не только обеспечивают выпол­нение существующих перевозок, но и привлекают перевозки с других видов транспорта с менее эффективным подвижным составом, увеличивая свою долю на рынке транспортных услуг и повышая свою экономичность.