ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

Производство струнного транспорта Юницкого

Рекомендуемая область пременения

Доля транспортных издержек в стоимости продукции во всем мире постоянно растет. Неблагоприятные климатические и географические условия в России приводят к еще более высокому уровню транспортных издержек. Это связано как с ростом дальности перевозок, так и с увеличением стоимости всех составных элементов транспортного процесса — от размера заработной платы и стоимости материалов при строительстве дорог и изготовлении подвижного состава, до стоимости топлива, расходуемого этим подвижным составом. При этом средний уровень транспортных издержек в России выше, чем в странах Запада, по экспертным оценкам примерно на 50%. В отдельных регионах они еще выше, особенно в Сибири и на Дальнем Востоке. Поэтому применение СТЮ эффективно во всех природно-климатических условиях как для пассажирских, так и для грузовых перевозок в городе, между городами, странами и континентами в диапазоне скоростей от 50 до 500 км/час.

Назначение, цели и задачи проекта

В настоящее время возникает острая необходимость в появлении принципиально новой транспортной системы, основанной на новых технологиях и новых стандартах, способных привести к радикальным изменениям в способах транспортировки.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

В настоящее время наибольший объем перевозок во всем мире осуществляют железные дороги, автомобильный транспорт и авиация.

К преимуществам авиационного транспорта относится высокая скорость движения. Однако на средних расстояниях (до 1000—1500 км) скорость перемещения пассажира «от двери до двери» остается невысокой (150—200 км/час). К недостаткам авиационных перевозок относится высокий расход топлива (8—10 литров на 100 пассажиро-километров), высокая стоимость самолетов (до 100 млн. USD и более) и инфраструктуры (современный аэропорт стоит 3—5 млрд. USD и более). Соответственно, экологическая опасность и себестоимость авиаперевозок — самая высокая из всех существующих видов транспорта.

К преимуществам железнодорожного транспорта следует отнести низкие эксплуатационные издержки. Во-первых, сопротивление качению стального колеса по стальному же рельсу в 20—30 раз ниже сопротивления качению резинового колеса по дорожному полотну. Поэтому мощность привода подвижного состава на железной дороге составляет 2—3 кВт на тонну перевозимого груза, на автомобильном транспорте — 10—20 кВт/т. Соответственно различается и расход топлива на одну и ту же транспортную работу. Данное преимущество легко реализуется на железной дороге только благодаря наличию колеи, так как железнодорожный состав может иметь сколь угодно большую длину, автопоезд же не может иметь больше одного прицепа из-за неустойчивого движения по дороге, особенно в период торможения. Во-вторых, срок службы рельсов — 20—40 лет, асфальтобетонного покрытия — 5—10 лет. В-третьих, в северных странах железнодорожные пути практически нет необходимости чистить от льда и снега, содержание же автомобильных дорог зимой обходится достаточно дорого, а ведь на большей части России зимний период времени превышает летний. Кроме этого, железнодорожный транспорт отличает высокая безопасность движения, которую обеспечивает имеющийся на каждом колесе гребень (реборда), препятствующий сходу колеса с рельса.

К преимуществам автомобильного транспорта относится невысокая стоимость подвижного состава и самих дорог, а также высокая мобильность и компактность автомобилей, что упрощает и удешевляет инфраструктуру: подъездные пути, погрузочные и разгрузочные терминалы, ремонтные мастерские и др. К существенным недостаткам автомобильного транспорта относится высокая аварийность и экологическая опасность, обусловленные тем, что колесо удерживается на дорожном полотне только за счет сил трения, а также тем, что дорога расположена непосредственно на поверхности земли, то есть там, где и находится 99% живых организмов, в том числе и человек, и сосредоточена основная биомасса биосферы планеты.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

Транспортной системой, удовлетворяющей требованиям XXI века, станет «Струнный транспорт Юницкого» (СТЮ). СТЮ лишен недостатков железнодорожного и автомобильного транспорта. В то же время, он имеет преимущества авиации и надземных дорог, так как транспортный модуль движется над землей по ажурной путевой структуре.

СТЮ представляет собой специальный автомобиль на стальных колесах, размещенный на рельсах-струнах, установленных на опорах. Струнная транспортная система станет самой дешевой, долговечной, экономичной и безопасной транспортной системой «второго уровня» для перевозок пассажиров и грузов в городе (рис. 1, рис. 4), между городами, странами и континентами (рис. 2), а также для специализированной перевозки сыпучих, жидких (рис. 3), штучных и контейнерных грузов. Преимущества СТЮ перед другими видами транспорта обусловлены комплексом его конструктивных особенностей, перечисленных ниже.

Рис. 1. Двухпутный СТЮ в городе, скорость до 120 км/час

Рис. 2. Высокоскоростная двухпутная трасса, скорость до 500 км/час

Рис. 3. Грузовой поезд для перевозки жидких грузов

Рис. 4. Пассажирская трасса моноСТЮ

Рельс-струна — это обычная неразрезная (по длине) стальная, железобетонная или сталежелезобетонная балка, оснащенная головкой рельса и дополнительно усиленно армированная предварительно напряженными (растянутыми) струнами. Максимальное натяжение струн на один рельс (в зависимости от длины пролета и массы подвижного состава) — 100—300 тонн. Сочетает в себе свойства гибкой нити (на большом пролете между опорами) и жесткой балки (на малом пролете — под колесом транспортного модуля и над опорой). Благодаря этому качение колеса модуля будет плавным, безударным, как в середине пролета, так и над опорой. Рельс-струна характеризуется высокой прочностью, жесткостью, ровностью, технологичностью изготовления и монтажа, низкой материалоемкостью, широким диапазоном рабочих температур (от +70 ?С до –70 ?С). Представляет собой идеально ровный путь для движения колеса, так как по всей своей длине не имеет технологических и температурных швов (головка рельса сварена в одну плеть).

Струна — стальной витой или невитой канат отечественного или зарубежного производства. В зависимости от условий монтажа и эксплуатации могут использоваться обычные канаты, канаты с защитным покрытием или в защитной оболочке, в том числе в защитной смазке. Канаты могут поставляться с канатных заводов в готовом виде, либо монтироваться на месте производства работ из отдельных проволок.

Путевая структура двурельсового СТЮ представляет собой два рельса-струны, образующие колею шириной 1,5—2,5 м. Однорельсовый СТЮ (моноСТЮ) с подвесным моно-юнибусом имеет один рельс-струну на один путь. У путевой структуры есть стрелочные переводы. Конструкция может быть выполнена сборно-разборной. Колея в двурельсовом СТЮ шире железнодорожной, а центр масс подвижного состава расположен ниже, поэтому движение по такой путевой структуре будет в 2—3 раза более устойчивым.

Опоры — подразделяются на анкерные, воспринимающие горизонтальную нагрузку от струн (устанавливаются через 1—5 км) и поддерживающие, воспринимающие вертикальную нагрузку (устанавливаются через 10—50 м и более). Опоры могут быть выполнены из железобетона (сборного или монолитного), или из стальных сварных конструкций. Фундаменты опор, в зависимости от грунтов на трассе, могут быть свайными (забивные, винтовые, буронабивные или буроинъекционные сваи), либо плитными — монолитными или сборными. Опоры и неразрезной рельс-струна образуют жесткую рамную конструкцию, поэтому несущая способность опор увеличена, например, в сравнении с монорельсовой дорогой в 8 раз (стоимость опор, соответственно, снижена). Если опоры СТЮ заменить на насыпь такой же высоты, то насыпь будет дороже опор.

Рис. 5. Конструкция рельса-струны и колеса

Колесо — выполнено из высокопрочной стали (рис. 5). Имеет независимую «автомобильную» подвеску и две реборды. Коэффициент сопротивления качению — 0,0005 (ниже, чем у железнодорожного колеса, имеющего коническую поверхность опирания, в 1,5—2 раза). Пробег — до 1 млн. км. Стальное колесо для СТЮ дешевле резинового и в 5—10 раз долговечнее.

Транспортный модуль (юнибус) представляет собой разновидность автомобиля, установленного на стальных колесах. Как и автомобиль, может иметь привод от дизеля, бензинового двигателя, турбины, либо может иметь комбинированный привод. При необходимости двигатель может работать на экологически чистом источнике энергии: природном газе, водороде, спирте, сжатом воздухе, маховичном накопителе энергии, солнечной, ветровой и др. энергии. Кроме того, СТЮ может быть электрифицирована с использованием внешнего источника электрической энергии, либо может быть использован автономный источник энергии — установленные на борту юнибуса аккумуляторы, накопители энергии конденсаторного типа, топливные батареи и др.

Высокоскоростной юнибус (рис. 2) имеет уникальную форму, обладающую самым низким коэффициентом аэродинамического сопротивления среди всех известных транспортных средств (С_х=0,07—0,1, что лучше, чем у современного спортивного автомобиля в 3—4 раза; эти результаты получены путем многократных продувок в аэродинамической трубе). Юнибус — самое экономичное транспортное средство из всех известных. Сверхэкономичность особенно проявляется при невысоких, например, традиционных для автомобильного транспорта скоростях движения — 100 км/час. При установившемся движении на горизонтальном участке пути 50-местному юнибусу весом 10 тонн при такой скорости необходима мощность двигателя в 9 кВт (из них — 6,6 кВт на аэродинамическое сопротивление, 1,5 кВт — на сопротивление качению стального двухребордного колеса по стальному рельсу, 0,9 кВт — потери в трансмиссии). При этом расход топлива на 100 км пути составит 2 литра (или 0,04 л/100 пасс.?км, или 0,4 л/1000 пасс.?км; лучшие легковые автомобили расходуют в 20—30 раз больше горючего — 1—1,5 л/100 пасс.?км).

При необходимости на путевую структуру СТЮ по требованию заказчика может быть установлен практически любой известный легковой или грузовой автомобиль (рис. 3), микроавтобус или автобус (рис. 6).

Рис. 6. Городской автобус на рельсе-струне, вмонтированном в асфальт

Инфраструктура. Включает станции, вокзалы, погрузочные и разгрузочные терминалы, гаражи, заправочные станции. Благодаря подъему путевой структуры на второй уровень расширяются возможности по устройству станций и терминалов. Благодаря более благоприятным режимам эксплуатации рельсового автомобиля, уменьшается потребность в гаражах и заправочных станциях в сравнении с традиционным автотранспортом. Компактность юнибуса позволяет уменьшить размер и, соответственно, стоимость вокзалов, станций и длину перрона в 5—10 раз в сравнении с железнодорожными.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

Основные технические и стоимостные данные различных типов СТЮ для протяженных равнинных трасс длиной более 10 км, строящихся за пределами городской застройки (в условиях пересеченной местности и городской застройки СТЮ будет стоить на 30—50% дороже), приведены в таблице ниже (приведены конкурентные мировые цены; в России СТЮ будет стоить в 2—3 раза дешевле).

для сравнения: стоимость высокоскоростной железной дороги — 15—25 млн. USD/км, монорельсовой дороги — 15—50 млн. USD/км, поезда на магнитном подвесе — 30—50 млн. USD/км, метро — 50—100 млн. USD/км, обычной железной дороги — 1—2 млн. USD/км, современной многополосной автомагистрали (автобана) — 5—10 млн. USD/км, канатной дороги — 1—2 млн. USD/км

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Благодаря более низким контактным напряжениям в паре «колесо — рельс» (30—50 кгс/мм² против 100—120 кгс/мм² на железной дороге), износ головки рельса будет менее интенсивным, чем на железнодорожном транспорте. Толщину головки рельса закладывают на весь срок службы СТЮ (50—100 лет) — например, для обеспечения объема перевозок 500 млн. т достаточно толщины головки в 20—25 мм.

Трассы являются всепогодными. Не требуют в зимнее время при отрицательной температуре воздуха очистки от снега и льда, если высота опор превышает высоту снежного покрова.

Эксплуатационные издержки по трассе сводятся лишь к периодической защите металлоконструкций от коррозии (раз в 10—20 лет). При изготовлении корпуса рельса-струны из нержавеющей стали, а опор — из железобетона, эксплуатационные издержки по дороге будут заключаться в сезонном осмотре конструкции (для выявления строительных дефектов).

Эффективность СТЮ в сравнении с основными существующими наземными транспортными системами (все трассы — двухпутные, все показатели — относительные, при равнозначных условиях создания и эксплуатации систем) приведена в таблице ниже.

Новые потребительские свойства продукции

СТЮ, как транспортная система, имеет значительно более высокие потребительские свойства:
снижение себестоимости перевозок в 1,5—2 раза в сравнении с железной дорогой и в 3—4 раза в сравнении с автомобильным транспортом;
снижение расхода топлива (электрической энергии) на единицу транспортной работы в 1,5—2 раза в сравнении с железной дорогой и в 3—5 раз в сравнении с автомобильным транспортом;
снижение загрязнения окружающей среды на единицу транспортной работы в 3—4 раза в сравнении с железной дорогой и в 10—15 раз в сравнении с автомобильным транспортом;
снижение отчуждения земли под трассу и инфраструктуру в 30—50 раз в сравнении с железной дорогой и в 50—80 раз в сравнении с автомобильными дорогами;
снижение эксплуатационных издержек на единицу транспортной работы в 2—3 раза в сравнении с железной дорогой и в 4—6 раз в сравнении с автотранспортом;
другие преимущества.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Продукция соответствует государственным стандартам России, а также требованиям, предъявляемым к транспорту в ООН, США и странах ЕС.

Стадия и уровень разработки

Технология строительства путевой структуры и опор, а также основные узлы и элементы СТЮ в 2001—2006 г.г. прошли успешную апробацию на однопутном испытательном полигоне, построенном в России (г. Озеры Московской области, рис. 7). Основные характеристики стенда: протяженность — 150 м, суммарное натяжение струн — 450 тс (при +20 ?С), высота опор — до 15 м, максимальный пролет — 48 м, максимальная масса подвижной нагрузки — 15 т, относительная жесткость наибольшего пролета под нагрузкой — 1/1500, металлоемкость путевой структуры — 120 кг/м, уклон трассы — 100 ‰. В зимнее время модифицированный грузовой автомобиль ЗИЛ-131, установленный на стальные колеса, отвечающие стандартам СТЮ, уверенно идет на подъем при толщине льда 50 мм (лед намораживали специально, т.к. он не удерживается на рельсе и после первого же прохода колеса разрушается и сбрасывается им с рельса).
На полигоне испытывались:
различные струны (витые канаты диаметром 27 мм из проволоки диаметром 3 мм и диаметром 15,2 мм из проволоки диаметром 5 мм);
анкеровка струн;
релаксация предварительно напряженных струн (релаксация каната К-7 диаметром 15,2 мм, расчетные напряжения в котором составляют 10400 кгс/см2, в течение 5 лет не зафиксирована);
свайные, буро-инъекционные и плитные фундаменты промежуточных и анкерных опор;
специальный высокопрочный бетон для рельса-струны;
двухребордное стальное колесо, задемпфированное резиновой прослойкой между ободом и ступицей (показало надежность и устойчивость движения — за 5 лет эксплуатации не произошло ни одного касания ребордой головки рельса, так как штатный режим движения обеспечивает тороидальная опорная поверхность колеса);
сцепление колеса с рельсом (минимальный коэффициент трения в паре «колесо — рельс» во время дождя и оледенения — 0,15—0,2, что позволяет проектировать высокоскоростные трассы СТЮ с затяжными уклонами до 150—200‰);
правильность расчетов прочности и жесткости опор, путевой структуры и струн под воздействием нагрузок от подвижного состава, сезонного изменения температур, ветра, оледенения и др.
Таким образом, сегодня имеются все возможности для проектирования и строительства недорогих, надежных, долговечных, быстровозводимых и быстро окупаемых струнных дорог.
Проектные решения. Путевая структура и опоры СТЮ спроектированы как транспортная эстакада в соответствии с требованиями российских нормативов (СНиП 2.05.03-84* «Мосты и трубы»), а также основных положений мостовых норм США и стран ЕС. Поэтому аналогично мостам СТЮ не требует сертификации (кроме юнибуса). Необходимы лишь экспертиза в соответствующих органах экспертизы и испытания при вводе трассы в эксплуатацию.

Предлагаемые инвестиции

Мировая потребность в трассах «второго уровня» в XXI веке может быть оценена в 20—25 млн. км, России — в 3—5 млн. км, при этом 90—95% данного рынка может захватить СТЮ (остальные 5—10% придутся на монорельсовые и канатные дороги, поезда на магнитном подвесе и эстакады на автомобильных и железных дорогах). Трассы СТЮ могут иметь длину от 1 км до 10 тыс. км и более, а объем инвестирования в эти проекты может находиться в пределах от 1 млн. до 10—20 млрд. USD и более.
Требуемый объем инвестирования в научно-исследовательский полигон СТЮ в городе-наукограде Дубна (для опытно-промышленной отработки всех стандартов СТЮ и получения скоростей от 50 до 500 км/час) составляет около 100 млн. USD.

Рынки сбыта

Транспортная система «второго уровня» для перевозок пассажиров и грузов в городах, между городами, странами и континентами в диапазоне скоростей от 50 до 500 км/час, а также для специализированной перевозки сыпучих, жидких, штучных и контейнерных грузов во всех городах, странах и континентах планеты (тот же рынок, где доминируют в настоящее время автомобильные и железные дороги).

Возможность и эффективность импортозамещения

Да. Все элементы СТЮ — струнная путевая структура, опоры, подвижной состав и инфраструктура — могут быть выполнены из отечественного сырья и отечественных комплектующих, без ухудшения технико-экономических характеристик системы.

Возможность выхода на мировой рынок

Срок окупаемости (в месяцах)

1—5 лет, в зависимости от конкретной трассы СТЮ, и конкретного проекта инвестирования в инфраструктурный объект, в состав которого входит СТЮ.

Дата поступления материала

29.09.2006