Гироскоп монорельс

Эта статья включает в себя список общих ссылок , но он остается в значительной степени непроверенным, поскольку в нем отсутствует достаточное количество соответствующих встроенных ссылок . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью, добавив более точные цитаты. ( Февраль 2015 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Монорельс Бреннана

Гироскопический монорельс , Гироскопический монорельс , гиростабилизированный монорельсовое или гирокар термины для одного рельса наземного транспортного средства , которое использует гироскопическое действие вращающегося колеса , чтобы преодолеть присущую нестабильность балансирования на вершине одной железной дороги.

Монорельс ассоциируется с именами Луи Бреннана , Августа Шерла и Петра Шиловского , каждый из которых построил полномасштабные рабочие прототипы в начале двадцатого века. Версия была разработана Эрнестом Ф. Суинни, Гарри Феррейрой и Луи Э. Суинни в США в 1962 году.

Гиромонорельс так и не был разработан после стадии прототипа.

Основным преимуществом монорельса, на который ссылается Шиловский, является подавление колебательных движений - ограничение скорости, с которым в то время встречались обычные железные дороги. Кроме того, возможны более крутые повороты по сравнению с радиусом поворота 7 км, типичным для современных высокоскоростных поездов, таких как TGV , потому что транспортное средство автоматически кренится на поворотах, как самолет ^[1], так что не возникает бокового центробежного ускорения. на борту.

Главный недостаток состоит в том, что многим автомобилям, включая пассажирские и грузовые, а не только локомотиву, потребуется гироскоп с постоянным питанием, чтобы оставаться в вертикальном положении.

В отличие от других средств поддержания баланса, таких как поперечное смещение центра тяжести или использование опорных колес , гироскопическая система балансировки является статически устойчивой, так что система управления служит только для придания динамической устойчивости. Таким образом, активная часть балансировочной системы более точно описывается как гаситель валков .

Историческая справка [ править ]

Монорельс Бреннана [ править ]

Иллюстрация Harmsworth Popular Science, показывающая механизм монорельса, и (вставка) Луи Бреннан ^[2]

На изображении в разделе выноски изображен 22- тонный (22 длинные тонны; 24 коротких тонны) 22- тонный прототип автомобиля, разработанный Louis Philip Brennan CB . ^[3] Бреннан подал свой первый патент на монорельс в 1903 году.

Его первая демонстрационная модель представляла собой коробку размером 30,0 на 11,8 дюйма (762 на 300 мм), содержащую систему балансировки. Однако этого было достаточно, чтобы Армейский совет рекомендовал сумму в 10 000 фунтов стерлингов на разработку полноразмерной машины. Их финансовый отдел наложил вето на это решение. Однако армия нашла 2000 фунтов стерлингов из различных источников для финансирования работы Бреннана.

В рамках этого бюджета Бреннан выпустил более крупную модель, 6,0 на 1,5 фута (1,83 на 0,46 м), сбалансированную двумя роторами гироскопа диаметром 5,0 дюймов (127 мм). Эта модель до сих пор хранится в Лондонском музее науки . След для машины был проложен на территории дома Бреннана в Гиллингеме, Кент . Он состоял из обычных газопроводов, проложенных на деревянных шпалах, с канатным мостом длиной 50 футов (15 м), острыми углами и уклонами до одного из пяти. Бреннан продемонстрировал свою модель на лекции в Королевском обществе в 1907 году, когда она была показана бегущей взад и вперед «на обученной и тонкой проволоке» «под идеальным контролем изобретателя». ^[4]

Уменьшение масштаба железной дороги Бреннана в значительной степени подтвердило первоначальный энтузиазм военного министерства . Однако избрание в 1906 году либерального правительства, проводившего политику финансовой экономии, фактически остановило финансирование армии. Тем не менее, Управление в Индии проголосовало за аванс в размере 6000 фунтов стерлингов (что эквивалентно 639 401 фунтов стерлингов в 2019 году) в 1907 году на разработку монорельсовой дороги для Северо-Западного пограничного региона, а еще 5000 фунтов стерлингов (что эквивалентно 525 892 фунтам стерлингов в 2019 году) было предоставлено Durbar из Кашмира в 1908. Эти деньги были потрачены почти января 1909 года , когда Индия бюро продвинулись еще £ 2000 (эквивалент 210 015 фунтов стерлингов в 2019 году).

15 октября 1909 года вагон впервые поехал своим ходом, перевезя по заводу 32 человека. Автомобиль имел размеры 40,0 на 9,8 футов (12,2 на 3 м) и с бензиновым двигателем мощностью 20 лошадиных сил (15 кВт) имел скорость 22 мили в час (35 км / ч). Передача была электрическая , с бензиновым двигателем , управляющим генератором и электродвигателей , расположенных на обеих тележках . Этот генератор также питал гиромоторы и воздушный компрессор . В балансировочной системе использовался пневматический сервопривод , а не фрикционные колеса. использовался в более ранней модели.

Гироскопы были расположены в кабине, хотя Бреннан планировал переустановить их под полом автомобиля, прежде чем выставить его на всеобщее обозрение, но открытие машины Шерла вынудило его перенести первую публичную демонстрацию на 10 ноября 1909 года. было недостаточно времени, чтобы переставить гироскопы перед публичным дебютом монорельса.

Настоящим публичным дебютом монорельса Бреннана стала японско-британская выставка в Белом городе в Лондоне в 1910 году. Вагон монорельса перевозил 50 пассажиров одновременно по круговой дороге со скоростью 20 миль в час (32 км / ч). Среди пассажиров был Уинстон Черчилль , проявивший большой энтузиазм. Интерес был таков, что детские заводные монорельсовые игрушки, одноколесные и гиростабилизированные, производились в Англии и Германии. ^{[5] [6]} Несмотря на то, что монорельс был жизнеспособным транспортным средством, он не смог привлечь дополнительных инвестиций. Из двух построенных автомобилей один был продан на металлолом, а другой до 1930 года использовался в качестве укрытия в парке.

Автомобиль Шерла [ править ]

Когда Бреннан завершил испытания своего автомобиля, Огаст Шерл , немецкий издатель и филантроп , объявил о публичной демонстрации гироскопической монорельсовой дороги, которую он разработал в Германии . Демонстрация должна была состояться в среду, 10 ноября 1909 года, в Берлинском зоологическом саду .

Машина Шерла ^[7], также полноразмерная машина, была несколько меньше, чем машина Бреннана, и имела длину всего 17 футов (5,2 м). В нем могли разместиться четыре пассажира на паре поперечных многоместных сидений. Гироскопы располагались под сиденьями и имели вертикальные оси, в то время как Бреннан использовал пару гироскопов с горизонтальной осью. Сервомеханизм был гидравлический и двигательная электрический. Строго говоря, Август Шерл просто обеспечил финансовую поддержку. Выпрямляющий механизм изобрел Пауль Фрёлих, а автомобиль - Эмиль Фальке.

Несмотря на то, что автомобиль был хорошо принят и отлично работал во время публичных демонстраций, он не получил значительной финансовой поддержки, и Шерл списал свои вложения в него.

Шиловский [ править ]

После провала Бреннана и SCHERL для привлечения необходимых инвестиций, практического развитие гироскопического монорельса после 1910 года продолжил с работой П. Шиловского , ^[8] русский аристократ , проживающей в Лондоне. Его система балансировки была основана на принципах, немного отличающихся от принципов Бреннана и Шерла, и позволяла использовать меньший, более медленно вращающийся гироскоп. После разработки модели монорельсовой дороги с автожиром в 1911 году он сконструировал автожир, который был построен Wolseley Motors Limited и испытан на улицах Лондона в 1913 году. Поскольку в нем использовался один автожир, а не пара, вращающаяся в противоположных направлениях, которую предпочитали Бреннан и Шерл, он демонстрировал асимметриюв своем поведении и становился нестабильным при резких поворотах влево. Он вызвал интерес, но не получил серьезного финансирования.

• Автожир Шиловского

События после Первой мировой войны [ править ]

В 1922 году советское правительство начало строительство Шиловской монорельсовой дороги между Ленинградом и Царским Селом , но средства закончились вскоре после начала проекта.

В 1929 году в возрасте 74 лет Бреннан также разработал автожир. Это было отклонено консорциумом Austin / Morris / Rover на том основании, что они могут продавать все обычные автомобили, которые они построили.

Принципы работы [ править ]

Основная идея [ править ]

Транспортное средство движется по единому обычному рельсу, поэтому без системы балансировки оно могло бы опрокинуться.

Вращающееся колесо установлено в карданной раме, ось вращения которой (ось прецессии) перпендикулярна оси вращения. Узел установлен на шасси транспортного средства таким образом, чтобы в состоянии равновесия ось вращения, ось прецессии и ось крена транспортного средства были взаимно перпендикулярны.

Принуждение кардана к вращению приводит к прецессии колеса, что приводит к появлению гироскопических крутящих моментов вокруг оси крена, так что механизм может выровнять транспортное средство при наклоне от вертикали . Колесо демонстрирует тенденцию совмещать свою ось вращения с осью вращения (осью карданного подвеса), и именно это действие вращает все транспортное средство вокруг своей оси крена.

В идеале механизм, прикладывающий управляющие моменты к подвесу, должен быть пассивным (расположение пружин , амортизаторов и рычагов ), но фундаментальный характер проблемы указывает на то, что это невозможно. Положение равновесия - автомобиль в вертикальном положении, так что любое возмущение из этого положения уменьшает высоту центра тяжести , снижая потенциальную энергию системы. Все, что возвращает транспортное средство в состояние равновесия, должно быть способно восстанавливать эту потенциальную энергию и, следовательно, не может состоять только из пассивных элементов. Система должна содержать какой-либо активный сервопривод .

Боковые нагрузки [ править ]

Если бы постоянным боковым силам противостоять только гироскопическое действие, карданный вал быстро повернулся бы до упора, и транспортное средство опрокинулось бы. Фактически, механизм заставляет транспортное средство наклоняться к возмущению, сопротивляясь ему с помощью компонента веса, а гироскоп находится рядом с его неотклоненным положением.

Боковые инерционные силы, возникающие при прохождении поворотов, заставляют автомобиль наклоняться в поворот. Одиночный гироскоп вносит асимметрию, из-за которой транспортное средство наклоняется слишком далеко или недостаточно далеко, чтобы результирующая сила оставалась в плоскости симметрии, поэтому на борту все равно будут ощущаться боковые силы.

Для того , чтобы гарантировать , что транспортное средство банка правильно на углах, необходимо удалить гироскопический момент , возникающие от скорости транспортного средства поворота.

Свободный гироскоп сохраняет свою ориентацию относительно инерциального пространства , а гироскопические моменты создаются путем вращения его вокруг оси, перпендикулярной оси вращения. Но система управления отклоняет гироскоп относительно шасси , а не относительно неподвижных звезд. Отсюда следует, что тангаж и рысканиедвижение транспортного средства по отношению к инерциальному пространству приведет к появлению дополнительных нежелательных гироскопических моментов. Это приводит к неудовлетворительному равновесию, но, что более серьезно, вызывает потерю статической устойчивости при повороте в одном направлении и увеличение статической устойчивости в противоположном направлении. Шиловский столкнулся с этой проблемой на своем транспортном средстве, которое, следовательно, не могло делать крутых левых поворотов.

Бреннан и Шерл знали об этой проблеме и реализовали свои системы балансировки с парами гироскопов встречного вращения, прецессирующих в противоположных направлениях. При такой компоновке все движения транспортного средства относительно инерционного пространства вызывают равные и противоположные крутящие моменты на двух гироскопах и, следовательно, нейтрализуются. С двойной гироскопической системой устраняется нестабильность на поворотах, и транспортное средство будет крениться под правильным углом, так что на борту не будет ощущаться чистая боковая сила.

Шиловский утверждал, что испытывает трудности с обеспечением устойчивости с помощью систем с двумя гироскопами, хотя причина, по которой это должно быть так, не ясна. Его решение состояло в том, чтобы изменять параметры контура управления в зависимости от скорости поворота, чтобы поддерживать одинаковый отклик при поворотах в любом направлении.

Смещенные нагрузки также заставляют автомобиль наклоняться до тех пор, пока центр тяжести не окажется выше точки опоры. Боковой ветер заставляет автомобиль наклоняться к ним, чтобы противостоять им с помощью компонента веса. Эти контактные силы могут вызвать больший дискомфорт, чем силы при повороте, потому что они приведут к возникновению чистых боковых сил на борту.

Силы контактной стороны приводят к смещению кардана в петле Шиловского. Это можно использовать в качестве входных данных для более медленной петли для смещения центра тяжести вбок, чтобы транспортное средство оставалось в вертикальном положении при наличии устойчивых неинерционных сил. Эта комбинация гироскопа и бокового смещения ЦГ является предметом патента 1962 года. Транспортное средство, использующее гироскоп / боковой сдвиг полезной нагрузки, было построено Эрнестом Ф. Суинни, Гарри Феррейрой и Луи Э. Суинни в США в 1962 году. Эта система называется монорельсовой дорогой Gyro-Dynamics.

Возможные преимущества перед двухрельсовыми автомобилями [ править ]

Преимущества монорельса перед обычными железными дорогами резюмировал Шиловский. Утверждалось следующее.

Уменьшение проблемы с полосой отвода [ править ]

Тесная связь транспортного средства с его единым рельсом, присущая ему способность наклоняться на поворотах и ​​меньшая зависимость от сил сцепления - все это факторы, которые имеют отношение к развитию движения по поверхности. В принципе, можно преодолевать более крутые уклоны и более острые углы по сравнению с обычным сцепным рельсом . Типичные конструкции высокоскоростных поездов имеют радиус поворота 7 км, что, следовательно, дает несколько вариантов новых маршрутов в развитых странах, где почти вся земля находится в индивидуальной или корпоративной собственности.

В своей книге Шиловский описывает форму торможения на рельсовом пути, которая возможна с монорельсовой дорогой, но нарушит курсовую устойчивость обычного рельсового транспортного средства. Это имеет потенциал гораздо более короткого тормозного пути по сравнению с обычным колесом по стали, с соответствующим сокращением безопасного расстояния между поездами. Результат - потенциально более высокая заполняемость трассы и большая пропускная способность.

Снижена общая стоимость системы [ править ]

Хотя отдельные транспортные средства, вероятно, будут дорогими, наибольшие затраты связаны со строительством и обслуживанием постоянного пути, который для одного рельса на уровне земли должен быть дешевле.

Режимы доброкачественной неисправности [ править ]

Угловой момент в гироскопах настолько высок, что потеря мощности не представляет опасности в течение добрых получаса в хорошо спроектированной системе.

Уменьшенный вес [ править ]

Шиловский утверждал, что его конструкции на самом деле легче, чем аналогичные двухрельсовые автомобили. Масса гироскопа, по словам Бреннана, составляет 3–5% от веса транспортного средства, что сопоставимо с весом тележки, сэкономленным при использовании одноколейной конструкции.

Возможность высокой скорости [ править ]

Высокая скорость традиционно требует прямого пути, что создает проблему полосы отвода в развитых странах. Профили колес, допускающие резкие повороты, имеют тенденцию сталкиваться с классическими колебательными колебаниями на низких скоростях. Езда по одиночному рельсу - эффективное средство подавления охоты.

Поворачивая углы [ править ]

При движении транспортного средства по горизонтальной кривой наиболее серьезные проблемы возникают, если ось гироскопа расположена вертикально. Существует компонент скорости поворота, действующий вокруг оси кардана, так что в уравнение крена вводится дополнительный гироскопический момент:${\ displaystyle \ Omega}$

${\ displaystyle A {\ frac {d ^ {2} \ phi} {dt ^ {2}}} + H ({\ frac {d \ theta} {dt}} + \ Omega \ phi) = Wh \ phi}$

Это смещает крен от правильного угла крена для поворота, но, что более важно, изменяет постоянный член в характеристическом уравнении на:

${\ displaystyle {\ frac {(Wh-H \ Omega) k} {AJ}}}$

Очевидно, если скорость поворота превышает критическое значение:

${\ displaystyle \ Omega = {\ frac {Wh} {H}}}$

Уравновешивающая петля станет нестабильной. Однако вращение идентичного гироскопа в противоположном направлении будет отменять крутящий момент крена, который вызывает нестабильность, и, если он будет вынужден прецессировать в направлении, противоположном первому гироскопу, создаст управляющий крутящий момент в том же направлении.

В 1972 году Отдел машиностроения правительства Канады отклонил предложение о монорельсовой дороге в основном из-за этой проблемы. Их анализ ^[9] был правильным, но он ограничивался единственными гироскопическими системами с вертикальной осью, а не универсальными.

Максимальная скорость отжима [ править ]

Газотурбинные двигатели спроектированы с окружной скоростью до 400 метров в секунду (1300 футов / с) ^[10] и надежно работали на тысячах самолетов за последние 50 лет. Следовательно, оценка массы гироскопа для 10 тонн (9,8 длинных тонн; 11 коротких тонн) с высотой cg ^{[ требуется пояснение ]} на уровне 2 метров (6 футов 7 дюймов), предполагая, что окружная скорость вдвое меньше той, что используется в реактивном двигателе. конструкция двигателя, составляет всего 140 кг (310 фунтов). Поэтому рекомендация Бреннана о 3–5% от массы автомобиля была очень консервативной.

См. Также [ править ]

• Адгезионная железная дорога
• Велосипед и мотоцикл динамика
• Gyrocar
• Сегвей HT
• Lit Motors

Ссылки [ править ]

Библиография [ править ]

• Шиловский, Петр Петрович (1922). Гироскоп, его конструкция и практическое применение . Электронные публикации.
• Казинс, H (1913). «Устойчивость гироскопических одноколейных транспортных средств». Инженерное дело 2 : 678–681.
• Грэм, Р. (февраль 1973 г.). «Бреннан, его вертолет и другие изобретения». Авиационный журнал . 77 (746): 74–82.
• Ми, А (1912). «Хармсворт». Популярная наука . 3 : 1680–1693.
• Эдди, HT (1910). «Механические принципы монорельсового вагона Бреннана» . Журнал Института Франклина . 169 (6): 467–485. DOI : 10.1016 / s0016-0032 (10) 90004-5 .
• Томлинсон, Н. (1980). Луи Бреннан, экстраординарный изобретатель . Публикации Джона Холлуэлла. ISBN 0-905540-18-2.
• "Гироскопический монорельсовый вагон Scherl". Scientific American . 22 января 1910 г.
• "Моногусеничный автомобиль Brennan". Коммерческий мотор . 18 ноября 1909 г.
• "Гироскопическая монорельсовая система Шиловского". Инженер . 23 января 1913 г.
• Хэмилл, Пенсильвания (декабрь 1972 г.). и другие. «Комментарии к предложению о гиростабилизированной монорельсовой дороге». LTR-CS-77 . Канада: Лаборатория систем управления.
• «Монорельсовые автомобили». Инженерное дело : 794. 14 июня 1907 г.
• Роджерс, GFC; Мэйхью, Ю. Р. (1972). Инженерная термодинамика, работа и теплопередача (третье изд.). Лонгман. п. 433.

Внешние ссылки [ править ]

СМИ, связанные с монорельсом гироскопа на Викискладе?

• Особенность Общества монорельса на монорельсе Суинни
• Гироскоп Железная Дорога