您的位置:中国科技新闻网 > 成果展示 > 科学创新轨道交通建设
科学创新轨道交通建设
发表时间 2017-08-25 09:38 来源 本站原创

  导语:交通被誉为城市的“大动脉”,不仅联通起了不同城市和地区间的交流,而且推动了现代经济、技术、文化等方面的互通与融合。然而,随着现代工业的发展,城镇化加速,以及在这一过程中涌入城市的大量人口,无不给交通带来压力。在诸多现代大都市中,“堵车”已成为常态。同时,大量车辆排放废气所造成的环保问题也日益严重。对此,众多有识之士纷纷提出意见和建议,为减轻城市交通压力积极贡献力量。作为科研工作者,何开浩经过多年潜心钻研,设计出了一种新型的轨道交通方式,将有效改善由交通引发的一系列问题。

  轨道交通的全新形式

  当前城市中的一般轨道交通方式建设成本非常高,而且建设周期长,与城市公路交通的兼容性也不好。而何开浩设计的导轨方式的轨道交通,引导车辆的导轨轨道只要一条,而且可以建在道路旁边而不是在路面上,建设时不需要破坏路面,成本低廉,施工方便。

  何开浩介绍,如果要把轨道建在道路旁边,车辆导轨挂件的设计是:车辆导轨挂件包括具有两端的限位臂,限位臂第一端安装有至少一个滑轮;限位臂第二端经连接销绞接有缓冲臂;缓冲臂具有配装在车辆上的外端头,外端头与安装在车轮的方向杆相连;限位臂和缓冲臂用一个绞连结相连接,绞连结可以安装在指示靠近铁轨一侧,也可以安装在远离铁轨的一侧或其他地方,限位臂上装有若干导轨滑轮。滑轮与轨道匹配能限制限位臂的相对位置。绞连结的作用是在导轨随着路面上下起伏的情况下,安装在限位臂上的导轨滑轮能上下活动,以适应轨道的起伏,使车辆平稳运行,并有效引导车辆。

  图1:导轨挂件的一种形式

  其中,导轨挂件控制车辆行驶的原理是这样的:缓冲臂安装在车轮的方向杆上,(注:方向杆现在的各种车辆上是没有的,它是一种能拨动车轮偏转从而控制车辆行驶方向的杆子)限位臂上的导轨轮夹住铺设在道路旁边的轨道,来控制车辆行驶方向,这样就能使车辆沿着轨道行驶。

  图2: 导轨挂件安装后效果

  一种简单的铺轨方法是轨道直接安装在道路旁边的阶沿上面。遇到交叉路口的时候,轨道就慢慢地往下方下沉,在横穿交叉道路时,轨道就下沉到了与路面相平的位置上了,对交叉道路上的车辆行驶也没有一点影响。只要轨道两边道路表面留有能容得下导轨轮轮轴的缝隙,道路下面有一个能够通过导轨轮的空间就行了。

  图3:简单铺轨方法

  “理想的铺轨方法是先在阶沿位置挖一条浅沟,轨道铺在浅沟里面,再在上面盖上盖板。由于这种方法轨道位置很隐蔽,可以把轨道和输电电缆做在一起,导轨挂件充上安装电线,就能把它当集电器来使用。”何开浩说。

  图4:理想的铺轨方法

  他表示,还可以把轨道做成象一条浅沟一样的U字形,照样也能起到导轨作用。只是由于这种沟槽形式的U型轨道二侧壁各自擦到导轨轮后而引起的导轨轮旋转的方向是相反的,因此导轨挂件必需安装二个各自只能擦到一侧槽壁的导轨轮才行。他初步设想了二种方式能做到这一点。一种是在一根曲轴上安装二个互相错位二个导轨轮。另一种是在同一直轴上安装上面大下面小的二个导轨轮。而一侧槽壁的下方要凸出一点来,使下面的小导轨轮刚好能擦到槽壁凸出来的地方。

  图5:U型轨道的二种导轨轮安装方式

  多节车辆在公路上行使,转弯性能好坏是非常重要的。因此何开浩简地介绍了一下提高导轨车辆的转弯性能的一种方法:在车辆经过转弯半径很小的弯道的时候,人工的在方向杆上向要转弯方向施加偏转力,这样就能帮助导轨轮很顺利的通过转弯半径很小的急转弯弯道。

  图6:急转弯处的U型轨道

  何开浩指出,用人工施加偏转力的方法,可以把路边的阶沿直接当成轨道来控制车辆行驶。例如在方向杆上人工施加向阶沿方向的偏转力,车辆就会往阶沿方向去靠拢。这时导轨轮就会碰到阶沿。导轨轮就会碰到阶沿后,阶沿就会给导轨轮一个反作用力。经过力传导,反作用力会把原来偏转了的方向杆给顶直了。就这样人工施加的偏转力与阶沿给导轨轮的反作用力共同作用就会使车辆沿着阶沿行驶。

  图7:车辆沿阶沿行驶的原理图

  “在铁路运输中也可以使用这种导轨方法。即在铁路中间再增加一条导轨轨道,车上用二个导轨轮夹着导轨轨道来控制车辆行驶。”何开浩总结。由于铁路中行驶的车辆只有火车,所以这种导轨轨道可以大大的高出路面,想要把导轨轨道做得多高大、多结实都不存在问题,这样行驶的车辆应该会比原来方法要稳定得多。可以想象这种方式应该能够极大提高火车的转弯能力,使火车更不容易脱轨。有了中间导轨轨道来控制方向,原来的二条铁轨就不再需要来控制车辆行驶方向了,那就没有必要再高出路面了。把它铺得与路面平或者略高于路面就行了。而中间的那条导轨轨道,在有的地方还可做成升降式。如在与公路交叉的道口上的段铁轨,平时没有火车时轨道就下沉到与公路面相平。而当有火车行驶时,在封闭公路的同时,抬升起铁轨让火车通行。用这种升降式方法还可以设计出一种可以火车有一定的避让功能的铁路来。从而可以避免一个地方出故障,发生铁路全线瘫痪的局面。

  图8:铁路中实施导轨的方法

  何开浩相信,如果能够让该技术大力普及用于城市交通,则不仅能大量节约资源,改善环境,促进城市交通稳定健康有序发展,而且能为人们营造和谐城市,和谐社会奠定基础,使中国的城市轨道行业发展具备国际竞争力。

  城市交通的革命性突破

  何开浩的这一发明不仅是车辆的一种导轨挂件,而且是轨道交通的一种全新方式。如果其能够得到普及,将成为道路交通的一场划时代的革命。虽然它的原理十分简单,但那实际上是对二百多年来传统的有轨车辆设计方式的一次重大思想突破。

  何开浩表示,他的这一设计思想最主要特点是:控制行驶方向与承载车辆重量这二个传统的轨道功能被分离。在这里轨道只需要一根铁轨,它只是用来控制车辆行驶方向,不承载车辆重量。承载车辆重量的沉重负担直接转移给了道路地面。轨道摆脱了承重量的沉重负担后,那它的建造要求就要低得太多太多了,而且铁轨的形态方式也可以大大的自由了。它可以根据各种车辆不同的功能要求,量身设计各种各样别具一格轨道样式来。

  如果使用这种导轨挂件,轨道只需要一根铁轨,形式可以多种多样。角铁、钢管甚至沟槽都可以当作轨道;轨道架设的位置也可以非常的随意,铺在路边、埋在地下甚至架在空中都不成问题,只需改变一下导轨挂件的结构,使挂件与轨道相适应就行。如果轨道可以架在一般人够不到的地方,那么输电电缆架还可以跟轨道在做成一起。这样一来导轨挂件还可以充当集电器的角色,车辆就摆脱了一根长长的辫子。公路交通不仅整洁,而且也会极大增加便利性。

  “这种轨道架设的成本非常低廉,如果技术条件成熟,每一条公路都可以安装上轨道,每辆汽车都可以装上导轨挂件,公路运输就完全有可能可以做到轨道化、电气化。就目前而言,可考虑先在繁忙的公交线路上辅上这种轨道,公交车辆就可以象轻轨一样挂上好多节车厢,大大增加公交车辆的运输能力,由此可从根本上解决繁忙的城市交通问题。”何开浩介绍。

  为了适应时代和环境的发展,他还在不断改进并完善自己的发明。例如,公路上行驶的各种车辆,总是会有上下颠簸情况。碰到不平整路面还会有强力的跳动。这样的颠簸或跳动就有可能导致导轨部件与轨道分离,也就是脱轨。对此,他指出,可以通过设计一个缓冲系统,使得车辆无论怎样颠簸跳动,其力量也不会作用到导轨部件上面去。另外导轨部件和轨道的结合方式也可以改变,让导轨部件和轨道结合得更加老固,使其即使在有一定的外力的作用,也不会脱轨。这样做其实一样方便,不存在困难。

  这些年来,随着城市地铁建设的发展,何开浩又开始考虑相关技术在地铁方面的应用。地铁的好处是运输量特别大。而且快速准时。但是地铁的建造费用非常的大。每公里的建造费用有好几个亿。而且建造一条地铁需要3到5年的时间。

  针对于此,何开浩有了关于地铁的设计方案:每一条公路都有几个功能区。中间的是机动车道,几吨甚至几十吨的车辆要在这个中间车道行驶。马路上面的承重是非常大的。旁边是非机动车道,再旁边是人行道,有的公路还有绿化带。这些非机动车道,人行道和绿化带上面的承重小非常小的。所以可以考虑把地下轨道线路建设在人行道绿化带下面。挖掘深度也不用太深,车辆能在下面能够行驶车辆,地下车道上面盖一层水泥预制板就差不多行了。

  按照何开浩设计的轨道交通方式,车辆跟汽车差不多,是行驶在路面上的,轨道只是引导车辆行驶方向的,不均匀沉降不会影响行车安全。而传统地铁的转弯半径一般有在三百米以上,那就跟本不可能沿着马路的人行道修建。

  “根据法国劳尔公司的数据,导轨形式的轨道交通车辆,它的最小转弯半径只有十米,沿着人行道下面行驶没有什么问题。这种沿着走人行道下面修建的地下路面,建造成本要比现在的地铁建造成本少了很多,但是它在运输能力会地铁基本差不多,一样的快捷准时。如果它能够真的实施,将会大大改善现在城市交通拥堵的局面。”对于自己的发明,何开浩做了大量技术调研。

  何开浩常说,导轨形式的轨道交通,是一种全新的轨道交通形式。能够把轨道交通运输的运输能力强大、运行安全可靠特性和公路交通运输的灵活方便的优点都集合于一身。如果能够实现推广的话,那将是道路交通运输上的一场革命。交通运输关系着经济的流通和国家与城镇建设,是“四个现代化”的重要组成部分,因此,何开浩一直在为了这项研究而奔走、努力。他盼望着此项成果能够得到社会各界支持,在城市建设中加以推广和应用,为我国的现代化发展贡献一份力量。

  研发适应未来需求的新型车辆

  为进一步缓解交通压力、避免环境污染和浪费,除轨道交通外,何开浩还将目光放得更长远。他设计了一种新型的交通工具,未来普及私人汽车后能够很好地解决有可能出现的道路拥挤问题。

  根据目前已经普及私人汽车的发达国家和地区的经验,交通拥堵、环境污染、能源浪费等一系列问题均已出现。为解决这些问题,很多国家花费了大量人力物力,但效果依旧差强人意。

  何开浩在经过细致入微的研究后发现,造成这些问题的根本原因在于目前汽车车身过大,浪费大量能源而且造成环境污染,人体不足半米宽,行车却要占用几米宽的车道,又浪费行车空间。他为此设计出一种能够最大限度减少车身重量和行车空间而行车速度又十分快捷的新型车辆,可以将之看成是游乐场里“过山车”的一种变形,用其作为载人车辆,道路拥挤、环境污染等问题就可迎刃而解。如图所示:



  何开浩介绍,这种载人车辆的宽度只比船形摩托车稍宽一些,长度与摩托车相差无几。能象摩托车一样挤下二、三个人。它与其他车辆最大的不同就车子底下多了二对能夹住铁轨的夹轨轮, 夹轨轮能夹能松。夹轨轮夹住轨道时,车子通过电刷,导入嵌在轨道旁边电缆里的电作为动力,就能沿着轨道高速行驶,就象游乐场里的“过山车”一样。夹轨轮松开时,电刷也同时收起,车子可以以脚踏或者通过自带电瓶为动力,在公路上自由的行驶,这时它就成为了四个轮子的自行车了。由于车体很小,再加上它是电机驱动(车轮就是电机),夹轨轮的松开或夹紧的操作也可以用线圈的电磁铁来完成,所以传动装置很少,因此整个车子的重量也就不会太重。如果再用碳素纤维或其它的工程塑料做车身,聚脂脂玻璃作档风玻璃的话,重量会更轻,人力就能够搬动它。这样应付各种情况就会象自行车一样灵活方便,开车的耗电量能控制在极低的范围内。

  关于这种车在轨道上行驶,遇到交叉路口怎样控制车辆各行其道的问题,何开浩提出了两种解决办法。第一种办法是在道上装行程开关;第二种方法是在车子底下再增加对夹轨轮。他以右转弯的交叉口为例详细讲述了在车道上装行程开关的方法:

  首先,在直行车道轨道与右转弯轨道的交叉处留二个能使夹轨轮通过的缺口,再在二个缺口上各自塞上一个能使轨道平滑连接的填充塞。分别为红色的填充塞1和蓝色的填充塞2。如图3所示:

  这对填充塞相互排斥,即当红色的填充塞1上升塞住缺口时,则蓝色的填充塞2就下沉留出缺口,使车子只能向右转弯。当蓝色的填充塞2上升塞住缺口时,则红色的填充塞1就下沉留出缺口,使车子只能往前直行。

  车道上,在快到交叉口的车道右侧,装上二个行程开关。分别为位于内侧的直行行程开关和外侧的右转弯行程开关,用来控制这对填充塞。而在车子上面,还得装有四个操纵杆,分为左右二对,分别以左转弯操纵杆和左直行操纵杆为一对;右转弯操纵杆和右直行操纵杆为另一对。每一对操纵杆都是互相排斥的。以右转弯操纵杆和右直行操纵杆为例来讲,当右直行操纵杆按下时,则右转弯操纵杆就会弹起。右转弯操纵杆杆按下时,右直行操纵则就会弹起。平时车子直行时,左则一对的左直行操纵杆和右则一对的右直行操纵杆是按下的。当你想右转弯时,在车子还没有到达行程开关处之前,提前先按下右侧的右转弯操纵杆。右转弯操纵杆的下部穿过车底,向下凸出。当车了开到行程开关处时,向下凸出的右转弯操纵杆就会跟右转弯行程开关相接触,打开开关。从而控制交叉口里的那对填充塞,使红色的填充塞1上升塞住缺口时,蓝色的填充塞2就下沉留出缺口。使车子只能向右转弯。当下一辆要直行的车开来时,因为它的右直行操纵杆是按下的,当车了开到行程开关处时,向下凸出的右直行操纵杆就会跟直行行程开关相接触,打开开关。从而控制交叉口里的那对填充塞,使蓝色的填充塞2上升塞住缺口时,红色的填充塞1就下沉留出缺口。使车子只能向前直行。左弯的控制与之一样。

  同时,何开浩也指出了此种方法存在的缺点。即因为要实现这种方案,需要用机电装置来完成转弯控制, 而机电装置不可避免有出故障的时候,一个路口要保证来自各个方向的车子向各方向转弯,要装很多这样的行程开关、填充塞装置,首要的是它们不能出故障。光一条路就有许多十字路口,那需要的这种装置就数不胜数。要检查维护这么许许多多的装置困难很大,很难保证万无一失。为此他经过反复捉摸和实验,发明出了另一种解决方法,即增加夹轨轮方法。这种方法就是车子底下原有二对夹轨轮的基础上,再增加二对夹轨轮,分别为位于前面的导向夹轨轮和位于后面的舵夹轨轮。如图4所示:

  这样一来轨道上就无需装填充塞,只留有缺口即可。而它的可靠性要比装行程开关的方法要好许多。由于种车的车体很小,重量很轻,而且又在轨道上驶,并行行驶的车辆相互靠得很近也不用担心车子会相互擦撞。所以它行驶的车道非常窄,容得下车子就基本够宽了。公路上的一条绿化隔离带的宽度就差不多能建二条车道。

  要建双向四车道的话,用二侧绿化隔离带的宽度就差不多了。因为车子重量轻,要造高架也非常容易,车身又很低,建造多层高架也没有什么问题。十字交叉路口要完全的立体交叉也并不困难,无需建立交桥,造个立交架就行。人行道下挖一条深沟,沟里埋下集装箱大小的水泥管,就能建成“地铁”。所以它可最大限度的节省道路空间,又不用燃料, 不污染环境。车子轻,耗电量也就不会很大。

  为最大限度提高道路利用率,何开浩考虑将车建成四层功能架构。即,第一层:不上轨层。第二层:全立交层。第三层:直行车道层。第四层:城间车道层。其中全立交层是最基本的一层,车道较为复杂一些,为完全立体交叉。图5为单车道的全立交层:

  (在实际道路上,一般是多车道的,所以还要复杂。但因为车辆和车道都很轻小,建造倒并不困难。)这样做,虽然比红灯停绿灯行的平面交叉快了许许多多,但是,到了交叉口,各方向行驶的车辆还是有冲突的可能,如图:直行的车辆到了交叉口, 有可能与左边或者右边拐弯过来的车辆发生冲撞。所以。车到交叉口,速度不能太快,得先看后行。因此,交叉口还是要成为行车速度的瓶颈。

  直行车道层把每一条直行车道建成一个独立的车道单元。它不与其它车道直接相通连通。只有上轨引道和下轨引道。如图:

  何开浩指出,这里的引道应该足够长,以容纳可能产生的大量等待转轨车辆。这样做的目的是为了提高直行车道上通车能力,在这儿行驶的车辆几乎没有速度的瓶颈,如果再利用现代信息技术,把车道上的行驶车辆情况反应在上轨车道交叉口的屏幕上,合理调度车辆,车道的通车能力将会极大提高。这种车道是适合远距离行驶车辆的,如果城市道路象棋盘一样纵横交错的话,一个地方行车到任何地方去,最多只需转车道一次。即使城市布局并非如此,转车道最多也不会超过两次。

  城间车道层的行驶车辆方式与第三层一样,只是车道很长,一直延伸到另一个城市,出了城后,由于叉道口很少。车道上装些车辆保护装置,使车能以很高的速度安全行驶。当城内交通高峰时时段,可以把它的城内车道临时当作第三层使用,成为第三层的缓冲。

  另外,何开浩还特别强调了四层构架在功能上的意义,指出来可以根据具体情况因地制宜,并不局限于以上提到的形式。他相信,如果运用得当,这一发明必将发挥极大作用,在解决山区交通问题方面也将产生重要影响。