خروج قطار از ریل ،تشریح عوامل خروج قطار از ریل
مقدمه
خروج ناوگان راه آهن از ریل می تواند باعث تلفات جانی و خسارات مالی قابل توجهی شود. مسئله از خروج قطار از ریل هم به دلایل ایمنی و هم به دلایل اقتصادی برای راه آهن حیاتی است.
دلیل خروج چرخ ها از ریل می تواند بسیار پیچیده باشد. با این حال، سناریوی نهایی خروج از ریل می تواند منجر به بالا رفتن چرخ ها از ریل، عریض شدن فاصله دو ریل و یا واژگونی ریل شود که باعث می شود چرخ ها بین ریل ها بیفتند.
بنابراین، هر شرایطی که باعث شود، ریل ها نتوانند بر نیرو های جانبی قطار غلبه کند خطر خروج از خط را بیشتر می کند.
توجه داشته باشید که خروج از ریل مورد بحث در این مقاله تنها به علت از دست دادن محدودیت جانبی در رابط چرخ و ریل مربوط می شود. خروج از ریل به دلایل دیگر، مانند خرابی قطعات، در این مقاله پوشش داده نشده است.
تاریخ و آمار
از اولین روز حرکت چرخ ها روی ریل، خروج از خط همواره یکی از دغدغه های اصلی راه‌آهن بوده است. ویژگی اساسی چرخ هایی که روی ریل حرکت می کنند، چالشی منحصر به فرد برای راه‌آهن ایجاد می کند تا اطمینان حاصل شود که چرخ ها روی ریل می مانند.
ناوگان هایی با سرعت بالا که قرن گذشته توسعه یافته‌اند باعث شده‌اند، کنترل دقیق تر هدایت جانبی ناوگان ریلی تبدیل به الزامی برای راه‌آهن شود.
فناوری‌های راه‌آهن در سال‌های اخیر پیشرفت چشمگیری داشته است و سطح ایمنی در مقایسه با روزهای اولیه و همچنین در مقایسه با سایر روش‌های حمل‌ونقل بالا است. با این حال، متأسفانه، همچنان خروج از خط رخ می دهد.
از گزارش بسیار قدیمی های می توان یافت که خروج از ریل در 10 نوامبر 1881 در کارنفورث، بریتانیا اتفاق افتاده است. این خروج از ریل منجر به مجروح شدن چهار مسافر، آسیب دیدن سه واگن و آسیب دیدن برخی از قسمت های مسیر شد. متخصصان به این نتیجه رسیدند که جابجایی سیگنال توسط متصدی سیگنالینگ قبل از اینکه کل قطار از روی آنها عبور کند دلیل خروج تز ریل قطار بوده است.
اخیراً بر اثر برخورد یک قطار سریع السیر مملو از جمعیت در شمال غربی ترکیه در مسیر استانبول به آنکارا، نزدیک به 40 نفر کشته شدند. هنوز مشخص نیست که چه چیزی باعث خارج شدن قطار از ریل شده است، اما بازماندگان توصیف کردند که احساس کردند واگن به شدت قبل از تصادف می لرزد.
راه آهن در ایالات متحده پس از تصویب قانون گزارش سال 1910 گزارش تصادفات را به دولت فدرال آغاز کرد. شکل 1، ایمنی راه آهن باری آمریکای شمالی را نشان می دهد .
روند بین سال های 1980 و 2002. توجه داشته باشید که مقادیر مربوط به سال 1980 به عنوان یک مرجع در نظر گرفته می شود که به این صورت تعریف شده است.
کاهش قابل توجهی در تلفات و خسارت در مقایسه با سال 1980، حاصل شده است.
با این حال، این روند از سال 1992 ثابت بوده است.
بر اساس پایگاه داده حوادث FRA، علل اصلی تصادف قطار عبارتند از:
- ریل ، میله های اتصال و لنگر انداختن ریل
- نقص هندسه مسیر
- قوانین کلی سوئیچینگ ( سیگنال های موجود )
- چرخ ها
- سوئیچ ها
- فراگ (frog ) ، سوزن و ادوات خط
- اجزای بوژی
- جابجایی قطار/آرایش قطار
- تقاطعات با جاده
در مطالعه ای در مورد خروج از ریل ناشی از چرخ های ناتراز، این پایگاه داده نشان داد که 8862 حادثه خروج از ریل قابل گزارش که بین سال های 1998 و 2000 رخ داده است. از بررسی بیش از 300 کد علت خروج از ریل که توسط اداره راه آهن فدرال (FRA) تعریف شده بود، 53 کد علت شناسایی شدند که احتمالاً تحت تأثیر فعل و انفعالات ضعیف چرخ و ریل قرار می گیرد.
عریض شدن خط ، تراز نبودن مسیر، تاب خوردن چرخ و محور (hunting movement) ، چرخ‌هایی با آج فرسوده و فلنج‌ها مورد توجه ویژه قرار گرفتند که مستقیماً به تعامل ضعیف چرخ و ریل مربوط می‌شوند و بر روی تماس چرخ و ریل تأثیر میگذارد.
همانطور که در جدول 1 نشان داده شده است، این چهار علت ، باعث بروز حدود 50 درصد از خروج از ریل مربوط به 53 کد هستند. قابل توجه است که گیج(عرض خط) عریض به عنوان علت تقریباً 8 درصد از کل خروجی های گزارش شده است. تقریباً 40 درصد از خروج از ریل مربوط به 53 کد علت انتخاب شده است.
در میان تعداد زیادی از خروج از ریل، در بسیاری از این خروج از ریل ها ناشی از خرابی های مکانیکی مسیرها یا ناوگان بود. برخی از این خرابی ها ممکن است ناشی از طراحی های ضعیف باشد و برخی دیگر نتایج انباشته عملکرد نامطلوب خدمه قطار یا تعمیر و نگهداری ضعیف باشد.
مکانیسم های خروج از ریل و ضوابط ایمنی ناوگان راه‌آهن
خروج از ریل به دلیل از دست دادن کنترل نیرو های جانبی قطار در رابط چرخ و ریل ممکن است به چهار علت عمده طبقه بندی می شود:
- بالا رفتن فلنج چرخ از ریل
- بزرگ تر شدن گیج
- واژگونی ریل
- جابجایی پانل خط بر اساس روش هایی که محدودیت های جانبی چرخ و ریل از بین می رود.
خروج خط از طریق بالا رفتن فلنج از ریل
خروج فلنج چرخ از ریل به دلیل بالا رفتن چرخ ها از ریل و سپس عبور بیشتر از روی ریل ایجاد می شود. خروج چرخ از ریل معمولاً در شرایطی اتفاق می‌افتد که چرخ نیروی جانبی زیادی همراه با شرایطی که نیروی عمودی روی چرخ هایی که دارای فلنج هستند کاهش می‌یابد، اتفاق می افتد . نیروی جانبی زیاد معمولاً توسط یک زاویه بزرگ حمله چرخ القا می شود.
نیروی عمودی روی چرخ های بوژی‌هایی که دارای یکسان سازی بار عمودی در چرخ ها ضعیف هستند می‌تواند به طور قابل توجهی، کاهش یابد، مانند هنگام سبر در مسیر ناهموار، قوس بزرگ مسیر، یا زمانی که ناوگان با رزونانس غلتشی مواجه می‌شود.
خروج فلنج از ریل معمولاً در قوس ها اتفاق می افتد. چرخ‌های روی ریل بیرونی معمولاً سطح پایه نیروی جانبی به نیروی عمودی (L/V) را تجربه می‌کنند که عمدتاً به موارد زیر مربوط می‌شود:
- شعاع قوس
- پروفیل های چرخ و ریل
- ویژگی های تعلیق بوژی
- سرعت قطار
این عوامل با هم ترکیب می شوند تا یک زاویه حمله چرخ پایه ایجاد کنند که به نوبه خود سطح اولیه نیروی جانبی در قوس را ایجاد می کند.
در یک بوژی که به طور قابل توجهی ناتراز است، احتمال اینکه بتواند زاویه حمله بالاتری را ایجاد کند زیاد است . علاوه بر این، هر گونه پستی و بلندی در مسیر و ناپیوستگی دینامیکی ممکن است منجر به افزایش بیشتری بر نسبت L/V چرخ شود . هنگامی که این نسبت از حدی که چرخ می تواند حفظ کند بیشتر شود، بالا رفتن چرخ از ریل ختم می شود.
خروج چرخ قطار از ریل در مسیر صاف زمانی رخ می دهد که پستی بلندی های مسیر و حرکت دینامیکی جانبی وسیله شدید باشد، مانند هنگام تاب خوردن چرخ و محور (hunting movement) و ترمزهای شدید.
در مقاله های بعدی معیار های خروج از خط مانند معیار نادال و یا معیار واینستاک را بررسی خواهیم کرد.
صعود چرخ از ریل به دلیل ضریب اصطکاک بالا بین چرخ و ریل
گزارش شده است که خروج چرخ از ریل در قوس ها یا سوزن ها در محوطه های تعمیر و نگهداری زمانی که وسیله ها از ماشین تراش چرخ خارج شده بودند، رخ می دهد. این نوع خروج از ریل احتمالاً ناشی از ناهمواری سطح چرخ پس از ترمیم چرخ است. شکل زیر سطح چرخ را پس از اجرای درست ماشین کاری و سطح را پس از چندین مایل راندن ناوگان مقایسه می کند. چرخ سمت چپ در شکل زیر توسط نوعی ماشین فرز با آثار برش بسیار واضح روی سطح ایجاد شده است: چرخ وسط توسط ماشین تراش با آثار کم برش داده شده است و چرخ سمت راست با سطح صاف اما یک قسمت صاف روی آج برداشته شده است.
به طور کلی، ضریب اصطکاک برای تماس خشک و صاف فولاد به فولاد حدود 0.5 است اما ضریب اصطکاک موثر برای سطح ناهموار می تواند بیشتر از این مقدار شود.
خروج از ریل ناشی از باز شدن عرض خط و واژگون شدن ریل
خروج از ریل ناشی از عریض شدن گیج خط معمولاً شامل ترکیبی از عرض های خط های عریض و انحرافات بزرگ ریل جانبی (واژگونی ریل) است، نیروهای جانبی بزرگ بر روی چرخ ها برای پخش ریل ها در قوس ها عمل می کنند.
هر دو ریل ممکن است چرخش جانبی قابل توجهی را تجربه کنند و یا چرخش سر ریل را تجربه کنند که اغلب باعث افت چرخ غیر فلنج دار بین ریل می شود. شکل زیر بر اساس عکسی از خروج واقعی از ریل ناشی از واژگونی ریل تهیه شده است که در آن چرخ غیرفلنجی بین دو ریل سقوط کرده و ریل بیرونی غلت می خورد.
غالباً ریل بیرونی به دلیل تماس با چرخ‌های فرسوده واژگون می‌شود.
هنگامی که یک بوژی فرمان ضعیفی را تجربه می کند، چرخ ها ممکن است زوایای حمله بالایی را در قوس ها تجربه کنند که در نتیجه نیروهای جانبی زیادی بر روی ریل ها اعمال می شود. فرمان ضعیف ناشی از تعلیق نامناسب (که عموماً با انحراف یا سفتی کم ایجاد می شود)، مقاومت بالا در پیچش بوژی، محور های نامناسب، سازگاری ضعیف چرخ‌ها و پروفیل ریل، و چرخ‌هایی که دارای فرورفتگی قابل توجه هستند. نیروهای دینامیکی ناشی از آشفتگی های جانبی مسیر و قوس های ورود/خروج قوس ها می توانند سطح نیروی جانبی را برای انحراف بیشتر ریل تشدید کنند.
از آنجایی که بوژی های لوکوموتیوها بلند است و می تواند منجر به زوایای حمله بزرگ شود، لوکوموتیوهای سه محوره (که در حال حاضر برای لکومتیو های سنگین متداول هستند)، به عنوان یکی از دلایل مهم تعریض گیج و واژگونی ریل در نظر گرفته شده اند.
اثر چرخ‌هایی که گود افتاده اند بر روی خروج از خط و واژگونی ریل
گودی چرخ به عنوان تفاوت عمودی در شعاع غلتش بین انتهای آج و حداقل نقطه در وسط آج تعریف می شود. این مقدار با قرار دادن یک خط افقی در بالاترین نقطه آج و عمیق ترین قسمت آج بدست می آید. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، گود افتادگی آج چرخ تمایل به تشکیل یک فلنج کاذب در انتهای آج را ایجاد می کند .
در یک قوس، تماس بین فلنج کاذب یک چرخ گود افتاده و قسمت داخلی خط ، می تواند منجر به شرایط اختلاف شعاع غلتشی نامطلوب در بین قسمت چرخ و قسمت خارجی چرخ شود.
سوزن ها به طور مداوم یکی از رایج ترین علل مربوط به خروج از خط هستند. انتظار می رود برخی حوادث خروج از ریل در سوزن ها به طور مستقیم با پروفیل های چرخ گودشده مرتبط هستند. به خصوص در نقاط سوزن بدون تیغه، وسیله هایی با چرخ‌های گودشده ممکن است باعث واژگونی ریل شود.
خروج از خط ناشی از انتقال پانل خط
انتقال پانل خط، حرکت جانبی تجمعی پانل های خط ، از جمله ریل ها، صفحات تراورس ها و اتصالات که بر روی بالاست است که در شکل زیر نشان داده شده است. یک جابجایی کوچک در این پانل های این اجزا ممکن است بلافاصله باعث از بین رفتن هدایتگری بوژی ها نشود اما با این حال، از آنجایی که وضعیت به تدریجی به سطح معینی از خطر می رسد، چرخ ها ممکن است هدایتگری خود را از دست بدهند و با سرعت کمی به زمین می افتند. خروج از ریل ناشی از جابجایی پنل خط معمولاً باعث می شود که یک چرخ بین ریل بیفتد و دیگری به خارج از خط بیفتد.
خروج از خط ناشی از ناپایداری جانبی ناوگان
همانطور که در شکل نشان داده شده است، در مسیر مستقیم، مجموعه چرخ به طور کلی در اطراف مرکز خط با توجه به هر ناوگان و بی نظمی موجود در خط نوسان می کند. این حرکت به این دلیل رخ می دهد که ناوگان و خط هرگز کاملاً بدون پستی و بلندی و متقارن نیستند. این قابلیت بازیابی حرکت در جهت مستقیم یک مجموعه چرخ توسط شکل مخروطی آج چرخ القا می شود. با این حال، با افزایش سرعت، اگر شکل مخروطی مجموعه چرخ بالا باشد، حرکت جانبی مجموعه چرخ و محور و همچنین حرکت بوژی و بدنه وسیله، می‌تواند باعث نوساناتی با دامنه زیاد و طول موج کاملاً مشخص شود. حرکات جانبی فقط با تماس فلنج چرخ با ریل محدود می شود. این واکنش دینامیکی ناوگان ریلی به عنوان تاب خوردن (hunting) نیز نامیده می شود و می تواند باعث شود که نیروهای جانبی زیادی مسیر وارد شده و خروج قطار از ریل رخ دهد.
خروج از ریل ناشی از تاب خوردن (hunting) ناوگان می تواند دارای مکانیسم هایی موثر برای خارج شدن وسیله از ریل باشد که چهار نوع مورد در بخش های قبلی مورد بحث قرار گرفت. نیروی جانبی زیاد ناشی از تاب خوردن (hunting) ممکن است باعث بالا رفتن چرخ از ریل، عریض شدن گیج خط، واژگونی ریل، جابجایی پنل خط یا ترکیبی از این موارد شود.
نگرانی های ایمنی برای این نوع خروج از ریل، که معمولاً در سرعت های بالاتر رخ می دهد، آن را به یک منطقه مهم مطالعه تبدیل می کند. تاب خوردن چرخ و محور (hunting) عمدتاً در ناوگان خالی یا سبک ایجاد می شود. سرعت تاب خوردن چرخ و محور (hunting) بحرانی به شدت به ویژگی های وسیله نقلیه و ریل وابسته است. وقتی تاب خوردن وسیله ریلی شروع می شود،جابجایی چرخ ها عموماً زیاد است و به طور متناوب از یک طرف ریل به سمت دیگر ریل در حرکت است.
با در نظر گرفتن هندسه چرخ / ریل و حالت اشباع در نیروهای حرکتی ، سیستم ناوگان / مسیر در شرایط تاب خوردن (hunting) باید غیرخطی تلقی شود. بررسی سرعت بحرانی برای چنین سیستمی باید به صورت غیرخطی‌ها باشد، بررسی پاسخ دینامیکی وسیله به یک اختلال، با استفاده از حل عددی معادلات حرکت است. مدل‌های کامپیوتری شبیه‌سازی وسیله، که شامل فرآیندهایی برای حل این معادلات است.
که اغلب برای پیش بینی سرعت تاب خوردن وسیله (hunting) استفاده می شود. معمولاً برای تأیید سرعت تاب خوردن (hinting) پیش‌بینی‌شده توسط مدل‌سازی یا اطمینان از اینکه سرعت عملکرد سیستم کمتر از سرعت شروع تاب خوردن وسیله است، آزمایش‌هایی در خط (عملی) نیز لازم است.
مخروطی موثر در تماس چرخ و ریل تأثیر قابل توجهی بر سرعت تاب خوردن (hunting) وسیله ریلی دارد. با افزایش مخروطی چرخ، سرعت بحرانی شروع تاب خوردن (hunting) کاهش می یابد. به همین دلیل، هنگام طراحی پروفیل های چرخ و ریل مهم است که اطمینان حاصل شود که برای یک بوژی/وسیله نقلیه خاص، سرعت بحرانی تاب خوردن وسیله، بالاتر از سرعت عملیاتی است.
نتیجه
در مقاله به بررسی عوامل خروج قطار از ریل پرداخته شد. این عوامل از عوامل های دیگر مانند خطای سیگنالینگ، خرابی های اجزاء خط و واگن، همچنبن اشتباهات فردی و سازمانی جدا هستند و فقط مربوط به خط و ناوگان هستند.
باید خاطر نشان کرد که عمده خروج از خط ها در قوس ها با شعاع کم اتفاق می افتد.
نیاز است که در قوس ها تعمیرات و نگهداری های بسیار مناسبی داده شود تا از خروج قطار از خط جلوگیری شود.
در مقاله های بعدی به گفتگو های بیشتر برای روش های کنترل خروج قطار از ریل به دلیل عوامل بالا پرداخته می شود تا با اصلاح این موضوعات تا جایی که امکان دارد از خروج از خط جلوگیری شود.
