حمل و نقل سريع ريلي

– كليات
۱-۱- مقدمه :
چشم اندازي به جهان، نشان مي دهد كه توسعه هوشمندانه، شكل دهندة مطالعات و تحقيقات حمل و نقل ريلي در كشورهاي پيشرفته بوده است. در قرن بيستم تقريباً همگي مطمئن بودند كه جايگزيني براي غول هواپيما در صنعت حمل و نقل مسافري پيدا نخواهد شد. البته اين نگرش، امروزه، مغلوب تحولات شگرف حمل و نقل ريلي است كه براي سومين سال از قرن بيست و يكم، رشد فناوري در اين بخش شتاب ويژه اي به خود گرفته است و هر لحظه آشكارتر مي سازد كه محاسبات امكان سنجي اين نوع از حمل و نقل، تا چه حدي براي دوستداران كره زمين، سودآور است. در حمل و نقل بين شهري، كيفيت هر يك از سيستمهاي حمل و نقل، با توجه به توان رقابتي هر يك، با ساير سيستم ها ارزيابي مي شود . اين توان با توجه به مزاياي حمل و نقل ريلي در مصرف كم انرژي، سرعت مناسب، ايمني و آلودگي كمتر همراه با ظرفيت بيشتر در حمل و نقل مسافر و بويژه حمل و نقل بار اهميت پيدا مي كند.

در گذشته، زماني كه براي اولين بار سيستم راه آهن مطرح شد، استقبال از اين سيستم بسيار زياد بود. با ورود هواپيما و وسيع شدن اتوبانها، كم كم ، راه آهن ، جايگاه خود را از دست داد. اما به تدريج با شلوغ شدن كريدورهاي هوايي و اتوبانها، كشورها به استفاده از راه آهن، براي استفاده از مزاياي بسيار زياد آن روي آوردند.

در كنار اين شرايط، رشد بسيار سريع فن آوري حمل و نقل ريلي، برتريهاي اين سيستم را در حمل و نقل بار و مسافر، نشان داده است. افكار عمومي دوباره به اين بخش توجه ويژه اي نشان دادند. در حال حاضر ميزان توان رقابتي اين سيستم بطور كامل وابسته به سطح فن آوري سيستم است و در دنياي امروز، داشتن فن آوري سيستم حمل و نقل ريلي به يك بحث راهبردي تبديل شده است.

عدم وابستگي به شرايط جوي، مصرف كم انرژي، سرعت و ايمني، جزء ويژگيهاي موروثي اين بخش است. فن آوريهاي جديد سيستم از قبيل بهره گيري از سيستمهاي كنترل اتوماتيك (CTC) جهت افزايش ضريب ايمني، جايگزين كردن انرژي برق بجاي سوختهاي فسيلي و هدايت و افزايش سرعت و كم شدن حجم ترافيك خطوط، تحولي عظيم در اين صنعت پديد آورده است. ورود سيستمهاي مغناطيسي كه سرعت قطارها را تا ۵۵۰ كيلومتر در ساعت، افزايش داده است، به يقين، انقلابي در صنعت حمل و نقل ريلي است. خطوط مغناطيسي ايالات متحده، شينكانسن ژاپن و TGV فرانسه همه نشان دهندةرشد و اقبال گسترده از

اين تحولات هستند.ميزان مصرف انرژي حمل و نقل جاده اي در حمل به ازاي هرتن – كيلومتر، ۲۰ درصد كيلومتر در ساعت است. در صورتي كه همين مقياس براي سيستم ريلي در حمل كالا به ازاي هر تن – كيلومتر، ۶ درصد برآورد شده است. اين شرايط در بحث آلودگي هواي محيط هم قابل بررسي شده است. هوايي كه حمل و نقل جاده اي به ازاء هر مسافر – كيلومتر، آلوده مي كند، با متوسط ظرفيت مسافر، ۹۶ گرم است در صورتيكه در بخش ريلي به ازاء هر مسافر – كيلومتر با ۳۵ درصد ظرفيت نهايي، ۲٫۱۱ گرم برآورد شده است.

۱-۲- ادبيات فني
۱-۲-۱- حمل و نقل سريع ريلي (تعريف)
در مورد حمل و نقل ريلي سريع، دو مفهوم بسيار مهم وجود دارد كه كاملاً زيربنايي هستند؛ قطارهاي سريع السير و خطوط سريع السير؛ گاهي اوقات يك سيستم حمل و نقل، داراي خطوطي است كه قابليت عبور سريع قطارها را دارند ، ولي به علت نبود قطارهاي سريع، اين سيستم، سريع السير يا high speed نيست، زيرا سرعت سير مسافرين در اين سيستم پايين است. در عوض در مواقعي، گرچه خطوط موجود سيستم، خطوط معمولي هستند، ولي قطارهايي طراحي شده اند كه از اين خطوط با سرعت بالا، عبور مي كنند؛ مانند قطارهاي TGV فرانسه كه برروي خطوط معمولي با سرعت بسيار بالا در رفت و آمد هستند.

به هر حال هدف ما از اين تحقيق، مطالعه قطارهايي است كه توانايي حركت سريع را دارا هستند. خواه اين قطارها برروي ريلهاي معمولي حركت كنند و خواه داراي خطوط (ريل و زيرسازي) خاص باشند.

۱-۲-۲- قطار سريع (تعريف)

براي قطار سريع، براساس سرعت آن، دو تعريف وجود دارد؛ بعضي، قطارهايي را كه سرعت آنها بيش از ۱۰۰mph (160 كيلومتر در ساعت) است را قطارهاي سريع مي دانند و برخي اين حد نصاب را ۲۰۰ كيلومتر در ساعت مي دانند. ولي عمدة نظرات بر اين است كه قطار با سرعت سير بيش از ۱۶۰ كيلومتر را قطار سريع مي دانند [۲۹]
۱-۲-۳- قطار بسيار سريع (تعريف)
قطاري را بسيار سريع مي خوانند كه بتواند با سرعت بيش از ۳۰۰ كيلومتر در ساعت (۱۸۶mph) حركت كند.
بر طبق جدول صفحه بعد، كشورهاي ژاپن و فرانسه، و اخيراً آمريكا و آلمان در زمره كشورهاي داراي قطارهاي بسيار سريع هستند.

۱-۳-سريعترين قطارها: [۳۰]
• سريعترين قطار رسمي (تحت سرويس) قطار TGV-A سري ۳۲۵ است (از فرانسه)كه در ۱۸ مي ۱۹۹۰ به سرعت ۵۱۵٫۳ كيلومتر در ساعت دست يافت.
• سريعترين لوكوموتيو بخار، A4 Class Gresley pacific بود كه در ۳ جولاي ۱۹۳۸، در بريتانيا سرعت ۲۰۲ كيلومتر در ساعت (۱۲۶ mph) رسيد.
• سريعترين قطار ديزل، قطار تالگو XXI از اسپانيا بود كه در ۱۲ ژوئن ۲۰۰۲ به سرعت ۱۶۰mph (257.5 كيلومتر در ساعت) رسيد.
• سريعترين قطار گازي (قدرت توربين گازي)، قطار TGV001 بود كه در هشتم دسامبر ۱۹۷۲ در فرانسه با سرعت (۱۹۹ mph) 318 km/h حركت كرد.
• سريعترين قطار Maglev يا بالشتك مغناطيسي (manned)،‌قطار MLX01 بود كه در ژاپن در ۱۴ آوريل ۱۹۹۹ به سرعت حركت ۵۵۲ كيلومتر در ساعت (۳۴۵mph) رسيد.

• سريعترين قطار، بين دو ايستگاه، قطار Nozomi سري ۵۰۰ در ژاپن است كه در مارس ۱۹۹۷ با سرعت متوسط ۲۶۲ كيلومتر در ساعت در حركت بود.
• سريعترين پيمايش ۱۰۰۰km، مربوط به قطار TGV شمال فرانسه است كه در ۲۶ مي ۲۰۰۱ با سرعت ميانگين ۳۱۷٫۵ كيلومتر در ساعت حركت كرد.
نكته جالب در مورد ركوردهاي سرعت، سرعت ۱۰۳۰۰ كيلومتر در ساعت است كه بوسيلة يك وسيله ريلي در سي ام آوريل ۲۰۰۳ ركوردگيري شده است. البته اين وسيله كاملاً آزمايشي بود و جنبه تحقيقاتي داشته است ولي مي تواند آيندة سرعت قطارها را به روشني تصوير كند و سرعتهاي نزديك به هواپيما را قابل دستيابي نشان دهد.

نكته جالب ديگر اين است كه در انتهاي كاربرد هر يك از اشكال نيرو اعم از بخار، توربين گازي، موتور ديزل و …، اين قطارها، به سرعت يك قطار سريع السير دست يافته اند كه اين نشان دهندة عقب ماندگي ما از اين كاروان مي باشد.
در ادامه، به بحث در مورد ضرورت وجود قطارهاي سريع السير مي پردازيم و منافع حاصل از سرعت بالا را برمي شمريم.

۱-۳- منافع اجتماعي – اقتصادي سيستم ريلي سريع
از جمله منافع قطارهاي سريع، عبارتند از :

• افزايش ايمني: در دهة ۱۹۹۰-۱۹۸۱،‌ آمار سوانح در شيوه هاي مختلف حمل و نقل در كانادا براي اتومبيل، هواپيما و سيستم ريلي به ترتيب ۱۶، ۰٫۱ و ۰٫۸ مرگ و مير در هر ميليارد كيلومتر – مسافر مي باشد. [۳۴] سيستم ريلي در ساير كشورهاي داراي سابقه و ركورد بسيار بهتري مي باشد؛ در حقيقت تمام شبكه هاي ريلي سريع السير دنيا كه از حريم خطوط اختصاصي استفاده مي كنند – مانند شينكانسن در ژاپن، TGV در فرانسه و … – از زمان آغاز كار تا كنون، عليرغم سرعت طرح بالا، هنوز يك نفر كشته هم نداده اند.

• كاهش در مصرف انرژي: سيستم ريلي سريع السير، باصرفه ترين شيوة حمل و نقل از نظر مصرف انرژي مي باشد. قطار سريع السير TGV، از نظر صرفه جويي در مصرف انرژي، تقريباً ۵۰ درصد اتومبيل و كمتر از %۳۰ هواپيما انرژي مصرف مي كند. طرح سيستم ريلي سريع السير، به جاي سوخت فسيلي از برق استفاده مي كنند كه نيروي برق هم قابل دسترس و كم هزينه تر است.

• كاهش آلودگي هوا: با وجود سيستم ريلي سريع السير، به عنوان يك شيوة موثر در كاهش آلودگي هوا – كه از گازهاي خروجي خودروها، حاصل مي شود – مي توان مسير عبور و مرور و ترافيك را از جاده ها به ريل انتقال داد. يكي از شديدترين اثرات موتوريزه كردن انبوه، آسيب رساني به سلامت انساني و محيط زيست است. اتومبيل ها، نقش برجسته اي را در توليد بسياري از آلاينده هاي هوا خصوصاً در شهرها، بازي مي كنند كه تاثير معكوس اين آلاينده‌ها بر سلامتي و بهداشت، به اثبات رسيده است. [۳۵] به منظور تقليل آلودگي هوا، قطارهاي سريع السير، بايد دوطبقه از مسافرين را (يكي آنهاييكه از وسايل ديگر روي برگردانده و قطارهاي سريع را انتخاب كرده اند و ديگري آنهاييكه بدلايل عديده نسبت به مسافرت ، به علت سهولت و آسايشي كه خواهند داشت، از اين وسايل استفاده مي كنند) با خود حمل كنند تا ميزان آلودگي كه ديگر وسايل مسافرت، ايجاد مي نمايند، تقليل يابد [۳۴].

• كاهش آلودگي سر و صدا: انتشار سر و صداي سيستم هاي حمل و نقل، حاصل از صداي موتور، سر و صداي آلات ناقله و آيروديناميكي (بار) مي باشد. سطح ميانگين سر و صدا در قطارهاي سريع السير، ۱۰ درصد كمتر از اتومبيل با همان تعداد مسافر در يك بزرگراه مي باشد. آلودگي سر و صدا در نواحي شهري، كاهش خواهد يافت، زيرا خطوط ريلي سريع السير در داخل تونلهاي روباز ساخته مي شوند و يا اطراف آنها بوسيلة ديوارهاي ضدصدا محصور مي شود.
• كاهش اشغال زمين: ترافيك جابجا شده بوسيلة يك خط سريع السير، از ترافيك جابجا شده بوسيله فرودگاهها و بزرگراهها، با توجه به فضاي مورد نياز، بيشتر مي باشد. به طور مثال احداث ۱۳۰۰ كيلومتر خط جديد در سراسر يك كريدور، تنها نيمي از مساحت مورد نياز احداث يك فرودگاه جديد را در منطقه تورنتو دربر مي گيرد.

• افزايش ترافيك: يكي از مزاياي بزرگ خطوط سريع تعداد زياد رفت و آمد در آن مي باشد؛ زيرا قطارها براي عبور قطار مقابل، مدت كمتري در انتظار هستند و فاصلة ميان حركت قطارها از خطوط مختلط، كمتر است.

• افزايش اشتغال و فرصت هاي صادراتي: ايجاد يك سيستم ريلي سريع السير، باعث سرمايه گذاري در خط ريلي جديد، سيستم هاي علامت دهي (سيگنال)، آلات ناقله و ساير تجهيزات را باعث مي شود. همچنين شركت هاي درگير در پروژه در وضعيت بسيار خوبي براي صادر كردن مهارت و تكنولوژي سيستم سريع السير، به بازارهاي ديگر قرار خواهند گرفت. براي مثال در طول دورة ساخت و ساز قسمت مونترال – اتاوا – تورنتو، اين سيستم به تنهايي ۶۶۰۰۰ شغل جديد ايجاد مي كند. (مجموعاً) [۳۵]

• افزايش توسعة اقتصادي: سيستم ريلي سريع، به دست يابي به الگوي متعادلتري از رشد و توافق اقتصادي در سراسر منطقه كمك مي كند؛ براي مثال از طريق تشويق به انتقال فعاليت اقتصادي و جمعيت از تورنتو به شهرهاي كوچكتر مانند كينگزتن، لندن و ويندسور، به رشد اقتصادي اين مناطق، كمك زيادي شد. همچنين، اين نوع توسعة اقتصادي، وقتي كه مسير پاريس – ليون در فرانسه بوجود آمد ، به روشني در ليون مشاهده شد. سيستم ريلي سريع السير بطور كلي به توسعه اقتصادي از طريق فعال كردن مردم ، خصوصاً تاجران، كمك مي كند. اين سيستم، همچنين باعث مي شود كه سفرهايي كه قرار است انجام شود با هزينه هاي كمتري صورت گيرد و از اين طريق به رشد ناخالص ملي، كمك شود.

• بهبود كارايي: سيستم ريلي سريع السير، كارآمدترين و موثرترين شيوه حمل و نقل مسافري است. قيمت واحد اين سيستم، كمتر از يك چهارم هواپيما و كمي بيش از يك سوم اتومبيل است.

• صرفه جويي در هزينه هاي تصادفات: يكي از اثرات تقليل حجم ترافيك جاده‌اي درنتيجه اجراي خطوط سريع، تقليل تعداد تصادفات و خسارات آن است. هزينة تصادفات، بستگي به شدت تصادفات دارد. در كانادا، اين صرفه جويي، معادل ۵۰۰ ميليون دلار تخمين زده شده است. [۳۴]
• صرفه جويي هاي نگهداري راه: يكي از منافع خطوط سريع، انتقال حمل و نقل جاده اي – خصوصاً حمل و نقل بار كه خسارت بيشتري دارد – به خطوط راه آهن است. اين صرفه جويي در كانادا، در حدود ۱۸۰ ميليون دلار تخمين مي گردد. [۳۴]

 

قطارهاي Maglev (بالشتك مغناطيسي)
۴-۱- پيش درآمد
يكي از عواملي كه سبب شد در مورد يك سيستم جديد، تحقيقاتي انجام گيرد، اين باور بود كه پايين بودن چسبندگي در سرعتهاي بالا، باعث مي گردد كه در عمل، سرعت قطارها محدود گرديده و حداكثر سرعت به حدود ۳۰۰ كيلومتر در ساعت، برسد.
دانشمندان همواره مي دانستند كه اصطكاك بين چرخ و ريل يكي از عوامل محدود كنندة سرعت و كندكنندة روند رسيدن به سرعتهاي بالاست. از اين رو مدام، در تكاپوي حذف چرخ از سيستم ريلي بودند. با پيشرفتهايي كه در دانش الكتريسيته و به خصوص، مغناطيس صورت گرفت، دانشمندان در نهايت به اين آرزوي ديرينة خود دست يافتند. بالشتكهاي هوا و تكنيك‌هاي پرواز مغناطيسي (Magnetic Leviation) به منظور تماس آزاد و بدون كمك و سيستم راهنمايي، توسعه يافت.

طرحهاي Transrapid آلمانيها و MLU ژاپني ها، از پيشرفته ترين نوع Maglev مي باشد و متجاوز از ۱۰۰۰ ميليون دلار براي توسعة هر يك از اين طرحها، مصرف گرديده است. براي اولين بار، يك خودرو براين اساس ساخته شده بود و آزمايشات كاملي برروي اين خط آهن، انجام گرفت. استفاده از تكنولوژي Maglev، نياز به ساختمان يك خط آهن جديد دارد كه هزينة آن بسيار زياد است. به همين دليل، معمولاً از اين نوع قطارها عمدتاً در طرحهايي، به كار برده مي شود كه خط آهن، وجود ندارد يا سيستم ريلي سريع السير نيست. زيرا خارج كردن يك خط آهن از گردونة‌بهره برداري و ساخت يك خط جديد به جاي آن، هزينة گزافي دارد و معمولاً دولتها زير بار اين هزينة سنگين اوليه نمي روند.

از طرف ديگر، سيستم تعليق مغناطيسي (Maglev) از نوعي تكنولوژي استفاده مي كند كه داراي شهرت و گذشته دوري نيست (نسبت به قطارهاي غيرمغناطيسي) و فرضيه هاي زيادي را ، بايد در زمان ايجاد سازمان اجرايي بوجود آورد.

۴-۲- اساس كار قطارهاي Maglev
شايد خيلي ها، قطارهايMaglev را به خاطر اساس كارشان، قطار نمي دانند. زيرا از آلات ناقلة مرسوم براي قطارها استفاده نشده است (چرخ و …). اما اين وسايل طبق تعريف، قطار هستند.

اولين اصل در مغناطيس، بيان مي كند كه دو قطب مغناطيسي همنام، يكديگر را دفع مي كنند و دو قطب مغناطيسي غيرهمنام (مخالف)، همديگر را جذب مي كنند. از اين اصل در قطارهاي بالشتك مغناطيسي، براي نگه داشتن قطار برروي خط در فاصلة ۱۰mm از خط، هدايت جانبي قطار، حول ريل راهنما و همچنين، حركت قطار استفاده مي شود. [۳۸]

شناور شدن قطار به خاطر دو نوع موتور است:
-Linear Synchronus Motor (LSM)
-Linear Induction Motor
اين دو نوع موتور، نيرويي توليد مي كنند كه باعث شناور شدن قطار مي گردد. كويل اولية (استاتور، Stator) موتور برروي واگن، جاسازي شده است و روتور ثانويه
(Secondary rotor) ، به شكل ورقه هاي عكس العملي آلومينيومي در سطح طول ريل، نصب شده اند و تركيب اين دو، قطار را برروي خط، شناور مي كند. [۳۹]

موتور ، ميدان مغناطيسي را عوض مي كند و قطار به جلو مي رود. در مرحلة بعد، باز هم جهت ميدان مغناطيسي عوض مي شود و واگن باز هم در طول ريل راهنما به جلو مي‌رود[۳۷]

۴-۳- معايب سيستم تعليق مغناطيسي [۳۷,۳۵,۳۴]
• يكي از اولين معايب سيستم بالشتك مغناطيسي، هزينة بسيار سنگين آن در ابتدا است كه برروي توسعه و يا نوسازي بسياري از خطوط، تاثيرگذار است؛ مثلاً خط سريع السير برلين – هامبورگ ، كه يكي از دلايل عمدة لغو خط Maglev در اين خط ، هزينة بسيار زياد آن بود. هزينة ساخت و تجهيز خطوط تعليق مغناطيسي از ۲ تا ۴ برابر ساير خطوط سريع السير مي باشد. اين هزينه وقتي سنگين تر مي نمايد كه سرعت اين نوع قطارها را در حد ساير قطارهاي سريع السير مي يابيم.
• در ابتداي امر، ادعا شد كه حذف تماس فيزيكي بين خودروي Maglev و خط ، باعث تقليل انرژي مورد لزوم براي حركت و پيشروي خودرو مي گردد. ولي با توجه به آزمايشات، تست ها و شواهد، مشخص شد، چون در سرعتهاي بالا، مقاومت آيروديناميكي بيشتر است، (متناسب با مجذور سرعت) بنابراين از اين طريق، ميزان موفقيت بسيار نيست. البته با پيشرفتهايي كه در زمينة آيروديناميك دستگاهها به عمل آمده، تفاوت تكنولوژيها در مصرف انرژي، بيشتر شده است. به هر صورت سيستم پرواز (Leviation system) ، احتياج به مصرف دائمي انرژي دارد.

• فاصله هوايي زياد بين خط و خودرو (زياد، از نقطه نظر ابعاد موتور الكتريكي): اين امر باعث افزايش پرت موتور مي گردد.
• با توجه به اين واقعيت كه براي اين تكنولوژي، هيچگونه اطلاعات چرخة عمر يا اطلاعات تعمير و نگهداري تاريخي، به جز داده هاي خط آهن آزمايشي وجود ندارد . راهبر، بايستي در دستيابي خود به اصول تعمير و نگهداري، محافظه كار باشد؛ به عنوان مثال، چرخه هاي بازرسي براي مسيرها و ساختمانهاي سيستم تعليق مغناطيسي بايستي زياد باشد تا اطلاعات يكپارچه در رابطه با نقص و خرابي قطعات سيستم هاي مختلف، جمع آوري شود.
• ايجاد يك سازمان اجرايي: مساله اصلي در ايجاد يك سازمان اجرايي تعمير و نگهداري براي سيستم تعليق مغناطيسي اين است كه اغلب مسايل مربوط به بازدهي عمليات، مقررات ايمني، قواعد اجرايي و غيره كه شاخصهاي يك راه آهن نمونه، مي‌باشد، قابل كاربرد نخواهد بود. اين مورد ، فشار بيشتري را به راهبر جديد براي ايجاد اين عملكردها در يك چارچوب زماني كوتاه وارد خواهد كرد.

• يكي از مزاياي بزرگ قطار TGV، قابليت عبور اين قطارها از روي خطوط قديمي است (۵۰۰۰ كيلومتر خط آهن TGV در فرانسه وجود دارد كه از اين مقدار، تنها ۱۲۰۰ كيلومتر آن، خط سريع محسوب مي شود يعني چيزي در حدود ۷۵ درصد از خطوط مورد استفادة TGV، خطوط موجود مي باشد و در حدود ۲۵ آن، ساخته شده) ولي در مورد قطارهاي مغناطيسي، اين امر صدق نمي كند و لازمة عبور قطار مغناطيسي، وجود خطوط ويژة تعليق مغناطيسي مي باشد.

۴-۴- مزاياي سيستم تعليق مغناطيسي
• قطار Maglev به كمك تكنولوژي جديد [۳۷,۳۶] و تركيب علوم مغناطيس ابررسانا ها و موتورهاي خطي مزاياي زير را دارد:
• سرعت بالا: يكي از اهداف اصلي دانشمندان، در استفاده از اين نوع تكنولوژي، نيل به سرعت سير بالا بود. در ابتدا به علت ناشناخته بودن اين شاخه، پيشرفت چشمگيري در زمينة سرعت وجود نداشت، اما اكنون با توجه به حل مسائل، اين تكنولوژي به سرعت ۵۵۲ كيلومتر در ساعت دست پيدا كرده است.
• ايمني: يكي از بزرگترين و مهمترين مزاياي اين روش، ايمني بسيار زياد اين وسايل مي‌باشد. در طول چندين سال بهره برداري از خطوط Maglev هيچ حادثه مهمي براي اين نوع قطارها بوجود نيامده و تلفات اين تكنولوژي صفر است خصوصاً در مورد نوع Monorail كه به واسطة پيچيدگي قطار به دور خط محور راهنما، امكان فرار از خط را صفر مي كند.