بخش اول
۱-خط عضو اصلي يك راه آهن
به سه زبان مهم بين المللي (انگليسي- آلماني و فرانسه) به ترتيب راه آهن را
(EISEN bahn)- Rail road- Rail way كو Chemin de fer مي نامند.
در حدود ۱۶۰ سال از عمر آن مي گذرد ولي هنوز نه تنها از اهميت آن كاسته نشده بلكه روز به روز با ارزش و عظمت آن افزوده مي شود.
اساس خط از ابتدا تا كنون تغيير چنداني نكرده و دوريل همچنان بموازات همديگر راه آهن كشورها را مي سازند، در حالي كه ديگر قسمت هاي راه آهن از جمله آلات ناقله كه روي ريلهاي موازي مي غلتند دستخوش تحولاتي محسوس و ملموس براي استفاده كنندگان شده است.

اين تحولات و پيشرفت هاي محسوس در امر آلات ناقله كه حاصل زحمات شبانه روزي متخصصين كشورها است در سرعت- بار مفيد واگن- تامين نيروي برق- طراحي بدنه و راحتي قسمت هاي داخلي واگن تجلي پيدا كرده است.
در حقيقت كمتر كسي توجهي به ريلهاي بي حركت و بي صدا كه روي زمين گسترده‌اند دارد و در حالي كه قطارهاي سريع السير و راحت و لكومتيورهاي نيرومند همواره طرف توجه مي باشد و اما نبايد فراموش كرد كه موفقيت هاي حاصله در بخش آلات ناقله بدون توجه به پيشرفت هم آهنگ و موزون در خط ممكن و ميسر نخواهد شد.
معمولا خط هزينه اي معادل تا كل سرمايه گذاري ثابت راه آهن دارد.

خط همواره در معرض تنش هاي شديد ناشي از قطارهاي مسافري سريع السير و باري سنگيني قرار مي گيرد.
اول آنكه وزن وسيله نقليه را تحمل مي كند و دوم آنكه همزمان آن وسيله را هدايت مي كند.
نيروهاي عمودي و افقي همزمان در اثر حركت يك وسيله نقليه در خط ايجاد مي شود. و لازم است نتايج آن نيروها در وضعيت استاتيك و ديناميك مورد بررسي و مطالعه قرار گيرد. آنچه مسلم است مجموعه خط از ريل و تراورس و با لاست تشكيل شده و نيروهاي وارده را پس از جذب و هم آهنگي بزيرسازي منتقل مي كند.
عضو اصلي در خط همانا ريل است كه هر دو وظيفه تحمل بار وسيله نقليه و هدايت آن را اساساً به عهده دارد. بار وارده از چرخ در جهت توزيع نيروها در سطح بيشتر و انتقال آن به بالاست و زير سازي بين تراورس تقسيم مي شود.

ريلها و تراورس ها به وسيله پيچ ها و پا بندي همديگر بسته شده و سازه واحدي به نام بست خط يا (Panel) را به وجود مي آورند. اين سازه داراي يك نوع طبيعت است كه در برابر نيروهاي افقي و عمودي حاصله از حركت قطارها و تغييرات درجه حرارت محيط مقاومت و پايداري مي كند.

۲-توجيه فني و اقتصادي راه آهن
۲-۱ به لحاظ اندك بودن اصطكاك بين ريل و چرخ نيروي كمتري جهت حركت وسيله نقليه لازم است.
۲-۲ به لحاظ محدوديت انرژي آتيه راه آهن را ميتوان فوق العاده توجيه پذير و روشن پيش بيني كرد.
۲-۳ راه آهن كمتر موجب آلودگي محيط زيست مي شود بالاخص در خطوط برقي.
۲-۴ راه آهن نياز كمتري به فضا دارد.

۲-۵ در مقايسه با ساير سيستم هاي حمل و نقل زميني نياز كمتري به نيروي انساني دارد.
۲-۶داراي ايمني بيشتري است.
۲-۷ كمتر تحت تاثي رعوامل جوي قرار مي گيرد.
اقتصاد جديد دنيا بر پايه نيروي كار استوار شده است. جمعيت هميشه در حال رشد است و اغلب كشورهاي جهان در حال پيشرفت هستند. علاوه بر دلايل فوق مسائل سياسي اجتماعي كشورها رل عمده اي در تعيين و انتخاب موقعيت بخش هاي توليدي دارند. پس به لحاظ ملي و بين المللي موسسات اقتصادي به چنان رشدي رسيده اند كه اغلب باشكال مساله تامين خدمات حمل و نقل آن ميسر و ممكن مي شود. لذا سازمان هاي راه آهن غالباً احداث و بهره برداري از ‌آن را صرفا به خاطر كسب درآمد انجام نمي دهند، بلكه ضرورت دارد موضوع مشكلات سياسي دولت ها را هم مد نظر داشت و به حساب ‌آورد.

مهندسين راه آهن مسئوليت هاي بزرگي حتي از ديد اجتماعي بعهده دارند. وقتي كه بودجه ها محدود است بايستي مهندسين و متخصصين تلاش فني خود را در جهت چاره جويي و محدود كردن هزينه هاي احداث و نگهداري راه آهن به كار بگيرند تا با صرف اعتبار و هزينه كمتر و به كار گيري تدابير و تسهيلات فني به نتيجه مناسب تري نائل گردند. در بلند مدت احداث راه آهن براي ساكنين منطقه مورد نظر- كار خوشبختي و سعادت بوجود مي آورد.

هر راننده اتومبيل مي داند كه هر چقدر سطح جاده صاف و تميز باشد اوقا در بطي سرعت هاي بالا و مسافرت دلپذيري را پيش رو دارد. اما اگر سطح جاده ناصاف و داراي دست اندازهايي باشد راننده مجبور است جهت جلوگيري از خرابي ماشين و تكان هائي كه درآن به وجود مي آيد و صرفه جوئي در قطعات يدكي سرعت خود را كم كند.
در رابطه با راه آهن خط و آلات ناقله عكس العمل هاي مشابهي روي همديگر دارند. برعكس سرنشينان اتومبيل مسافرين قطار خط را نمي بينند و از تلاقي و عمل و ناهمواري هاي خط كه موجب تكانهائي در وسيله نقليه مي شود آگاهي مستقيم ندارند و توجه مسافرين معمولا به برنامه حركت و رسيدن به موقع به مقاصد خود هست. جهت دلپذير مسافرت با قطار موسسات راه آهن ها برنامه هاي منظم و با حداقل توقف و محدوديت سرعت پيش بيني و تنظيم مي كنند. زيرا در راه آهن مثل جاده عمل جذب و استهلاك ضربات به وسيله چرخ لاستيكي پر شده از هواي فشرده انجام نمي شود بلكه تراز طولي و عرضي خط راه آهن ثابت بوده و محورهاي آلات ناقله مستقيما به وسيله چرخ با ريل در تماس هستند و عكس العمل آن موجب لرزش و تكان در آلات ناقله مي شود.
پس جهت تقليل تكان ها و لرزش ها در راه آهن با تقليل سرعت اقتصادي و دلپذير نيست بلكه به به كارگيري عمليات نگهداري صحيح و مناسب مي توان به نتيجه مطلوب نائل گرديد.
در دهه هاي اخير راه آهن ها مرتبا در جهت تقليل هزينه هاي نگهداري بررسي و تحقيق كرده اند . در اين راستا جوشكاري ريل طويل به طور سرتاسري يكي از همين پيشرفت هاست كه در مبحث جوشكاري مزايا و محاسن آن از ديدگاه فني و اقتصادي ديده شده است. با استفاده از ريلهاي سنگين نظير UIC60 با پندهاي الاستيك تراورسهاي پيش تنيده و بالاست نوع سنگ شكسته رو سازي خط را هر چه بيشتر تقويت كرده و آماده پذيرش حمل و نقل باري و مسافري ايمن و راحت را فراهم آورده است.

بخش دوم
۱-ويژگي هاي ريل:
مقدمه:
وقتي كه نيروهاي وارده بر ريل را در موقع عبور يك وسيله نقليه از روي خط بررسي مي كنيم ملاحظه مي شود ريل دو وظيفه اصلي را در ساختمان خط به عهده دارد. يعني علاوه از عامين سطح چرخش و هدايت چرخ هاي وسيله نقليه به صورت يك تيرسر تا سري نيز عمل مي كند.
در اثر عبور چرخ نيروهاي ديناميكي بزرگي مي شوند و قهراً در اثر اين نيروها ممكن است تغييرات فولاد به منطقه پلاستيك نيز كشيده شود. نيروهاي متمركز وارده به سطح چرخش موجب سائيدگي هائي در ريل شده و در نهايت مسائل فوق ايجاب مي كند كه براي ساخت ريل از فولاد داراي تركيب شيميائي خاص و مقاومت بالا استفاده شود.

نيروهائي كه از چرخ به ريل وارد مي شود از عبور از ‌آن و ساير متعلقات روسازي نهايتا بزيرسازي مي رسد اين نيروها در چندين تراورس توزيع شده و بعد ببالاست منتقل مي‌شود. تنش هاي خمشي در كف ريل به وجود مي آيد و علاوه از تنش به وجود آمده ريل در معرض ارتعاشات و ضربان حاصله از نيروهاي ديناميك هم قرار مي گيرد. لذا براي تامين استقامت خط علاوه از مقاومت فولاد ريل به عنوان يك تير سرتاسري بايستي مدول مقطع متناسب با نيروهاي وارده را داشته باشد.

نتيجه:
از توضيحات فوق نتيجه مي گيريم كه ريل بايد داراي دو ويژگي باشد.
۱-۱- از فولاد خاصي ساخته شود.
۱-۲- داراي مقطع خاصي از نظر ارتفاع پهناي كف و تيغه ريل باشد. (يعني داراي مدول مقطع متناسبي باشد)
۲-مقطع ريل و خواص آن:
مقطع ريل از بدو تاسيس راه آهن به شكل هاي مختلف ساخته شده و در اواسط قرن ۱۹ به صورت پروفيل پايه دار يا Vignole يا Flat botton كه در حال حاضر هم راه آهن ها از اين نوع مقطع ريل استفاده مي كنند درآمده است.

در اثر بالا رفتن ميزان حمل و نقل سرعت و افزايش بارهاي محوري Axel Loade وزن متر طول ريل نيز بالا رفته و تا Kg/ m75 نيز رسيده است. در طراحي ريل قارچ ريل كه بيشتر از ساير نقاط آن در معرض نيروها قرار داد و معمولا منجر به سايش مي شود با مقاومت بالا ساخته مي شود همچنين قوس ها و شيب هايي روي آن انتخاب مي شود كه سطح تماس چرخ راحتي المقدور كم كرده و موجب افزايش فشارهاي وارده نگردد. لذا مصرف كنندگان و توليد كنندگان به لحاظ مسائل فني و اقتصادي ترجيح مي دهند استانداردهائي در رابطه با سفارش ساخت- مشخصات فني- نحوه كنترل جنس رعايت گردد. اين مسائل در بين اعضاء اتحاديه بين المللي راه آهن ها (يو-آي-سي) UIC در كليات رعايت مي شود.

اما مشخصات خاص هر پروژه راه آهن تابع پارامترهائي از قبيل ميزان حمل و نقل بار محوري سرعت شيب- شعاع قوس ها و غيره مي باشد كه بايستي متناسب با آن و در چهارچوب استانداردهاي تعيين شده مساله انتخاب ريل مورد محاسبه و رعايت قرار گيرد.
۳-خواص فولاد ريل:
سنجش مقاومت كششي ريل يا (Tensilestrengh Test) يكي از آزمايش هاي اساسي است كه خواص و ويژگي هاي لازم در كاربرد ريل را تضمين مي كند.
ريل هاي سخت و ريل هاي سخت شده به وسيله حرارت به طور متداول در بازارهاي جهاني موجود است. و مقاومتي معادل ۷۰۰-۱۴۰۰ Kg/mm2 كه در جدول شماره ۱ نشان داده شده است.

به طور كلي و با توجه به كاربردهاي مختلف ريل ها را به چهار گروه اصلي تقسيم مي‌كنند.

گروه ۱- ريل هاي با مقاومت كشش مينيمم معادل نوع استاندارد يو-آي- سي اين نوع ريل به طور چشم گير در كشورهاي اروپائي مثل فرانسه و انگليس مصرف مي شود.
گروه ۲- ريلهاي بامقاومت كشش مي‌نيمم معادل استانداردهاي ASTM و GOST اين نوع ريل اختصاصاً در كشور هاي ايالات متحده آمريكا- شوروي و كانادا توليد و مصرف مي شود.
گروه ۳- ريل هاي با مقاومت كششي مي نيمم ريل هاي سخت يا ريل هاي مقاوم در برابر سائيدگي ناميده مي شود. و معادل تيپ هاي C , A, B استاندارد UIC مي باشد.

در حال حاضر راه آهن آلمان فدرال از اين نوع ريل هاي سخت به طول وسيع و چشمگير در محل قوس ها و خطوط با حمل و نقل و سرعت بيشتر استفاده مي كنند.
راه آهن هاي سوئيس- فرانسه و هلند نوع خاصي از ريل هاي سخت را بنا به موقعيت محلي مصرف مي كنند.
ساير راه آهن هاي غير اروپائي را نيز مي توان در شمار مصرف كنندگان ريل هاي سخت نام برد.

گروه ۴- مقاومت كششي مي نيمم اين گروه برابر مي باشد. اين نوع ريل در راه آهن آلمان فدرال در خطوط با حمل و نقل سنگين و همچنين در كشور سوئيس در خط (Goothard pass Line) گوتاردپاس لاين و خطوط با حمل و نقل مواد خام معدني مصرف شده است. اصولا ريل هاي با مقاومت بالا داراي سيليس بيشتري در فولاد هستند.
اين نوع ريل ها با لاي استاندارد ASTM و استاندارد UIC قرار دارند. اما در حال حاضر ريل هاي نوع چندان مصرفي ندارند.

۴-نحوه ساخت ريل:
فولاد- طرز تهيه
قسمت اعظم آهن خامي كه از كوره بلند به دست مي آيد جهت تهيه فولاد مورد استفاده قرار مي گيرد. تهيه آن به طور خلاصه عبارتند از ذوب آهن خام و از بين بردن مواد خارجي آن كه عبارتند از كربن، سيلسيم، منگنز، گوگرد و فسفر و دادن مقدار معيني از كربن به آهن.
روش هاي صنعتي مختلف تهيه فولاد:
معمولا روش توليد ريل و ريخته گري شمش آن به چهار طريق انجام مي شود.

۴-۱- روش تصفيه فولاد با دميدن اكسيژن
Steel refined by oxygen blown pricess
4-2- روش زيمنس و مارتين يا كوره هاي باز
Open heart
4-3- روش كوره هاي الكتريكي
Electric Process

۴-۴- روش توماس Thomass Process
هر روش تولآيد با علامت قرار دادي خاص روي جان ريل حكاكي مي شود كه در قسمت علامت گذاري مشروحا بيان مي شود.
در اين روش ها از ۷۵% آهن خام كه داراي فسفر كمي است و ۲۵% آهن قراضه و همچنين افزونه هائي مثل آهك- فلورايت و مواد خام معدني در معرض آزمايشات متسمر قرار مي گيرند.
در جريان ذوب كربن آهن خام سوخته و به گاز Co تبديل و آزاد مي شود. گوگرد و فسفر تا حدودي از مواد مذاب برداشته مي شود. هر كدام از اين روش ها مزاياي مخصوص به خود را دارد. و فولاد حاصل از آنها داراي خواص و مورد استعمال مخصوص به خود مي باشد. اما فولاد حاصل از روش كوره هاي باز خالصتر و مرغوبتر از فولاد حاصل از روش هاي ديگر است و امروزه فولادهاي ساختماني بيشتر از اين روش تهيه مي شوند.

مرحله ذوب به وسيله كامپيوتر و تجربه هاي پي در پي نمونه ها كنترل مي شود.
عمل دميدن اكسيژن تا مرحله اي كه ميزان كربن به نسبت مورد لزوم در فولاد ريل برسد ادامه پيدا مي كند.
در روش ذوب الكتريكي و كوره سرباز از آهن قراضه به نسبت ۱۰۰% تا ۶۰% استفاده مي شود. همچنين تلخيص گوگرد و فسفر به سبك روش دميدن اكسيژن كه قبلا ذكر شد در اين روش نيز عمل مي شود.

فولاد مذاب مي تواند مقدار ارزيابي هيدرژن غير محلول در خود نگهدارد. برعكس هيدروژن محلول به مقدار خيلي كم در فولاد جامد وجود دارد. اگر هيدروژن محلول به مقدار زياد به صورت نامحلول در مرحله گداختن باقي بماند و فولاد پس از سرد شدن به طور نرمال نورد بشود بالاخص در رابطه با فولادهاي سخت عيب لكه تخم مرغي در قارچ ريل يا (Ovalflaws) بوجود آمده و موجب شكستگي آني ريل در زير قطار مي شود. بدين منظور در حين گداختگي مواد مقدار هيدروژن بايستي به حداقل ممكن مخصوصا درفولاد ريل برسد.
سنجش ميزان هيدروژن در حين گداختگي با اندازه گيري هاي خاص تامين مي شود. بر اساس تكنيك موسوم به (S\cotching) و يا با ايجاد خلاء هيدروژن آزاد مي شود.

عامل سيليس- منگنز و تحت شرايطي كروم و ساير عناصر به پاتيل ريخته گري در حين خالي كردن مواد مذاب اضافه مي شود. تركيب شيميايي آهن قراضه و فولاد و تغييرات آن در حين تصفيه و تبديل نهائي به ريل در ظرف چند دقيقه با اسپكترومترهاي مدرن با تغيير الكترونيكي مي شود.
بنابراين ريل هائي كه با روش هاي فوق و توام با آزمايشات و كنترل هاي اشاره شده توليد بشود از نظر تركيبات شيميائي كاملا هموژن و يكنواخت بوده و خواص مكانيكي و مهندسي قابل قبولي را دار خواهد بود. در عكس هاي حقيقي كه نشانگر وجود عيب هاي لكه تخم مرغي در قارچ ريل است از آلبوم يو-آي-سي تحت شماره هاي ۲۱۱ تا ۱۲۳ نشان داده شده است.

ضمناً در ساخت ريل شمش هاي تهيه شده و غني وزني در حدود ۷-۵ دارند (ingot) براي آنكه سطح ريل كاملاً محكم و مقاوم باشد در آلمان Krupp Metallurgical كروپ براي تهيه شمش از سيستم قالب هاي شمش سربالا كه در شكل شماره ۴ ارائه شده است استفاده مي شود. Up hill group teeming process در اين روش مواد مذاب از قسمت پائيني قالب به وسيله قيفي پس از عبور از آجرهاي نسوز وارد مي شود.
پس از برداشتن قالب ها شمش ها را داخل كوره ها گذاشته و پس از گرم كردن آن به مدت چند ساعت و رساندن آن به حرارت مورد نياز نورد و تبديل به ريل آماده مي‌گردد.

۵-نورد ريل:
شمش هاي آماده شده پس از عبور از غلتك هاي ماشيني خاص به نام
blooming mills و تبديل به شمش چهار گوش و پس از ۱۷ و گاهاً ۱۹ عبور به شكل پروفيل خاص ريل در مي آيد.
۶-علامت گذاري ريل: (Marking)
معمولا بر اساس قرارداد بين راه آهن سفارش دهنده و كارخانه توليد كننده علائم زير در روي جان ريل به صورت برجسته با ماشين مخصوص حك مي شود.
۶-۱- علامت كارخانه سازنده.
۶-۲- دو رقم آخر سال توليد.

۶-۳- ماه توليد با اعداد يوناني.
۶-۴- نام راه آهن سفارش دهنده.
۶-۵- روش توليد فولاد.
۶-۶- نوع ريل از نظر سختي.
ر-آ- ج- ا- ا IX- 82

راه آهن جمهوري اسلامي ايران ماه نهم سال ۱۹۸۲ روش زيمنس و مارتين گرديد A90 يا نيم ساعت ساخت.
علائم قراردادي روش توليد و درجه سختي:
روش تصفيه فولاد با دميدن اكسيژن
روش زيمنس و مارتين
روش توماس
گريد ۷۰ معمولي

گريد ۹۰ A نيم سخت
گريد ۹۰ B سخت
بخش سوم
۱-تئوري جوشكاري سراسري ريل ها
اگر يك قطعه ريل آزاد باشد به ازاء يك درجه فارنهايت معادل ۰۰۰۰۰۶۵/۰ طول خود منبسط مي شود.
يادآور مي شويم در مقابل ۱۰۰ درجه فارنهايت انبساط نرمالي معادل ۴۱ اينچ در هر مايل انجام مي شود.