مقاله مطالعات فنی - اقتصادی تراورس کامپوزیتی به منظور بکارگیری در خطوط ریلی ایران

بخشی از مقاله

مطالعات فنی-اقتصادي تراورس کامپوزیتی به منظور بکارگیري در خطوط ریلی ایران

چکیده

کاهش منابع طبیعی در سالیان اخیر توجه اکثر متخصصان و محققان را به سمت استفاده از مواد جایگزین محصولات طبیعی برای استفاده در صنعت سوق داده است. در این زمینه دو مشکل پیش روی آنها قرار دارد؛ اول اینکه فرآیند تولید مواد جایگزین به محیط زیست آسیبی نرسانده و دوم آنکه این گونه مصالح کیفیتی همانند مصالحی با سرچشمه طبیعی داشته باشند.
تولید تراورس یکی از زیر مجموعه های صنعت حمل و نقل ریلی است که به صورت مستقیم از منابع طبیعی استفاده می کند. بنابراین در این صنعت نیز همچون دیگر صنایع، محققین به دنبال جایگزینی برای تراورسهای تولیدی، بالاخص تراورسهای چوبی هستند. در این مقاله سعی شده است تا با معرفی دقیق خصوصیات فیزیکی و مکانیکی تراورس کامپوزیتی، و نیز آشنایی هرچه بیشتر مهندسان داخلی با آن، اهمیت بکارگیری این نوع تراورس در خطوط ریلی تشریح شود. در پایان از منظر فنی و همچنین اقتصادی لزوم استفاده از این نوع تراورس در صنعت حمل و نقل ریلی داخل کشور در آینده ای نزدیک، تشریح خواهد شد و مقایسه فنی‐ اقتصادی با استفاده از روش تحلیل سلسله مراتبی (AHP) با در نظر

گرفتن هزینه های دوره عمر در این خصوص ارائه خواهد شد.

کلمات کلیدي

راه آهن، تراورس کامپوزیتی، تراورسهای کامپوزیتی پلیمری، تراورسهای پلیمری چوبی

-1 مقدمه

با افزایش جمعیت و سطح زندگی، تامین مواد اولیه یکی از دغدغه های اصلی بشر در قرن بیست و یکم است. علاوه بر کاهش منابع مواد اولیه مورد نیاز، بواسطه افزایش مصرف و نیز عدم مصرف متوازن و صحیح از منابع سطح خسارت وارده به محیط زیست افزایش یافته است. یکی از گزینه های مورد توجه محققین و تولیدکنندگان، استفاده از مواد ضایعاتی می باشد. امروزه مهندسین در طراحی یک قطعه به پارامترهایی از جمله هزینه، سهولت دسترسی، بازیافت پذیری، میزان مصرف انرﮊی و ملاحظات زیست محیطی توجه ویژه ای مبذول می دارند. در این بین مواد مرکب و فرآیندهای تولید آنها بیشتر مورد توجه قرار گرفته اند، چرا که این مواد هم به لحاظ روشهای ساخت و هم به لحاظ خواص فیزیکی ، مکانیکی و شیمیایی دارای دامنه و تنوع گسترده ای هستند. پلاستیکهای تقویت شده که خود جزئی از مواد مرکب هستند در مراحل بسیار اولیه توسعه صنعت پلاستیک به وجود آمدند و تولید آنها بطور پیوسته بعد از جنگ جهانی دوم رو به افزایش می باشد و رشدی معادل ٨ تا ١٢ درصد در سال، طی دهه های آینده برای آن پیش بینی می شود. پس از گذشت یک دوره رشد مداوم، مصرف پلاستیکها امروزه از حجم فولاد خام تجاوز کرده است. مشکلات پیش روی شرکتها، آنها را ناگزیر کرده است تا توجه خود را بر روی موادی متمرکز کنند که کارکرد بهتری از خود نشان می دهند. به منظور دستیابی به این هدف باید خواص مکانیکی پلاستیکها بهبود یابد. جالبترین ایده برای انجام این منظور افزودن تقویت کننده های سخت تر بوده است. مصرف این نوع پلاستیکهای تقویت شده که اصطلاحاﹰ به آنها مواد کامپوزیتی اطلاق می شود بالغ بر یک و نیم میلیون تن در سال است. به طور کلی از جمله مزیتهای مواد مرکب (کامپوزیت) که باعث گسترش آنها گردیده، می توان به چند مورد اشاره کرد:

 وزن کم

 نسبت استحکام به وزن بالا

 عمر طولانی

 عایق بندی حرارتی

 عایق صوتی

 میرایی ذاتی

مزایای قابل توجه حمل و نقل ریلی باعث گسترش روز افزون آن و جذب بیشتر مسافر و کالا گردیده است. همچنین استفاده از قطارهای سنگین در اکثر کشورهای صنعتی در حال توسعه و گسترش می باشد. مسلما در چنین مسیرهایی نیاز به خطی پایدار با قابلیت اعتماد بالا خواهیم داشت؛ چرا که بروز سانحه یا مسدودی های طولانی مدت در مسیر، اعتماد نسبت به سیستم ریلی را پائین می آورد. هر ساله میلیونها ریال صرف نگهداری و بهسازی خطوط ریلی می شود. یکی از اهداف مدیران راه آهن کاهش هزینه های ساخت و اجرای خطوط، و همچنین متعاقباﹰ کاهش هزینه های نگهداری و تعمیر خطوط ریلی است. یکی از راهکارهای پیشﹺ روی آنها ، استفاده از مصالحی با عمر مفید بالا می باشد، چرا که در این صورت این امکان وجود دارد تا با افزایش فواصل زمانی بین عملیات نگهداری و تعمیر، در هزینه های مرتبط صرفه جویی صورت پذیرد.

یکی از اجزای مهم روسازی خط آهن تراورسها هستند. تراورسها در معرض خرابی های گوناگونی قرار دارند و همواره سعی می شود تا عمر مفید آنها تا جای ممکن افزایش یابد. یکی از انوع تراورسها ، تراورسهای چوبی می باشند؛ اما کمبود منابع جنگلی و مشکلات زیست محیطی باعث شد که جایگزینی برای تراورسهای چوبی انتخاب گردد. بدین ترتیب تراورسهای بتنی و تراورسهای کامپوزیتی پلاستیکی وارد بازار شدند. اما به دلیل خواص منحصر بفرد تراورسهای کامپوزیتی (که از مشتقات مواد مرکب هستند) هیچ یک از تراورسهای چوبی و حتی تراورسهای بتنی نیر نتوانستند با تراورسهای کامپوزیتی رقابت کنند. در ادامه به بررسی موشکافانه تر این نوع تراورسها و همچنین مزیت های فنی و اقتصادی آنها خواهیم پرداخت.

-2 تراورس و انواع آن

خطوط سنتی راه آهن از دو بخش تشکیل شده است:

الف) روسازی (شامل ریلها، تراورسها، ادوات تثبیت ریل و تکیه گاه خط که عبارتست از بالاست و زیر بالاست) که بارهای قطار را تحمل کرده و آنها را بطور مناسب به لایه های زیرین منتقل می نمایند.

ب) زیرسازی یا بستر (شامل لایه های شکل دهی و اساس) که بارهای چرخها پس از توزیع مناسب با این لایه منتقل می شوند و در حالت کلی در طی تعمیرات دوره ای خط آهن در معرض تغییر قرار نمی گیرند.

اگرچه امروزه به دلیل مزایای فراوانی که در مورد تراورسهای بتنی به اثبات رسیده است و به همین علت کاربرد سایر انواع تراورسها با محدودیت همراه شده است، اما از آنجایی که به عنوان مثال، هنوز در ایران از تراورسهای چوبی در محدوده انشعابات و تقاطعات استفاده میشود، آشنایی با انواع مصالحی که در ساخت تراورس ها به کار میروند و همچنین آگاهی یافتن از مشخصات فنی عمومی آنها ضروری به نظر میرسد. بر اساس ضوابط نشریه ٣٠١ سازمان مدیریت و برنامهریزی کشور، انواع تراورسهای قابل استفاده در خطوط ریلی ایران عبارتند از ]١:[

 تراورس چوبی

 تراورس فلزی

 تراورس بتنی

 تراورس کامپوزیت

-3 تراورسهاي کامپوزیت

تراورسهای کامپوزیت جدید (انواع چوب و فلز بازیافتی، پلیمر، پلاستیک یا سرامیک) اخیراﹰ به عنوان یک گزینه مناسب در میان انواع تراورسها مطرح شدهاند. تراورسهای کامپوزیت ، ترکیب دو یا چند ماده بوسیله یک ملات چسبناک برای بدست آوردن یک ترکیب ویژه می باشد . ارتفاع این تراورسها در حدود ١٢٠ میلیمتر و طول آنها معادل با انواع چوبی و بتنی میباشد. وزن تراورسهای ترکیبی که نمونهای از آنها در شکل (١) نشان داده شده است، به طور تقریبی ٦٠ کیلوگرم است.

شکل (١‐( نمونه ای از تراورسهای کامپوزیت

کامپوزیت (تراورس کامپوزیتی) براساس آئین نامه AREMA متشکل از HDPE بازیافت شده (به میزان ۵۵ درصد)، لاستیک خرد شده (به میزان ۵/۲۱ درصد)، تسلیح کننده شیشه ای (به میزان ۵/۲۱ درصد)، و فیلرهای معدنی( به میزان ۲۱ درصد) می باشد . لازم به ذکر است که HDPE پلیمری ترمو پلاستیک است که ضد رطوبت بوده و مقاوم در برابر حمله حشرات است. در برابر نور خورشید اکسیده می گردد و مقاومت کمی در مقابل طیف UV دارد و جهت استفاده باید آنرا در برابر این اشعه مقاوم کرد. تقریبا تمامی HDPE بکار رفته در ساخت این تراورسها، HDPE بازیافتی بوده است. الیاف شیشه برای جبران نقاط ضعف HDPE به آن اضافه می گردد.] ۲.[

محصولات می توانند هم در خطوط جدید و نیز در خطوطی که تعمیر و نگهداری صورت می گیرد، استفاده شوند. تراورسهای کامپوزیت برای فاصله و ساختار بالاست مشابه با تراورسهای چوبی طراحی شده اند. تراورسها می توانند بوسیله میله های برش

خورده سنتی یا میله های رزوه شده و با تجهیزات نصب استاندارد ، نصب شوند. جزئیات خاص نصب مانند کاربرد بهترین میله، سایز سوراخها و غیره باید مطابق توصیه های کارخانه سازنده تراورس باشد. برای افزایش پایداری جانبی و عمودی خط، تراورسهای کامپوزیت پلیمری می توانند با سطح طراحی شده خاصی برای بوجود آوردن یک پیوستگی مکانیکی بین تراورس و بالاست ساخته شوند. کارخانه های تولید کننده باید طراحی های اختصاصی مختلفی برای یک رنج پایداری جانبی خط داشته باشند.استفاده تراورسهایی با سطح اصلاح شده برای خطوط با ریلهای جوشکاری شده توصیه شده است ، که می توانند بارهای مهم جانبی و طولی ناشی از تنشهای حرارتی در ریل را به اجزای خط وارد نمایند. تحلیل ملزومات این سیستم ها لزوما تنها درگیر تراورسها نیستند بلکه به اجزای خط ، اندرکنش آنها با یکدیگر نیز وابسته است. بنابراین در خطوط ریلی همراه با تراورس کامپوزیتی موارد زیر حائز اهمیت است:

١‐ سازه خط شامل ریل ، صفحه زیر ریل ، تراورسها ، بالاست و سابگرید ٢‐ کیفیت هر یک از مؤلفه ها ، نصب و نگهداری آنها

٣‐ بزرگی و فرکانسهای بارهای اعمالی ، اثر فاکتورهای زیست محیطی ( مانند دما ، آب و هوا ) ، هزینه نصب و نگهداری از ویژگیهای این نوع تراورس آن است که ]۲: [

 دارای عمر مفید بیش از ٥٠ سال بوده و دوام نقاط اتصال آن (با پیچ) در حد تراورسهای چوبی یا بتنی میباشد و قابلیت لازم برای توزیع و انتقال فشار وارده از ریلها بر لایه بالاست را داشته باشد. در واقع ارتجاعیت بیشتری به خط میدهد و الاستیسیته لازم را برای آن تأمین میکند.
 عایق الکتریکی مناسبی است

 امکان اتصال ریل را با استفاده از پابندهای متداول فراهم مینماید.

 سبک بوده و نصب آنها بسیار آسان تر است.

 هزینه کارگری کمتری برای نصب آنها لازم است

 عدم وجود مواد سمی و خرد شدن و متلاشی شدن نظیر آنچه در تراورسهای چوبی مشاهد می شود

 در شرایط مختلف کاربری مانند عبور بارهای نفتی و شیمیایی پایدار و مقاوم است.

 در برابر شرایط مختلف آب و هوایی بادوام بوده و آسیب پذیری آن اندک است.

 این تراورسها در سطح بسیار وسیعی از ضایعات پلاستیک و الاستومر استفاده می کنند، در نتیجه تولید این قطعات پتانسیل بسیار بالایی در زمینه استفاده مجدد از ضایعات پلاستیکی (که به نوبه خود معضلی برای محیط زیست محسوب می شود) دارد.
 کارکرد بدون صدای آن با توجه به قابلیت جذب صدای بالا توسط پلاستیک است. این مورد پتانسیل بالای این

محصول جهت استفاده در قطارهای زیرزمینی و مترو ،و مکانهایی که از نظر آلودگی صوتی دچار مشکل هستند را نشان می دهند

لازم به ذکر است در بخشی از خطوط متروی تهران که در زیر مصلی بزرگ تهران واقع شده، از تراورسهای پلی یورتان (PU) به صورت الاستیک استفاده گردیده است.
-1-3 انواع تراورسهاي کامپوزیت

الف) تراورسهای پلیمری ( ( EPC

تراورسهای پلیمری از یک مخلوط پلیمری تشکیل شده اند (مانند پلی اتیلن با دانسیته بالا) که بوسیله فیبرهای تقویتی یا مواد پرکننده خصوصیات آن بهبود می یابند

در کل ، تراورسهای کامپوزیت پلیمری به سه نوع عمومی تقسیم می شوند:

١. کامپوزیت تقویت شده با فیبر – پلیمر تقویت شده با الیاف شیشه ای یا فیبرهای دیگر . همچنین ممکن است از موادی نظیر فیبرهای پلیمری ، پرکننده ها و اصلاح کننده ها برای ارتقاﺀ مشخصات فیزیکی و مکانیکی استفاده شود.

٢. کامپوزیت پلیمری تقویت شده با ذرات – پلیمر اصلاح شده با ذرات کوچک متفرقه برای ارتقاﺀ مشخصات فیزیکی و مکانیکی

٣. کامپوزیت هیبریدی – کامپوزیتی که از دو فیبر تقویتی مختلف یا دیگر مواد سازه ای ( بتن ، فولاد و ترکیبات پلیمر) تشکیل شده است.

ب) تراورسهای تولید شده از چوب ( ( EWP

از چوب ورقه ای یا لایه لایه رودخانه ای که بوسیله یک ماده چسبنده بهم متصل شده اند ، تشکیل شده است . جهت یابی و جادادن لایه های چوب نقش مهمی در مشخصات فیزیکی و ساختار منتجه دارد.

انواع رایج این تراورسها عبارت از یک کامپوزیت چوبی است که با چسباندن الوارهای چوب نرم و سخت با یک ماده چسبناک قوی ساخته می شود.
-2-3 الزامات کلی

تراورس های کامپوزیتی باید بندهای زیر را ارضا کنند:

الف) تراورس باید به گونه ای تولید شود تا ریل استاندارد، صفحه زیر ریل، ادوات اتصال، و پیچهای اتصال‐ بدون نیاز به فرآیندی افزون بر فرآیند پیش سوراخ کردن تراورس‐ بر روی آن نصب شوند.

ب)تراورس باید تحت بار محوری ماکزیمم کارایی مناسبی داشته باشد، و بار نشیمنگاه ریل را (بار فشاری) بدون گسیختگی تحمل کند. تراورس باید از یکسو برای تحمل وزن قطار سختی کافی را داشته باشد و از سویی دیگر برای جذب لرزش و عبور قطارها از خود انعطاف پذیری نشان دهد. کارایی آنها بیشتر یا برابر با تراورس های چوبی رایج در سیستم ریلی باشد..

ج) تراورس نباید در دماهای خیلی کم (درحد یخ زدگی) مستعد گسیختگی باشد.

د) تراورس نباید تا حد تغییر شکل های ماندگار شکم یا تاب بردارد. چرا که در این صورت نیاز به جایگزینی تراورس است. ه) تراورس نباید به کلاهک های انتهایی نیاز داشته باشد. تراورس نباید دچار ترک خوردگی یا شکاتگی شود؛ که در این صورت نیاز به تعویض تراورس می باشد.

و) فرسایش سطحی مصالح. که ناشی از تابش اشعه ماورای بنفش است، نباید در هر سال بیش از ۶۷۰/۰ میلی متر باشد.

ز) تراورس باید خاکستری یا سیاه باشد. در سطح خارجی تراورس ترکی وجود نداشته باشد، و نشانه هایی از شکافتگی دیده نشود. تراورس باید در کل صلب بوده و عاری از هرگونه حفره ای باشد.

ح) تراورس باید در برابر آتش سوزی مقاوم بوده، و برای استفاده در خط مناسب باشد. این تراورس ها باید همانند تراورس های چوبی (یا بهتر از آنها) ویژگی های فوق الذکر را از خود بروز دهند.

ط) تراورس باید با دوام باشد، به گونه ای که در طی دوره عمر خود خواص مقاومتی لازم را حفظ کند.

-3-3 مشخصات مکانیکی

تراورس کامپوزیتی باید مشخصات مکانیکی و فیزیکی جدول زیر را ارضا کند:

جدول ١‐ مشخصات مکانیکی و فیزیکی تراورس کامپوزیتی

خواص مکانیکی مقدار
مدول الاستیسیته (فشاری) (حداقل) MPa ١٧٠/١
فشردگی نشیمنگاه ریل (حداقل) MPa ٢/٦
مدول گسیختگی (حداقل) MPa ٨/١٣
نیروی کشش (حداقل) KN ٢/٧٢
ضریب انبساط حرارتی حداکثر /F١٠ × ٥/٧
فرسایش زمانی (آزمایشگاهی) ٧٥ درصد خواص فیزیکی در ١٥ سال باقی بماند
مقاومت ویژه ٥٠٠ مگا اهم ؛ ٥٠٠ ولت

برای هر محصول، کلیه پارامترهای جدول ( ۱) باید تحت استاندارد ASTM یا هر روش مصوب در آزمایشگاه معتبر محاسبه شده و تاییدیه آزمایش باید در زمان بازرسی موجود باشد ]۲. [
-4-3 سنجش ساختار تراورس کامپوزیت

این آزمایشات بر روی نمونه هایی که به صورت تصادفی از انبار کالا گزینش شدند، باید انجام شوند تا صحت محصول‐ از منظر سازه ای‐ تعیین شود. آزمایش های زیر باید بر روی تراورس های کامپوزیتی انجام شوند:

۱. آزمایش استاتیکی : این آزمایش برای تعیین کفایت طرح انجام می شود. حداقل یک تراورس برای هر ۰۵۲ تراورس تولید شده (با بخش وابسته به آن) گزینش شود. تراورس های آزمایش باید به صورت تصادفی از انبار کالا گزینش شوند. در نمونه آزمایش شده هیچ ترکی در سطح خارجی تراورس نباید دیده شود. (بار ۰۵ تنی برای ۵ دقیقه نگهداشته شود.)

۲. آزمایش خستگی : این آزمایش به منظور تعیین فرسودگی (سائیدگی) محل نشیمنگاه ریل، صحت سازه ای محصول و حصول اطمینان از عدم حضور حفرات و هرگونه نقص ذاتی (تولیدی) در داخل تراورس های کامپوزیتی، صورت می پذیرد. حداقل یک تراورس از هر ۰۵۲ تراورس باید آزمایش شود. معیار پذیرش نمونه این است که هیچ ترکی تا حد ۲ میلیون سیکل (که در واقعیت بسبب کمانش جانبی‐ گسیختگی برشی، خمشی یا پیچشی وجود دارد) در سطح تراورس ایجاد نشود ترک های مرئی ممکن است، در صورت عدم کاهش ظرفیت باربری تراورس، مجاز باشند.

۳. آزمایش بارگذاری ضربه ای: آزمایش ضربه برای تعیین ظرفیت جذب شوک تراورس، یعنی کارایی آن در برابر نیروهای انحرافی (خارج کننده قطار) مورد نیاز است. حداقل یک تراورس از هر ۰۵۲ تراورس باید آزمایش شود. هرچند تراورس هایی که جوابگوی آزمایش استاتیکی بودند، ممکن است برای آزمایش ضربه بکار روند. معیار پذیرش نمونه این است که فقط تورفتگی باید ایجاد شود. هیچ ترکی در سطح تراورس شکل نگیرد

۴. آزمایش حفرات : در تراورس وجود حفره ای با قطری بزرگتر از ۵/۲۱ میلی متر و طولی بیش از ۰۵۱ میلی متر مجاز نخواهد بود. حفرات باید بصورت یکسان توزیع شده باشند، و نباید به گونه ای ناپیوسته تشکیل شده باشند که ناحیه ضعیفی را تشکیل بدهند. تراورس ها باید براساس بند قبلی اجرا و با اشعه ایکس امتحان شوند.

۵. آزمایش اشتعال پذیری: تراورس باید ذاتاﹰ قابل اشتعال نباشد . اشتعال نباید پس از ۰۲ ثانیه از تماس شعله اتفاق بیفتد. بعلاوه، ۰۲۱ ثانیه پس از تماس شعله، باید‐ شعله‐ خود به خود خاموش شود.

۶. آزمایش راندن پیچ و درآوردن آن: یک تراورس از هر محموله در محل نشیمنگاه ریل باید پیچ شده و سپس پیچ آن در آورده شود؛ و پیچ ریل مجاز است تا بعد از هر عمل سرد شود. پدیده لغزش، تا قبل از انجام ۸ مرتبه از آزمایش،