بخشی از مقاله
پیشرفتهاي اخیر در توسعه تراورسهاي کامپوزیتی
و استراتژي بکارگیري آنها در راه آهن ایران
چکیده
تراورسهاي کامپوزیتی در دو دهه اخیر از توسعه چشمگیري در صنعت ریلی برخـوردار بـوده و ایـن رونـد در حـال گسترش می باشد. در این مقاله انواع تراورسهاي کامپوزیتی مورد بررسی قرار گرفته و یک دسته بندي کلی بر اسـاس ترکیـب نهایی آنها ارائه گردیده است. بر اساس این طبقه بنـدي تراورسـهاي کـامپوزیتی بـه دو دسـته تراورسـهاي تمـام کامپوزیـت و تراوسهاي اصلاح شده با مواد کامپوزیت یا پلیمر تقسیم شده اند. در این مقاله انواع تراورسهاي تمـام کامپوزیـت از نقطـه نظـر کارایی و هزینه تمام شده مورد ارزیابی قرار گرفته و با یکدیگر مقایسه می شوند. نتایج این بررسی نشان می دهد که تراورسهاي کامپوزیت اگرچه قیمت اولیه بالاتري نسبت به تراورسهاي موجود اعم از تراورسهاي چوبی و بتنی دارند، اما به جهت خواص و ویژگیهاي بسیار خوبشان جایگزین بسیار ایده الی براي تراورسهاي موجود بخصوص در برخی محلهاي ریلی از قبیل تونلها، پلها، سوزنها و قوسها می باشند.
کلید واژه ها: تراورسهاي کامپوزیتی، پلاستیکهاي بازیافتی، الیاف تقویت کننده، پلی الفینها
-1 مقدمه
تراورسها از اجزاء اصلی خطوط ریلی می باشـند کـه بـین ریـل و بالاسـت قـرار مـی گیرنـد. اساسـا"
تراورسها دو وظیفه بسیار مهم در خطوط ریلی را عهده دار می باشند که عبارتنـد از: (1 تثبیـت ریـل و فاصـله بین آنها و (2 انتقال و توزیع یکنواخت نیرو به بالاست که در زیر آن قرار دارد1]و.[2 از نظر تـاریخی، چـوب اولین ماده استفاده شده براي ساخت تراورس در خطوط ریلی بوده است. علاوه بر چوب مواد سنتی دیگـر از قبیل فلزات و بتن نیز در ساخت تراورسها مورد استفاده قرار گرفته اند. امروزه تراورسهاي چوبی، فلزي و بتنی از تراورسهاي رایج در اغلب کشورهاي صاحب صنعت ریلی می باشند.
به جهت برخی محدودیتها در کارایی و بکارگیري تراورسهاي مذکور از یکسو و توسعه دانش فنـی و تکنولوژي مواد کامپوزیتی از سوي دیگر باعث گردیده است تا توجه به ساخت تراروسهایی از جنس مـواد کامپوزیت روز افزون گردد. خواص مطلوب این نوع تراورسها باعث گردیده تا تراورسهاي کامپوزیـت قابـل
رقابت با سایر تراورسها بوده و حتی در برخی از موارد از قبیل تونلها، پلها، ایستگاهها و … بسیار ایده ال تر از تراورسهاي دیگر باشد.
مواد کامپوزیت توسعه یافته براي ساخت تراورسهاي کـامپوزیتی داراي انـواع متنـوعی بـوده کـه هـر کدام داراي ویژگی هاي خاص از نقطه نظر طراحی، مواد، هزینه و خواص می باشـند. تعیـین یـک اسـتراتژي مدون براي ساخت یک تراورس کامپوزیتی مناسب براي کشور نیاز بـه شـناخت انـواع مختلـف آنهـا و ارائـه یک تحلیل علمی از فرآیندهاي تولید، محدودیتهاي موجود در داخل کشور و هزینه تمام شده براي هر کدام از آنها دارد. در این مقاله دو هدف اصلی مورد نظر مـی باشـد کـه عبارتنـد از (1 شـناخت انـواع تراورسـهاي کامپوزیت و ارائه یک تحلیل علمی و فنی از آنها در مقایسه با تراورسهاي موجود و (2 ارائـه یـک اسـتراتژي مشخص براي ساخت یک تراورس کامپوزیتی مناسب در داخل کشور.
-2 تراورسهاي کامپوزیتی
کامپوزیت به ماده اي اطلاق می گردد که از دو یا چند جزء تشـکیل شـده باشـد، بطوریکـه خـواص ماده نهایی (خواص فیزیکی و مکانیکی) متفاوت از خواص تـک تـک اجـزاء تشـکیل دهنـده مـی باشـد .[3]
بجهت ویژگیهاي متنوع مواد کامپوزیتی، طراحی و سـاخت تراورسـهاي کـامپوزیتی موضـوع بسـیار مهـم راه آهنها و شرکتهاي مختلف در دو دهه اخیر بوده و تحقیقات گسترده اي در این زمینـه شـروع شـده و در حـال انجام می باشد .[10-4] نتایج این فعالیتها منجر به ساخت انواع متعددي از این تراورسها شده است که اگرچـه از نظر نوع مواد با یکدیگر متفاوت می باشند، اما طبق تعریف ارائه شده براي یک ماده کـامپوزیتی مـی تـوان آنها را در دسته تراورسهاي کامپوزیتی قرار داد. به منظور ارائه یک چارچوب مشـخص جهـت مقایسـه انـواع تراورسهاي کامپوزیتی از نقطه نظر کارایی و عملکرد، فرایند شکل دهـی و هزینـه هـاي تولیـد، در ایـن مقالـه یک دسته بندي کلی براي انواع مختلف تراورسهاي کامپوزیتی ارائه می گردد. این دسته بندي بر مبناي مـواد بکار رفته در تراورس انجام گرفته و عبارتند از: (1 تراورسهاي تمام کامپوزیت و (2 تراورسهاي اصـلاح شـده با مواد کامپوزیتی و پلیمري.
شکل 1 نمودار مربوط به طبقه بندي ارائه شده در مورد انواع مختلف تراورسهاي کامپوزیتی را نشـان مــی دهــد. همــانطور کــه در شــکل 1 نیــز نشــان داده شــده اســت، تراورســهاي دســته اول (تراورســهاي تمــام کامپوزیت) که بطور کامل از مواد کامپوزیتی تهیه می گردند، خود به دو دسته تقسیم می شوند که عبارتند از تراورسهاي کامپوزیتی بر مبناي مواد بازیافتی و تراورسهاي کامپوزیتی بر مبناي پلیمرهـاي ترموسـت و الیـاف تقویت کننده.
در دسته دوم از تراورسهاي معرفی شده، نقایص ممکن در تراورسهاي موجود اعم از چوبی و بتنی با استفاده از تکنولوژي پلیمرها و کامپوزیتهاي پلیمري اصلاح می گـردد9]و.[10 بعنـوان مثـال بکـارگیري یـک لایه پلیمر بر روي تراورس چوبی تأثیرات جوي بخصوص نقش رطوبت و میکرو ارگانیزمها بر افـت خـواصتراورسهاي چوبی را بشدت کاهش داده و طول عمر مؤثر تراورس را افزایش می دهد. همین روش در مـورد تراورسهاي بتنی نیز بکار گرفته شده است. براي اینکار هسته مرکزي تراورس از جنس بتن و قسمتهاي بیرونی از پلیمرهایی که عمدتا" از جنس پلاستیکها و لاستیکهاي بازیافتی می باشند ساخته می شـود. اسـتفاده از میلـه هاي کامپوزیتی بجاي میله هاي فلزي در تراورسهاي بتنی نیز تـأثیر بسـزایی در کنتـرل خـوردگی دارد. روش دیگر براي اصلاح خواص فیزیکی و مکانیکی تراورسهاي بتنی استفاده از مـواد پلیمـري در ترکیـب بـتن مـی باشد. در واقع در این حالت مواد پلیمري با بتن
بنحو مطلوبی مخلوط شده، بگونه اي که خواص محصول نهایی بطور عمده اي اصلاح می گردد.
در این مقاله تراورسهاي تمام کامپوزیت و انواع مختلف آن که امروزه مـورد توجـه قـرار گرفتـه اسـت مـورد تأکید می باشد. بنابراین خواص فیزیکی مکانیکی، فرایندهاي تولید و هزینه هاي مربوط به آنهـا در ایـن مقالـه مورد بررسی قرار گرفته و امکانپذیري توسعه آنها در داخل کشور مورد بررسی قرار می گیرد.
-1-2 تراورسهاي کامپوزیتی برمبناي پلیمرهاي ترموست و مواد تقویت کننده
همانطور که از عنوان این دسته از تراوسها مشـخص اسـت، مـواد تشـکیل دهنـده آنهـا از پلیمرهـاي ترموست و الیاف تقویت کننده که عموما" الیاف بلند می باشد تشکیل می شوند. در مرحله شـکل دهـی ایـن نوع تراورسها، واکنشهاي شبکه اي شدن باعث پخت ماتریس پلیمري شـده و نهایتـا" قطعـه نهـایی بـه شـکل تراروس تولید می گردد. ناگافوجی و آبه 4]و[5 تراورسهایی با عنـوان تراورسـهاي مصـنوعی بـراي راه آهـن ژاپن طراحی نموده اند که می توان آنها را در این دسته از تراورسها قـرار داد. تـروارس طراحـی شـده توسـط ناگافوجی و آبه از فوم پلی یورتان سخت بعنوان ماتریس و الیاف بلند شیشه بعنوان تقویت کننده تشـکیل مـی شود. فرایند تولید استفاده شده توسط آبه و ناگافوجی در دیاگرام شکل 2 ارائه گردیده است.
در کلیه مقالاتی که توسط ناگافوجی و آبه در خصوص تراورسهاي کامپوزیتی به چاپ رسیده اطلاعات ارائه شده در مورد فرایند تولید، محدود به دیاگرام شکل 2 می باشد. این دیاگرام اگرچه مراحـل سـیکل فراینـد رانشان می دهد، اما دقیقا" نوع فرایند را مشخص نمی کند. اما بنظر می رسد که این قطعات بـا اسـتفاده از روش پالتروژن و یا فرایند قالبگیري تزریقی واکنشی ساختاري (SRIM) تولید شده باشند.
ناگافوجی و آبه پس از ساخت تراورسهاي کامپوزیتی، خواص فیزیکی و مکانیکی آنها را در مقیاس آزمایشگاهی و در مقیاس واقعی در دو حالت مختلف مـورد بررسـی قـرار داده و نتـایج آن را بـا تراورسـهاي چوبی مورد مقایسه قرار دادند4]و.[5 در حالت اول خواص تراورس قبل از قرار گیري در سرویس تعیین شده و با استفاده از آزمونهاي شتابیده (accelerated) طول عمر آنهـا تخمیـین زده شـد. در حالـت دوم تراورسـهاي کامپوزیتی ساخته شده در مسیر هاي مختلف خطوط ریلی ژاپن از قبیل تونلها و پلها نصب شده و خواص آنها پس از بـازه هـاي زمـانی مختلـف از طریـق برداشـتن نمونـه هـا از خطـوط ریلـی و انجـام آزمونهـاي لازم در آزمایشگاه مـورد ارزیـابی قـرار گرفـت. جـدول1 خـواص تراورسـهاي کـامپوزیتی قبـل از اسـتفاده و پـس از حدودا" 15 سال نصب در مسیر سرویس دهی را نشان می دهد.
نتایج کلیه آزمونهاي انجام گرفته توسط ناگافوجی و آبه نشان می دهد کـه تراورسـهاي کامپوزیـت داراي امتیازات ذیل می باشد4]و(1 :[5 طـول عمـر بـالا ( بـیش از 50 سـال)، (2 مقاومـت عـالی در مقابـل محیطهاي شـیمیایی، (3 مقاومـت مکـانیکی اسـتاتیک و دینامیـک بهتـر نسـبت بـه تراورسـهاي چـوبی، (4
