گزارشی از برنامه شبیه سازی حرکت قطار در سال 76

توسعه شبکه زیرساخت و اجرای هرگونه تصمیم مدیریتی بسیار پرهزینه و زمانبر است، بنابراین انتخاب سیاست های درست با بیشترین تأثیر بر بهبود وضعیت راه آهن، بسیار مهم خواهد بود. انتخاب سیاست صحیح منوط به استفاده از ابزارهای مناسب برای آزمون سیاست های مدیریتی قبل از انجام بوده که قابلیت شناسایی عوامل بحرانی و تنگناهای شبکه فعلی را نیز داشته باشد، از این رو با طراحی و برنامه نویسی توسط کارشناسان مرکز تحقیقات راه آهن (فریبرز نوروزی، حسین زمانی و سعید یحیایی)، در سال 77- 1376 پروژه شبیه سازی مکانیسم دینامیک قطار در قالب نرم افزار کامپیوتری تهیه شد.

هدف از شبیه سازی سیستم حرکت قطار، محاسبه مدت زمان سیر قطار در بلاک ها و ثبت سرعت های لحظه ای با توجه به اثر عواملی همچون شیب و فراز، قوس، نیروهای مقاوم دینامیکی لکوموتیو و واگن، وضعیت رگلاتور (دنده)، شتاب ترمز، ضریب چسبندگی و غیره می باشد. البته مدلسازی 8 وضعیت دنده، خود منجر به شبیه سازی مصرف سوخت لکوموتیو، نیروهای  وارد بر قلاب، تغییرات جریان و ولتاژ ترکشن موتور و ژنراتور و محاسبه نیروی ترمز جهت کنترل قطار می شود.

نرم افزار دینامیک شبیه ساز قطار توسط  بانک اطلاعاتی ACCESS II و با استفاده از زبان برنامه نویسیVISUAL BASIC و VISUAL C ++ براساس نیازهای راه آهن طراحی و اجرا گردیده است.

از ویژگی های بارز این نرم افزار می توان به موارد ذیل اشاره کرد:

1- وارد کردن اطلاعات به شیوه Interactive

2- استفاده از نرم افزار به شیوه Menu driven  

3- سهولت کار با نرم افزار

4- پارامتری بودن مدل و قابلیت تغییر ضرایب و داده ها جهت انجام آنالیز حساسیت مدل های مورد آزمایش

5-قابلیت تعریف ایستگاه، شیب و فراز و قوس در مسیرهای  مختلف  از  جمله مسیرهای موجود و  یا حتی مسیرهای در دست مطالعه و یا پیشنهادی جهت تست عملکرد رفتار دینامیکی قطار

6- امکان تعریف لکوموتیو با پارامترهای از پیش تعریف شده و در صورت نیاز قابلیت تغییر مشخصات لکوموتیو

7- امکان اعمال آرایش مختلف واگن ها و تغییر مشخصات واگن ها

8-قابلیت کنترل حرکت در قوس ها با تیلتینگ و بدون تیلتینگ در واگن های مسافری

9-امکان تعریف سرعت و جهت حرکت باد نسبت به حرکت قطار

10- امکان تقلیل سرعت برنامه ای در بخش هایی از مسیر

11-امکان انتخاب کل مسیر یا بخشی از آن به صورت رفت یا برگشت

12- قابلیت تعریف ترمز هوایی (کفشک تنها، کفشک جفت و دیسک)

13- قابلیت تعریف ماکزیمم سرعت در بلاک ها و ایستگاه ها به صورت یکسان یا متغیر

14- کنترل سرعت قطار به صورت هوشمند با توجه به وضعیت مسیر و شرایط از پیش تعیین شده.

لازم به ذکر است نیروهای مقاوم دینامیکی لکوموتیو و واگن از روابط مگ گراث موجود در جداول اطلاعاتی تن کشش لکوموتیوهای GE استخراج شد که تقریب مناسبی برای محاسبه نیروهای مقاوم سایر لکوموتیوها را نیز دارا بود.

نرم افزار با توجه به داده های متغیر (مشخصات قطار) و داده های ثابت (پروفیل مسیر) پردازش های لازم را انجام داده و سرعت لحظه ای قطار را محاسبه می نمود. همچنین با در نظر گرفتن محدودیت ها و آلترناتیوهای موجود، کنترل  هوشمند قطار صورت گرفته و باتوجه به پیشامدهای صورت گرفته،  اقدام به تغییر آلترناتیو (عملکرد دنده و ترمز) نموده و بنابراین فرآیند مدیریت حرکت قطار توسط مدل تصمیم گیری صورت می پذیرفت. همچنین خروجی نرم افزار شامل بخش های سیر و حرکت، انرژی، نیروهای مقاوم ومحرک، پروفیل مسیر و گزارش جامع گرافیکی بود.

به منظور کالیبراسیون و احراز اعتبار مدل، اقدام به آزمایش عملی سیر قطار و مقایسه آن با نتایج حاصل از شبیه سازی شد، بدین منظور قطار مورد آزمایش، از نوع مسافری در مسیر تهران- مشهد با تعداد 9 سالن 50 تنی و یک دستگاه لکوموتیو سنگین جی ام انتخاب و پس از اجرای برنامه، کل زمان سیر 767 دقیقه محاسبه شد و در مقایسه با نمونه آزمایشی با زمان سیر 783 دقیقه، اختلاف زمان 16 دقیقه را در 926  کیلومتر نشان می داد که نمایانگر دقت 98 درصد بود.**

روش های همسوسازی منافع راه آهن و مالکان خصوصی لکوموتیو

در ابتدای دهه هفتاد پس از ورود لکوموتیوهای خریداری شده از شرکت جنرال الکتریک آمریکا که سری نخست (U30C) آن با توان 3300 اسب بخار با توانایی کشش 1000 تن بار در فراز 10 در هزار (معادل لکوموتیوهای سنگین GM از نوع GT26 در ابتدای سال 69) به 2000 تن افزایش یافت، مشکلاتی برای این لکوموتیو در دوران گارانتی مشاهده شد که با اثبات قصور شرکت GE ورود سری اول متوقف و مذاکرات برای مشخصات سری دوم (C30-7) آغاز گردید که منتج به لکوموتیوی با همان موتور 12 سیلندر 3300 اسب ولی قابلیت کشش بار 2800 تن در فراز 10 در هزار شد.

با وجود یکسان بودن قدرت موتورها، سیستم کنترل لغزش و ضریب چسبندگی یکسان در این 2 لکوموتیو، داشتن تراکشن موتور و ژنراتور قویتر لکوموتیو دوم در کنار بار محوری بیشتر (22 تن به جای 20 تن) سبب این تفاوت 40 درصدی قابلیت کشش در آن هنگام شد که اکنون با کاهش دادن بار لکوموتیو از 2000 به 1600 تن برتری لکوموتیو دوم به 75 درصد افزایش یافته و با وجود عمر نسبتا بالا یکی از موفقترین لکوموتیوهای راه آهن محسوب می شود. 

اما با وجود توانایی کشش بسیار بالاتر لکوموتیو دوم، نباید از مزایای لکوموتیوهای اول هم غفلت کرد که آن توان به وزن بالاتر و نتیجتا سرعت بیشتر این لکوموتیوها در فراز می باشد که برای لکوموتیوهای سری اول به حدود 33 و برای لکوموتیوهای سری دوم با کشش بیشتر به 20 کیلومتر می رسد و این ویژگی با وجود تاثیر بسیار کم بر زمان سیر رفت و برگشت سبب افزایش ظرفیت خطوط راه آهن می گردد که اکنون یکی از گلوگاه های مهم حمل و نقل ریلی است.

برای روشن شدن بیشتر موضوع و با ساده سازی محاسبات، یک بلاک 20 کیلومتری (فاصله 2 ایستگاه) با فرض سیر بدون توقف قطار با لکوموتیو سبک ظرف مدت 36 دقیقه و توسط لکوموتیو دوم ظرف مدت 60 دقیقه طی می شود و با فرض زمان بازگشت 33 دقیقه برای هر 2 قطار، نسبت زمان خالص اشغال خط توسط قطار اول با لکوموتیو ضعیف معادل 74 درصد قطار با لکوموتیو قویتر می باشد و این یعنی 35 درصد ظرفیت بیشتر خط که برای راه آهن اهمیت بسیار بالایی دارد.

روش دیگر کاهش زمان سیر در فراز استفاده از موتورهای دیزل با توان بیشتر بود که این موضوع (در کنار استراتژی اتخاذ شده در اوایل دهه هفتاد برای تشابه مشخصات لکوموتیوهای مورد نظر به لکوموتیوهای موجود در ناوگان راه آهن کشور سازنده) سبب انتخاب لکوموتیوهای کشش بالا با توان 4000 اسب (کششی) در دو نوع (C40-8) و (SD70i) گردید.

نیروی کشش لکوموتیو اول از شرکت GE با تراکشن موتور DC و بار محوری 25 تن به 47 تن نیرو با توانایی حمل قطار 4000 تنی در سرعت 19 میرسید و برای لکوموتیو دوم ساخت شرکت GM (EMD)، نیروی کشش با تراکشن موتور AC و بار محوری 27 تن به 62 تن نیرو در سرعت 15 کیلومتر در ساعت می رسید (با بار محوری 25 کشش 51 می گردد).

این رویکرد در تدوین مشخصات لکوموتیو باری در سال 66 مجددا مورد نظر قرار گرفت و در مذاکرات فنی توان کششی لکوموتیوهای آلستوم به 4000 اسب (با قابلیت ارتقاء به 5000 اسب در آینده) افزایش یافت. با رویکردی مشابه در سال 77 توان لکوموتیوهای DF8 به 5000 اسب افزایش یافت (لکوموتیو چینی شرکت کیشویان که چند هزار دستگاه تولید و در راه آهن چین به کار گرفته شده بود)، در واقع تراکشن موتور این لکوموتیو مشابه تراکشن 752 لکوموتیو (C30-7) می باشد و قابلیت کشش آن در فراز 10 در هزار 3000 تن با سرعت 30 کیلومتر (به جای 20 در GE) میباشد (با بار محوری بیشتر).

اکنون آشکار است که توان بالاتر موتور لکوموتیو برای راه آهن به دلیل افزایش ظرفیت شبکه، آثار اقتصادی بالایی دارد ولی این توان بالاتر برای مالک خصوصی لکوموتیو هزینه بیشتری داشته و از آنجایی که موتور بخش بالایی از هزینه نگهداری را در بردارد، تمایل شرکت ها به استفاده از لکوموتیوهای توان پایین تر افزایش می یابد، به ویژه با مبنای محاسبه تعرفه لکوموتیو که فقط مبتنی بر تن کیلومتر است در حالی که برای همسوسازی منافع بخش خصوصی مالک لکوموتیو لازم است در مبنای محاسبات ضریبی از سرعت حداقل یا زمان سیر در فراز و بویژه در بلاک های بحرانی منظور گردد. 

سرعت ناوگان مسافری راه‌آهن بر اساس توانایی بوژی

پیش از انقلاب اسلامی با وجود محدودیت سرعت خطوط راه آهن به 80 کیلومتر در ساعت و بهره برداری از واگن های با بوژی های MD و ... با کفش ترمز، در سال 1352 برای اولین بار ناوگان ریلی مسافری به ناوگان جدید اروپایی فرانسوی و آلمانی با بوژی های جدید با دو دیسک با قابلیت سرعت 160 کیلومتر بر ساعت مجهز گردید که محدودیت لکوموتیوهای دیزلی که در سال 1350 وارد شده بودند به سرعت 120 و مشخصات روسازی خط و بویژه استفاده از ریل های سبک، نداشتن علائم در خط تهران مشهد و ... سبب شد از این قابلیت برای افزایش سرعت استفاده شایسته به عمل نیاید.

پس از مدت کوتاهی در سال 1354 چهار قطار 5 واگنه خودکشش توربوترن با بوژی Y22 با 2 دیسک و ترمز مغناطیسی و سرعت حداکثر 160 برای کاهش زمان سیر تهران مشهد که آن ایام حدود 15 ساعت بود به کارگیری شد و با بار محوری پایین زمان سیر با اصلاحات مختصر خط ظرف چهار ماه با همان ادوات روسازی سبک (با همکاری متخصصین فرانسوی و برخی ماشین آلات ویژه) به هشت ساعت رسید که با احتساب سوخت گیری مجدد در شاهرود می توان گفت زمان سیر قطارها به نصف کاهش یافت و این امر، راحتی سیر و کیفیت خدمات در این قطار سبب استقبال کم نظیر مسافران گردید. 

قابل ذکر اینکه در سال 1973، بخش مسافری راه آهن آمریکا، هفت قطار مشابه قطارهای ایران را (توربولاینر) خریداری و آنها را در سال 1976 در کریدور بوفالو- نیویورک قرار داد. خط در این کریدور از سرعت بالا و کیفیت مطلوبی برخوردار نبود ولی سرعت قطار به 177 کیلومتر بر ساعت (متوسط 107) و زمان سیر حدود 2 ساعت و هشت دقیقه از آلبانی به شهر نیویورک با مسافت 228 کیلومتر رسید. نرخ رشد مسافر، پنج برابر متوسط آمتراک بود (38 دلار قطار و 89 دلار هوایی).

پس از انقلاب با احداث شرکت واگن پارس و رضایت نسبی از بوژی های MD36 تولید این بوژی برای واگن های مسافری تحت لیسانس شرکت SGP از سال 1373 آغاز شد و اکنون بیش از یکصد دستگاه از واگن ها دارای این بوژی هستند.

بوژی مذکور بر اساس استاندارد UIC567-2 (ویرایش چهار مورخ 1991) در سایر کشورها به ویژه در کشور سازنده، با تغییرات اندک و کم هزینه مانند نصب ترمز مغناطیسی و بکارگیری کمک فنر جانبی (یاودمپر) برای سرعت 200 کیلومتر بر ساعت ارتقاء یافت (تعدادی از این بوژی با ترمز مغناطیسی در واگن های مستعمل وارد شده نیز وجود داشت).    

پس از این تجربه شرکت واگن پارس قرارداد انتقال دانش فنی برای نسل جدید بوژی از نوع MD523  با قابلیت سرعت 160 را با شرکت بمباردیر منعقد نمود که اولین سری از آنها در واگنهای مسافری خریداری شده از چین در سال 1384 نصب شد و در سال 1386 نیز تعداد دیگری از همین نوع در واگنهای مسافری ساخت واگن پارس بکار گرفته شد.

سرعت بوژی مذکور در قطارهای معمولی 200 کیلومتر بر ساعت بود و برای اولین بار در قطارهای سریع السیر ICE این بوژی (البته با چهار دیسک ترمز و ترمز معناطیسی) با سرعت 280 کیلومتر بر ساعت مورد استفاده قرار گرفت.

در سال 1386 بوژی Y32 نیز با قابلیت 160 بصورت وارداتی در واگن های شرکت پلور سبز وارد ناوگان ریلی شد در حالی که این بوژی نیز برای سرعت 200 طراحی و ساخته شده است و هزینه سرعت 200 برای آن پرداخته شده است.

یکی از نکاتی که در محدود کردن سرعت این بوژی ها مورد استناد است موضوع ترمز واگن ها است و ادعا می شود که برای سرعت 200 باید هر محور سه دیسک داشته باشد که در پاسخ مورخ 19 ژانویه 2007 شرکت کنور آلمان به استعلام بعمل آمده، افزایش سرعت به 200 کیلومتر بر ساعت با حفظ دو دیسک نیز (با هزینه ناچیز کمتر از 2 درصد) امکان پذیر اعلام شد. 

در سال 1383 نیز اولین قطارهای خودکشش زیمنس با بوژی  SF5000 با سرعت 160 وارد کشور گردید که این بوژی هم توانایی سرعت 200 را داشته و تعداد زیادی از آنها در کشورهای مختلف از جمله در انگلیس در حال کار هستند.

در سال 1391 نیز اولین قطارهای دوطبقه سفارشی با بوژی SF400 زیمنس وارد ناوگان مسافری ریلی شدند که این بوژی با سه دیسک قابلیت سرعت 280 را داشته ولی مجددا در ایران با سرعت کمتر از 160 بکار گرفته می شوند.

همکاری های راهبردی ایران و چین، فرصت ها و نگرانی های ریلی

رسانه ها در 23 اسفندماه سال 99، از رونمایی قطار ملی مترو با ۸۵ درصد داخلی سازی قطعات خبر دادند.

قطار ملی مترو با توجه به توانمندی‌ها و ظرفیت‌های موجود در کشور و با همکاری شرکت‌های مختلف داخلی از جمله ۱۸ شرکت دانش بنیان و چهار مجموعه واگن سازی تهران، جهاد دانشگاهی، مپنا و ایریکو با در نظر گرفتن ۱۸ زیرسیستم طراحی شده و تغییرات اعمال شده در آن، بر اساس تجربیات ۲۰ سال گذشته سه نسل واگن‌های مترو طراحی شده است.

طراحی و ساخت سیستم رانش، تهویه مطبوع، بدنه قطار، بوژی، ترمز، راهروی بین واگنی، درهای قطار، دکوراسیون داخلی و هوشمندسازی سیستم اطلاعات از جمله مهمترین اقدامات صورت گرفته شرکت‌های داخلی برای تولید قطار ملی مذکور بوده است. معاون علمی و فناوری رئیس جمهوری با بیان اینکه در تولید قطار ملی مترو ۱۸ شرکت دانش بنیان مشارکت داشتند، گفت: این قطار پس از انجام تست‌های گرم به تولید انبوه خواهد رسید.

سورنا ستاری با اشاره به جزئیات طراحی و ساخت قطار ملی مترو ادامه داد: همه اجزای این قطار اعم از بدنه، تزئینات داخلی تغییر یافته است، اما موضوع اصلی در این زمینه داخلی سازی زیر سیستم‌ها بوده که توسط شرکت‌های داخلی انجام شد.

این حرکت پس از تعلل طرف چینی در قرارداد 2000 واگن مترو با شرکت ره نورد (متعلق به سازمان گسترش) با هدف سهم داخلی 55 درصد آغاز و اکنون با سهم داخل بالا (مهندسی و تولید) به یک نماد خودباوری در صنعت ریلی تبدیل گردید.

بر اساس خبر مندرج در پایگاه ایدرونیوز در 20 اسفند 95 مدیرعامل شرکت توسعه مهندسی و ساخت واگن های مسافری (ره نورد) درباره مشخصات طرح گفت: عنوان قرارداد مدیریت طرح تأمین و خرید ۲۰۰۰ دستگاه واگن قطار شهری و حومه ای (مترو)، مصوبه شماره ۷۰۸۶۵۳ مورخ ۱۰/۶/۹۵ شورای اقتصاد و کارفرما سازمان شهرداری ها و دهیاری های وزارت کشور و مدیر طرح سازمان گسترش و نوسازی صنایع ایران است که مدت قرارداد ۶۰ ماه تعیین شده و روش تأمین مالی از طریق مناقصه بین المللی با استفاده از تسهیلات مالی خارجی (فاینانس) به مبلغ قرارداد 2 میلیارد یورو می باشد و میزان ساخت داخل حداقل ۵۵ درصد خواهد بود. (با چین برای تامین مالی به شرط خرید از ایشان توافق گردید که عملی نشد)

مجری طرح تأمین ۲۰۰۰ دستگاه واگن مترو درباره تعداد واگن فعال در کشور و تعداد واگن مورد نیاز گفت: در حال حاضر ۲۳۰ کیلومتر خط ریلی در کشور در دست بهره برداری می باشد و حدود ۱۵۰۰ واگن در این خطوط موجود است که بخش عمده آن مربوط به متروی تهران می باشد. همچنین طول خطوط مترویی در دست ساخت ۳۵۰ کیلومتر در کلانشهرهای کشور شامل تهران، مشهد، شیراز، اصفهان، تبریز، کرج، اهواز، قم و کرمانشاه می باشد و برای ظرفیت کامل، نیازمند افزایش ۴۱۵۰ واگن در شبکه است. (اکنون مسافران اندک اغلب شهرهای غیر تهران، ضرورت آن را نفی می نماید)   

از سوی دیگر به گزارش سایت شبکه خبر در هفتم فروردین 1400 سعید خطیب زاده، سخنگوی وزارت امور خارجه در این باره توضیح داد: در سال 1394 و در جریان سفر رئیس‌جمهوری چین به تهران در ارتباط با این موضوع بحث و گفت‌وگو شد. به این منظور که روابط 2 کشور به سطح راهبردی و جامع هدایت شود. روابط ایران و چین چند لایه و عمیق و پر از ابعاد مختلف است و لازم بود این روابط در قالب یک سند تنظیم شود. در همین چارچوب چندین بار این سند برای بررسی بین مقام‌های 2 کشور رد و بدل شد و نهایتاً در روز شنبه بین وزرای خارجه دو کشور امضا می‌شود.

از آنجایی که یکی از بخش های این سند به همکاری در بخش ریلی درون شهری و برون شهری اختصاص دارد باید از فرصت های این تفاهمنامه برای گسترش صنعت راهبردی حمل و نقل ریلی و تامین کاستی ها همچون لکوموتیوهای برقی باری، خطوط برقی، قطارهای سریع السیر با سرعت بالای 350 و ... استفاده نماییم و با توجه به تجربیات خریدهای تحمیلی ناوگان برخی متروها از چین باید نگران ادامه حیات محصول جدید (قطار ملی مترو) باشیم، البته با پرهیز از خطاهای پروژه برقی تهران- مشهد که طرف چینی انصراف داد و راه آهن سریع تهران- اصفهان که طرف چینی هزینه آن را به 2 برابر افزایش داد.