تولید چرخ منوبلوک لکوموتیو و واگن از چدن نشکن آستمپر شده

بار محوری راه آهن BHP (از معادن نیومن به بندر پورت هدلند استرالیا) از 28 تن در 1980 با تحقیق و توسعه به 35 تن در اوایل دهه 90 میلادی رسیده بود و همچنان این افزایش ادامه یافت و در 2005 به 40 تن رسید، در این راستا یکی از دستاوردهای دیگر این مجموعه افزایش عمر چرخ (منوبلوک) بود که از 340 هزار تن کیلومتر در سال 1980 به 1900 هزار تن کیلومتر (نزدیک پنج برابر ) در 2005 رسید (به علت تغییر بار محوری این شاخص استفاده شده) و همزمان در همین مدت عمر ریل در خط مستقیم از 350 میلیون تن ناخالص به 1800 میلیون تن (بیشتر از 5 برابر)  ناخالص رسید.

در راه آهن ایران چرخ منوبلوک که در اواسط دهه هفتاد بیشتر به لکوموتیوها محدود می شد اکنون هم در واگن های مسافری و هم در واگن های باری استفاده میشود و به دلیل هزینه بالا یکی از گلوگاه های نگهداری ناوگان در سرویس بوده و هست.

در سال های اخیر اقدامات خوبی برای ساخت چرخ منوبلوک در کشور انجام شده ولی هنوز به نتایج رقابتی نرسیده است (و متاسفانه در کنار کاهش عمر چرخ) هزینه سنگینی را بر شرکت های مالک لکوموتیو، واگن مسافری و باری تحمیل می کند.  

تجربیات اخیر و نتایج آزمون چرخ چدنی ADI در سایر کشورها به ویژه آلمان (26 ژوئن 2019 مجله IRJ) در مورد آزمایش چرخ پره دار در واگن های مترو به عنوان یک گام از برنامه گسترده رویکرد ریلی اروپا با عنوان (Shift2Rail)، تجربیات موفق همکاران مرکز تحقیقات راه آهن ایران و از سویی توانایی کشور در زمینه چدن آستمپر می تواند زمینه ساز یک موفقیت بزرگ برای صنایع ریلی و راه آهن ایران باشد چرا که قیمت بالای چرخ منوبلوک خارجی از یک سو و قیمت بسیار بالای چرخ داخلی و ظرفیت تولید پایین آن به افزایش توجیه اقتصادی ساخت این محصول راهبردی کمک می نماید.          

اکنون به مرور تجربه موفق مرکز تحقیقات راه آهن در نیمه دهه هفتاد می پردازیم که می تواند پاسخگوی این نیاز مهم باشد.

در سال ١٣٧٥ و طی مطالعات انجام شده در مرکز تحقیقات راه آهن بر روی تجربیات دیگر کشورها مانند فنلاند، تصمیم بر این شد تا تولید چرخ لکوموتیو از جنس چدن نشکن آستمپر شده در دستور کار قرار گرفته و دانش فنی مربوطه جهت استفاده در صورت لزوم در کشور ایجاد گردد. البته در همین جا لازم به ذکر است که معدود کشورهایی که این فرآیند را تجربه کرده بودند فقط اقدام به تولید چرخ های واگن کرده و در خصوص تولید چرخ لکوموتیو از این فرآیند ما اولین در دنیا بودیم، (در سال های اخیر این موضوع مجددا مورد توجه قرار گرفته است).

اولین تجربه در راه آهن ایران در سال های ٧٣ و ٧٤ با تبدیل چرخ درزین از فولادی به چدن نشکن آغاز شد و پس از کسب نتایج مثبت پروژه تولید چرخ لکوموتیو تعریف و با کمک شرکت ایران نشکن و زیر نظر دکتر بوترابی استاد دانشگاه علم و صنعت (و همچنین تز کارشناسی ارشد مهندس بهرامی وحدت از دانشکده مواد دانشگاه تهران) و نظارت مرکز تحقیقات راه آهن به اجرا درآمد و پس از تولید نمونه های اولیه و انجام تست های مختلف بر روی مواد تولیدی و دستیابی به ترکیب دقیق مواد و فرآیند عملیات حرارتی مربوطه، اقدام به تولید حدود ٢٠ حلقه چرخ گردید که پس از انجام کنترل های لازم و تایید اولیه در سال ١٣٧٦ تعداد هشت عدد از آنها بر روی بوژی لکوموتیو مانوری نصب و در 2 دستگاه لکوموتیو به کار گرفته شد، به طوریکه در هر لکوموتیو یک بوژی با چرخ های فولادی معمولی و یک بوژی با چرخ های چدنی نصب و به کار گرفته شد تا مقایسه عملی و در شرایط یکسانی به عمل آید و تا حدود چهار سال بازدید از  ADI لکوموتیوها انجام می شد و تا آخرین بازدید عملکرد چرخ های چدنی به مراتب بهتر از نوع فولادی بود. زیرا چرخ های فولادی در آخرین بازدیدها پله کرده و نیاز به تراش داشتند ولی نوع چدنی با میزان بسیار کم سایش هنوز در شرایط ایده آلی قرار داشتند.

به دلیل نوع رفتار سایشی چدن نشکن آستمپر، سایش و آسیب وارده به ریل نیز مسلما پایین تر از چرخ های فولادی بوده و از نظر عملکردی نیز بهتر بوده ولی به دلیل مسائل اقتصاد تولید و دستیابی به خواص یکنواخت در حین تولید، ترجیح استفاده از چرخ های فولادی بیشتر است. (اکنون با موفقیت های کشور در کاربرد وسیع ADI این ضعف برطرف شده است).

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. 

ایران چگونه می تواند در تولید لکوموتیو قدرتمند شود

چالش‌های پیش روی ایران برای قدرتمند شدن در تولید لکوموتیو

«محمد اسلامی وزیر راه و شهرسازی در آیین بهره‌برداری از 105 پروژه به‌ارزش 1445 میلیارد تومان، افتتاح پروژه‌های ریلی را مصداق بارزی از قدرتمندی ایران برشمرد و گفت: امروز در این مقطع این پروژه‌ها از جنس پروژه‌هایی است که توسعه ایمنی و گسترش و حرکت قطارها در سرعت بالا و اتصال به مراکز بار کشور یکی از اهداف بوده است.

وی تأکید کرد: کمک به بالابردن راندمان اقتصادی و کاهش قیمت تمام‌شده کالاها از دستاوردهای حمل‌ونقل ریلی کشور است، از سوی دیگر در این بخش شاهد خودکفایی در تولید واگن‌های باری هستیم و باید با اقدام ویژه بتوانیم جشن خودکفایی در تولید واگن مسافری را جشن بگیریم.

وزیر راه تأکید کرد: در بحث لکوموتیو نباید هیچ گونه وابستگی به خارج از کشور داشته باشیم، در این بخش باید به یک کشور قدرتمند تبدیل شویم.

با مرور شاخص های آماده به کاری آمار روزانه لکوموتیو دیزل(فرم 101) در راه آهن ایران که حتی در این ایام کرونایی به گلوگاه حمل و نقل مسافری تبدیل شده است، می بینیم در تاریخ پنجم بهمن ماه امسال تعداد کل(2 نوع) لکوموتیوهای GT26 ملکی راه آهن 173 دستگاه و تعداد در گردش 107 و در سرویس 102 دستگاه(با آماده به کاری 95 درصد) بوده و این در حالی است که در آمار 4/11/79 تعداد کل این لکوموتیو 237 دستگاه و تعداد درگردش 127 و تعداد در سرویس 111 دستگاه بوده است.

تعداد 64 دستگاه لکوموتیو مذکور که لکوموتیو پرکاربرد باری و مسافری است در این آمار نادیده گرفته شده در حالی که حتی در بدترین شرایط و سانحه این ناوگان در ایران کاملا قابل بازسازی است و از سوی دیگر نسبت معادل لکوموتیو مذکور در سی 20 سال گذشته هیچ تغییری نکرده در حالی که با تجهیزات کنترلی نصب شده جدید در بسیاری از این ناوگان فراگیر، ضریب معادل می توانست به بیش از 20 درصد افزایش یابد(مانند سال های 69 و 76 که 50 درصد و 33 درصد افزایش یافت).

در بخش مسافری هم از 150 دستگاه لکوموتیوهای زیمنس با ارزش بیش از 500 میلیون یورو که 120 دستگاه آن توسط مپنا تولید شده (با عمر کمتر از 10 سال) در تاریخ مذکور فقط 31 دستگاه در سرویس بوده که بسیار نگران کننده است.

اما قدرتمند شدن ایران در تولید لکوموتیو که آقای وزیر بر آن تاکید نمودند هدفی بزرگ ولی دست یافتنی است و با سابقه قریب 2 دهه شرکت های واگن پارس و مپنا در ساخت، بازسازی و نگهداری لکوموتیو، باید با یک راهبرد و نقشه راه شایسته و بایسته با ارزیابی نقاط قوت و ضعف و فرصت ها و تهدیدها و استفاده از تجربیات جهانی و داخلی(روسیه و آمریکا در این زمینه راهبرد و نقشه راه مدون دارند) مورد توجه راه آهن و وزارت راه و به ویژه وزارت صمت قرار گیرد و سریعتر تدوین و در اختیار متخصصین جهت بررسی قرار گیرد، در غیر این صورت نگرانی تکرار تجربه قانون مدیریت سوخت افزایش می یابد.

برای دستیابی به هدف مذکور با 2 چالش طراحی و ارتقا مواجه هستیم و می توانیم 2 راهبرد تجربه شده بومی سازی را ارزیابی و از میان آنها گزینه مناسب را انتخاب نماییم که گزینه اول راه صنعت موشکی است و گزینه دوم راه صنعت هواپیمایی، در گزینه اول از خرید موشک های برد 300 کیلومتر، به موشکی بومی، پیشرفته و نقطه زن با برد بیش از 2000 کیلومتر رسیده و در گزینه دوم هواپیمایی که قابلیت های کلی آن بسیار عالی ولی به دلیل اشکالات رفع نشده به ویژه توربین که جایگزین آن حتی در ایران در دسترس است (PW120) اکنون شش سال زمین‌گیر شده و تلاشی برای رفع ضعف های آن نشده است.        

در صنعت ریلی می توان به تجربه کشور ترکیه اشاره نمود که ناوگان خودکشش مشابه ایران را از کره جنوبی خریداری و بعد از تولید چند دستگاه با شناسایی نقاط ضعف آن، نمونه اصلاح شده را تولید نمود و این درحالی است که نمونه ریلباس ما با 2 برابر تولید و سهم خوب بومی سازی هیچ تغییری نکرده است(این مشکل در لکوموتیوهای داخلی هم دیده می شود)