تجهیزات ابزار آزما

حمل و نقل ریلی، موتور بخار تا محرکه برقی



چکیده

حمل و نقل ریلی به عنوان یکی از معمولترین و پایدارترین حالت های حمل نقل عمومی شناخته شده است. در این مقاله حمل نقل ریلی از ابتدای ایجاد (محرکه بخار) تا به امروز (محرکه برقی) معرفی شده است. این بررسی در ابعاد تاریخچه ای موضوع و همچنین از نقطه نظر محرکه های مختلف که شامل موتور بخار، محرک دیزل و محرک برقی می شود انجام شده است. در انتها نیز مقایسه ای بر محرکه دیزل و برقی از جهات مزایا و معایب هر کدام ارائه شده است.  

 مقدمه

سیستم حمل و نقل جاده ای مقاومت اصطکاکی بالاتری بین چرخ ها و سطح جاده ایجاد می کند، که منتج به مصرف بیشتر سوخت خواهد شد. در سیستم حمل و نقل ریلی، چرخش یک چرخ سفت بر روی یک ریل ثابت مقاومت اصطکاکی پایین تری ایجاد می کند که نیاز بسیار کمتری به انرژی در مقایسه با حمل و نقل جاده ای خواهد داشت. از این رو کاهش اصطکاک یکی از دلایل اصلی موفقیت حمل و نقل ریلی بوده است. امروزه حمل و نقل ریلی به جهت جا به جایی سریع مسافر و کالاهای متراکم بسیار مناسب است.

اولین لوکوموتیو بخار ریلی با کارکرد مقیاس کامل در سال 1804 توسط ریچارد تراوبویک در انگلستان ساخته شده است. از سال 1810 به بعد، این لوکوموتیو های بخار برای خدمات گسترده ای در معادن زغال سنگ مورد استفاده قرار گرفته می شد. در سال 1825 اولین حمل و نقل ریلی عمومی بین استوکتون و دارلینگتون در شمال شرقی انگلستان تاسیس شد. در سال 1879، شرکت زیمنس اولین لوکوموتیو برقی را در نمایشگاه تجاری برلین به نمایش گذاشت. اولین حمل و نقل ریلی تمام برقی شده در سال 1895 در ایالات متحده آمریکا بازگشایی شد: یک تونل شهری به طول 5 کیلومتر که با استفاده از سیستم بالاسری (OHE) 675 ولت برای مقابله با مشکل دود، برقی شده بود. اولین قطار هند از بمبئی تا تانه در حدود 34 کیلومتر در 16 آوریل 1853 انجام شده است. اولین قطار برقی در هند با سرویس دهی بین ترمینال ویکتوریا بمبئی و بندر کرلا در سوم فوریه 1925 با مسافت 9.5 مایل و سیستم بالاسری 1500 ولت DC افتتاح شد. حمل و نقل ریلی زیرزمینی لندن با نام Underground Railway در سال 1863 تاسیس و اولین خط زیرزمینی برقی آن در سال 1890 بازگشایی شد، که به عنوان اولین سیستم مترو دنیا شناخته شده است. امروزه سیستم مترو با طولانی ترین مسیر در مترو شانگهای، شلوغ ترین در مترو پکن و با بیشترین ایستگاه در مترو نیویورک قرار گرفته شده است. سیستم حمل و نقل سریع شامل اتوبوس، مترو، منوریل و راه آهن سبک می شود. اولین سیستم حمل و نقل سریع در هند، مترو کلکته بوده که در سال 1984 شروع به کار کرده است. مترو دهلی اولین مترو مدرن هند و سومین حمل ونقل سریع بعد از مترو کلکته و سیستم حمل و نقل سریع انبوه چنای در هند است. تمامی مسیر های مترو دهلی با سیستم بالاسری 24کیلوولت و 50 هرتز تغذیه می شوند.

 اساساً دو نوع سیستم هدایت قطار در مترو وجود دارد که هدایت تریلری و موتوری نامیده می شوند. دو چرخ که به یک محور مستقیم متصل شده است به نوعی که هردو چرخ به اتفاق می چرخند. مونتاژ کامل چرخ ها و محور، چرخ دنده نامیده می شود. بوژی یک زیرمجموعه مدولار یا ساختاری در زیر بدنه نقلیه ریلی است که چرخ دنده از طریق بلبرینگ و سیستم تعلیق متصل شده است. هر کدام از هدایت های موتوری یا تریلری دو بوژی دارند که هر بوژی دو چرخ دنده است و تعداد محورها در هر هدایت 4 عدد است که به این نوع تنظیم Bo-Bo گفته می شود. برخی لکوموتیو های توان بالا دارای دو بوژی هستند که هر بوژی 3 محور دارد که تعداد محورهای هر لکوموتیو 6 عدد می شود، به این نوع تنظیم Co-Co گفته می شود. هر هدایت موتوری از طریق سیستم دنده به موتور ترکشن متصل می شود.

فاکتور اصلی در تعیین اینکه ایستگاه ها زیرزمینی باشند یا روی زمین در دسترس بودن زمین، ازدحام ترافیک در مسیر مربوطه و در دسترس بودن بودجه برای کارهای ساختمانی است. نکته قابل توجه این است که هزینه های مرتبط با ساخت ایستگاه مترو زیرزمینی تقریبا 2.5 تا 3 برابر ایستگاه مترو روی زمین است. خطوط ریلی مترو در هند از دو اندازه ریل گسترده و استاندارد تشکیل شده است و در ولتاژ DC ولتاژ پایین تغذیه به همراه ولتاژ تغذیه AC ولتاژ بالا کار می کند. فاصله گسترده، استاندارد و باریک دارای فاصله های 1676 میلیمتر، 1435 میلیمتر و 1000 میلیمتر به ترتیب هستند. پروژه هایی مانند مترو دهلی برای خطوط اولیه شان از ریل گسترده استفاده کرده اند ولی اکثر پروژه های جدید با ریل های استاندارد اجرا می شود.

طبقه بندی سیستم های ترکشن ریلی

سیستم ترکشن ریلی به طور کلی در 3 دسته قرار می گیرند:

1-لکوموتیو بخار:

لکوموتیو بخار یک لکوموتیو ریلی است که نیروی کششی خود را از طریق موتور بخار تولید می کند. لکوموتیو بخار شامل محفظه احتراق، بویلر، سیلندر و سیستم دنده می شود میله پیستون را به چرخ متصل می کند. تا زمان توسعه لکوموتیو های دیزلی و برقی، لکوموتیو های بخار به جهت هزینه اولیه پایین، دسترسی فراوان به به زغال سنگ، سادگی در طراحی لکوموتیو، نیاز به نگهداری کم، کنترل سرعت ساده و عملکرد مستقل، مورد استفاده قرار می گرفتند. این لکوموتیو ها از مواد قابل احتراق سوختنی معمول همچون، زغال سنگ، چوب، و یا روغن برای تولید بخار در بویلر استفاده می نمودند. بخار فشرده شده پیستون های مجاور را که بطور مکانیکی به چرخ های اصلی لکوموتیو متصل شده اند، به حرکت در می آورد.

2-سیستم ترکشن دیزلی:

لکوموتیو های دیزلی درست بعد از جنگ جهانی اول ساخته شدند. پس از پایان جنگ جهانی دوم، اقدام به جایگزینی توان بخار در خطوط ریلی آمریکایی نمودند. در دهه 1970، توان دیزلی و برقی در بیشتر خطوط ریلی دنیا جایگزین توان بخار شدند. اگرچه چندین لکوموتیو بخار به فعالیت خود در خطوط توریستی و گردشگری ادامه دادند. مشابه با هر وسیله نقلیه با موتور احتراق داخلی، لکوموتیو دیزلی نیاز به یک سیستم انتقال توان به جهت کوپل خروجی محرک اصلی با چرخ ها دارد. با توسعه این روزهای موتور دیزلی ریلی؛ سیستم های انتقال توان برقی، هیدرولیکی و مکانیکی با درجه های مختلف موفقیت ایجاد شده­اند. از بین این سه روش، انتقال توان برقی مرسوم تر می باشد. امروزه تمامی لکوموتیو های دیزلی مدرن سیستم انتقال برقی-دیزلی دارند. لکوموتیو های دیزلی-برقی را می توان به عنوان لکوموتیو های برقی با ژنراتور دیزلی سرخود تعریف کرد. لکوموتیو های دیزلی-برقی شامل موتور دیزلی است که درایوهای سه فاز دارد. خروجی تغذیه AC سه فاز متناوب ساز با استفاده از سیستم یکسوساز حالت جامد به تغذیه DC تبدیل شده است. بعلاوه اینکه، تغذیه DC به جهت تغذیه موتور سری DC از طریق سیستم کنترل شامل کنتاکتورها، رله ها و مقاومت های سری استفاده می نماید.

3-سیستم ترکشن برقی:

تغذیه توان ورودی به لکوموتیو برقی ممکن است تغذیه ولتاژ DC یا AC باشد. در لکوموتیو های DC مرسوم، تغذیه DC ولتاژ پایین (750ولت یا 1500 ولت DC) به موتورهای DC سری از طریق راکتور صافی، جعبه دنده DC و مقاومت راه انداز اعمال می شده است. در لکوموتیو های AC مرسوم مورد استفاده در راه آهن هند، تغذیه تک فاز 24 کیلوولت و 50 هرتز را به تغذیه تکفاز AC ولتاژ پایین (تقریباً 1000 ولت) با استفاده از ترانس های ترکشن کاهش می دهند. خروجی ترانس به بلوک یکسوساز می رود که AC را به DC تقسیم می کند و ولتاژ DC از طریق راکتور صافی، جعبه دنده DC و مقاومت راه انداز به موتورهای DC سری متصل می شود. لکوموتیو های برقی برای خدمات ریلی مسافری با توقف های زیاد، ایده آل هستند. لکوموتیوهای برقی دارای خروجی توان بالا، سرعت عملیاتی بالا، کنترل نرم، بازدهی بالا، نداشتن آلودگی برای هوا، سطح نویز پایین و نگهداری کمتری در مقایسه با لکوموتیو های برقی-دیزلی هستند. لکوموتیو های پیشرفته از سیستم های ترکشن سه فاز موتور-اینورتر با کنترل ولتاژ متغیر فرکانس متغیر (vvvf) استفاده می کنند. این سیستم ها انرژی جنبشی قطار را در حالت ترمزی به انرژی الکتریکی تبدیل کرده و به سیستم تغذیه بالاسری باز می گرداند. مشکل اصلی سیستم ترکشن برقی نیاز به هزینه بالا برای خطوط بالاسری یا ریل سوم، ایستگاه ها و سیستم های کنترل است.

مقایسه سیستم ترکشن دیزلی و برقی

مزایا و معایب سیستم های ترکشن دیزلی و برقی در زیر بیان شده است:

1-هزینه اولیه لکوموتیو دیزلی در مقایسه با لکوموتیو برقی برای نرخ توانی مشابه بیشتر است. این در حالیست که هزینه اولیه کلی سیستم رانش برقی به دلیل هزینه اولیه بالای واگن ها، تجهیزات بالاسری (OHE) و پست های برق، بسیار بالاتر از سیستم رانش دیزلی است. از این رو اجرای لکوموتیو برقی بر روی مسیرهای با تراکم ترافیکی بالا مناسب و اقتصادی است در حالیکه لکوموتیو های دیزلی برای اجرا در مسیرهای با چگالی ترافیکی پایین مناسب و مقرون به صرفه است.

2-دیزل یک منبع سوختی تجدیدناپذیر و گران است در حالیکه برق منبع ارزانتر انرژی است و می توان از منابع سازگار با محیط زیست مانند نیروگاه های برق-آبی، هسته ای، خورشیدی و بادی نیز آن را تولید نمود. لکوموتیو های برقی پیشرفته، انرژی الکتریکی را در حالت ترمزی تولید کرده و با آن سیستم تجهیزات بالاسری را تغذیه می کنند که این امر باعث کارآمدی بیشتر آن می شود. از این رو اجرای لکوموتیو برقی فرم سازگار با محیط زیست حمل ونقل ریلی می باشد.

3-لکوموتیو های دیزلی حجم بالایی از سوخت و تجهیزات نیروی محرکه مانند موتور دیزل و متناوبگر اصلی را حمل می کنند. این باعث می شود لکوموتیو های دیزلی به شکل قابل توجهی سنگین تر از لکوموتیو های برقی با نرخ توانی مشابه باشند. این وزن اضافی لکوموتیو های دیزلی باعث افزایش مصرف سوخت در حین کار نیز می شود.

4-لکوموتیو های دیزلی دارای یک پست برق کوچک هستند این در حالیست که از طریق سیستم بالاسری در سیستم رانش برقی توان بسیار بالایی را میتوان به لکوموتیو برقی تغذیه نمود. از این رو، لکوموتیو های برقی معمولا قدرتمندتر و قابل اطمینان­تر از لکوموتیو های دیزلی هستند.

5-لکوموتیو های برقی اساساً نسبت به لکوموتیو دیزلی دارای بهره وری انرژی بهتر، آلودگی بسیار پایین تر، نگهداری کمتر و هزینه اجرایی پایین تری می باشد.

6-مزیت اصلی موتور لکوموتیو دیزلی قابلیت کار در هر سرزمین و با هر شرایط محیطی می باشد. در حالیکه عملکرد لکوموتیو برقی وابسته به وجود تغذیه بالاسری می باشد.

جمع بندی و نتیجه گیری

با افزایش جمعیت در جهان و ماشینی شدن زندگی، مسائلی چون کاهش آلودگی، صرفه جویی در مصرف انرژی و پایداری و سرعت بالا در حمل نقل از دغدغه های بشر امروز می باشد.  امروزه آلودگی لکوموتیو های دیزلی در دنیا بسیار بیشتر از لکوموتیو های برقی است. این در حالی است که بهره وری انرژی نیز در لکوموتیو های برقی بیشتر از هم نوع دیزلی خود می باشد. البته با وجود هزینه های بالای راه اندازی حمل و نقل ریلی برقی می توان نتیجه گرفت که بهترین سیاست برای سیستم حمل و نقل ریلی استفاده از لکوموتیو های برقی و همچنین دیزلی با در نظر گرفتن اولویت اجرای لکوموتیو های برقی در خطوط با تراکم ترافیکی بالا می باشد.


تاریخ: ۱۳۹۶/۰۷/۱۰ ۱۱:۰۷ | دفعات بازدید: ۱۴۶۶ بازدید




نظرات



ثبت نظر