◄ رابطه بین سرعت قطارهای باری و وزن ریل در راه آهن آمریکا

بررسی داده های آماری کتابچه Railroad Facts سال 2008 (تین 250591) توزیع خطوط راه آهن آمریکا را بر اساس وزن ریل به خوبی نشان می دهد: کمتر از 1% خطوط از ریل سبک تر از 89 پوند بر یارد (حدود 44 کیلوگرم بر متر) استفاده می کنند که مربوط به خطوط Excepted Track و کلاس 1 با سرعت 10 مایل برساعت (مبس) است. حدود 2% خطوط از ریل 95 پوندی (47 کیلوگرم بر متر) استفاده می کنند که آنها نیز در کلاس 1 قرار می گیرند. حدود 3 درصد خطوط از ریل 105 پوندی (52 کیلوگرم بر متر) استفاده می کنند که در کلاس 1 و 2 با سرعت 10 تا 25 مبس هستند. سهم اصلی شبکه با حدود 22% به ریل 115 پوندی (57 کیلوگرم بر متر) اختصاص دارد که در کلاس 2 و 3 با سرعت 25 تا 40 مبس (40 تا 64 کبس) قرار می گیرد. 

مابقی شبکه یعنی حدود 72 درصد خطوط از ریل سنگین تر از 115 پوند استفاده می کنند که در کلاس 3 تا 5 با سرعت 40 تا 80 مایل بر ساعت هستند. (در راه آهن آمریکا، ایمنی و کارایی خطوط ریلی بر اساس یک سیستم طبقه بندی استاندارد که توسط سازمان راه آهن فدرال (FRA) تدوین شده، مدیریت می شود (تین 283757).

این طبقه بندی رابطه مستقیمی بین کیفیت خط، وزن ریل و حداکثر سرعت مجاز قطارها برقرار می کند. هسته اصلی این سیستم آن است که افزایش سرعت بدون ارتقای کیفی خط، به ویژه افزایش وزن ریل، غیرممکن است. این رابطه یک رابطه علت و معلولی فیزیکی است: ریل های سنگین تر به دلیل ممان اینرسی و مدول مقطع بالاتر، می توانند تنش های دینامیکی ناشی از سرعت های بالاتر را تحمل کنند، در حالی که ریل های سبک تر برای سرعت های پایین تر طراحی شده اند. بر اساس مقررات FRA، حداکثر سرعت مجاز برای قطارهای باری در کلاس های مختلف خط به این ترتیب است: خطوط استثنایی (Excepted Track) و کلاس 1، حداکثر سرعت 10 مایل بر ساعت (حدود 16 کیلومتر بر ساعت) دارند. کلاس 2 مجاز به سرعت 25 مایل بر ساعت، کلاس 3 مجاز به 40 مایل بر ساعت، کلاس 4 مجاز به 60 مایل بر ساعت و کلاس 5 مجاز به 80 مایل بر ساعت برای قطارهای باری است. برای قطارهای مسافری، این سرعت ها بالاتر است، اما تمرکز ما بر قطارهای باری است که بار محوری سنگین تری دارند و تنش بیشتری به ریل وارد می کنند. نکته مهم آن است که برای سرعت های بالاتر از کلاس 5، فقط قطارهای مسافری مجاز به تردد هستند، مگر اینکه شرایط خاصی برای حمل بار با سرعت بالا رعایت شود.

وزن ریل که بر حسب پوند بر یارد (lb/yd) یا کیلوگرم بر متر (kg/m) اندازه گیری می شود، یکی از مهم ترین شاخص های استحکام خط است. برای درک عمیق تر رابطه سرعت و وزن ریل، باید مفهوم عامل بار دینامیکی(Dynamic Load Factor) را شناخت. تحقیقات میدانی با استفاده از چرخ های مجهز به سنسورهای اندازه گیری نشان داده که در سرعت 88 کیلومتر بر ساعت، بار دینامیکی می تواند تا بیش از 25% بیشتر از بار استاتیکی باشد. این افزایش بار در نقاط ضعف خط مانند سوزن ها، تقاطع ها و پل ها شدیدتر است. در عمل، یک رابطه سه گانه بین وزن ریل، سرعت و بار محوری برقرار است. ریل سبک (زیر 105 پوند) فقط برای سرعت پایین (10 تا 25 مایل بر ساعت) و بار محوری کم (زیر 25 تن) مناسب است. ریل متوسط (115 پوند) برای سرعت متوسط (25 تا 40 مایل بر ساعت) و بار محوری متوسط (25 تا 29 تن) طراحی شده است. ریل سنگین (132 تا 136 پوند) برای سرعت بالا (60 تا 80 مایل بر ساعت) و بار محوری سنگین (30 تا 33 تن) مناسب است. ریل فوق سنگین (بالای 140 پوند) عمدتاً برای سرعت بسیار بالای قطارهای مسافری با بار محوری محدود استفاده می شود. این رابطه به وضوح نشان می دهد که چرا خطوط کلاس 1 با ریل سبک، حداکثر سرعت 10 مایل در ساعت دارند. این ریل ها به سادگی توان فیزیکی تحمل بارهای دینامیکی ناشی از سرعت های بالاتر را ندارند.

بنابراین، سیستم طبقه بندی خطوط راه آهن آمریکا یک چارچوب منطقی و مبتنی بر اصول مهندسی ایجاد کرده است که در آن وزن ریل به عنوان یکی از مهم ترین پارامترهای تعیین کننده سرعت مجاز عمل می کند و تضمین می نماید هر خط ریلی تنها در محدوده طراحی خود مورد استفاده قرار گیرد (تین 294451). رابطه سرعت و بار دینامیکی وارده به ریل در کشورهای اروپایی نیز بررسی و نمودارهای آن در یادداشت رابطه بارمحوری و سرعت (توربوترن) مورخ 14020521 (تین 259843) تشریح شده است.