23:11 EST Chủ nhật, 10/12/2017

Nhóm tin

Đăng nhập thành viên

Liên Kết Website

Cổng thông tin điện tử Bộ tài chính
Cổng thông tin điện tử Bộ Xây dựng
Cổng thông tin điện tử Bộ GTVT
Website ĐSVN
Trung tâm dự báo khí tượng TW

Hasitec Email

mail.hasitec.vn

Đang truy cậpĐang truy cập : 25


Hôm nayHôm nay : 3471

Tháng hiện tạiTháng hiện tại : 38181

Tổng lượt truy cậpTổng lượt truy cập : 8751340

Train Vs Everythings

Trang nhất » Tin tức » Tin tức, sự kiện » Thế giới

Nâng tốc độ trên các tuyến ĐS thường và phát triển ĐS cao tốc Shinkansen (kỳ III)

Chủ nhật - 11/03/2012 08:13
Nâng tốc độ trên các tuyến ĐS thường và phát triển ĐS cao tốc Shinkansen (kỳ III)

Nâng tốc độ trên các tuyến ĐS thường và phát triển ĐS cao tốc Shinkansen (kỳ III)

Trong khi tốc độ 160 km/h là tốc độ phổ biến ở Bắc Mỹ và châu Âu thì ở những nước đó người ta rất quan ngại đối với vận tốc trên 200 km/h. Mặc dù đoàn tàu thử nghiệm chạy điện xoay chiều của Đức đã nêu ở trên đã đạt tới tốc độ 210 km/h, song đó là một cuộc đấu tranh để vượt qua các rào cản về kỹ thuật.


Kỳ III: Các vấn đề về kỹ thuật của ĐS cao tốc Shinkansen và giải pháp

Một đoàn tàu thử nghiệm khác đã đạt được kỷ lục 331 km/h ở Pháp vào năm 1955, song những hạn chế liên quan tới độ ổn định khi vận hành và việc lấy điện cũng đã được nêu lên. Có thể nói các đột phá mới về kỹ thuật  được coi là cần thiết để có thể vận hành với vận tốc cao hơn.
Đồng thời máy bay và đường bộ cao tốc trong thời gian này cũng được phát triển nhanh chóng và cảm nghĩ phổ biến là thời đại của ĐS sắp kết thúc, vì thế động lực cho việc nghiên cứu phát minh mới về công nghệ ĐS chắc chắn giảm đi.
Việc xây dựng ĐS shinkansen Tokaido bắt đầu trong tình hình xã hội như vậy. Lúc đó không nơi nào trên thế giới có công nghệ cho phép việc chạy tàu ổn định hàng ngày với tốc độ trên 200 km/h, mặc dầu các kỹ sư của Nhật Bản đã có nhiều hiểu biết về kết quả  thử nghiệm ĐS cao tốc của Pháp. Các kỹ sư Nhật đã đương đầu được với thách thức khám phá lĩnh vực khai thác ĐS cao tốc chưa ai biết đến.

1

 

 

Các vấn đề khó khăn về sức kéo và tải trọng trục
Các vấn đề cơ bản đối với việc vận hành ĐS cao tốc là đảm bảo việc cung cấp điện và truyền sức kéo. Lực cản khi vận hành tăng lên xấp xỉ với bình phương tốc độ chạy, vì vậy đòi hỏi nguồn năng lượng lớn để chạy các đoàn tàu với tốc độ lớn hơn. Độ bám giữa ray và bánh xe chủ động truyền sức kéo cũng là một vấn đề. Với đoàn tàu dùng đầu máy kéo thông thường, vấn đề này có thể giải quyết bằng việc làm đầu máy nặng hơn song tải trọng trục cao của các đầu máy nặng này lại đòi hỏi đường có khả năng chịu tải lớn mà việc này dẫn tới chi phí xây dựng rất tốn kém. Việc xây dựng ĐS có khả năng chịu tải lớn như vậy trên nền đất yếu dọc theo tuyến ĐS cao tốc shinkansen Tokaido là cực kỳ khó khăn.
Việc điện khí hóa bằng nguồn điện xoay chiều là giải pháp cho việc cung cấp điện năng lớn hơn cho đoàn tàu. Nguồn điện năng được cung cấp với điện áp rất cao giúp cho việc giảm đáng kể cường độ dòng điện cần thiết để cấp cho đoàn tàu cao tốc, tạo điều kiện thuận lợi cho việc lấy điện của đoàn tàu. Nhật Bản đã tiếp thu được công nghệ điện khí hóa ĐS bằng điện xoay chiều vào cuối những năm 1950.
Giải pháp cho việc tải trọng trục lớn là chuyển sang sử dụng đoàn tàu EMU với động lực phân tán trên chiều dài đoàn tàu cho phép sức kéo lớn với tải trọng trục thấp hơn. Các tiến bộ về chất bán dẫn cho việc cung cấp điện động lực trong thời gian cuối những năm 1950 đã hỗ trợ cho việc phát triển các đoàn tàu EMU chạy điện xoay chiều.
Việc đảm bảo tính ổn định khi chạy cao tốc
Việc đảm bảo tính ổn định khi vận hành là nguyên nhân khó khăn để đạt được tốc độ 210 km/h ở đoàn tàu thử nghiệm của Đức năm 1903 vì thế việc cải tiến đối với ĐS và giá chuyển hướng được tiến hành để chinh phục dao động rắn bò. Năm 1955 việc thử nghiệm chạy cao tốc ở Pháp cũng gặp phải vấn đề chuyển động rắn bò lớn khiến cho đường bị biến dạng nhiều sau khi đoàn tàu thử nghiệm chạy qua.
Từ các cuộc thử nghiệm này, người ta thấy rằng cần có các kỹ thuật để hạn chế  dao động rắn bò của đoàn tàu shinkansen khi vận hành ở tốc độ khai thác thương mại và việc này là vấn đề có tầm quan trọng bậc nhất trong việc phát triển công nghệ shinkansen. Dao động rắn bò là điều không thể tránh khỏi đối với phương tiện ĐS do kết cấu của chúng song dao động này có thể hạn chế được. Tuy nhiên, các phương pháp được biết thời bấy giờ không phù hợp cho việc thiết kế giá chuyển hướng cao tốc.
Một chủ đề chính của nhóm nghiên cứu về dao động của giá chuyển hướng cao tốc là chuyển động rắn bò của giá chuyển hướng, và việc nghiên cứu đã có những tiến triển. Các phân tích về lý thuyết và các thí nghiệm chủ yếu do các kỹ sư hàng không tiến hành, họ từ các phòng nghiên cứu của Hải quân hoàng gia trước đây chuyển sang Viện Nghiên cứu ĐS RTRI. Các giá chuyển hướng được thiết kế đi thiết kế lại để phục vụ cho việc thử nghiệm lặp đi lặp lại sử dụng giá chuyển hướng thí điểm trên bệ thử tại RTRI và xe chế tạo thí điểm trên đường thử nghiệm shinkansen. Kết quả là chuyển động rắn bò không phải là vấn đề khi tàu shinkansen lần đầu đưa vào khai thác với tốc độ vận hành tối đa 210 km/h. Tuy nhiên, một vài dấu hiệu về chuyển động rắn bò đã được nhận thấy như bánh xe bị mòn, vì thế người ta đã giành sự quan tâm lớn đối với việc bảo dưỡng bộ phận chạy. Việc bảo dưỡng trong quá trình vận hành đòi hỏi thực hiện thường xuyên và khó khăn, vì thế việc nghiên cứu để ngăn ngừa hiện chuyển động rắn bò được tiếp tục nhằm tạo điều kiện cho việc nâng cao tốc độ trong tương lai.

Việc lấy điện
Do nguồn điện cung cấp điện áp cao nên cường độ dòng điện cấp thấp hơn song dù vậy thì các đoàn tàu cao tốc cũng đòi hỏi phải lấy điện với cường độ tới 1000A. Các ảnh chụp về thử nghiệm tàu cao tốc dùng đầu máy điện ở Pháp năm 1955 cho thấy có hồ quang lớn giữa dây tiếp xúc với cần tiếp điện chứng tỏ rằng việc lấy điện đối với việc chạy tàu cao tốc là một vấn đề khó khăn.
Tất nhiên Nhật Bản vào thời điểm đó chưa có công nghệ cho việc lấy điện ổn định ở tốc độ vận hành 200 km/h và các thử nghiệm chạy cao tốc của Pháp  sử dụng đầu máy chỉ có một cần tiếp điện mà thôi, song một cần tiếp điện là không đủ cho cho đoàn tàu EMU cao tốc shinkansen động lực phân bố. Dao động của một cần tiếp điện đồng thời cũng ảnh hưởng tới các cần tiếp điện khác khi sử dụng nhiều cần tiếp điện trên một đoàn tàu điều này làm cho các vấn đề về kỹ thuật trở nên khó khăn hơn.
Các điều kiện cơ bản đối với việc lấy điện ổn định ở tốc độ cao là đảm bảo rằng vận tốc truyền sóng của hệ thống cấp điện trên cao nhanh hơn vận tốc của đoàn tàu cũng như có hằng số lò so nâng cần của cần tiếp điện thống nhất.
Tuy nhiên, theo lý thuyết của những năm 1960 khi xem xét dải tốc độ trung - cao tốc tới 200 km/h thì tốc độ không gây mất tiếp xúc đối với cần tiếp điện được tìm thấy từ lý thuyết dao động lên xuống của dây tiếp xúc tương tự như các dây đàn của nhạc cụ dây. Với việc coi dây tiếp xúc là các dây đàn xếp vuông góc, thì tốc độ không xảy ra mất tiếp xúc được xác định và tính toán theo các đặc trưng nâng lên của cần tiếp điện.
Kết quả là sự tiếp xúc với dây ở tốc độ cao hơn có thể đảm bảo được nhờ: giảm khối lượng của cần tiếp điện, đặc biệt là guốc cần tiếp điện, tăng sức căng của dây tiếp xúc và làm cho dây mảnh hơn, giảm tới mức tối đa sự không đồng nhất của hệ số đàn hồi  
Việc giữ cho hệ số đàn hồi của đường dây cấp điện trên cao cố định là không thể thực hiện được vì đường dây cấp điện trên cao được đỡ bởi các trụ. Tuy nhiên, để giữ hệ số này cố định trong khả năng cho phép, nhiều thử nghiệm về hệ thống cấp điện trên cao dạng chữ Y cải tiến, chống cộng hưởng, hệ thống cáp cấp điện trên cao dạng lưới liên tục, hệ thống cáp cấp điện loại composit trên tuyến Tohoku và Tokaido. Để giảm khối lượng cần tiếp điện, chiều cao của đường dây tiếp xúc trên cao được giữ cố định và chuyển đội theo phương thẳng đứng được giảm xuống. Nhờ vậy cần tiếp điện nhỏ hơn và nhẹ hơn. Đặc biệt, để khối lượng đầu lấy điện nhỏ hơn, một cần tiếp điện sẽ sử dụng cho hai xe động lực và cường độ dòng điện cấp giảm xuống. Vì thế, một đoàn tàu 16 xe có 8 cần tiếp điện. Hệ thống cáp cấp điện trên cao chống cộng hưởng, hệ thống cáp cấp điện phức hợp dạng chữ Y cải tiến, hệ thống dạng lưới liên tục đều có kết cấu phức tạp và việc bảo dưỡng khó khăn vì thế hệ thống cáp cấp điện trên cao phức hợp loại composit đã được lựa chọn. Theo cách thức này thì dây tiếp xúc được treo bằng các giảm chấn, các giảm chấn này hấp thu chấn động của cần tiếp điện giúp cho nó giải quyết được vấn đề đối với đoàn tàu EMU cao tốc shinkansen dùng nhiều cần tiếp điện.
Hoạt động ban đầu của hệ thống cáp cấp điện trên cao phức hợp kiểu composit là rất tốt song số lượng khai thác các đoàn tàu ngày một tăng gây mòn ở đường dây tiếp xúc và làm các giảm chấn bị xuống cấp, điều này dẫn tới đứt dây nhiều lần. Mặc dù trái ngược với lý thuyết lấy điện, biện pháp khắc phục là tăng cường sức bền cho cần tiếp điện. Từ những năm 1970 trở đi người ta bỏ các giảm chấn và sử dụng dây tiếp xúc dày hơn. Hệ thống cáp cấp điện nặng hơn này ít bị đứt dây hơn song việc mất tiếp xúc xảy ra nhiều hơn và hiện tượng phóng hồ quang do mất tiếp xúc gây ra gây ra nhiều tiếng ồn hơn trên dọc tuyến đường. Việc mất tiếp xúc này không ảnh hưởng tới hoạt động chạy tàu dùng điện xoay chiều song việc nghiên cứu tiếp tục để khắc phục việc mất tiếp xúc và sau này đã đạt được nhiều thành tựu lớn.
Kết cấu đường dây cấp điện trên cao
Trong thiết kế cần tiếp điện, các vấn đề đặt ra là làm chúng nhỏ hơn để chúng nhẹ hơn đã được giải quyết bằng việc cố định chiều cao đường dây tiếp xúc. Tuy nhiên thiết kế cần tiếp điện này phải giải quyết vấn đề cần bị nâng lên không theo quy tắc do gió tạo ra. Gió đập vào cần tiếp điện trong quá trình chạy là lớn và nâng đầu cần tiếp điện lên xuống không theo quy tắc và làm gián đoạn tiếp xúc đối với dây tiếp xúc. Các thử nghiệm trong hầm gió dẫn tới việc đưa ra nhiều dạng đầu cần tiếp điện khác nhau tạo ra cần nâng lên một chút nhằm áp lực tăng lực tiếp xúc và giờ đây các thiết kế cần tiếp điện mới đều phải qua thử nghiệm hầm gió để xác định lực nâng.

Hệ thống điện kéo
Hệ thống điện kéo ở đó đoàn tàu sử dụng nguồn điện năng cung cấp xoay chiều điện áp cao để chạy các động cơ điện kéo là hệ thống EMU động lực phân tán theo với ý tưởng của ông Hideo Shima được mọi người nhất trí. Chúng được thiết kế để giảm tải trọng trục và giải quyết vấn đề về độ bám và đồng thời nó cho phép việc hãm bằng điện năng ổn định hơn và chi phí bảo dưỡng hệ thống hãm thấp hơn.
Đoàn tàu EMU cao tốc được thiết kế theo ý tưởng này chưa từng có ở bất cứ nơi nào trên thế giới lúc bấy giờ. Vào thời gian đó, các đoàn tàu cao tốc của châu Âu đang vận hành trong dải tốc độ 160 km/h hầu hết đều do đầu máy kéo song sau khi đoàn tàu shinkansen chạy với tốc độ 200 km/h xuất hiện, một số ĐS ở châu Âu đã nâng tốc độ vận hành lên 200 km/h và cao hơn, và họ nhanh chóng nhận ra sự cần thiết của việc giảm tải trọng trục vì nền đường bị hư hỏng.
Các hệ thống điện kéo xoay chiều vào thời kỳ đó hoặc là loại trực tiếp sử dụng động cơ cổ góp xoay chiều (chủ yếu là tần số thấp như 16,7 Hz) hay loại gián tiếp có bộ nắn và động cơ một chiều. Loại thứ hai này có ưu điểm đối với hệ thống điện khí hóa xoay chiều  sử dụng tần số thương mại song thiết bị nắn dòng thủy ngân kích thước lớn được sử dụng lúc bấy giờ lắp đặt dưới gầm các xe trong đoàn tàu EMU khá khó khăn.
Kết quả là người ta đã nỗ lực phát triển hệ thống sử dụng các động cơ điện cổ góp chạy điện xoay chiều sử dụng tần số thương mại có hãm động năng song điều này thực sự khó khăn. Trong khi các nhà thiết kế của JNR và các nhà chế tạo thiết bị điện đang vất vả phát triển hệ thống này thì các diod silic dùng cho chất bán dẫn sử dụng cho hệ thống điện động lực xuất hiện. Mặc dù nhiều phần tử phải mắc nối tiếp hay song song, song việc treo dưới gầm xe trở nên có thể thực hiện được và chúng đã được đưa vào sử dụng trên đoàn tàu EMU sử dụng cả điện xoay chiều và một chiều chạy trên các tuyến ĐS thường vào năm 1960. Đoàn tàu EMU shinkansen nhanh chóng được trang bị bộ nắn dòng bán dẫn cho hệ thống sử dụng động cơ chính một chiều. Chúng tỏ ra rất đáng tin cậy và được sử dụng trên 20 năm. Một khối lượng lớn thiết bị bán dẫn điện động lực mới được cung cấp ổn định nhờ sự hợp tác phát triển của các nhà chế tạo thiết bị điện Nhật.

Áp suất không khí trong khoang hành khách
Khi các cuộc thử nghiệm đoàn tàu shinkansen chế tạo mẫu  tiến hành ở tốc độ nhanh hơn, một vấn đề phát sinh là áp suất trong khoang hành khách. Áp suất không khí thay đổi lớn khi đoàn tàu vào hầm với tốc độ cao tạo ra cảm giác ù tai không dế chịu cho hành khách.
Hiện tượng này đã được nhận thấy trước đây trong các hầm đường đơn, song việc nó xảy ra trong hầm đường đôi là điều ngoài dự kiến.
Mặc dù cảm giác ù tai không phải là một vấn đề lớn đối với người khỏe mạnh, song nó gây đau cho người bị ốm yếu v.v..., vì thế người ta đã quyết định thùng xe phải được kín khí. Đối với loạt chế tạo đầu tiên, các xe, khu vực xung quanh khoang hành khách được làm kín khí và các đường ống thông gió được đóng lại khi đi vào hầm để đảm bảo việc thông gió của khoang hành khách. Song việc làm kín khí khoang hành khách lại gây nhiều vấn đề như việc đóng mở cửa khó và xuất hiện hiện tượng chảy ngược ở các vị trí sử dụng nước như khu vực vệ sinh và phục vụ ăn uống. Việc khắc phục các vấn đề này trở thành một nhiệm vụ lớn. Cuối cùng toàn bộ thùng xe được làm kín khí. Các cửa thông ra bên ngoài được làm kín bằng áp suất khí, khung che gió đầu xe kín khí được phát triển để nối giữa các xe; nước thải buồng rửa và nước buồng ăn được đi qua thiết bị làm kín (ống dạng chữ U giữ nước ở độ cao từ 300 mm hoặc hơn thế) để ngăn dòng không khí lưu động giữa bên trong và bên ngoài.
Do độ khí bị giảm do mòn theo thời gian, người ta đã xây dựng tiêu chuẩn kiểm tra khả năng kín khí định kỳ tại các xưởng bảo dưỡng để giữ khả năng kín khí trong một mức độ nhất định.

(Còn nữa)

Nguyễn Đạt Tường dịch
Asahi Mochizuki
Tổng số điểm của bài viết là: 181 trong 51 đánh giá
Click để đánh giá bài viết

Những tin mới hơn

Những tin cũ hơn

 

Tin ảnh

 Hoạt động công ty
32 photos | 40366 view
 An toàn giao thông
95 photos | 54310 view
 Kỹ thuật công nghệ
21 photos | 35689 view
 Cộng đồng Hasitec
52 photos | 49199 view

Công nghệ

Giới thiệu giải pháp công nghệ CBTC-URBALIS của Alstom Transport .SA
Alstom Transport nhà chuyên gia, người đi tiên phong trong các...
Giới thiệu công nghệ SelTrac-CBTC của Thales Group
THALES GROUP là một trong những tập đoàn công nghiệp hàng đầu thế...
Giới thiệu thiết bị Barrier TD 96/2 của Wegh Group (Italy)
Tập đoàn công nghiệp đường sắt Wegh Group là một trong những tập...
Mạng 4G và những ưu thế vượt trội
(PCWorldVN) Gần 7 tỷ thuê bao di động, sắp bằng dân số thế giới,...
Phần mềm quản lý, điều hành giải quyết trở ngại, sự cố online HasitecTN
Thực hiện mục tiêu chất lượng năm 2015 của Tổng giám đốc công ty...

Danh ngôn