أضرار نظام الحقن المباشر للوقود

يُعدّ السكة الحديدية أحد أهمّ أجزاء نظام السكك الحديدية. وتتحقق عملية جرّ القطارات وكبحها من خلال الاحتكاك بين العجلات والسكك. لذا، تُعدّ حالة السكة الجيدة شرطًا أساسيًا لضمان سير القطارات بسلاسة وأمان. مع ذلك، ونظرًا لإجهادات التلامس المتناوبة، غالبًا ما تتعرّض مادة السكة للتآكل أو التلف الناتج عن الإجهاد. وكما هو موضح في الشكل 1، تشمل الأنواع الرئيسية لتلف السكة: تشققات الإجهاد، والتقشّر، والتآكل التموّجي، والتهشّم، وتآكل جوانب السكة، والتي تُمثّل أكثر من 80% من إجمالي تلف السكة. ومع ازدياد سرعة القطارات وحمل المحاور، تتفاقم مشاكل إجهاد السكة وتآكلها، مما يُؤدّي إلى زيادة حادة في الطلب على تقنيات صقل السكة.

1. تشقق ناتج عن إجهاد التلامس الدوار. يُعدّ تشقق إجهاد التلامس الدوار أحد أكثر أنواع التلف شيوعًا في قضبان السكك الحديدية عالية السرعة [1]، كما هو موضح في الشكل 2. عمومًا، لا تمتد الشقوق إلى أسفل القضيب بالكامل، بل تمتد على شكل قوس إلى سطح القضيب لتُشكّل مظهرًا مُتقشّرًا، كما هو موضح في الشكل 2. ينخفض ​​السطح العلوي للقضيب نتيجةً لهذا التقشّر، ويتكوّن إجهاد الصدم عند مرور عجلات القطار، مما يُفاقم الاهتزاز والضوضاء. في بعض الحالات، قد تتوسع الشقوق المتفرعة في حفرة التقشّر أسفل القضيب وتؤدي إلى كسره، مما قد يتسبب في حوادث خطيرة [2].

2. تآكل تموجات السكك الحديديةيشير تآكل تموجات السكك الحديدية إلى ظاهرة التآكل الدوري غير المنتظم لسطح السكة ضمن نطاق طولي محدد [3، 4]، كما هو موضح في الشكل 3. يؤدي تآكل التموجات إلى زيادة اهتزازات وضوضاء القطار، مما يؤثر على راحة الركوب، ويقلل من عمر إجهاد أجزاء القاطرة والمركبة. يُصنف تآكل التموجات، وفقًا لطول موجة الموجة، إلى تموجات قصيرة الموجة (طول الموجة 25-80 مم) وتموجات طويلة الموجة (طول الموجة أكبر من 100 مم). تشمل الأسباب الرئيسية للتموجات نظريات ديناميكية وغير ديناميكية. ترى النظرية الديناميكية أن اهتزاز نظام العجلة والسكك الحديدية يؤدي إلى التموجات، بما في ذلك الاهتزاز الذاتي، والرنين، والاهتزاز الارتجاعي [5]. أما النظرية غير الديناميكية فترى أن تشكل التموجات يرتبط بشكل أساسي بمواد السكة وعملية الصهر، وما إلى ذلك؛ وحتى في حالة ثبات قوة التلامس بين العجلة والسكك الحديدية، فإن السكة ستتعرض للتموجات نتيجةً لتدفقها اللدن غير المنتظم [6، 7].

3. تكسير قضبان السكك الحديدية. يُعرف تكسّر القضبان بأنه تشوّه لدن في سطح القضيب، ما يؤدي إلى تسطّح سطحه، وهو أمر شائع في القضبان المنحنية لخطوط السكك الحديدية الثقيلة [8]، كما هو موضح في الشكل 4. يُغيّر تكسّر القضبان شكل رأس القضيب، وتتغيّر قوة التلامس بين العجلة والقضيب، ما يزيد من اهتزازات وضوضاء التشغيل. إضافةً إلى ذلك، غالبًا ما يترافق تكسّر القضبان مع تعرّي أو تشققات ناتجة عن الإجهاد. يُستخدم حدّ الاستقرار عادةً كمعيار لتحديد حدوث أضرار التكسّر في القضبان، ويمكن لزيادة حدّ الخضوع للمواد أن تمنع أو تُبطئ هذا النوع من الأضرار.

4. تآكل جانب السكة. يُعدّ تآكل جوانب القضبان الشكلَ الرئيسي لتلف القضبان في المنحنيات ذات نصف القطر الصغير [9]، كما هو موضح في الشكل 5. في السكك الحديدية الصينية، يتمّ التخلص من 98% من قضبان المنحنيات ذات نصف القطر الصغير بسبب التآكل الجانبي المفرط. عند دخول القاطرة والعربة إلى قسم المنحنى، يتحرك القطار للأمام بفعل القصور الذاتي، لكنّ السكة تجبر جسم القطار على الانعطاف. في هذه الحالة، تصطدم العجلات بالقضبان، ما يؤدي إلى تآكل جانبي شديد. ويزداد الأمر سوءًا عندما يكون هناك اختلال في توازن قوى الطرد المركزي والجذب المركزي للقطار، حيث ينحاز الحمل على القضبان الداخلية والخارجية، ما يُفاقم التآكل الجانبي بشكل كبير [10، 11]. من الشائع الاعتقاد بأنّ تآكل جوانب القضبان يُقصّر من عمرها الافتراضي، وأنّ تغيير شكل القضبان يُؤدّي إلى تدهور التفاعل بين العجلات والقضبان، ما يُؤثّر على استقرار القطار أثناء عبوره المنحنى.

الشكل 1: شقوق الإجهاد.

الشكل 2: تقشر السكة الحديدية.

الشكل 3: تآكل تموجات السكة الحديدية.

الشكل 4: تكسير القضبان.

الشكل 5: تآكل جانب السكة.

مراجع

1. ك. تشو. بحث حول قواعد وآليات إزالة المواد أثناء طحن السكك الحديدية [رسالة دكتوراه]. تشنغدو: رسالة دكتوراه من جامعة جنوب غرب جياوتونغ، 2020.
2. X. Zhao, ZL Li. حل ثلاثي الأبعاد باستخدام طريقة العناصر المحدودة لتلامس الاحتكاك بين عجلة وسكة حديدية في حالة المرونة اللدنة [J]. وقائع مؤسسة المهندسين الميكانيكيين، الجزء J: مجلة هندسة الاحتكاك، 2015، 229(1): 86-100.
3. و. تشونغ، ج. هو، ب. شين، وآخرون. دراسة تجريبية للعلاقة بين إجهاد التلامس الدوار وتآكل السكك الحديدية عالية السرعة والثقيلة واختيار مادة السكة [J]. Wear، 2011، 271(9-10): 2485-2493.
4. إس. غراسي، ج. كالوسيك. تموجات السكك الحديدية: الخصائص والأسباب والمعالجات [J]. وقائع مؤسسة المهندسين الميكانيكيين، الجزء F: مجلة السكك الحديدية والنقل السريع، 1993، 207(1): 57-68.
5. ي. غو. دراسة حول آلية تموج القضبان على مسار السكك الحديدية عالية السرعة غير المغطى بالحصى [رسالة دكتوراه]. بكين: رسالة دكتوراه من جامعة بكين جياوتونغ، 2017.
6. X. Jin, X. Li, W. Li, et al. مراجعة التقدم المحرز في تموجات السكك الحديدية [J]. مجلة جامعة جنوب غرب جياوتونغ، 2016، 51(2-3): 264-273.
7. S. Li, D. Liu, P. Liu, et al. تكوين التموجات وتطور البنية المجهرية لصلب السكك الحديدية U75V [J]. مجلة جامعة داليان جياوتونغ، 2019، 40(5): 66-71.
8. Z. Li, Z. Yan, S. Li. تأثير تموجات السكك الحديدية على الأداء الديناميكي لنظام تحويل مسار المركبات عالية السرعة [J]. مجلة جامعة وسط جنوب (العلوم والتكنولوجيا)، 2003، 25(1): 104-108.
9. و. وانغ، هـ. غو، إكس. دو، وآخرون. دراسة حول آلية التلف والوقاية منه في قضبان السكك الحديدية الثقيلة [J]. تحليل فشل الهندسة، 2013، 35: 206-218.
10. واي. تشو، إس. وانغ، تي. وانغ، وآخرون. دراسة ميدانية ومخبرية للعلاقة بين تشقق رأس السكة الحديدية والتآكل في خط سكة حديد لنقل الأحمال الثقيلة [J]. مجلة التآكل، 2014، 315(1-2): 68-77.
11. I. Povilaitiene, I. Kamaitis, I. Podagelis. تأثير عرض السكة على تآكل جانب السكة على منحنيات المسار [J]. مجلة الهندسة المدنية والإدارة، 2006، 12(3): 255-260.
12. و. تشاي، ج. غاو، ب. ليو، وآخرون. تقليل تآكل جانب السكة الحديدية على منحنيات السكك الحديدية للنقل الثقيل بناءً على التفاعل الديناميكي بين العجلة والسكك الحديدية [J]. ديناميكيات نظام المركبات، 2014، 52 (ملحق 1): 440-454.