MỞ ĐẦU An toàn vận hành đoàn tàu luôn là vấn đề được các doanh nghiệp vận tải đường sắt đặc biệt quan tâm, trong đó vấn đề an toàn chống trật ray được đưa lên hàng đầu nhằm đảm bảo an toàn vận hành, tránh sự cố trật ray, tránh các thiệt hại về tính mạng con người và tài sản, ảnh hưởng nghiêm trọng đến khai thác vận hành đường sắt, tạo ra tâm lý bất an cho hành khách khi đi tàu. Theo Quy hoạch giao thông thủ đô Hà Nội đến năm 2030 và tầm nhìn đến năm 2050 đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt tại Quyết định số 519/QĐ-TTg ngày 31/3/2016 có mạng lưới đường sắt đô thị gồm có có 9 tuyến. Đối với thành phố Hồ Chí Minh, tại Quyết định số 568/QĐ-TTg ngày 8/4/2013 của Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Điều chỉnh Quy hoạch phát triển GTVT TP Hồ Chí Minh đến năm 2020 và tầm nhìn sau năm 2020, theo đó sẽ xây dựng 08 tuyến đường sắt đô thị xuyên tâm và vành khuyên nối các trung tâm chính của thành phố. Cho đến hiện tại Tp Hà nội đang xây dựng 02 tuyến đường sắt đô thị, tuyến Cát Linh - Hà Đông dự kiến đến năm 2018 sẽ đưa vào khai thác, tuyến Nhổn - Ga Hà nội dự kiến năm 2021 sẽ đưa vào hoạt động.
Thành phố Hồ Chí Minh đang xây dựng 02 tuyến đường sắt đô thị, tuyến Bến Thành - Suối Tiên dự kiến năm 2020 sẽ đưa vào khai thác, tuyến Bến Thành - Tham Lương dự kiến năm 2020 sẽ đưa vào hoạt động. Đường sắt đô thị trên thế giới đã xảy ra rất nhiều sự cố trật ray, ví dụ như một số vụ điển hình như tháng 7 năm 2006 tại Valencia Tây Ban Nha đoàn tàu Metro trật ray nguyên nhân do tốc độ thông qua đường cong 80/40 km/h, hậu quả làm 45 người tử vong và 131 người bị thương; Năm 2014 đoàn tàu đường sắt đô thị trật ray tại Moscow thủ đô nước Nga, nguyên nhân do lỗi quản lý, kỹ thuật bảo dưỡng, sửa chữa đường, sự cố đã làm 24 người thiệt mạng và 160 người bị thương; Năm 2009 đoàn tàu Metro trật ray tại Washington Mỹ, nguyên nhân được xác định do lỗi điều khiển ghi, lái tàu không nhận biết được và hậu quả làm 3 người tử vong, 25 người bị thương. Do vậy đề tài "Nghiên cứu an toàn chống trật ray của đoàn tàu đường sắt đô thị" là rất cần thiết, có tính thực tiễn cao, kết quả nghiên cứu của đề tài là tài liệu tham khảo hữu ích cho các tuyến đường sắt đô thị của Việt Nam, đồng thời qua đó sẽ khai thác an toàn và có hiệu quả các tuyến đường sắt đô thị ở Việt Nam. NHÓM NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 1 CHƢƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN AN TOÀN CHỐNG TRẬT RAY TRÊN THẾ GIỚI VÀ TRONG NƢỚC 1.
TỔNG QUAN VỀ AN TOÀN CHỐNG TRẬT RAY TRÊN THẾ GIỚI. Cho đến giữa thế kỷ 20 do hiểu biết về nguyên lý vận động bánh xe và ray chưa đầy đủ nên sự cố trật ray xảy ra thường xuyên, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sự phát triển của ngành đường sắt. Trên thế giới những sự cố trật ray nghiêm trọng của đường sắt đô thị đã xảy ra phải kể đến là: tháng 7 năm 2006 tại Valencia Tây Ban Nha đoàn tàu Metro trật ray nguyên nhân do tốc độ thông qua đường cong 80/40 km/h, hậu quả làm 45 người tử vong và 131 người bị thương; Năm 2014 đoàn tàu đường sắt đô thị trật ray tại Moscow thủ đô nước Nga, nguyên nhân do lỗi quản lý, kỹ thuật bảo dưỡng, sửa chữa đường, sự cố đã làm 24 người thiệt mạng và 160 người bị thương; Năm 2009 đoàn tàu Metro trật ray tại Washington Mỹ, nguyên nhân được xác định do lỗi điều khiển ghi, lái tàu không nhận biết được và hậu quả làm 3 người tử vong, 25 người bị thương; Năm 2015 tại Paris thủ đô nước Pháp đoàn tàu đường sắt đô thị trật ray do lỗi bảo dưỡng sửa chữa đường, khổ đường bị nới rộng, rất may sự cố không có thiệt hại về người; Năm 2016 tại thành phố Melbourne Úc đoàn tàu Metro trật bánh, nguyên nhân do hệ thống bôi trơn gờ bánh bị hỏng, biên dạng bánh xe sai lệch, sự cố không gây thiệt hại về người. Một số hình ảnh trật ray đường sắt đô thị như hình 1.
Đoàn tàu Metro trật ray tại Valencia Tây Ban Nha năm 2006 2 Hình 1. Đoàn tàu Metro trật ray tại Paris Pháp năm 2015 Trong động lực học đoàn tàu, quan hệ tương hỗ giữa ray và bánh xe rất phức tạp và mang tính quyết định khi nghiên cứu hiện tượng trật ray. Cho đến nay, quy luật trật ray vẫn chưa có lời giải triệt, chưa có phương pháp phán đoán chính xác đoàn tàu có trật ray hay không. Thông thường, người ta sử dụng chỉ tiêu đánh giá an toàn chống trật ray đoàn tàu để đánh giá an toàn chống trật ray và tìm cách tăng cường độ an toàn chống trật ray.
Trật ray đoàn tàu sẽ làm thiệt hại lớn về tính mạng con người và tài sản. Các nhà khoa học trên thế giới đã nghiên cứu vấn đề trật ray đoàn tàu hơn 100 năm nay, nhưng do tính phức tạp của vấn đề và khó khăn trong việc nghiên cứu trật ray đoàn tàu nên thực tế các nguyên nhân gây ra trật ray đoàn tàu vẫn chưa được xác định được rõ ràng, thậm chí tiêu chuẩn đánh giá an toàn chống trật ray đoàn tàu vẫn còn tồn tại một số vấn đề. Trên thực tế, vấn đề trật ray đoàn tàu là vấn đề phức tạp trong động lực học đoàn tàu, là kết quả lực tác dụng tương hỗ động giữa đoàn tàu và đường ray. Đối với nghiên cứu vấn đề trật ray đoàn tàu thì từ trước đến này vẫn là đề tài nóng trong nghiên cứu hệ thống vận hành đường sắt, là một lĩnh vực nghiên cứu tổng hợp nhiều môn khoa học bao gồm động lực học kết cấu, lý thuyết ổn định vận động, lý thuyết ổn định kết cấu, động lực học phương tiện, động lực học đường sắt, công trình cầu học, lý thuyết tác dụng tương hỗ giữa bánh xe và ray, phương pháp tính toán số học và nhiều môn khoa học khác.
Tiêu chuẩn đánh giá trật ray Nước ngoài chủ yếu sử dụng hệ số an toàn chống trật ray Y/Q làm tiêu chuẩn 3 đánh giá trật ray, trong đó Y là lực dẫn hướng, Q là lực thẳng đứng đè lên một bánh xe. Nhật Bản và Trung Quốc ngoài việc sử dụng hệ số Y/Q còn sử dụng hệ số giảm tải bánh xe Q / Q0 làm chỉ tiêu bổ trợ cho việc đánh giá trật ray, trong đó Q là lượng giảm tải bánh xe, Q0 là là tải trọng bình quân của bánh xe bên trái bên phải. Các nước dựa vào đặc trưng đường sắt của mình, kết quả nghiên cứu, thực nghiệm mà sử dụng các tiêu chuẩn đánh giá trật ray không giống nhau. Việc nghiên cứu trật ray đoàn tàu được tiến hành từ rất sớm, vào cuối thế kỷ 19.
Năm 1896, nhà khoa học người Pháp Nadal [1] dựa vào hiện tượng xu thế bánh xe leo lên nấm ray để đưa ra điều kiện cân bằng lực tĩnh như hình 1.3, bánh xe và ray tiếp xúc tại một điểm, dựa vào mối quan hệ giữa các lực: lực pháp tuyến N, lực ma sát tiếp tuyến T, lực ngang bánh xe và ray Y và lực thẳng đứng Q, Nadal đưa ra công thức tính hệ số an toàn chống trật ray Y/Q như sau: Y tg (1.1) Q 1 tg Trong đó: μ là hệ số ma sát của mặt tiếp xúc giữa bánh xe và ray, β là góc tiếp xúc giữa bánh xe và ray. Lực tác dụng giữa ray và bánh xe khi bánh xe bắt đầu leo lên nấm ray. Mô hình bộ trục bánh xe đơn dùng tính toán hệ số an toàn chống trật ray của Nhật Bản Công thức (1.1) bắt đầu trở thành tiêu chuẩn đánh giá an toàn chống trật ray. Từ đó về sau các quốc gia trên thế giới dựa vào hệ số Y/Q này để tiến hành các thí nghiệm và đặt ra nhiều trị số đánh giá khác nhau.
Nhật Bản sử dụng trị số góc tiếp xúc giữa gờ 4 bánh xe và má ray β=600, hệ số ma sát μ=0,3, dựa vào công thức (1.1) tính ra được hệ số an toàn chống trật ray Y/Q=0,95, xác định được trị số hệ số an toàn chống trật ray giới hạn Y/Q=0,8 (khi bánh xe bắt đầu leo lên nấm ray). Các nhà khoa học Nhật Bản sử dụng mô hình bộ trục bánh đơn (tải trọng trục W=2Q0, Q0 là tải trọng tĩnh bánh xe, đồng thời giả định đường cong lực ngang của bộ trục bánh đơn như hình 1.4, không xét đến tác dụng của ray, đồ thị mối quan hệ tỷ số Y/Q và lượng dịch chuyển lên trên của bánh xe như hình 1.5 thấy rằng tại hệ số Y/Q=0,8 thì lượng dịch chuyển lên trên của bánh xe rất nhỏ, phù hợp với hệ số giới hạn chống trật ray của Nadal, đồng thời căn cứ vào công thức (1.1) tính toán ra trị số Y/Q cũng rất gần. Giả định đường cong lực ngang bộ trục bánh xe đơn của Nhật Bản Hình 1. Mối quan hệ tỷ số Y/Q và lượng dịch chuyển lên trên của bánh xe Nước Mỹ sử dụng lực thẳng đứng cố định tác dụng vào toa xe và tăng dần lực nằm ngang tác dụng vào giá chuyển hướng, đồng thời đo phản lực tác dụng vào trục bánh theo phương thẳng và phương nằm ngang, tiến hành thí nghiệm bộ trục bánh xe đơn khi bánh xe bắt đầu nổi lên, từ đó đo được hệ số giới hạn an toàn chống trật ray.
Ngoài ra, dùng tải tương ứng với khi làm thí nghiệm, dùng phần mềm NUCARS, tính toán cho đơn trục bánh xe đơn hệ số giới hạn an toàn chống trật ray Y/Q, kết quả thí nghiệm và tính toán hệ số Y/Q như hình 1.8, kết quả tính toán và kết quả 5 thí nghiệm gần nhau. Sử dụng hệ số an toàn chống trật ray Y/Q=1,0 (ray mới) và Y/Q=1,4 (ray cũ). Hệ số Y/Q của ray mới và ray cũ là không giống nhau, điều đó phản ánh ảnh hưởng của hệ số ma sát. Hệ số ma sát của ray mới lớn, hệ số Y/Q giảm nhỏ; hệ số ma sát của ray cũ nhỏ, hệ số Y/Q tăng cao.
Quan hệ giữa góc xung kích f w và hệ số tính toán, thí nghiệm Y/Q khi ray mới Hình 1. Quan hệ giữa góc xung kích f w và hệ số tính toán, thí nghiệm Y/Q khi ray cũ 6 Mặc dù tiêu chuẩn tính hệ số an toàn chống trật ray Nadal được ứng dụng rộng rãi, tuy nhiên nó vẫn tồn tại một số nhược điểm.