Đường ray liền mạch

Sự giãn nở vì nhiệt của kim loại là một trong những vấn đề đau đầu của các chuyên gia đường sắt. Với chiều dài nhiều ki-lô-mét, khi nhiệt độ không khí tăng lên, độ dài thanh ray có thể giãn nở dài thêm đáng kể, gây ra hiện tượng cong oằn các thanh ray. 

Đây là nguyên nhân chính khiến đường sắt bị bong tróc khỏi nền đường và xô lệch, gây ra không ít tai nạn trong những năm khởi lập ngành giao thông vận tải này.

Để giải quyết vấn đề trên, người ta ngắt các thanh ray ra thành các đoạn có chiều dài rất ngắn chỉ từ 12,5m (trước đây) đến 25m (hiện nay) và để hở khoảng cách đủ rộng giữa 2 thanh ray liên tiếp, lấy chỗ cho kim loại co giãn vì sự thay đổi nhiệt độ ngoài trời. Sau đó, 2 thanh ray liên tiếp được ốp 2 lá thép hai bên gọi là lập lách, tạo thành mối nối ray.

Đường ray có mối nối là một cải tiến kỹ thuật quan trọng khiến cho sự biến thiên nhiệt độ ngoài trời không còn gây cong oằn đường ray, nhưng nó cũng bộc lộ nhiều hạn chế. Khi bánh tàu lăn hết 1 thanh ray và qua mối nối, nó sẽ đập rất mạnh vào đầu thanh ray tiếp theo gây lún, bẹp đầu ray, khiến mối nối bị hư hỏng nhanh theo thời gian, đồng thời gây ồn trong và ngoài toa tàu, làm rung lắc hành khách theo từng nhịp ray. 

Hạn chế lớn nhất của đường ray có mối nối là nó làm lực kéo của đầu máy giật cục, liên tục phải gia lực mỗi khi bánh tàu lăn qua khe cách sang thanh ray mới, khiến tốc độ đoàn tàu không thể nâng lên được.

Sự tiến bộ của công nghệ luyện thép carbon tạo ra nguyên liệu làm thanh ray có độ co giãn vì nhiệt nhỏ hơn và khả năng nứt vỡ thấp hơn đã mở ra cơ hội to lớn cho việc làm đường ray không mối nối. Các thí nghiệm thực tế cho thấy, khi thanh ray bị ghì chặt vào tà-vẹt và tà-vẹt bám chắc vào lớp đá lót nền đường, nó co giãn ít hơn hẳn so với khi để ở trạng thái tự do. 

Với nguyên liệu cũ, khi nóng lên và thanh ray bị ghì giãn ra, nó bị cong oằn; ngược lại, khi lạnh đi và thanh ray co lại, nó bị kéo căng và nứt vỡ. Nhưng với nguyên liệu mới, độ co giãn ít hơn, cộng với lực ngoại biên do việc thanh ray bị ghì chặt vào tà-vẹt và nền đường khiến thanh ray dài thêm hay co lại ít hơn, cho phép người ta hàn những thanh ray lại với nhau tạo ra thanh ray liền mạch dài hơn. 

Năm 1932, Liên Xô đã tạo ra thanh ray liền mạch 37,5m bằng cách hàn 3 thanh ray tiêu chuẩn 12,5m lúc đó lại với nhau. Năm 1963 con số này đã là 800m và năm 1982 là 950m. 

Những thanh ray hàn liền cho phép nâng tốc độ đoàn tàu lên rất nhiều. Nếu như trước kia tốc độ đoàn tàu bị ghìm lại sau mỗi 12,5m hoặc 25m chiều dài thanh ray thì giờ đây nó chỉ bị ghìm lại sau mỗi 1.000m.

Trong việc gia tăng chiều dài các thanh ray liền mạch, sự biến thiên nhiệt độ ngoài trời giữ vai trò quyết định. Người ta đo tính chính xác nhiệt độ gốc (khi các thanh ray không co giãn), nhiệt độ cực đại thực tế (khi thanh ray giãn tối đa) và nhiệt độ cực tiểu (khi thanh ray co lại tối đa) để quyết định hàn nối thanh ray đến bao nhiêu thì vừa, để mối nối ray rộng trong phạm vi an toàn. 

Đây cũng là nhược điểm chính của đường sắt với các thanh ray hàn liền: khoảng cách chừa cho co giãn vì nhiệt giữa các thanh ray hàn liền khá lớn so với khoảng cách giữa các thanh ray tiêu chuẩn 25m. 

Đặc biệt ở những miền sa mạc nhiệt đới, khi chênh lệch nhiệt độ rất lớn, “khúc nối” ray cũng rất lớn và điều đó khiến người ta không dám hàn nối các thanh ray dài hơn.

Các nhà khoa học đang nghiên cứu gia tăng độ dài thanh ray liền mạch bằng cách “điều hòa nhiệt độ cho đường ray. Có 2 hướng đi chủ yếu: một là, bao dọc tuyến đường bằng một lớp áo cách nhiệt, chỉ để một khe hở phía trên đường ray tiếp xúc với bánh tàu lăn qua, và bơm không khí nóng hoặc lạnh vào để điều hòa theo thời tiết nhằm làm giảm mức chênh lệch nhiệt độ, dẫn tới giảm mức độ co giãn vì nhiệt của thanh ray. 

Hai là, đục một lỗ dọc tâm của thanh ray và bơm khí nóng lạnh theo đường ống đó. Tuy nhiên, cả 2 phương án đều mới chỉ trong phạm vi thí nghiệm, chưa đạt các chỉ tiêu kinh tế để ứng dụng vào thực tế.

Nói không với độ võng

Nhìn bằng mắt thường, chắc chẳng có ai nghĩ các thanh ray gác trên tà-vẹt lại có độ võng do chính sức nặng của chúng, nhưng thực tế độ võng này là một trong những nguyên nhân đau đầu cho các chuyên gia đường sắt tốc độ cao. 

Nó cản trở đáng kể việc tăng tốc cho đoàn tàu bởi đường ray mà trên đó tàu cao tốc lăn bánh không phẳng “một cách lý tưởng” như các tính toán mặc định. Kết quả là đoàn tàu của chúng ta “dập dềnh trên sóng” chứ không phải “lướt êm trên cặp ray thẳng tắp”.

Với tốc độ thấp, độ võng này nhỏ đến mức có thể hoàn toàn bỏ qua, nhưng với tốc độ 200km/h hoặc 350km/h, độ võng của đường ray không còn có thể bỏ qua được nữa.

Để giảm độ võng, các nhà khoa học tập trung tạo ra những thanh ray cứng hơn, ít đàn hồi hơn bằng cách bổ sung hàm lượng carbon, mangan, silic và thạch tín với tỷ lệ được coi như bí quyết của công nghệ luyện thép làm ray. 

Các thành tố này được gia giảm trong quá trình luyện thép theo một quy trình nghiêm ngặt trước sau mà chỉ các kỹ sư cao cấp trong nhà máy được biết rõ. 

Kết quả là họ cho ra lò khối thép đạt tiêu chuẩn về độ cứng đủ khả năng kháng võng, độ bền chịu mài mòn, đồng thời cũng đạt các tiêu chí về độ dẻo để đưa vào cán kéo tạo thành các thanh ray mà không nứt vỡ.

Đồng thời với việc bổ sung các thành phần có chi phí cao nói trên, nhà luyện kim cũng phải tạo ra cấu trúc kim tương học (phân tích vi cấu trúc) của hợp kim thép tối ưu bằng cách đưa vào các thành tố “tạo cấu trúc” như vanadi, titan và kẽm. 

Nguyên liệu đưa vào luyện thép cũng phải đạt hàm lượng phốt pho và lưu huỳnh thấp để chúng không phá hủy các cấu trúc kim tương học nói trên. Sau đó là quá trình nhiệt trị (gia công kim loại bằng nhiệt) để giữ vững cấu trúc và xả khí tồn đọng trong thép trong quá trình làm nguội. 

Đây là công nghệ rất phức tạp, không dễ thực hiện ở những quốc gia có nguồn nguyên liệu đầu vào không đủ độ tinh sạch. So với ray thông thường, chất lượng ray cao tốc đòi hỏi các tiêu chí cao hơn hẳn.

Một cách giảm độ võng đơn giản khác là chế tạo các tà-vẹt to bản hơn và đặt chúng dày hơn. Các tà-vẹt cho đường sắt cao tốc thường dùng bê-tông cốt thép hoặc thép thuần, riêng Nhật Bản đã thử nghiệm thành công và đưa vào sử dụng tà-vẹt từ vật liệu composide với giá thành không quá cao mà độ bền và chịu lực vượt trội. 

Các bu-lông dùng cho đường ray thông thường bị thay thế bởi vít Pandrol Fastclip chuyên dụng cho đường ray cao tốc do công ty Pandrol UK của Na Uy sáng chế (bằng sáng chế này được đăng ký từ năm 1957 và đã hết hạn bảo hộ phát minh - sáng chế). Nền đường và chất lượng đá dăm lát đường cũng đòi hỏi chất lượng hơn hẳn nền đường ray thông thường.

Nhìn lại lịch sử phát triển của ngành đường sắt, có thể dễ dàng nhận ra việc tăng tốc độ các đoàn tàu là một trong những mục tiêu cốt yếu của ngành. Để đạt được mục tiêu đó, các tiến bộ công nghệ liên quan đến đường ray cao tốc giữ một vị trí nổi bật. 

Người ta đã rất cố gắng nâng cao tốc độ các đoàn tàu trên các đường ray thông thường có sẵn rồi cuối cùng hiểu ra rằng để đạt tốc độ được gọi là cao tốc, thì buộc phải xây dựng những tuyến đường riêng với các thanh ray liền mạch và độ võng tối thiểu./.