خط سكة حديد

مقطع من خط سكة حديد وأساسه يوضح تراص الحصى وطبقات التشكيل. وتنحدر الطبقات قليلًا وذلك للمساعدة في الصرف.

كما أنّ معظم السكك الحديدية ذات الحركات المرورية الكثيفة تستخدم باستمرار القضبان الملحومة المُثَبَّتة على العوارض (أو الروابط) والمتصلة عن طريق صفائح قاعدية تقوم بتوزيع حِمل القطار. وعادةً توجد لبادة بلاستيكية أو مطاطية بين القضيب ولوحة الربط حيث يتم استخدام العوارض (أو الروابط) الخرسانية. ويتم تثبيت القضيب بالعارضة غالبًا عن طريق أربطةٍ مرنة، وذلك على الرغم من استعمال مسامير القطع على نطاقٍ واسعٍ في أمريكا الشمالية. وفي فترةٍ كبيرةٍ من القرن العشرين، استخدم خط السكة الحديد روابط من الأخشاب اللينة وقضبانًا مِفْصَلِيّة، وتظل نطاقات كبيرة من هذا النوع من خط السكة الحديد في الطرق الثانوية وما دونها. وفي أمريكا الشمالية وأستراليا، تكونت خطوط السكك الحديدية عادةً من قطاعٍ من قاعدةٍ مُسَطَّحة مُثَبَّتة في الروابط عن طريق مسامير ملتوية (dogspikes) من خلال لوح ربط مسطح، وفي بريطانيا وأيرلندا، تكونت عادةً من قطاعٍ عريض الرأس محمول داخل كراسي من حديد الزهر.

وقد استُخدمَت القضبان المِفْصَلِيّة سابقًا لعدم تقديم التكنولوجيا لأية بدائل أخرى. ومع ذلك أدى ضعف القدرة الأساسية على مقاومة التحميل العمودي إلى خفض دعم الحصى للسكة وزيادة عبء إجراءات الصيانة المفروضة لمنع حدوث أية عيوب هندسية غير مقبولة في المفاصل. كما تحتم دومًا أن يتم تشحيم المفاصل، كذلك فقد احتاجت التآكلات الناتجة عن كثرة الاستخدام والموجودة على الأسطح المتصلة من ماسكة القضبان (وصلة) إلى معالجة دورية عن طريق الحشو والتسوية. ولهذا السبب، يُعد خط السكة الحديد المِفْصَلِيّ أمرًا مُكَلّـِفًا بالنسبة لخطوط السكك الحديدية التي يتم استخدمها بصورةٍ مُكَثَّفة.

تُعد العوارض الخشبية أحد أنواع القطع الخشبية العديدة المتاحة، ويتم معالجتها غالبًا بالكريوسوت أو وكرومات النحاس زرنيخات (مادة كيميائية تتكون من الكروم والنحاس والزرنيخ) أو أي مادة أخرى لحفظ الأخشاب. وتُستخدم العوارض أو (الروابط) الخرسانية سابقة الإجهاد غالبًا حينما يندر وجود الخشب وعندما تكون الحمولة ثقيلة أو السرعة عالية. كما يُستخدَم الفولاذ في بعض التطبيقات.

ويكون حصى خط السكة الحديد عادةً عبارة عن صخورٍ مُحطَّمة، ويُعد الغرض من استخدامها هو تدعيم الروابط والسماح بتعديل مواضعها مع إتاحة الصرف الحر.

خط سكة حديد فائق السرعة بدون حصى في الصين

تُعد الحاجة المُلِحّة للصيانة الدائمة هي أحد عيوب بنايات خط السكة الحديد التقليدية، وخاصة التسطيح (أو الدكّ) والتبطين وذلك لاستعادة شكل خط السكة الحديد السطحي المرغوب فيه والمحافظة على سلاسة سير المركبة فوقه، كما يؤدي ضعف الأرض الطبيعية وأوجه قصور الصرف أيضًا إلى تكاليف صيانة مرتفعة، ويمكن التغلب على هذا عن طريق استخدام خط السكة الحديد بدون حصى، حيث يتكون الشكل الأبسط من هذا الخط من ألواح متتابعة من الخرسانة (مثل بنية الطريق السريع) مع وجود قضبان مُثَبَّتة مباشرةً على سطحها العلوي (عن طريق استخدام لبادة مرنة).

وهناك العديد من الأنظمة الملكية والتنوعات التي تشمل وضع ألواح خرسانية مقواة بشكلٍ مستمر أو استخدام الوحدات الخرسانية سابقة الصب والإجهاد والموضوعة على طبقة القاعدة، وقد تم طرح العديد من التصميمات التبديلية الأخرى.

ولكن يُعد خط السكة الحديد الخالي من الحصى مُكَلّـِفًا للغاية في بادئ الأمر، كما يتطلب الأمر إغلاقًا للطريق لمدة طويلة في حالة وجود سكك حديدية، ويمكن لتكلفته الكلية أن تكون أقل بسبب الانخفاض الكبير في متطلبات الصيانة، وعادةً ما يُعتبر خط السكة الحديدية الخالي من الحصى طريقًا جديدًا ذا سرعات وقدرات تحمل عالية للغاية، وأيضًا يُستخدَم في الامتدادات القصيرة التي تتطلب قوة إضافية (مثل محطة السكك الحديدية)، وفي الاستبدال المحلي حينما تكون هناك صعوبات استثنائية في عملية الصيانة كما هو الحال في الأنفاق على سبيل المثال.

استخدمت السكك الحديدية الأولى في حوالي أربعينيات القرن التاسع عشر خط السكة الحديد ذو الحوامل المتصلة حيث تم تدعيم القضيب على طوله، مثل السكة الحديدية ذات العوارض الخشبية لبرنل (Brunel) التابعة لشركة السكك الحديدية الغربية الكبرى، كما تم استخدامها أيضًا في السكك الحديدية لنيوكاسل وشيلدز الشمالية،[1] وفي السكك الحديدية للانكشير ويوركشاير حتى الوصول إلى تصميم جون هاوكشو (John Hawkshaw)، وفي أماكن أخرى.[2] كما طوّر مهندسون آخرون تصاميم للحوامل المتصلة،[3] ولقد تمت تجربة هذا النظام في السكك الحديدية لــ بالتيمور وأوهايو في أربعينيات القرن التاسع عشر، إلا أن صيانته كانت أكثر غلاءً من صيانة الخطوط ذات الروابط المتقاطعة.[4]

وتتضمن أحد التطبيقات الحديثة للسكك الحديدية المدعمة المتصلة 'خط السكة الحديد المرصوف المُضمن' لشركة بلفور بيتي (Balfour Beatty) والتي استخدمت شكلاً للقضبان مستطيليًا دائريًا (BB14072) مضمنًا في قاعدة خرسانية منزلقة الشكل (أو سابقة الصب) (تم تطويره في الألفينيات)،[5][6] واستخدمت 'بنية السكك الحديدية المُضمنة'، التي انتشرت في هولندا منذ عام 1976، وفي البداية استخدمت أربعة وخمسين قضيبًا تقليديًا مضمنًا في الخرسانة للاتحاد الدولي للسكك الحديدية، ثم تطورت حتى استخدمت قضبان سكك حديدية AS على شكل 'المشروم'، كما تم تطوير نسخة للسكك الحديدية التي تستخدم القضبان المُدعمة بفولاذ خرسانة الأسفلت (2002).[7]

صُنِعَت القضبان القديمة من الخشب ولكنها سرعان ما تآكلت، ويُعد الخشب الصلب مثل أنواع جارا (Jarrah) وكاري (Karri) أفضل من الخشب اللينمثل النوع فير (Fir)، واعتلت القضبان الحديدية والفولاذية العوارض الطولية مثل خط السكة الحديدية ذي العوارض الخشبية لبرنل، وتُعد هذه القضبان أخف مما يمكن أن تكون عليه وهذا بسبب تدعيم العوارض.

يُصنف القضيب بوزنه على الطول المعياري، ويُمكن للقضيب الأثقل تدعيم أحمال محورية أكبر وسرعات أعلى للقطارات بدون إلحاق أضرار بصورةٍ أكبر من القضيب الخفيف ولكن بتكلفةٍ أعلى، وفي أمريكا الشمالية والمملكة المتحدة، يتم تصنيف القضيب بــالرطل لكل ياردة (عادةً يُكتب رطل أو lb)، ولذلك فإن قضيب يبلغ 130 رطلاً يزن 130 lb/yd (64.5 kg/m)، ويبلغ النطاق المعتاد 115 إلى 141 lb/yd (57.0 إلى 69.9 kg/m). في أوروبا، يُصنف القضيب بالكيلو جرام/متر ويبلغ النطاق المعتاد 40 إلى 60 kg/m (80.6 إلى 121.0 lb/yd)، وقد بلغ وزن أثقل قضيب ذي إنتاجٍ ضخم 155 pounds per yard (76.9 kg/m) وكان تابعًا لــسكك حديد بنسلفانيا، وتُعتبر المملكة المتحدة في عملية انتقال من التصنيف الملكي للتصنيف المتري للقضيب.

خط رئيسي مترابط بوصلة قضبان ذات ستة براغي في جزءٍ من القضيب يبلغ وزنه 155 lb/yd (76.9 kg/m). لاحظ كيف تكون البراغي موجهة عكسيًا لبعضها البعض وذلك لمنع الفصل التام للوصلة في حالة اصطدام عجلة القطار بها خلال خروجه عن السكة الحديد.

يُصنع خط السكة الحديد المَفْصِلِيّ من أطوال من القضبان، يبلغ طولها عادةً 20 م (66 قدم) (في المملكة المتحدة) وتبلغ 39 أو 78 قدم (12 أو 24 م) في (أمريكا الشمالية)، حيث يتم تثبيتها معًا ببراغي باستخدام ألواحٍ فولاذية مُثقبة، تُعرف باسم ماسكات القضبان (بالمملكة المتحدة) أو ألواح الوصل (بأمريكا الشمالية).

يبلغ طول ماسكة القضبان عادةً 600 مـم (2 قدم)، وتُستخدم عند نهاياتي كل قضيب وتكون مثبتة بالبراغي ببعضها البعض (عادةً أربعة براغي لكل وصلة وفي بعض الأحيان ستة)، وقد يتم تركيب البراغي في اتجاه عكسي نحو بعضها البعض، وذلك لأنه في حالة خروج القطار عن مساره واصطدام شفة العجلة بالوصلة، يتم كسر بعض من البراغي، الأمر الذي يحد من احتمالية الاصطفاف الخاطئ للقضبان مع بعضها البعض وتفاقم خطورة هذا الخروج عن السكة الحديد، (لا تُطبق هذه التقنية عالميًا، حيث تضع التصميمات البريطانية جميع رؤوس البراغي على نفس الجانب من القضيب.) وتُترَك فجوات صغيرة تُعرف باسم وصلات التمدد بشكلٍ مقصود بين القضبان لكي تسمح بتمدد القضبان في الطقس الحار، وتكون هذه الفتحات التي تمر خلالها براغي ماسكات القضبان بيضاوية الشكل لكي تسمح بحركة التمدد.

وصلة تمدد في خط السكة الحديد الرئيسي لكورنوال، إنجلترا

كانت التصميمات البريطانية تقوم بتركيب ماسكات القضبان عند نقطة التقاء كل قضيبين ببعض، بينما تقوم تصميمات أمريكا الشمالية بتركيبها خلافًا لبعضها البعض.

ونظرًا لوجود هذه الفتحات الصغيرة المتروكة بين القضبان، تُحدِث القطارات صوت "طقطقة" عند مرورها على خطوط السكك الحديدية المَفْصِلِيّة، وإن لم تكن هناك صيانة سليمة لخط السكة الحديد المَفْصِلِيّ، حينئذٍ لا يمتلك الخط الجودة المطلوبة للقضيب الملحوم ويكون غير مُفضّل للقطارات فائقة السرعة، ولكن لا يزال خط السكة الحديد المَفْصِلِيّ مُستخدَمًا في دولٍ عديدة في خطوط السكك الحديدية الأقل سرعة وفي التحويلات، ويُستخدم على نطاقٍ واسعٍ في الدول الفقيرة بسبب تكلفة البناء المنخفضة والمعدات البسيطة المطلوبة لتركيبه وصيانته.

تُعد الشروخ الموجودة حول فتحات البراغي مشكلةً رئيسيةً في خط السكة الحديد المَفْصِلِيّ، والذي يمكن أن يؤدي إلى كسر رأس القضيب (سطح السير)، وكان هذا هو السبب الرئيسي وراء حادثة قطارات سكة حديد هيذر جرين والتي جعلت السكك الحديدية البريطانية تبدأ في تحويل معظم خطوط السكك الحديدية لديها إلى قضبانٍ ملحومةٍ متصلة.

عندما توجد الدوائر الكهربائية لخطوط السكك الحديدية لأغراض الإشارة، تكون وصلات الغلق المعزولة مطلوبة في ذلك الوقت، وتُشكل ضعفًا للوصلات العادية، بينما تُزيد الوصلات المُلصقة المصنوعة خصوصًا من القوة مرة ثانية، حيث تكون كل الفجوات مملوءة براتنج الإيبوكسي.

وكبديلٍ للوصلة المعزولة، يمكن تشغيل دوائرالترددات الصوتية الكهربائية للسكك الحديدية باستخدام دائرة كهربائية مُقفلة مضبوطة مكونة بطول 20 مترًا من القضيب كدائرة عزل كهربائية، ويُعد العداد المحوري بديلاً آخر حيث يمكنه تقليل عدد الدوائر الكهربائية للسكك الحديدية ومن ثم تقليل وصلات القضبان المعزولة المطلوبة.

وصلة قضيب سكة حديد ملحومة

تستخدم معظم سكك الحديد الحديثة طريقة القضيب المتصل باللحام (CWR)، والتي يُشار إليها أحيانًا بـ قضبان الشريط، وفي هذا النوع من خطوط سكك الحديد، يتم لحم القضبان معًا عن طريق استخدام لحام ومضي تناكبي لتشكيل قضيب متصل واحد قد يصل طوله إلى العديد من الكيلو مترات أو عن طريق استخدام لحام الثرميت لإصلاح أو لصق قطع القضبان المتصلة باللحام (CWR) الموجودة معًا، ونظرًا لوجود القليل من الوصلات، يُعد هذا الشكل من خطوط السكة الحديد قويًا للغاية كما يتيح قيادةً سلسة بالإضافة إلى أنه لا يحتاج إلى الكثير من الصيانة؛ حيث تستطيع القطارات السفر عليه بسرعاتٍ أعلى وباحتكاكٍ أقل، ولكن تُعد تكلفة وضع القضبان الملحومة أعلى من تكلفة خطوط سكك الحديد المَفْصِلِيّة، على الرغم من أن تكلفة صيانتها أقل بكثير، وتم استخدام أول خط سكة حديد ملحوم في ألمانيا عام 1924، وفي الولايات المتحدة عام 1930[9]، ثم أصبح شائعَ الاستخدامِ في الخطوط الرئيسية منذ خمسينيات القرن العشرين.

تُعد عملية اللحام الومضي التناكبي هي المُفضلة؛ حيث إنها تتضمن استخدام ماكينة وضع آلية لخطوط السكك الحديدية تعمل باستخدام تيار كهربائي قوي من خلال النهايات المتلامسة لقطعتي قضيب غير متصلتين، وتصبح النهايات ساخنة لدرجة الابيضاض نتيجة المقاومة الكهربائية، ثم يتم ضغطها معًا لتشكيل قطعة لِحامٍ قوية، أما لحام الثرميت فهو عملية يدوية تتطلب بوتقة رد فعل وقالبًا لاحتواء الحديد المنصهر، بالإضافة إلى أن الوصلات المربوطة بالثرميت لا يُعتمد عليها كثيرًا، كما أنها أكثر عرضة للصدع أو الكسر.^{[بحاجة لمصدر]}

إن لم يتم تقييد القضبان، فستتمدد في الطقس الحار وتنكمش في الطقس البارد، ومن أجل توفير هذا القيد يتم منع القضيب من الحركة المتعلقة بالراقدة أو الفلنك وهي (عارضة دعم خط السكة الحديد) عن طريق استخدام ماسكات ومُثبِّتات، ويشيع استخدام المُثبِّتات أكثر في الفلنكات الخشبية، بينما يتم تثبيت معظم الفلنكات الصلبة أو الأسمنتية في القضيب باستخدام ماسكات خاصة تقاوم حركة القضيب الطويلة، ولا يوجد حد نظري لما يمكن أن يصل إليه القضيب الملحوم من طول. وعلى الرغم من كل ذلك، فإذا كان كلٌ من القيد الطولي والجانبي غير كافيين فمن الممكن أن يصبح خط السكة الحديد مُعوَّجًا في الطقس الحار ويتسبب في خروج القطار عن مساره، ويُعرف الاعوجاج نتيجة التمدد الحراري في أمريكا الشمالية باسم الالتواء الشمسي، وفي غيرها من الأماكن باسم الانبعاج، أما انكسار القضيب نتيجة الانكماش المرتبط بالبرد في أمريكا الشمالية فيُعرف باسم الجزء المنفصل، ويجب الانتباه لضغط الصابورة بشكلٍ فعَّال، ويشمل الضغط أسفل الفلنكات وبينها وعند نهاياتها، وذلك لمنع الفلنكات من التحرك، ولابد من القيام بمعايناتٍ خاصة في الطقس شديد الحرارة لمراقبة أجزاء من خط السكة الحديد والمعروف عنها أنها تمثل إشكالية.

بعد وضع قطع جديدة من القضبان أو استبدال القضبان المَعيبة (لحمها)، يمكن ضغطها صناعيًا إن اختلفت درجة حرارة القضيب أثناء الوضع عن الدرجة المرغوب فيها، وتتضمن عملية الضغط إما تسخين القضبان لجعلها تتمدد[10] أو مدّ القضبان بمعدات هيدروليكية، ثم تثبيتها (مسكها) بالفلنكات بعدما تمددت، وتضمن هذه العملية أن القضيب لن يتمدد أكثر من ذلك في طقسٍ حارٍ لاحق، وفي الطقس البارد تحاول القضبان أن تنقبض، ولكن لا يمكنها ذلك حيث إنها تكون مُثبتَّة بشدة، وفي الواقع، فإن القضبان المضغوطة تشبه إلى حدٍ ما قطعة مرِنة ممتدة تم تثبيتها بشدة.

يتم وضع القضيب المتصل باللحام (وتثبيته كذلك) في متوسط درجات الحرارة القصوى التي يشهدها هذا الموقع تقريبًا (وتُعرف باسم "درجة حرارة القضيب المحايدة")، وتهدف طريقة التركيب هذه، بجانب القوة العادية لبنية خط السكة الحديد، إلى منع خطوط السكك الحديدية من الانبعاج في حرارة الصيف أو الانفصال إلى أجزاءٍ في برودة الشتاء. وفي أمريكا الشمالية، تُمثل القضبان المكسورة مشكلةً ولكن ليس كتلك التي تمثلها الالتواءات الحرارية؛ وذلك لأنه يتم اكتشافها عادةً من خلال نظام الإشارات، بينما لا يتم اكتشاف الالتواءات الحرارية.

يتم استخدام الوصلات في القضيب المتصل باللحام عند الضرورة، وتُستخدم عادةً في فراغات دائرة الإشارة، فبدلاً من الوصلة التي تمر بخطٍ مستقيم عبر القضيب، يتم تقطيع نهايتي القضيب أحيانًا بزاوية لإعطاء انتقال أكثر سلاسة، وفي الحالات القصوى، كما في نهاية الجسور الطويلة يُشكِّل مفتاح التحويلة (والذي يُشار إليه في أمريكا الشمالية وبريطانيا بــوصلة التمدد) طريقًا سلسًا للعجلة في حين أنه يسمح لنهاية قضيب واحد بالتمدد متعلقًا بالقضيب التالي.

توجد طرق متنوعة لتثبيت القضيب على الفلنك (أو رابطة السكة الحديد)، وقد أفسحت المسامير عبر التاريخ مساحةً لإلقاء الكراسي الحديدية وجعلها مُثبتة على الفلنك، وتُستخدم مؤخرًا مسامير (مثل ماسكات شركة باندرول الماسكات) لتثبيت القضيب على كرسي الفلنك.