Niềm tự hào của châu Á trong ngành công nghiệp đường sắt thế giới

Phần 2 – Những kỹ thuật quan trọng của đoạn đường ray cho Shinkansen

Nhật không phải quốc gia sở hữu tổng chiều dài đường sắt cao tốc dài nhất thế giới, nhưng họ lại sở hữu nhiều thế hệ tàu cao tốc nhất, nhiều nhà ga nhất, tỷ lệ số chuyến tàu trong một giờ nhiều nhất và tất nhiên là số lượng người dùng cũng thuộc hàng đứng đầu thế giới.
Vậy làm cách nào để có thể đảm bảo an toàn cho loại tàu điện chạy trên 250km/h trong nhiều năm như vậy mà không hề bị tai nạn? Trong 48 năm hoạt động của mình, Shinkansen đã phát triển với việc kết hợp những công nghệ kỹ thuật mới nhất và tốt nhất của ngành đường sắt Nhật Bản. Phía sau những sự thành công đó là huyết tâm cùng động lực của các kỹ sư người Nhật mà ít ai biết đến tên tuổi họ. Tôi sẽ nói đến hai kỹ thuật cực kỳ quan trọng của họ nhằm tìm lời giải đáp cho câu hỏi bên trên.

1 – Đoạn đường ray phân nhánh chế tạo đặc biệt khó (tiếng Mỹ là Turnout, tiếng Anh là Railroad switch, tiếng Việt chính xác gọi là gì thì không biết nên đành dùng chữ turnout):

Để chế tạo đoạn turnout cho các loại tàu điện bình thường thì bắt buộc phải theo thứ tự các công đoạn: Phát triển, thiết kế -> Gia công đường ray, chi tiết linh kiện -> Lắp ráp, kiểm tra. Mọi công đoạn đều được kiểm tra riêng biệt và khắc khe, trong đó “gia công đường ray, chi tiết linh kiện” là quan trọng nhất.

Đường ray dạng kẹp gắp (rail tongs) dùng cho Shinkansen khác biệt rất lớn so với dùng cho tàu điện thông thường. Đoạn turnout bình thường có độ cong khoảng 5゜43′ cho phép tốc độ quẹo sang nhánh đường khác tối đa 55km/h, còn Shinkansen trong giai đoạn đầu khi xây dựng có độ cong nhỏ hơn, khoảng 3゜11′ cho tốc độ tối đa 80km/h. Không chỉ vậy, đối với đoạn turnout chuẩn bình thường, khoảng cách song song giữa hai thanh sắt của đường ray chính và đường ray dạng kẹp gắp (rail tongs) có độ sai lệch ±2mm. Nhưng Shinkansen không được phép có độ sai lệch đó cho dù chỉ ±1mm. Độ sai lệch cực đại của khoảng cách hai đoạn sắt song song “chỉ được phép dưới ±0.5mm“. Có nghĩa là hai thanh sắt của đường ray chạy dài song song từ Tokyo đi xuống thẳng Hakata (tỉnh Fukuoka) với khoảng cách 1180km có tỷ lệ song song gần như tuyệt đối, bất kể đoạn đường ray này quẹo trái hay phải, leo đồi núi hay xuống dốc. Không những vậy, do độ cong nhỏ hơn nên bắt buộc độ dài của đoạn turnout sử dụng trong Shinkansen phải dài hơn bình thường mới có được tốc độ 80km/h, độ dài của nó khoảng 71m nên đòi hỏi kỹ thuật bẻ cong hai thanh sắt cũng thuộc dạng “khó cực kỳ“.

Nhưng đó chỉ là kỹ thuật dành cho Shinkansen tốc độ 210km/h trong giai đoạn mới sử dụng vào những năm 60 đến 80 thế kỷ trước. Còn từ giữa thập kỷ 90 đến hiện nay thì Nhật đã làm mới lại các công nghệ này, cho ra đời kỹ thuật mới tiên tiến hơn nhiều. Thay vì tốc độ giới hạn chỉ dưới 80km/h cho Shinkansen khi rẽ sang đoạn turnout hay dưới 180km/h khi chạy thẳng tiếp xúc với đoạn turnout này đối với kỹ thuật cũ đang sử dụng, kỹ thuật mới tiên tiến hơn với chiều dài 135m có thể giúp Shinkansen chạy tiếp xúc với đoạn turnout với tốc độ giới hạn lên tới 270km/h, trong khi tốc độ quẹo sang đoạn turnout được nâng lên gấp đôi với tốc độ giới hạn 160km/h. Kỹ thuật này được Công ty vận tải đường sắt Nhật Bản, Viện nghiên cứu đường sắt JR và Công ty JR miền đông Nhật Bản hợp tác chế tạo thành công vào năm 1995.

Nghe lý thuyết thì có vẻ đơn giản, bởi chỉ thêm 42m chiều dài đoạn turnout thì không quá khó để uốn cong hai thanh sắt. Nhưng thực tế kỹ thuật này không phải nước nào trên thế giới có thể làm được. Ngoài cái khó về độ uốn cong, do độ dài thêm 42m nên vấn đề về cách làm khô phần đất, bê tông, thanh sắt đã tiêu tốn thời gian gấp ba lần so với đoạn turnout thế hệ đầu. Từ lúc chế tạo đến lúc lắp ráp và hoàn thành mất hơn sáu tháng cho một đoạn đường turnout “chỉ dài 135m“. Hiện tại loại turnout có tốc độ giới hạn 160km/h này ngoài Shinkansen của Nhật sở hữu từ năm 1995, thì còn lại chỉ có Pháp là nước thứ hai trên thế giới chế tạo được loại kỹ thuật này từ cuối thập niên 90 (không nhớ rõ năm 97 hay 98?).



So với các loại tàu điện thường, Shinkansen có bề ngang rộng hơn và trọng lượng cũng lớn hơn, nên khi chạy với vận tốc cao thì lượng ma sát với đường ray cực lớn. Do đó một số đoạn đường khi tàu chạy trên 250km/h sẽ nhanh chóng bị ăn mòn, tuổi thọ của những đoạn đường này chỉ khoảng một năm là phải thay mới. Đối với đoạn turnout còn nhanh hơn, trong khoảng 100 ngày là phải thay đoạn mới ngay. Vì vậy các công ty đường sắt JR của từng tuyến phải bỏ ra một số tiền khá lớn để duy trì tuổi thọ cho đường ray nhằm tránh bất kể những rủi ro gì có thể xảy ra.



Turnout thế hệ đầu giới hạn ở tốc độ 80km/h



Turnout thế hệ mới



 Tốc độ giới hạn chạy thẳng là 270km/h, còn nếu quẹo sang đoạn bên trái thì giới hạn là 160km/h

2 – Hệ thống chống sét tốt nhất thế giới:

Đối với ngành đường sắt, không riêng gì Shinkansen, những loại tàu điện bình thường thì sét là hiện tượng nguy hiểm và khó chịu nhất. Nếu không có thiết bị chống sét cho đường ray và đoàn tàu thì khi có hiện tượng sét đánh xuống sẽ khiến đường ray hư hại, hệ thống đèn tín hiệu bị chập mạch, tàu điện dừng đột ngột gây tại nạn. Ngoài ra, nếu có sét đánh xuống đoàn tàu sẽ ảnh hưởng rất lớn đến sức khỏe của hành khách bên trong tàu.

Điều này còn nguy hiểm hơn đối với các tàu điện cao tốc như Shinkansen. Do đó, dọc theo toàn bộ đường ray của Shinkansen đều có gắn hai bộ phận quan trọng nhất chống sét: biến áp cách điện và thiết bị an toàn. Cứ một đoạn khoảng 1km thì có bốn bộ được lắp đặt. Các bộ phận này do duy nhất một công ty đảm nhiệm là Sankōsha. Giai đoạn đầu tiên thì hai bộ phận này được chế tạo tách rời nhau và có kích cỡ khá lớn. Từ thế hệ thứ hai đến hiện tại là thế hệ thứ tư thì được tích hợp lại thành một, dùng vật liệu ceramic cùng kích thước được thu nhỏ lại hết mức.

Hiện tượng sét đánh ảnh hưởng ra sao tới Shinkansen? Lượng sét khác nhau sẽ dẫn đến điện áp đang vận hành của dòng điện cho đoàn tàu và các cáp điện cho đén tín hiệu phát sinh hiện tượng bất thường. Khi dòng điện bất định từ sét đánh xuống khiến điện áp bình thường không thể tự điều chỉnh nguồn điện đủ nhỏ khiến các vật liệu cách điện vượt quá giới hạn cho phép của nó, dẫn đến toàn bộ hệ thống hoạt động của Shinkansen bị một nguồn điện bất thường gây hư hại. Để giải quyết vấn đề này thì các thiết bị an toàn được đặt dọc theo toàn tuyến giúp cho các đường ray sẽ không bị sét đánh trực tiếp. Các thiết bị an toàn này có nhiệm vụ hấp thụ toàn bộ nguồn điện do sét đánh gây ra, chuyển xuống mặt đất hai bên ngoài của đường ray, hoặc sẽ chuyển sang các đoạn đường ray phụ trên một số đoạn. Từ mặt đất sẽ có một bộ phận chuyển đổi điện năng đủ nhỏ cho các máy móc gần đó hoạt động. Thế hệ thứ tư hiện nay của thiết bị an toàn này có thể chuyển đổi một lượng cao áp lên tới trên 25,000 volt dành cho Shinkansen, cao hơn gấp đôi so với thiết bị an toàn dành cho tàu điện bình thường chỉ khoảng 9000-10,000 volt. Những tàu Shinkansen sẽ chẳng thể chạy trong thời tiết mưa nếu như không có các thiết bị an toàn này nằm dọc toàn tuyến đường của Shinkansen.

Thiết bị an toàn thế hệ 2

Thiết bị an toàn thế hệ 3 bằng ceramic

Thế hệ 4 đã được thu nhỏ hết mức.

Từ khi Shinkansen ra đời đến nay thì 100% chưa từng có tai nạn chập mạch nào tại hệ thống điện của Shinkansen liên quan tới hiện tượng sét đánh, một tỷ lệ chống sét khó tin. Duy nhất một lần tụ điện bị chập mạch là do dây cáp nối với bộ phận điện tại trạm phát điện bị cháy, dẫn đến việc toàn tuyến Tokaido bị trễ gần hai tiếng vào năm 2009.

Xem Tiếp Phần 3       Phần 4

Xem Phần 1

**********************************************************************************

Bài này được trích từ trang blog  http://aikoku2027.wordpress.com