کاربرد آلومینیوم در صنایع حمل و نقل ریلی

کاربرد آلومینیوم در صنایع حمل و نقل ریلی

کاربرد آلومینیوم در صنایع حمل و نقل ریلی؛ حمل و نقل و جابه جایی به موقع افراد و اجناس نقش بسزایی را در ساختار زیربنایی یک کشور ایفا می کند و از فاکتورهای مهم رشد اقتصادی کشورها محسوب می شود. چنانچه گسترش سیستم حمل و نقل ریلی در قرن نوزدهم و اوایل قرن بیستم از عوامل اصلی رشد اقتصادی بریتانیا، اروپا و آمریکا بود. میزان استفاده سیستم های حمل و نقل هوایی و ریلی با توجه به مزایا و معایب هر یک در طول دوره های صنعتی و در کشورهای مختلف متفاوت بوده است و جهت گیری سیستم حمل و نقل در دنیا به صورت مداوم در حال تغییر است.
با اوج گیری مسائل امنیتی و ازدحام ترافیک خطوط هوایی که مسافرت های هوایی را با ترسی ویژه همراه کرده است، سیستم حمل و نقل ریلی از مقبولیت بیشتری در بین مسافرین برخوردار گشته است. به نحوی که مسافرت با قطار، به طور فزاینده ای امن تر، راحت تر و سریع تر جلوه نموده است. پیشی گرفتن سیستم حمل و نقل ریلی در جا به جایی بار و مسافر بر سیستم هوایی و جاده ای، ابتدا در ژاپن و سپس در فرانسه و دیگر نقاط اروپا مشاهده شده است. این در حالی است که آلومینیوم در این حوزه نیز از اهمیت ویژه ای برخوردار بوده و ماده اصلی و مناسب جهت ساخت قطارها و واگن های سریع السیر و سبک وزن محسوب می گردد.
ارتباط بین صنعت آلومینیوم و حمل و نقل ریلی به مدت ها پیش بر می گردد. اولین کاربرد گزارش شده آلومینیوم در صنعت حمل و نقل ریلی به استفاده از آن در ساخت چارچوب صندلی های واگن های مسافربری در سال ۱۸۹۴ برمی گردد که از این واگن ها برای حمل مسافر در خط نیویورک، نیوهان و هارت فرد استفاده می شد. مورد بعدی گزارش شده، ساخت کامل واگن های باری از جنس آلومینیوم در سال ۱۹۳۱ بود. در سال ۱۹۳۳، در نمایشگاه جهانی شیکاگو، دو قطار مسافربری که تماماً از آلومینیوم ساخته شده بودند به نمایش گذاشته شدند.
گسترش استفاده از آلومینیوم در صنعت حمل و نقل ریلی بعد از جنگ جهانی دوم ادامه داشته و علت اصلی این گسترش ها، خواص منحصر به فرد آلومینیوم یعنی سبکی، مقاومت به خوردگی و دوام آن بود. تحقیقات صورت گرفته و تجارب کسب شده در طول دهه های گذشته نه تنها موجب استفاده از آلومینیوم در ساخت قطارهای درون و برون شهری، متروها، قطارهای زیرزمینی و واگن های باری شده است، بلکه موجب استفاده از آن در قطارهای سریع السیرپیشرفته ترن و مغناطیسی فوق مدرن نیز شده است.

کاربرد های باری

یکی از موارد کاربرد آلومینیوم در حمل ونقل ریلی استفاده از آن برای ساخت واگن های باری به منظور حمل و نقل محدوده وسیعی از اجناس و کالا ها (به خصوص زغال سنگ) می باشد. معمولاً عمرمفید طراحی شده برای واگن ها سی سال است. با توجه به اینکه عمر واگن های مورد استفاده فعلی رو به پایان است و از طرف دیگر نیاز فعلی برای انتقال ذغال سنگ حاوی گوگرد کم، از معادن غرب به سمت بازارهای شرقی، در حال افزایش است، موجب شده تا ساخت واگن های باری با رشد ناگهانی روبه رو گردد.
وزن واگن های باری ساخته شده از آلومینیوم در حدود دو سوم وزن واگن های مشابهی است که از فولاد برای ساخت آن ها استفاده شده است. کاهش وزن واگن ها به ما اجازه می دهد تا وزن بار مفید را افزایش دهیم و در نتیجه قیمت بالاتر این نوع واگن ها توجیه اقتصادی یابد. از طرف دیگر با توجه به مقاومت به خوردگی آلومینیوم در مقابل زغال سنگ حاوی گوگرد کم، دوام و افزایش عمراین واگن ها تضمین می شود. از واگن های آلومینیومی می توان برای حمل صدها نوع ماده معدنی دیگر نیز استفاده نمود.
شکل ۱– نمایش دهنده این نوع واگن های باری است که از صفحات و پروفیل های اکسترودی آلومینیومی ساخته شده اند.
شکل۱ – واگنهای باری رو باز ساخته شده از آلومینیوم برای حمل زغال سنگ و غیره
نکته حائز اهمیت در تمام موارد ذکر شده این است که نسبت استحکام به وزن بالای آلومینیوم، امکان افزایش بار مفید را می دهد و این در حالی است که می توان سوخت مصرفی را کاهش داد. شرکت JohnStone America توانسته با استفاده از پروفیل های اکسترودی ۶۰۶۱ و طراحی مجدد واگن های خود، ظرفیت بار مفید واگن های خود را افزایش دهد. این شرکت با استفاده از صفحات آلومینیومی در دیواره های واگن ها توانسته خواص ایرودینامیکی را بهبود، مقاومت در برابر باد را کاهش و نیاز به رنگ کاری دیواره ها را حذف نماید که در نتیجه این موارد هزینه های تولید کاهش می یابد.
یکی دیگر از موارد کاربرد آلومینیوم در صنعت ریلی، استفاده از آن برای تولید واگن های حمل اتومبیل و خودروست. طراحی و ساخت واگن های باری برای انتقال اتومبیل و خودرو این امکان را فراهم نموده است که اتومبیل ها سریعتر و ایمن تر به دست مشتریان خود برسند. شرکت JohnStone America اولین واگن باری از این نوع را در تاریخ سوم آگوست سال ۲۰۰۴ روانه بازار نمود این واگن در شکل ۲ نشان داده شده است.
شکل۲ – واگن آلومینیومی مخصوص حمل اتومبیل و خودرو (AVC)
یکی از فواید استفاده از آلومینیوم در ساخت واگن های باری این است که می توان با به کار بردن مقاطع اکسترودی تو خالی، دیواره های متحرک را برای این واگن ها طراحی و تولید نمود. در مقایسه با دیواره های فولادی معمول، امکان ساخت دیواره های متحرک با تعداد قطعات کمتر و در نتیجه جوشکاری کمتر فراهم می آید. همچنین نکته مهم دیگر این است که یک کارگر به تنهایی می تواند آن را به کار برده و کنترل نماید و در نتیجه تعداد نیروی انسانی کاهش می یابد. در نهایت، یکی دیگر از فواید استفاده از آلومینیوم در واگن های باری این است که بعد از اتمام دوره عمر این واگن ها و بازیابی مواد آنها، آلومینیوم ارزش بالای خود را حفظ می نماید. به عنوان مثال، اخیراً چند صد تن از این واگن های باری که در سال ۱۹۶۷ ساخته شده بودند به قیمت ۹۰ درصد هزینه تولید اولیه به فروش رسیدند.

ترن ها و قطارهای مسافربری

این دسته از ترن ها و قطارها، طراحی و ساختارهای متفاوتی داشته و شامل انواع ترن ها و قطارهای مورد استفاده برای حمل مسافر در درون و بیرون شهر می شوند. قطارهای سریع السیر و بین شهری و همچنین قطارهای مترو نیز جزو این دسته قرار می گیرند. در طراحی ترن های مسافربری وزن صندلی ها و مسافران باید در نظر گرفته شود. معمولاً برای ساخت ترن های مسافربری از مقاطع اکسترودی طولی استفاده شده و سپس این مقاطع در امتداد طول به هم جوش داده می شوند. به عبارتی طول پروفیل های اکسترودی، طول یک واگن ترن را تشکیل می دهد. به عنوان مثال طول این مقاطع برای ترن های متروی واشنگتن، ۷۵ فوت است. در طراحی و ساخت قسمت های مختلف یک واگن مسافربری مانند کف، دیواره ها، مناطق نزدیک چرخ ها، درب ها و پنجره ها و نیز تمهیدات خاصی برای مستحکم سازی آن ها اندیشیده می شود.
همانگونه که قبلاً در مورد واگن های باری نیز اشاره شد، برای ساخت واگن های آلومینیومی در مقایسه با واگن های فولادی مشابه، هم تعداد قطعات کاهش یافته و هم اینکه مقدار جوشکاری مورد نیاز نیز کاسته می شود. در نهایت با استفاده از آلومینیوم، سازه ای به دست می آید که قابلیت تحمل بارهای پیچیده و نیروهای ایرودینامیکی را نیز دارد. استفاده از آلومینیوم در ترن های مترو از اهمیت بسزایی برخوردار است، چرا که این ترن ها به هنگام سرویس دهی توقف و حرکت مداوم دارند و در نتیجه کاهش وزن این ترن ها منجر به کاهش انرژی مصرفی و افزایش شتاب گیری آن ها بعد از توقفشان می شود. علاوه بر این، دوام و مقاومت به خوردگی آلومینیوم از هزینه های نگهداری کاسته و بر عمر این ترن ها می افزاید.
یکی از تکنولوژی های جدید، تولید قطارهای کج شونده می باشد. این تکنولوژی در سال ۲۰۰۲ بر روی ترن Acela اعمال شد. برای توضیح این تکنولوژی باید به این نکته اشاره نمود که یک دوچرخه سوار به هنگام عبور از یک پیچ، چنانچه کج شود، به راحتی می تواند پیچ را پشت سر بگذارد. در مورد قطارها و ترن های بین شهری نیز این موضوع صادق است. با استفاده از این تکنولوژی یک ترن می تواند به هنگام عبور از پیچ ها، تا ۳۵ درصد سرعت بالاتری نسبت به قطارها و ترن های معمولی داشته باشد. تکنولوژی مذکور، باعث بهبود سرعت قطارها و ترن های بین شهری شده است، بدون اینکه نیازی به بهبود خط ریلی و یا ایجاد خطوط جدید باشد. (شکل ۳)
شکل۳ – ترن سریع السیرAcela مجهز به سیستم کج شونده در پیچها
امروزه از ترن های کج شونده در سرتاسر اروپا استفاده می شود. رکورد سرعتی که در مورد این نوع ترن ها در کشور چک به ثبت رسیده، ۲۳۷km/hr می باشد. تلاش ها برای بهبود این سیستم همچنان ادامه دارد و همچنان آلومینیوم به عنوان فلزی سبک وزن، بهترین گزینه در طراحی این نوع قطارها محسوب می گردد. استفاده از آلومینیوم در ساختار یک ترن دو طبقه باعث افزایش سرعت این ترن از ۲۲۰ تا ۲۷۰ کیلومتر بر ساعت شده است. قطارهای سریع السیر پیشرفته به قطارهایی اطلاق می گردد که برای استفاده از آنها نیازمند تغییر و تحول خطوط ریلی معمولی بوده و یا به طور کلی به خطوط ریلی جدید نیاز داشته باشند. یک مثال از این گروه ترن های maglev می باشد که نیازمند طراحی خطوط ریلی جدید است. این قطارها در آلمان و ژاپن در حال توسعه و گسترش می باشند. گزارش شده که سرعت ترن maglev در تست آزمایشی خود به ۵۸۱Km نیز رسیده است. همانگونه که انتظار می رود برای رسیدن به این سرعت های بالا، آلومینیوم نقش بسزایی دارد چرا که موجب کاهش وزن ترن ها می گردد. بنابراین علاوه بر پروفیل های اکسترودی طولی از صفحات آلومینیومی برای ساخت دیواره های این ترن ها و قطارها استفاده می گردد. شکل ۴ نشان دهنده ترن maglev می باشد.
شکل۴ – ترن سریع السیر پیشرفته Maglev
اگرچه معلوم نیست و نمی توان حدس زد که تکنولوژی قطارهای سریع السیر تا کجا پیشروی نموده و یا حتی به کجا خواهد رسید اما به این نکته می توان اشاره نمود که بدون استفاده از آلومینیوم دستیابی به چنین پیشرفتی در حوزه حمل ونقل ریلی امکان پذیر نبود. در جدول ۱ خواص کلیدی آلومینیومی و اثر آن بر کاربرد این فلز در حوزه ریلی ذکر گردیده است.
                                                    کاربرد های باری
ویژگی اثر
سبکی-افزایش ظرفیت بار مفید، کاهش سوخت مصرفی

-افزایش هزینه های تولید

دوام-هزینه نگهداری کم

-قابلیت بازیابی فلز از قراضه زیاد می باشد

مقاومت به خوردگی -کاهش یا حذف نیاز به رنگ آمیزی
قابلیت تولید شامل:

قابلیت جوش پذیری،

شکل پذیری،اکسترود پذیری و …

 

-طراحی های جدید

-کاهش وزن به همراه افزایش سختی مقاطع

-بهبود طراحی دیواره ها موجب کاهش نیروی انسانی

-کاهش تعداد قطعات لازم

-کاهش نیاز به جوشکاری و ماشینکاری

قابلیت بازیابی-دستیابی به صنعت پایدار

-حفظ مقدار بالای (Engine-On-Load)EOL

                                                        کاربرد های مسافربری
ویژگیاثر
سبکی-کاهش انرژی مصرفی (برای مترو)

-افزایش نرخ شتاب گیری بعد از توقف (برای مترو)

ساختار مستحکم-افزایش امنیت مسافر

-افزایش قابلیت کنترل در طراحی ترن های کج شونده

مقاومت به خوردگی-کاهش هزینه نگهداری

-کاهش نیاز به رنگ کاری

– افزایش عمر کاری

قابلیت بازیابی-دسترسی به صنعت پایدار

-حفظ مقدار بالای(Engine-On-Load)EOL

آلیاژهای آلومینیوم مصرفی در حمل ونقل ریلی

انتخاب آلیاژهای آلومینیوم برای استفاده در صنعت حمل و نقل ریلی با توجه به فاکتورهای راحتی تولید، استحکام مکانیکی، جوش پذیری و مقاومت به خوردگی صورت می گیرد. بر این اساس، آلیاژهای آلومینیوم – منیزیم (سری ۵xxx ) و آلیاژهای آلومینیوم – منیزیم – سیلیسیم ( سری ۶xxx ) برای این منظور استفاده می شوند. آلیاژهای سری ۵xxx عملیات حرارتی پذیر نبوده و استحکام مکانیکی را از طریق کار سرد به دست می آورند. این آلیاژها استحکام متوسط، مقاومت به خوردگی و جوش پذیری عالی دارند. در مقایسه، آلیاژهای سری ۶xxx عملیات حرارتی پذیر بوده، استحکام بالاتر و جوش پذیری و مقاومت به خوردگی مناسبی دارند. ورق ها و صفحاتی که در تولید تجهیزات متحرک ریلی استفاده می شوند از جنس ۵۰۵۲،۵۰۸۳،۵۰۸۶،۵۴۵۴ و۶۰۶۱ می باشند و تا حد کمی ۷۰۰۵ انتخاب می شود.
اخیراً آلیاژهای جدیدتری مثل آلیاژهای ۵۰۵۹،۵۳۸۳،۶۰۸۲ نیز مورد استفاده قرار گرفته اند. با گسترش تکنولوژی جوشکاری استفاده از آلیاژهای سری ۷xxx و ۲xxx که استحکام بیشتری دارند ولی از قابلیت جوشکاری ضعیفی برخوردارند، نیز در حال افزایش است. در قطارهای سریع السیر پیشرفته نیز از مواد فوق استفاده می شود. به عنوان مثال در ترن Japanese Shinkansen از آلیاژ ۵۰۸۳ و آلیاژ ۷۰۷۵ و در ترن German Trans rapid از ورق ۵۰۰۵ به عنوان پانل و پروفیل های اکسترودی ۶۰۰۵،۶۰۶۳،۶۰۶ استفاده شده است. تحقیقات انجام شده در سال های گذشته، بر روی آلیاژهای جدید حاوی مقادیر کم اسکاندیم متمرکز شده است. اسکاندیم عنصری است که بیشترین اثر را در استحکام بخشی به آلومینیوم نسبت به دیگر عناصر دارد. ثابت شده است که اضافه کردن مقادیر کم اسکاندیم (۰٫۲ – ۰٫۱ درصد وزنی) به آلومینیوم موجب بهبود خواص مکانیکی، ریزدانه شدن ساختار آلیاژهای آلومینیوم کارپذیر و بهبود جوش پذیری از طریق کاهش ترک گرم در منطقه جوش می شود.

. با توجه به اینکه خواص مذکور به طور کامل مربوط به کاربرد آلومینیوم در صنعت حمل ونقل ریلی است، لذا برای بررسی اینکه آیا آلیاژهای ۵xxx،۶xxx،۷xxx حاوی مقادیر کم اسکاندیم می تواند با استفاده از تکنولوژی جوشکاری FSW موجب بهبود عملکرد آلیاژهای آلومینیوم در تجهیزات متحرک ریلی گردد، تحقیقات و آزمایش هایی پایه ریزی شد. اضافه کردن اسکاندیم به آلیاژهای سری ۷xxx موجب بهبود خواص مکانیکی، جوش پذیری و مقاومت به خوردگی می شود. ولی از سوی دیگر سرعت اکستروژن این مواد را تا حد زیادی کاهش می دهد. و بنابراین هزینه های تولید افزایش می یابد. لذا بررسی این نکته که آیا افزایش خواص مکانیکی، بهبود جوش پذیری و مقاومت به خوردگی در اثر اضافه کردن اسکاندیم به آلیاژهای سری ۷xxx، توجیه کننده افزایش هزینه های مواد اولیه و تولید خواهد بود یا خیر، ضروری به نظر می رسد.

جوشکاری FSW و نقش آن در جوشکاری قطعات آلومینیومی

همانگونه که ذکر شد متصل کردن و جوشکاری قطعات آلومینیومی یکی از موارد مهمی است که در سال های اخیر بر روی آن پیشرفت های بزرگی حاصل شده است. گسترش تکنولوژی جوشکاری FSW یکی از مواردی می باشد که نه تنها بر صنعت آلومینویم تاثیر فراوانی داشته است، بلکه موجب مطرح شدن آلومینیوم به عنوان یک فلز رقابتی در بسیاری از حوزه ها شده است. شکل ۲۰ شماتیکی از این تکنولوژی را به نمایش می گذارد. به دلیل نقطه ذوب پایین، هدایت حرارتی و داکتیلیته بالای آلومینیوم، تکنولوژی جوشکاری FSW از همان ابتدا (اوایل ده ۱۹۹۰) با این فلز به سرعت رشد نموده است. این تکنولوژی امکان اتصال آلیاژهایی که قبلاً جوش پذیری مناسبی را نداشتند فراهم آورده است و حتی در اغلب موارد باعث بهبود خواص مکانیکی و مقاومت به خوردگی می گردد.
تجارت عملی استفاده از تکنولوژی جوشکاری FSW نشان می دهد که استفاده از آن موجب افزایش قابلیت اتوماسیون تولید، بهبود تلرانس ابعادی، کاهش تنش های پسماند و کاهش نیروی انسانی می شود. از این تکنولوژی معمولاً برای اتصال دو قطعه ای که لبه طولانی و مستقیم الخطی دارند استفاده می شود. البته جوشکاری در مسیر یک منحنی نیز امکان پذیر می باشد.
شکل۵ – قطعه در حال جوشکاری از طریق سیستم جوشکاری FSW

در تولید خودرو و تجهیزات متحرک ریلی، استفاده از تکنولوژی FSW برای جوشکاری لبه ای پروفیل های طویل اکسترود شده بسیار مناسب می باشد و این حقیقت که تکنولوژی FSW می تواند اتصال آلیاژهای سری ۲xxx و۷xxx (که به صورت سنتی مشکل جوش پذیری داشته اند) را فراهم نماید. وجهه رقابتی بیشتری به آن می بخشد. مطالعات اخیر نشان داده است که استفاده از تکنولوژی FSW دراتصال قطعات واگن های باری آلومینیومی، موجب کاهش بیست درصدی هزینه ها در مقایسه با حالت اتصال با پرچ شده است.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *