عارضة سكة حديدية

كان نوع دعامات السكك الحديدية المستخدمة في الخطوط السابقة لأول خط سكة حديد حقيقي ( خط ليفربول ومانشستر ) يتألف من زوج من الكتل الحجرية المغروسة في الأرض، مع تثبيت الكراسي التي تحمل القضبان على هذه الكتل. ومن مزايا هذه الطريقة في البناء أنها سمحت للخيول بالمرور عبر المسار الأوسط دون خطر التعثر. ومع استخدام السكك الحديدية مع قاطرات أثقل وزنًا، تبيّن صعوبة الحفاظ على المقياس الصحيح . وعلى أي حال، لم تكن الكتل الحجرية مناسبة للأرض الرخوة، كما هو الحال في تشات موس ، حيث كان لا بد من استخدام دعامات خشبية. وتُعدّ دعامات الكتلتين المزودة بقضيب ربط مشابهة إلى حد ما.

تاريخيًا ، كانت تُصنع روابط السكك الحديدية الخشبية عن طريق النحت بالفأس، وتُسمى روابط الفأس ، أو النشر للحصول على جانبين مسطحين على الأقل. تُستخدم أنواع مختلفة من الأخشاب اللينة والصلبة في صناعة هذه الروابط، ويُعد البلوط والجاراه والكاري من الأخشاب الصلبة الشائعة، على الرغم من صعوبة الحصول عليها بشكل متزايد، خاصةً من مصادر مستدامة. ^{[ 6 ]} تستخدم بعض الخطوط الأخشاب اللينة ، بما في ذلك خشب التنوب دوغلاس ؛ ورغم أنها تتميز بسهولة معالجتها ، إلا أنها أكثر عرضة للتآكل، ولكنها أرخص وأخف وزنًا (وبالتالي أسهل في التعامل) وأكثر توفرًا. ^{[ 6 ]}

تُعالج الأخشاب اللينة، ويُعدّ الكريوزوت أكثر المواد الحافظة شيوعًا لعوارض السكك الحديدية. تشمل المواد الحافظة الأخرى المستخدمة خماسي كلوروفينول وأرسينات النحاس الكروماتية . تُستخدم أحيانًا مواد حافظة غير سامة، مثل أزول النحاس أو النحاس المُجزأ . تستخدم شركات السكك الحديدية الأمريكية الكبرى تقنية جديدة لحفظ الأخشاب تعتمد على البورون في عملية معالجة مزدوجة لإطالة عمر عوارض السكك الحديدية الخشبية في المناطق الرطبة. ^{[ 7 ]} بعض أنواع الأخشاب (مثل خشب السال ، والمورا ، والجاراه ، والأزوبي ) متينة بما يكفي لاستخدامها دون معالجة. ^{[ 8 ]}

تشمل مشاكل روابط الكراسي الخشبية التعفن، والتشقق، وانتشار الحشرات، وتلف الصفيحة (المعروف أيضًا باسم "انزلاق الكرسي" في المملكة المتحدة) (تلف ناتج عن احتكاك صفيحة الربطة بالجدار نتيجة حركتها الجانبية)، وانفصال المسمار (حيث ينفصل المسمار تدريجيًا عن الربطة). كما أن روابط الكراسي الخشبية قابلة للاشتعال؛ فمع مرور الوقت، تتشقق وتسمح للشرر بالاستقرار فيها، مما يزيد من احتمالية نشوب الحرائق.

تُعدّ روابط السكك الحديدية الخرسانية أرخص وأسهل في الحصول عليها من الروابط الخشبية ، كما أنها أكثر قدرة على تحمل أوزان محاور أعلى وسرعات أكبر. ويضمن وزنها الأكبر ثباتًا أفضل لهندسة السكة ، خاصةً عند تركيبها مع قضبان ملحومة بشكل مستمر. تتميز الروابط الخرسانية بعمر خدمة أطول وتتطلب صيانة أقل من الروابط الخشبية نظرًا لوزنها الأكبر، مما يساعدها على البقاء في موضعها الصحيح لفترة أطول. يجب تركيب الروابط الخرسانية على طبقة أساسية مُجهزة جيدًا بعمق كافٍ على طبقة حصى جيدة التصريف لضمان الأداء الأمثل. من المفاهيم الخاطئة الشائعة أن الروابط الخرسانية تُضخّم ضوضاء العجلات. وقد أثبتت دراسة أُجريت ضمن فعاليات مؤتمر يورونويز 2018 خطأ هذا الاعتقاد، حيث أظهرت أن الروابط الخرسانية أقل ضوضاءً بمعدل 2 ديسيبل (A) من الروابط الخشبية، إلا أنها تتميز بحدة صوتية أكبر على امتدادات السكة المستقيمة. ومع ذلك، فقد تبين أن الروابط الخرسانية أقل ضوضاءً من الروابط الخشبية بشكل عام عبر نطاق التردد المسموع على المنحنيات. ^{[ 9 ]} وهذا ما يجعل ضوضاء القطار عند مروره فوق الروابط الخرسانية تُدرك ذاتيًا على أنها أعلى من ضوضاء القطار عند مروره فوق الروابط الخشبية.

في أعلى فئات الخطوط في المملكة المتحدة (تلك التي تتميز بأعلى السرعات والأطنان)، تعتبر روابط الخرسانة مسبقة الإجهاد هي الوحيدة المسموح بها وفقًا لمعايير شركة السكك الحديدية الوطنية .

تستخدم معظم خطوط السكك الحديدية الأوروبية الآن أيضًا دعامات خرسانية في المحولات وتخطيطات التقاطعات نظرًا لعمرها الأطول وتكلفتها المنخفضة مقارنة بالخشب، الذي أصبح من الصعب والمكلف بشكل متزايد الحصول عليه بكميات وجودة كافية.

تُصنع روابط السكك الحديدية الفولاذية من الفولاذ المضغوط، وتتميز بمقطع عرضي على شكل حوض. تُشكل نهايات الرابطة على هيئة "مجرفة" لزيادة مقاومتها الجانبية. تُلحم تجاويف نظام التثبيت على سطح الرابطة العلوي. تُستخدم روابط السكك الحديدية الفولاذية على نطاق واسع في خطوط السكك الحديدية الثانوية أو ذات السرعات المنخفضة في المملكة المتحدة، حيث أثبتت جدواها الاقتصادية في التركيب نظرًا لإمكانية تركيبها على طبقة الحصى الموجودة. تتميز روابط السكك الحديدية الفولاذية بخفة وزنها مقارنةً بالخرسانة، كما يمكن تكديسها في حزم صغيرة على عكس الأخشاب. يمكن تركيب روابط السكك الحديدية الفولاذية على طبقة الحصى الموجودة، على عكس روابط الخرسانة التي تتطلب طبقة حصى جديدة كاملة العمق. روابط السكك الحديدية الفولاذية قابلة لإعادة التدوير بنسبة 100%، وتتطلب كمية حصى أقل بنسبة تصل إلى 60% من روابط الخرسانة، وأقل بنسبة تصل إلى 45% من روابط الخشب.

لطالما عانت روابط السكك الحديدية الفولاذية من سوء التصميم وزيادة أحمال المرور عليها خلال عمرها التشغيلي الطويل. وقد حدّت هذه التصاميم القديمة، والتي غالباً ما تكون بالية، من قدرة التحميل والسرعة، إلا أنها لا تزال موجودة في العديد من المواقع حول العالم وتؤدي وظيفتها بكفاءة رغم عقود من الخدمة. يوجد عدد كبير من روابط السكك الحديدية الفولاذية التي يزيد عمرها عن 50 عاماً، وفي بعض الحالات، يمكن إعادة تأهيلها، وقد تم ذلك بالفعل، ولا تزال تعمل بشكل جيد. كما استُخدمت روابط السكك الحديدية الفولاذية في ظروف خاصة، مثل سكة حديد الحجاز في شبه الجزيرة العربية ، حيث جعل المناخ الجاف والحار روابط السكك الحديدية الخشبية غير مناسبة. ^{[ 10 ]}

تتحمل روابط السكك الحديدية الفولاذية الحديثة الأحمال الثقيلة، ولها سجل أداء مثبت في خطوط السكك الحديدية المزودة بإشارات ضوئية، كما أنها تتحمل ظروف السكك الحديدية القاسية. ومن الأمور بالغة الأهمية لشركات السكك الحديدية أن روابط السكك الحديدية الفولاذية أكثر اقتصادية في التركيب في الإنشاءات الجديدة مقارنةً بروابط الخشب المعالجة بالكريوزوت وروابط الخرسانة. تُستخدم روابط السكك الحديدية الفولاذية في جميع قطاعات أنظمة السكك الحديدية العالمية تقريبًا، بما في ذلك النقل الثقيل، والسكك الحديدية من الدرجة الأولى، والسكك الحديدية الإقليمية، والخطوط القصيرة، والتعدين، وخطوط نقل الركاب الكهربائية، وجميع أنواع الصناعات. والجدير بالذكر أن روابط السكك الحديدية الفولاذية (العوارض) أثبتت على مدى العقود القليلة الماضية أنها مفيدة في المحولات (نقاط التحويل)، وتوفر حلاً لمشكلة روابط الخشب الطويلة المتزايدة باستمرار لهذا الاستخدام.

عند عزلها لمنع التوصيل الكهربائي عبر العوارض، يمكن استخدام العوارض الفولاذية مع أنظمة كشف القطارات وأنظمة سلامة المسار القائمة على الدوائر الكهربائية . أما بدون عزل، فلا يمكن استخدام العوارض الفولاذية إلا على الخطوط التي لا تحتوي على إشارات مرور أو تقاطعات سكك حديدية ، أو على الخطوط التي تستخدم أشكالاً أخرى من أنظمة كشف القطارات مثل عدادات المحاور .

في الآونة الأخيرة، بدأت عدة شركات ببيع روابط سكك حديدية مركبة مصنوعة من راتنجات بلاستيكية معاد تدويرها ^{[ 11 ]} ومطاط معاد تدويره . ويدّعي المصنّعون أن عمرها الافتراضي أطول من الروابط الخشبية، حيث يتراوح بين 30 و80 عامًا، وأنها مقاومة للتعفن وهجمات الحشرات [ ^{12 ] [ 13 ] [ 14 ] ،} وأنه يمكن تعديلها بإضافة تجويف خاص في أسفلها لتوفير ثبات جانبي إضافي ^{[ 12 ]} . وفي بعض تطبيقات السكك الحديدية الرئيسية، تتميز الروابط البلاستيكية الهجينة بتصميم مجوف بحيث تُحاط بالكامل بالحصى.

إلى جانب الفوائد البيئية لاستخدام المواد المعاد تدويرها، تُستخدم روابط بلاستيكية عادةً بدلاً من روابط الخشب المغموسة في الكريوزوت، وهي مادة كيميائية سامة، ^{[ 15 ]} وهي قابلة لإعادة التدوير نظرياً. ^{[ 12 ]} ومع ذلك، قد تُطلق المواد البلاستيكية جزيئات بلاستيكية دقيقة وتُسرّب مواد كيميائية أخرى قد تكون سامة، مثل مثبطات الأشعة فوق البنفسجية.

تُستخدم روابط السكك الحديدية البلاستيكية الهجينة والروابط المركبة في تطبيقات أخرى للسكك الحديدية، مثل عمليات التعدين تحت الأرض، ^{[ 16 ]} والمناطق الصناعية، والبيئات الرطبة، والمناطق ذات الكثافة السكانية العالية. كما تُستخدم روابط السكك الحديدية الهجينة لاستبدال روابط الخشب المتآكلة، مما يُؤدي إلى دمج الروابط الهجينة والخشبية، وبالتالي الحفاظ على صلابة المسار بشكل مستمر. وتُوفر الروابط البلاستيكية الهجينة والروابط المركبة فوائد أيضًا في الجسور والأنفاق، لأنها تُؤدي إلى توزيع أفضل للقوى وتقليل الاهتزازات في عوارض الجسر أو الحصى على التوالي. ويعود ذلك إلى خصائص التخميد المُحسّنة للروابط البلاستيكية الهجينة والروابط المركبة، مما يُقلل من شدة الاهتزازات والضوضاء. ^{[ 17 ]} في عام 2009، أعلنت شركة "نتورك ريل" أنها ستبدأ باستبدال الروابط الخشبية بالبلاستيك المُعاد تدويره. ^{[ 18 ]} إلا أن شركة "آي-بلاس" أفلست في أكتوبر 2012. ^{[ 19 ]}

في عام ٢٠١٢، طلبت نيوزيلندا دفعة تجريبية من روابط السكك الحديدية المركبة المعاد تدويرها من علامة "EcoTrax" التجارية من شركة أكسيون لاستخدامها في محولات السكك الحديدية والجسور، ^{[ ٢٠ ] [ ٢١ ]} وطلبت دفعة أخرى لمدة ثلاث سنوات في عام ٢٠١٥، ^{[ ٢٢ ]} إلا أن شركة أكسيون أعلنت إفلاسها في ديسمبر ٢٠١٥، ^{[ ٢٣ ]} مع أنها لا تزال تمارس نشاطها التجاري. ^{[ ٢٤ ]} وقد طوّر هذه الروابط الدكتور نوسكر في جامعة روتجرز. ^{[ ٢٥ ]}

تم استخدام العوارض المركبة، المصنعة من أنواع مختلفة من البلاستيك المعاد تدويره، في ويلتشير بالمملكة المتحدة عام 2021. وقد تم تركيبها كبديل للعوارض الخشبية على جسر كانت العوارض الخرسانية ثقيلة للغاية عليه. ورغم أنها كانت أول حالة يتم فيها تركيب عوارض بلاستيكية على خط سكة حديد رئيسي في البلاد، إلا أنها استُخدمت سابقًا على خطوط السكك الحديدية الضيقة . ^{[ 26 ]}

يمكن أيضًا صنع ربطات العنق من الألياف الزجاجية . ^{[ 27 ]}

تُستخدم عوارض العجلات في الأماكن التي تتطلب دعماً هيكلياً إضافياً، مثل الجسور أو أسفل نقاط التحويل. تُوضع عوارض التقاطع عمودياً على السكة، وهي أطول أو أعرض من عوارض السكك الحديدية التقليدية ^{[ 28 ]} . عند استخدامها على جسر، يمكن ربطها بالجسر لتوفير جزء من قوته الهيكلية. أما عوارض التوجيه أو عوارض العجلات الطولية، فهي عوارض عجلات تُوضع موازية للمسار بدلاً من طبقة الحصى، وعادةً ما تُستخدم على الجسور ^{[ 28 ] [ 29 ]} .

يُعدّ الرباط على شكل حرف Y شكلاً غير مألوف من أشكال الربط، وقد طُوّر لأول مرة عام 1983. وبالمقارنة مع الروابط التقليدية، يقلّ حجم الحصى المطلوب بفضل خصائص توزيع الحمل التي يتميّز بها هذا الرباط. ^{[ 30 ]} صحيح أن مستويات الضوضاء مرتفعة، إلا أن مقاومة حركة السكة ممتازة. ^{[ 31 ]} أما بالنسبة للمنحنيات، فإنّ التلامس ثلاثي النقاط للرباط الفولاذي على شكل حرف Y يعني عدم إمكانية تحقيق تطابق هندسي دقيق مع نقطة تثبيت ثابتة.

المقطع العرضي للروابط هو عبارة عن عارضة على شكل حرف I. ^{[ 32 ]}

اعتبارًا من عام 2006، تم بناء أقل من 1000 كيلومتر (621 ميلًا) من مسارات الربط على شكل حرف Y، منها حوالي 90 بالمائة في ألمانيا . ^{[ 30 ]}  

يتم تصنيع وصلة ZSX المزدوجة بواسطة شركة Leonhard Moll Betonwerke GmbH & Co KG، وهي عبارة عن زوج من وصلات الخرسانة مسبقة الإجهاد متصلة طوليًا بأربعة قضبان فولاذية. ^{[ 33 ]} يُقال إن هذا التصميم مناسب للسكك الحديدية ذات المنحنيات الحادة، والسكك الحديدية المعرضة للإجهاد الحراري مثل تلك التي تشغلها القطارات المزودة بفرامل دوامية ، والجسور، وكخط انتقالي بين السكك الحديدية التقليدية والسكك الخرسانية أو الجسور. ^{[ 34 ]}

تم إنتاج روابط خرسانية أحادية الكتلة بأحجام أعرض (مثل 57 سم أو 22.5 بوصة ) بحيث لا توجد طبقة من الحصى بينها؛ يزيد هذا العرض من المقاومة الجانبية ويقلل من ضغط الحصى. [ 35 ] ^{[ 36 ] [ 37 ] وقد استُخدم هذا} النظام في ألمانيا ^{[ 38 ]} حيث استُخدمت الروابط العريضة أيضًا مع أنظمة مسارات GETRAC A3 الخالية من الحصى. ^{[ 39 ] [ 40 ]}  

تتكون روابط السكك الحديدية ثنائية الكتلة (أو المزدوجة) من دعامتين خرسانيتين متصلتين بقضيب فولاذي. تشمل مزاياها زيادة المقاومة الجانبية وانخفاض الوزن مقارنةً بروابط السكك الحديدية أحادية الكتلة، بالإضافة إلى تجنب التلف الناتج عن قوى الالتواء في مركز الروابط بفضل مرونة الوصلات الفولاذية. ^{[ 41 ]} يُستخدم هذا النوع من الروابط على نطاق واسع في فرنسا، ^{[ 42 ]} ويُستخدم في خطوط قطارات TGV فائقة السرعة . ^{[ 43 ]} كما تُستخدم روابط السكك الحديدية ثنائية الكتلة في أنظمة السكك الحديدية بدون حصى. ^{[ 42 ]} ويمكن تغيير عرضها عن طريق قص ولحام القضيب الفولاذي ليناسب العرض الجديد.

تتألف روابط الإطار ( بالألمانية : Rahmenschwelle ) من عناصر جانبية وطولية في قالب خرساني متجانس واحد. ^{[ 32 ]} يُستخدم هذا النظام في النمسا ؛ ^{[ 32 ]} حيث يُثبّت المسار في الزوايا الأربع للإطار، ويُدعّم أيضًا في منتصفه. وتكون روابط الإطار المتجاورة متلاصقة. ومن مزايا هذا النظام مقارنةً بالسكك الحديدية التقليدية زيادة الدعم للمسار. إضافةً إلى ذلك، فإن طرق الإنشاء المستخدمة لهذا النوع من المسارات مشابهة لتلك المستخدمة في المسارات التقليدية. ^{[ 44 ]}

في مسار السلم، تُمدد العوارض الخشبية بالتوازي مع القضبان ويبلغ طولها عدة أمتار . يشبه هذا الهيكل مسار برونيل ذي العوارض؛ ويمكن استخدام هذه العوارض الطولية مع الحصى، أو مع دعامات مطاطية على دعامة صلبة غير مغطاة بالحصى.