هندسة المسار

التخطيط الأفقي هو تخطيط المسار على المستوى الأفقي. ويمكن اعتباره بمثابة المسقط الأفقي ، وهو رؤية ثلاثية الأبعاد للمسار من أعلى. في هندسة المسارات، يشمل التخطيط الأفقي ثلاثة أنواع رئيسية من المسارات: المسار المستقيم (الخط المماس)، والمسار المنحني ، ومنحنى انتقال المسار (يُسمى أيضًا باللولب الانتقالي أو اللولبي ) الذي يربط بين المسار المستقيم والمسار المنحني. ويمكن تصنيف المسارات المنحنية إلى ثلاثة أنواع. النوع الأول هو المنحنى البسيط، وله نفس نصف القطر على امتداده. النوع الثاني هو المنحنى المركب، ويتكون من منحنيين بسيطين أو أكثر بنصف قطر مختلف، ولكن لهما نفس اتجاه الانحناء. أما النوع الثالث فهو المنحنى العكسي ، ويتكون من منحنيين بسيطين أو أكثر، ولهما اتجاه انحناء معاكس (يُعرف أحيانًا بمنحنى "S" أو المنحنى المتعرج). ^{[ 4 ] [ 5 ]}

في أستراليا، يوجد تعريف خاص للمنعطف ( أو المنعطف الأفقي ) وهو عبارة عن وصلة بين مسارين متماسين بزاوية تقارب 180 درجة (بانحراف لا يتجاوز درجة و50 دقيقة ) دون وجود منحنى وسيط. وتوجد مجموعة من حدود السرعة للمنعطفات منفصلة عن حدود السرعة للمسارات المتماسة العادية. ^{[ 6 ]}

التخطيط الرأسي هو تخطيط المسار على المستوى الرأسي. ويمكن اعتباره بمثابة المنظر الجانبي للمسار الذي يُظهر ارتفاعه. في هندسة المسارات، يتضمن التخطيط الرأسي مفاهيم مثل المستوى العرضي، والميل، والانحدار.

السكة المرجعية هي السكة الأساسية التي تُستخدم كنقطة مرجعية للقياس. وقد تختلف هذه السكة من بلد لآخر. تستخدم معظم الدول إحدى السكتين كسكة مرجعية. على سبيل المثال، في أمريكا الشمالية، تُستخدم السكة المرجعية كخط السكة الرئيسي ، وهي السكة الشرقية للمسار المماسي الممتد من الشمال إلى الجنوب، أو السكة الشمالية للمسار المماسي الممتد من الشرق إلى الغرب، أو السكة الخارجية (السكة الأبعد عن المركز) في المنحنيات، أو السكة الخارجية في المناطق متعددة المسارات. ^{[ 7 ]} أما في السكك الحديدية السويسرية، فالسكة المرجعية للمسار المماسي هي الخط المركزي بين سكتين، بينما هي السكة الخارجية للمسار المنحني. ^{[ 8 ]}

مستوى التقاطع (أو "مستوى التقاطع") هو قياس فرق الارتفاع بين السطح العلوي للقضيبين عند أي نقطة على مسار السكة الحديدية. تُقاس النقطتان (كل منهما عند رأس كل قضيب) بزاوية قائمة على القضيب المرجعي . ولأن القضيب قد يتحرك قليلاً لأعلى ولأسفل، يجب إجراء القياس تحت الحمل.

يُقال إن مستوى التقاطع صفري عندما لا يكون هناك فرق في ارتفاع كلا القضيبين. ويُقال إنه مستوى تقاطع عكسي عندما يكون ارتفاع القضيب الخارجي للمسار المنحني أقل من ارتفاع القضيب الداخلي. وفيما عدا ذلك، يُعبّر عن مستوى التقاطع بوحدة الارتفاع.

تُحدد حدود السرعة بناءً على مستوى التقاطع للمسار. في المسارات المستقيمة، يُفضل أن يكون مستوى التقاطع صفراً. مع ذلك، قد يحدث انحراف عن الصفر. تتضمن العديد من اللوائح مواصفات تتعلق بحدود السرعة لأجزاء معينة من المسار بناءً على مستوى التقاطع. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

بالنسبة للمسارات المنحنية، تستخدم معظم الدول مصطلح الميل أو الارتفاع الفائق للتعبير عن الفرق في الارتفاع واللوائح ذات الصلة.

الالتواء هو الفرق في مستوى العرض بين أي نقطتين ضمن مسافة محددة على طول المسار. تُستخدم معلمة الالتواء في هندسة المسار لتحديد الحد الأقصى لفرق مستوى العرض في أي جزء من المسار (المماسات، والمنحنيات، واللوالب).

بدون تحديد الحد الأقصى لمعامل الانحناء، قد لا يكون تنظيم مستوى التقاطع وحده كافيًا. لنفترض وجود قضبان ذات مستوى تقاطع موجب، يليه مستوى تقاطع سالب، ثم سلسلة من مستويات التقاطع الموجبة والسالبة بالتناوب. على الرغم من أن جميع مستويات التقاطع هذه تقع ضمن الحدود المسموح بها، إلا أن حركة القطار على هذا المسار ستؤدي إلى تأرجحه يمينًا ويسارًا. لذلك، يُستخدم الحد الأقصى لمعامل الانحناء لمنع حالة التأرجح التوافقي الحرجة التي قد تؤدي إلى تأرجح القطارات ذهابًا وإيابًا وخروجها عن القضبان بعد صعود العجلات. ^{[ 10 ]}

في أمريكا الشمالية، تبلغ المسافة المحددة المستخدمة للقياس لضمان أن يكون فرق مستوى العرض للمسار ضمن معيار الانحناء المسموح به 62 قدمًا. ويُفترض أن يكون انحناء التصميم صفرًا لكل من المسارات المستقيمة والمنحنية. وهذا يعني، من الناحية المثالية، أنه لا ينبغي أن يتغير مستوى العرض بين أي نقطتين ضمن مسافة 62 قدمًا. توجد بعض الاستثناءات للسماح بتغير مستويات العرض على طول المسار (مثل تغير الارتفاع الجانبي في المنحنيات). وتحدد مستويات مختلفة من هذه الاستثناءات عن انحناء الصفر حدود السرعة. ^{[ 9 ]}

المواصفات التي تركز على معدل التغير في المستويات العرضية للمسار المنحني موجودة ضمن المنطقة المتعلقة بميلان المسار .

يشير مصطلح "ميل المسار" إلى الارتفاع النسبي للقضيبين على طول المسار. ويمكن التعبير عن ذلك بالمسافة المقطوعة أفقياً لارتفاع وحدة واحدة، أو بزاوية ميل أو كنسبة مئوية للفرق في الارتفاع لمسافة معينة من المسار.

قد تُحدد الانحدارات المسموح بها بناءً على الانحدار الأساسي ، وهو أقصى انحدار يمكن أن تجتازه قطارات الحمولة بقاطرة واحدة. في بعض الدول، يُسمح بانحدار الزخم ، وهو انحدار أشدّ ولكنه أقصر. يحدث هذا عادةً عندما يتصل انحدار السكة بمسار مماس مستوٍ طويل بما يكفي، وبدون إشارة بينهما، بحيث يمكن للقطار اكتساب زخم لدفع نفسه عبر انحدار أشدّ مما يمكنه فعله بدون الزخم المكتسب على المسار المماسي المستوي.

في المسارات المنحنية (سواءً كانت مائلة أم لا)، توجد مقاومة للانحناء تدفع القطارات عبر المنحنى. يمكن تقليل الانحدارات المسموح بها على المنحنيات للتعويض عن هذه المقاومة الإضافية. ^{[ 6 ]} يجب أن يكون الانحدار منتظمًا على طول المسار.

المنحنى الرأسي هو المنحنى في التخطيط الرأسي الذي يربط بين انحدارين للمسارين سواء كان ذلك للتغيير من صعود إلى هبوط (قمة)، أو التغيير من هبوط إلى صعود (انخفاض أو وادٍ)، أو التغيير في مستويين من الصعود أو التغيير في مستويين من الهبوط.

لا تضع بعض الدول مواصفات دقيقة للهندسة الخاصة بالمنحنيات الرأسية، باستثناء المواصفات العامة المتعلقة بالمحاذاة الرأسية. أما أستراليا، فتنص مواصفاتها على أن شكل المنحنيات الرأسية يجب أن يستند إلى القطع المكافئ التربيعي، ولكن يتم حساب طول أي منحنى رأسي بناءً على منحنى دائري. ^{[ 6 ]}

في المسارات المنحنية، يُصمم عادةً لرفع السكة الخارجية، مما يُتيح دورانًا مائلًا ، وبالتالي يسمح للقطارات بالمناورة عبر المنحنى بسرعات أعلى مما لو كان السطح مستويًا. كما يُساعد ذلك القطار على التوجيه حول المنحنى، ويمنع حواف العجلات من الضغط على القضبان، مما يُقلل الاحتكاك والتآكل. يُطلق على قياس فرق الارتفاع بين السكة الخارجية والداخلية اسم " الميل" في معظم البلدان. ​​أحيانًا يُقاس الميل بالزاوية بدلًا من فرق الارتفاع. ^{[ 13 ]} في أمريكا الشمالية، يُقاس الميل بفرق الارتفاع ويُسمى "المستوى العرضي"، حتى في المسارات المنحنية.

عندما يكون ارتفاع السكة الخارجية أعلى من ارتفاع السكة الداخلية، يُطلق على ذلك اسم الميل الموجب . وهذا هو التصميم الأمثل عادةً للسكك الحديدية المنحنية. تحقق معظم المقاطعات مستوى الميل الموجب المطلوب برفع السكة الخارجية إلى ذلك المستوى، وهو ما يُسمى بالارتفاع الفائق . أما في السكك الحديدية السويسرية، فيتم ضبط الميل عن طريق تدوير محور السكة (مركز السكة) بحيث تكون السكة الخارجية مرتفعة بمقدار نصف الميل المطلوب، بينما تكون السكة الداخلية منخفضة بنفس مقدار الارتفاع الفائق.

عندما يكون مستوى السكة الخارجية أقل من مستوى السكة الداخلية، يُطلق على ذلك اسم الميل السلبي (أو المستوى العكسي في أمريكا الشمالية). لا يُعد هذا التصميم مرغوبًا فيه عادةً، ولكنه قد يكون حتميًا في بعض الحالات، مثل المنحنيات التي تتضمن نقاط تحويل .

توجد لوائح تحدد الحد الأقصى للميل. وذلك للتحكم في تفريغ العجلات على السكة الخارجية (السكة العالية)، خاصة عند السرعات المنخفضة.

ميل الانحناء هو مقدار الزيادة أو النقصان في ميل السكة الحديدية ضمن طول محدد. يُعدّ تغيير ميل الانحناء ضروريًا لربط مسار مستقيم (بدون ميل) بمسار منحني (مع ميل) عبر منحنى انتقالي. يُستخدم معدل تغير ميل الانحناء لتحديد ميل الانحناء المناسب لسرعة تصميم معينة. قد يُستخدم مصطلح "التواء السكة " أيضًا لوصف ميل الانحناء، والذي يُمكن التعبير عنه كنسبة مئوية لتغير ميل الانحناء لكل وحدة طول. ^{[ 8 ]} مع ذلك، في المملكة المتحدة، يُستخدم مصطلح "التواء السكة" عادةً في سياق ميل الانحناء، حيث تُعتبر القيم الأعلى عيوبًا. ^{[ 13 ]}

في أمريكا الشمالية، يُطلق على ميل الانحناء المطلوب على منحنى الانتقال لتحقيق اتصال سلس بين الارتفاع الجانبي للمسار المنحني والمستوى العرضي الصفري للمسار المستقيم اسم " معدل انحدار الارتفاع الجانبي" . بالإضافة إلى مواصفات معدل الانحدار، تُعد اللوائح المتعلقة بمعدل التغير المسموح به في ميل الانحناء جزءًا من المواصفات العامة لمعدل التغير في المستوى العرضي، والذي يُسمى "معامل الانحناء". يساعد كل من معامل الانحناء ومعدل انحدار الارتفاع الجانبي في حساب الطول المطلوب لمعدل الانحدار لمنحنى الانتقال. ^{[ 10 ]}

كما هو موضح، يمكن استخدام زاوية الميل لتقليل التسارع الجانبي للقطارات التي تسير على مسارات منحنية. يهدف ذلك إلى موازنة قوة الطرد المركزي (القوة الدافعة للخارج عند المنحنى) وقوة الجذب المركزي (القوة الدافعة للداخل عند المنحنى). عند السرعات العالية، تزداد قوة الطرد المركزي. وعلى العكس، تؤدي زاوية الميل الأكبر إلى زيادة قوة الجذب المركزي. يفترض هذا الحساب ثبات سرعة القطار على منحنى ذي نصف قطر ثابت.

عندما تتوازن سرعة القطار مع مقدار ميله (أي عندما تتساوى قوة الطرد المركزي مع قوة الجذب المركزي)، يُطلق على هذه الحالة اسم حالة التوازن . في هذه الحالة، تكون مركبات قوة احتكاك العجلة بالسكك الحديدية، العمودية على مستوى السكة، متساويةً في مجموعها بين السكة الخارجية والداخلية. كما أن هذا التوازن يمنع ركاب القطار من الشعور بأي تسارع جانبي (دفع باتجاه الجانب).

بالنسبة لمقدار ثابت من الميل، تُسمى السرعة التي تُحقق التوازن بسرعة التوازن . أما بالنسبة لسرعة ثابتة لقطار متحرك، فيُسمى مقدار الميل المطلوب لتحقيق التوازن ميل التوازن . ^{[ 13 ]}

في الواقع، لا تسير القطارات على ميل متوازن عند المنحنيات. تُسمى هذه الحالة عدم التوازن ، والذي يمكن أن يكون بإحدى الطريقتين التاليتين: عند سرعة معينة، إذا كان الميل الفعلي أقل من الميل المتوازن، يُسمى مقدار الفرق في الميل نقص الميل . بعبارة أخرى، هو مقدار الميل المفقود لتحقيق التوازن. على النقيض من ذلك، عند سرعة معينة، إذا كان الميل الفعلي أكبر من الميل المتوازن، يُسمى مقدار الميل الزائد عن التوازن فائض الميل .

في تصميم المسار المشترك للقطارات ذات السرعات التشغيلية المختلفة، مثل قطارات الشحن وقطارات الركاب عالية السرعة ، يجب مراعاة ميل المنحنى عند السرعات العالية والمنخفضة على حد سواء. تعاني القطارات عالية السرعة من نقص في الميل، بينما تعاني القطارات منخفضة السرعة من زيادة فيه. تؤثر هذه العوامل بشكل كبير على أداء المنحنى، بما في ذلك السلامة وراحة الركاب وتآكل المعدات والسكك الحديدية. ^{[ 14 ]}