Tàu tự nghiêng: Lựa chọn tối ưu cho đường sắt khổ hẹp?

Trở ngại đường cong

Đường cong là trở ngại lớn nhất hạn chế tốc độ chạy tàu trên đường sắt, dù là đường sắt khổ hẹp hoặc khổ tiêu chuẩn 1.435 mm. Nhưng một tuyến đường sắt dài thì không thể tránh khỏi có những đoạn cong, nhất là khi đi qua vùng núi hoặc đô thị.

Tàu chạy vào đường cong buộc phải giảm tốc độ, không được vượt quá tốc độ tối đa cho phép xét theo điều kiện an toàn qua đoạn đường cong đó, tức tốc độ hạn chế qua đường cong V _h (speed restricted at curve), nếu không sẽ trật bánh đổ tàu. Trị số V _h tỷ lệ với căn bậc hai bán kính R của đường cong, nghĩa là R càng nhỏ thì V _h càng thấp. Bởi vậy nếu muốn rút ngắn hành trình chạy tàu thì phải hoặc là nắn các đoạn đường cong cho bớt cong (tức tăng R - công trình này cực kỳ tốn kém thậm chí bất khả thi), hoặc là tìm cách nâng cao tốc độ chạy tàu qua đường cong.

Tuyến đường sắt khổ hẹp 1.000 mm Hà Nội-Sài Gòn dài 1.726 km có 1.760 đoạn đường cong với tổng chiều dài 395 km (23%), trong đó hơn 900 chỗ có R<600 m, một số chỗ R<100 m. Dù tàu có chạy hết tốc lực trên các đoạn đường thẳng nhưng do 1.760 lần phải chạy chậm khi qua 395 km đường cong nên tốc độ trung bình toàn tuyến vẫn rất thấp. 

Trên đường sắt khổ tiêu chuẩn, tốc độ 80 km/h yêu cầu R ≥ 500 m; tốc độ 100 km/h yêu cầu R ≥ 800 m; tốc độ 120 km/h yêu cầu R ≥ 1.200 m. Bởi vậy nếu muốn cải tạo tuyến Hà Nội-Sài Gòn thành đường sắt khổ 1.435 mm thì phải nới rộng R cho rất nhiều đoạn đường cong, công trình đó cực kỳ tốn kém và nhiều đoạn không thể làm được. 

Khi chạy trên đường cong, tàu có xu hướng chạy theo phương tiếp tuyến của đường cong, sinh ra lực ly tâm. Nó làm cho bánh xe áp vào má trong ray lưng, đè lên ray lưng một lực đẩy ngang rất mạnh có thể làm ray bị bung ra khỏi tà vẹt, bánh xe nhảy ra khỏi đường ray, gây trật bánh đổ tàu về phía ngoài ray lưng. Nó gây ra trở lực đường cong làm giảm tốc độ chạy tàu. Hình vẽ cho thấy vec-tơ trọng lực thẳng góc với mặt đất và vuông góc với vec-tơ lực ly tâm; lực ly tâm và trọng lực làm thành một hợp lực tác động vào trọng tâm toa tàu. Vì thế khi tốc độ tàu càng cao và bán kính đường cong càng nhỏ thì vec-tơ lực ly tâm càng lớn khiến cho hợp lực càng hướng ra phía ngoài ray lưng, càng dễ gây nguy hiểm lật tàu. Gia tốc ly tâm còn làm cho khách đi tàu cảm thấy khó chịu; người ngồi bị ép về phía lưng đường cong; người đang đi, đứng có thể vì mất trọng tâm mà bị xô ngã. 

Để khử tác hại đó, người ta đã nâng ray lưng cao hơn ray bụng một độ cao gọi là siêu cao (superelevation hoặc cant, ký hiệu h _a); như vậy khi chạy qua đường cong, thân tàu sẽ nghiêng về phía trong; tương tự như khi đi xe máy qua đường cong thì người và xe phải nghiêng vào phía trong. Siêu cao của ray lưng sinh ra lực hướng tâm; nó triệt tiêu được một phần lực ly tâm, giảm được cảm giác khó chịu của hành khách và nâng cao an toàn chạy tàu.

Siêu cao góp phần làm tăng V qua đường cong, nhưng siêu cao quá lớn sẽ gây nguy hiểm đổ tàu khi tàu chạy quá chậm (tàu hàng thường chạy chậm hơn tàu khách). Vì thế đường sắt đơn khổ tiêu chuẩn chỉ cho phép siêu cao tối đa bằng 125 mm. Do đó hãy còn một phần lực ly tâm chưa bị triệt tiêu; phần này không được vượt quá giới hạn cho phép về độ thoải mái đi tàu của hành khách. Bởi vậy dù đã có siêu cao đi nữa thì khi chạy vào đường cong, tất cả các loại tàu đều phải giảm tốc độ xuống mức không quá trị số V _h. 

Khi thiết kế đường sắt phải căn cứ vào tốc độ yêu cầu mà xác định hợp lý bán kính R của đường cong và siêu cao.

Bán kính đường cong được xác định theo công thức R= k V ², trong đó hệ số k bằng 11,8/(h _a + h _b) [có tài liệu nói bằng G/g(h _a + h _b)]. Ở đây ha là siêu cao; h _b  là siêu cao thiếu hụt (cant deficiency), đơn vị mm; g là gia tốc trọng trường (9,8 m/s ²); G là khổ đường sắt (mm); đơn vị R là m; V là km/h. Vì R tỷ lệ với V ², do đó để tăng V một chút thôi thì đã đòi hỏi phải nới rộng R rất nhiều, tức yêu cầu công trình cải tuyến cực kỳ tốn kém, có trường hợp không khả thi, như khi qua vùng đồi núi hoặc đô thị. đường sắt cao tốc (250-350 km/h) yêu cầu R tối thiểu bằng 2500 - 4000 m, tức đường gần như thẳng; muốn vậy chỉ có cách cho đường sắt đi trên cầu cạn hoặc chui hầm. 
Đường sắt khổ hẹp tính ha theo công thức ha = 6,6 V ²/R (thí dụ khi V= 40, R=200 thì ha = 55 mm); đường sắt khổ tiêu chuẩn dùng công thức h _a= 7,6 V ²/R.

Công nghệ tàu tự nghiêng: Phức tạp nhưng hiệu quả

Để nâng tốc độ chạy tàu qua đường cong mà không phải cải tạo đường, từ những năm 60 người ta đã nghiên cứu công nghệ đóng loại toa tàu có thể nghiêng được (tilt train car). Công nghệ này rất phức tạp nhưng tiết kiệm được chi phí cải tạo đường sắt mà vẫn thỏa mãn yêu cầu tốc độ.

Nguyên lý tác dụng của tàu tự nghiêng rất đơn giản. Từ công thức ha suy ra V tỷ lệ với căn bậc hai của ha. Tàu tự nghiêng có tác dụng như tăng thêm một lượng siêu cao phụ gia ∆h, làm cho tổng siêu cao bằng (h _a+∆h); như vậy tăng được tốc độ hạn chế qua đường cong V _h.

Theo tính toán, khi tàu nghiêng 8 độ thì gia tốc nghiêng mà hành khách cảm nhận được chỉ có 0,65 m/s ², hoàn toàn trong giới hạn cho phép về độ thoải mái (phạm vi 0,8–1,2 m/s ² chưa cảm thấy khó chịu). Như vậy vừa có thể tăng được tốc độ chạy qua đường cong, lại vừa không ảnh hưởng đến độ thoải mái đi tàu của hành khách. 

Toa xe nghiêng được có hai loại: loại nghiêng tự nhiên và loại nghiêng theo điều khiển. Loại nghiêng tự nhiên sử dụng quán tính đưa lực ly tâm vào hệ thống cơ khí khiến toa tàu tự động nghiêng khi chạy vào đường cong. Toa tàu loại này làm cho hành khách có cảm giác khó chịu kiểu như bị say xe, do sau khi ra khỏi đường cong, hệ thống cơ khí lúc trở lại bình thường làm thân xe lắc đi lắc lại. Để khắc phục, phải tăng thêm thiết bị ức chế hiệu ứng con lắc (như dùng con quay hồi chuyển) và thiết bị tự động kiểm tra lắp trên tàu. Thiết bị này sớm nhận được thông báo về số liệu đoạn đường cong phía trước và nó điều khiển hệ thống cơ khí từ từ làm nghiêng toa tàu một góc thích hợp ngay từ khi sắp chạy vào đường cong; khi ra khỏi đường cong, nó lại nhanh chóng đưa toa tàu trở về trạng thái bình thường. đường sắt khổ hẹp ở Nhật Bản dùng phổ biến loại toa nghiêng tự nhiên theo điều khiển. Khi đó hệ thống máy tính đặt trên tàu căn cứ vào các số liệu như tốc độ tàu tức thời, bán kính đoạn đường cong sắp chạy tới, lực tác dụng của bánh xe… để phát lệnh cho hệ thống cơ khí làm cho tàu nghiêng đúng theo số liệu đã tính toán về góc độ và thời điểm bắt đầu nghiêng, cũng như ra làm cho tàu trở về trạng thái bình thường khi ra khỏi đường cong. 

Được Nhật Bản và Australia chú trọng

Tàu đường sắt khổ hẹp không thể chạy nhanh như tàu đường sắt khổ tiêu chuẩn, vì thế các nước có nhiều đường sắt khổ hẹp như Nhật Bản (22.301 km), Australia (13.304 km)… rất chú trọng nghiên cứu thiết kế chế tạo và sử dụng tàu tự nghiêng.

Tại Australia, toàn bộ tuyến đường sắt của Cục đường sắt Queensland Rail là khổ hẹp 1.067 mm, từ năm 2003 đã chạy loại tàu tự nghiêng QR Tilt Train sức kéo diesel do Australia chế tạo có tốc độ tối đa 165 km/h, nhanh hơn xe bus và rẻ hơn đi máy bay. Hành trình 1.681 km đường sắt vùng núi Brisbane-Cairns tuy có nhiều đường cong và dốc nhưng tàu chạy hết có 24 giờ 55 phút, giảm được 7 giờ so trước kia. QR Tilting train car có sáu toa kiểu hiện đại, cộng 310 ghế. Máy tính điều khiển độ nghiêng, nhiều nhất nghiêng 8-15 độ.

Công nghệ Tilting train rất phát triển ở Nhật Bản. Đoàn toa tự chạy diesel (DMU) Kiha 283 do Fuji Heavy Industries chế tạo là tàu tự nghiêng tiên tiến nhất. Trên đường sắt khổ hẹp 1.067 mm vùng núi giữa Sapporo với Kushiro (đảo Hokkaido) từ năm 1997 mỗi ngày chạy bảy đôi tàu Super Ozora, hành trình 348 km hết 3 giờ 35 phút, giá vé 8.610 Yen (tương đương gần 86 USD); tàu chạy qua đường cong với tốc độ 100-110 km/h. Mỗi tàu có sáu toa, trang bị hiện đại; ghế đệm da, có cung cấp báo chí, nước ngọt, có ổ cắm điện ở ghế ngồi để hành khách nạp điện cho điện thoại di động và chạy laptop… Mỗi toa lắp hai động cơ diesel 355 mã lực. 

Đài Loan có 1.085 km đường sắt khổ 1.067 mm. Do địa hình nhiều núi, đường sắt có nhiều đường cong và đường dốc, tàu chạy rất chậm. Năm 2007 Cục đường sắt Đài Loan đã nhập từ Nhật Bản 48 toa tàu tự nghiêng khổ hẹp chạy điện kiểu TEMU 1.000 do hãng Hitachi chế tạo, tốc độ thiết kế 150 km/h. Họ dùng loại toa này lập các đoàn tàu Taroko Express chạy tuyến Hoa Liên-Đài Bắc, so với trước bớt được 45 phút hành trình. Năm 2012 lại mua thêm 136 toa tự nghiêng chạy điện kiểu TEMU 2.000, tốc độ thiết kế 160 km/h, dùng để lập các đoàn tàu Puyuma Express, mỗi tàu tám toa, hai toa đầu và cuối có động cơ làm nhiệm vụ kéo và đẩy khi lên dốc. Loại tàu bắt đầu khai thác từ ngày 6/2/2013. Toa tàu rất sang trọng; ghế lót nhung kiểu ngả được như ghế máy bay, chỗ ngồi rộng thoáng, có ngăn để hành lý cồng kềnh (như xe đạp gấp, xe lăn, va-li to...), có phòng con mọn, nhà vệ sinh rộng như ở khách sạn, có tủ bán cơm tự động, mỗi chỗ ngồi đều có màn hình LED chỉ dẫn ga đến (station indicator), báo thời tiết các nơi v.v…

Tàu tự nghiêng được sử dụng khá phổ biến và có kết quả tốt như trên cho thấy đây là một hướng phát triển mà các nước có đường sắt khổ hẹp muốn tăng tốc độ chạy tàu nên quan tâm nghiên cứu áp dụng. Việc cải tạo đường sắt khổ hẹp thành khổ tiêu chuẩn đòi hỏi vốn đầu tư cực lớn, lại vô cùng lãng phí và bắt buộc phải ngừng chạy tàu trong thời gian cải tạo; bởi vậy trên thế giới chưa có nước nào dại dột làm việc đó. Thiết nghĩ để rút ngắn hành trình chạy tàu tuyến đường sắt Hà Nội-Sài Gòn, chúng ta nên đi theo con đường mà đường sắt khổ hẹp các nước khác đã đi.