تويت
القطار الانزلاقي الهوائي
عندما أُنجز أول خط حديدي لقطار يسير بسرعة 200كيلومتر بالساعة بين طوكيو وأوساكا في اليابان توجه الاهتمام نحو التخلص من الاحتكاك بين السكة ودواليب القطار بهدف الوصول إلى سرعات عالية. ومنذ ذلك التاريخ بدأ التطور التقاني العالمي للنقل بالقطارات بالسعي إلى رفع القطار عن السكة وجعله منزلقاً في الهواء، حيث تفصل بينهما ثغرة هوائية تعادل من الناحية الفيزيائية الثغرة الهوائية بين الجزء الثابت والجزء الدوار في المحركات الكهربائية التقليدية. وبذلك استبدلت محركات الجر الكهربائية الدوارة بمحركات جر خطية، حيث تحافظ على ثغرة هوائية بين جسم القطار الذي يمتلك ملفاً يمثل الجزء المتحرك، وتمتلك السكة ملفاً يمثل الجزء الثابت لمحركات الجر الكهربائية الخطية.
وكانت اليابان وألمانيا وفرنسا من أوائل الدول التي أنجزت تطبيقات القطارات الكهربائية المحمولة على ما يسمى بالوسادة الهوائية أو الوسادة المغنطيسيةelectrical trains with levitation.
مواصفات القطارات المنزلقة هوائياً
تمثل القطارات الكهربائية المحمولة على وسادة مغنطيسية أي المنزلقة في الهواء فوق قضبان السكك الحديدية نظم نقل أرضية حديثة سريعة وعالية السرعة، وهي أكثر اقتصادية وأمناً وراحة وغير ملوثة للبيئة (الشكل 1).
يتكون نظام النقل الأرضي العالي السرعة المحمول على وسادة مغنطيسية من جزأين أساسيين هما:
ـ الجزء المتحرك، وهو القطار المصمم بشكل انسيابي للتخفيف من مقاومة الهواء والذي يتضمن كافة تجهيزات القسم المحمول من نظام النقل.
ـ الجزء الثابت، يتمثل بالبنية الأرضية لخط النقل ويضم قضبان السكة الحديدية وتجهيزات أخرى.
ويبين الشكل (1) الشكل العام للقطارات المنزلقة هوائياً.
توجد في هذه القطارات آليات أساسية للرفع والتوجيه والجر. ويحقق عملية الرفع floating والتوجيه المغنطيسيين نظامان خاصان يعتمد كلاهما على تفاعل الحقل المغنطيسي لبنيتي القطار المتحركة والثابتة. ولنظام الرفع نوعان، يسمى الأول الرفع المغنطيسي magnetic levitation، ويسمى الثاني الرفع الكهروديناميكي electrodynamic levitation.
ـ يحقق عملية جر القطار محركات الجر الكهربائية الخطية التحريضية أو التزامنية الخطـــية linear induction (AS) or synhronous traction motors.
الرفع المغنطيسي magnetic levitation
هو عملية رفع عربات القطار في الهواء في المستوى الشاقولي فوق البنية الأرضية لنظام النقل عن طريق توليد قوى مغنطيسية كافية تعاكس جميع القوى المؤثرة بما فيها قوة الثقل. ويتكون نظام الرفع من صفين من المغانط الكهربائية مثبتة في الجزء السفلي لعربات القطار بمواجهة قضبان السكة الحديدية. وبالتغذية الكهربائية لملفات المغانط تنشأ قوى تؤمن عملية رفع القطار في الهواء لتأمين ثغرة هوائية قيمتها ضمن المجال (15ـ200mm) ويتم ضبطها عن طريق نظام تحكم بتغذية ملفات المغانط. للمحافظة على استقرار القطار في المستوى الأفقي يُستخدم نظام توجيه كهرطيسي يولد قوى تحافظ على توازن القطار فوق السكة الحديدية، ويتكون النظام من مغانط كهربائية مثبتة بصفين على جانبي القطار في جزئه السفلي، وهي مشابهة لمغانط الرفع وتعمل بمبدئه نفسه، مع الإشارة إلى أن القوى التي تولدها أصغر بالمقارنة مع قوى الرفع في هذا النظام.
الرفع الكهروديناميكي
يعتمد مبدأ عمل نظام الرفع الكهروديناميكي electrodynamic levitation على وجود منبع دائم للحقل المغنطيسي يتحرك بالنسبة لصفيحة ناقلة أو حلقات ناقلة مقصورة فيولد فيها تيارات، وبالتفاعل المتبادل بينهما تتولد قوى تنافر تحاول إبعاد منبع الحقل المحرض LF) levitation force) وكذلك قوى معيقة لحركة القطار drag force (DF).
يبين الشكل (2) مخطط الحقل المغنطيسي عند حركة مغنطيس نظام الرفع ذي الملف الفائق الناقلية فوق الصفيحة الناقلة.
يتولد الحقل المغنطيسي الدائم ذو كثافة الفيض ضمن المجال 5ـ3 تسلا من تغذية المغانط الكهربائية ذات الملفات الفائقة الناقلية المتوضعة على جسم القطار في الجزء المقابل للبنية الأرضية التي تتوضع عليها الصفيحة الناقلة أو الحلقات المقصورة على طول الخط الحديدي. ويبين الشكل (3) نظام النقل MLX الياباني للقطارات الكهربائية المنزلقة هوائياً، ويظهر عليه الشكل العام للقطار والبنية الأرضية الثابتة ومقطع عرضي فيها.
تزود كل عربة من عربات القطار بأربع مجموعات للملفات الفائقة الناقلية مع تجهيزات تبريدها، وتتوضع بصفين على عربات حمل وإسناد موزعة بمجموعتين من كل جانب حيث تتوضع عربات الإسناد والحمل لنظام التعويم بين عربات القطار وبالنسبة لعربة القطار الرأسية فتزود بست مجموعات للملفات الفائقة الناقلية.
تتكون الحلقات المقصورة لنظام الرفع المثبتة على البنية الأرضية من ملفين منفصلين، يتوضعان على الجدار الشاقولي لجانبي البنية الأرضية (الشكل 3). وتتعلق قوى الرفع الناتجة بالآتي:
ـ القوة المحركة المغنطيسية للملفات الفائقة الناقلية.
ـ التيارات المتحرضة في الحلقات الناقلة المتوضعة على البنية الأرضية لنظام النقل.
ـ الثغرة الهوائية الفاصلة بينهما.
يُضمن التوازن الشاقولي للقطار بتوازن قوى الرفع مع القوى المؤثرة في العربات بما فيها قوة الثقل. ويعمل نظام التوجيه إلى جانب نظام الرفع ليضمن عملية توازن القطار في المستوى الأفقي عن طريق التفاعل المتبادل بين الحقل المغنطيسي للملفات الفائقة الناقلية في نظام الرفع مع صفين من الحلقات الناقلة المقصورة والمتوضعة شاقولياً على جانبي بنية الخط الحديدي. ولا تختلف الحلقات الناقلة من حيث التركيب والأبعاد عن الحلقات المتوضعة على المستوى الأفقي التي تؤمن عملية الرفع. عند انحراف محور القطار الطولي عن المحور الطولي للبنية الأرضية الذي قد ينجم عن قوى الرياح مثلاً مما يؤدي إلى تحريض تيارات في الحلقات الناقلة المقصورة المتوضعة شاقولياً فتتولد قوة توجيه (GF) guidance force تعيد القطار إلى وضعية التوازن لمحوره مع المحور الطولي للبنية الأرضية (الشكل 3). يتم تبريد الملفات الفائقة الناقلية في نظامي الرفع والتوجيه باستخدام تقانة التبريد بالغازات السائلة مثل الهليوم.
نظام الجر/الدفع propulsion system
يُجر القطار بوساطة آلية الجر المزودة بمحركات تحريضية خطية أو تزامنية خطية تحول الطاقة الكهربائية إلى ميكانيكية تؤمن سير القطار العائم فوق السكة الحديدية. ويشكل المحرك التحريضي الخطي الجزء الأساسي في آلية الجر ذات المحركات التحريضية الخطية ويتكون المحرك من جزأين، الأولي والثانوي حيث يثبت الجزء الأولي على جسم القطار وعليه الملفات الثلاثية الأطوار. ويتكون الجزء الثانوي من ناقل صفيحي يثبت على طول البنية الأرضية للخط الحديدي وبتغذية ملفات الأولي ينتج حقل مغنطيسي يتفاعل مع الثانوي الثابت فتنشأ قوى دفع ـ جر PF تؤمن حركة القطار.
ـ يشكل المحرك التزامني الخطي الجزء الأساسي في آلية الجر ذات المحركات التزامنية الخطية، ويستفاد في هذه الحالة من الملفات الفائقة الناقلية لمغانط نظام التعويم الكهروديناميكي كملفات تهييج للمحرك، ويتكون ثانوي المحرك من ملفات لها الخطوة القطبية لملفات التهييج نفسها، وتتوضع على البنية الأرضية للخط الحديدي وتتغذى من منبع كهربائي. ونتيجة التفاعل المتبادل بين جزئي المحرك الأولي والثانوي تنشأ قوى جر PF تؤمن حركة القطار بسرعة تتبع لتردد منبع تغذية ملفات ثانوي المحرك وللخطوة القطبية. ويبين الشكل (4) مخططاً للقطار بمحرك جر تزامني خطي ونظام تعويم مغنطيسي.
البنية الأرضية الثابتة لنظام النقل بالقطارات الكهربائية المنزلقة هوائياً
تنشأ البنية الأرضية لنظام النقل بالقطارات الكهربائية المنزلقة هوائياً على جسور بشكل مشابه لشبكات السكك الحديدية التقليدية أو في أنفاق تحت الأرض كما في شبكات المترو داخل المدن أو على قناطر. وتضم البنية الأرضية التجهيزات الثابتة لنظامي التعويم والتوجيه والجزء الأولي أو الثانوي لمحركات الجر الخطية وتجهيزات صعود ونزول الركاب. توجد إحاطة بين البنية الأرضية للخط الحديدي وعربات القطار أو عربات القطار تحيط بالخط الحديدي وهذا يزيد عامل الأمان في نظام النقل.
القطار أحادي السكة المحمول
لتخفيف تكاليف القطارات المعلقة مغنطيسياً والمنزلقة هوائياً ظهرت في السنوات الأخيرة قطارات تماثل القطارات أحادية السكة monorail وتدعى كذلك. إلا أنها تسير على دواليب مطاطية ذات تصميم خاص، وتحيط بجسر بيتوني أحادي حامل لها كما هو مبين في الشكل (5). وتركب على الجوانب الداخلية للقطار دواليب مطاطية لحفظ توازنها وحركتها من خلال تدحرجها على الجسر. وهناك دراسات جادة لتنفيذ مشروع قطار أحادي السكة في دمشق بين ساحة مشفى المواساة ومحطة الباصات في القابون مروراً بساحتي المجتهد و باب مصلى وشارع ابن عساكر وباب شرقي وساحة العباسيين بطول 9.5كم.
تتسم هذه القطارات بإمكانية عملها ضمن الأحياء السكنية ومرورها عبر الأبنية الكبيرة، وبسرعات منخفضة نسبياً في حدود 30ـ50كم/سا كسرعة وسطى حتى 80كم كسرعة قصوى. وتعمل على محركات جر كهربائية تحريضية (لاتزامنية) دوارة وليست خطية induction (asynchronous) traction motors. وتُغذى هذه القطارات بالطاقة الكهربائية ذات التيار المستمر C عن طريق محطات تحويل كهربائية تتصل مع صفيحة معدنية أو سكة خاصة تركب على الجانب الداخلي من الجسر الحامل بمحاذاة القطار وتسمى السكة الثالثة. حيث يحصل القطار منها على التغذية الكهربائية عن طريق مأخذ منزلق يسمى pantograph كما في قطارات المترو.
ومن المؤمل أن ينفذ مشروع القطار المحمول في دمشق في السنوات الثلاث القادمة كخطوة أولى باتجاه النقل العام الكهربائي غير الملوث للبيئة.
كمـال ناجي، سـلام محمود
عندما أُنجز أول خط حديدي لقطار يسير بسرعة 200كيلومتر بالساعة بين طوكيو وأوساكا في اليابان توجه الاهتمام نحو التخلص من الاحتكاك بين السكة ودواليب القطار بهدف الوصول إلى سرعات عالية. ومنذ ذلك التاريخ بدأ التطور التقاني العالمي للنقل بالقطارات بالسعي إلى رفع القطار عن السكة وجعله منزلقاً في الهواء، حيث تفصل بينهما ثغرة هوائية تعادل من الناحية الفيزيائية الثغرة الهوائية بين الجزء الثابت والجزء الدوار في المحركات الكهربائية التقليدية. وبذلك استبدلت محركات الجر الكهربائية الدوارة بمحركات جر خطية، حيث تحافظ على ثغرة هوائية بين جسم القطار الذي يمتلك ملفاً يمثل الجزء المتحرك، وتمتلك السكة ملفاً يمثل الجزء الثابت لمحركات الجر الكهربائية الخطية.
وكانت اليابان وألمانيا وفرنسا من أوائل الدول التي أنجزت تطبيقات القطارات الكهربائية المحمولة على ما يسمى بالوسادة الهوائية أو الوسادة المغنطيسيةelectrical trains with levitation.
مواصفات القطارات المنزلقة هوائياً
 |
| الشكل (1) القطارات الكهربائية المنزلقة هوائياُ عالية السرعة بمحركات تحريضية خطية |
يتكون نظام النقل الأرضي العالي السرعة المحمول على وسادة مغنطيسية من جزأين أساسيين هما:
ـ الجزء المتحرك، وهو القطار المصمم بشكل انسيابي للتخفيف من مقاومة الهواء والذي يتضمن كافة تجهيزات القسم المحمول من نظام النقل.
ـ الجزء الثابت، يتمثل بالبنية الأرضية لخط النقل ويضم قضبان السكة الحديدية وتجهيزات أخرى.
ويبين الشكل (1) الشكل العام للقطارات المنزلقة هوائياً.
توجد في هذه القطارات آليات أساسية للرفع والتوجيه والجر. ويحقق عملية الرفع floating والتوجيه المغنطيسيين نظامان خاصان يعتمد كلاهما على تفاعل الحقل المغنطيسي لبنيتي القطار المتحركة والثابتة. ولنظام الرفع نوعان، يسمى الأول الرفع المغنطيسي magnetic levitation، ويسمى الثاني الرفع الكهروديناميكي electrodynamic levitation.
ـ يحقق عملية جر القطار محركات الجر الكهربائية الخطية التحريضية أو التزامنية الخطـــية linear induction (AS) or synhronous traction motors.
الرفع المغنطيسي magnetic levitation
هو عملية رفع عربات القطار في الهواء في المستوى الشاقولي فوق البنية الأرضية لنظام النقل عن طريق توليد قوى مغنطيسية كافية تعاكس جميع القوى المؤثرة بما فيها قوة الثقل. ويتكون نظام الرفع من صفين من المغانط الكهربائية مثبتة في الجزء السفلي لعربات القطار بمواجهة قضبان السكة الحديدية. وبالتغذية الكهربائية لملفات المغانط تنشأ قوى تؤمن عملية رفع القطار في الهواء لتأمين ثغرة هوائية قيمتها ضمن المجال (15ـ200mm) ويتم ضبطها عن طريق نظام تحكم بتغذية ملفات المغانط. للمحافظة على استقرار القطار في المستوى الأفقي يُستخدم نظام توجيه كهرطيسي يولد قوى تحافظ على توازن القطار فوق السكة الحديدية، ويتكون النظام من مغانط كهربائية مثبتة بصفين على جانبي القطار في جزئه السفلي، وهي مشابهة لمغانط الرفع وتعمل بمبدئه نفسه، مع الإشارة إلى أن القوى التي تولدها أصغر بالمقارنة مع قوى الرفع في هذا النظام.
الرفع الكهروديناميكي
 |
| الشكل (2) مخطط الحقل المغنطيسي عند حركة مغنطيس ذي ملف فائق الناقلية فوق صفيحة ناقلة حيث F هي قوة الرفع و V هي سرعة الحركة |
يبين الشكل (2) مخطط الحقل المغنطيسي عند حركة مغنطيس نظام الرفع ذي الملف الفائق الناقلية فوق الصفيحة الناقلة.
يتولد الحقل المغنطيسي الدائم ذو كثافة الفيض ضمن المجال 5ـ3 تسلا من تغذية المغانط الكهربائية ذات الملفات الفائقة الناقلية المتوضعة على جسم القطار في الجزء المقابل للبنية الأرضية التي تتوضع عليها الصفيحة الناقلة أو الحلقات المقصورة على طول الخط الحديدي. ويبين الشكل (3) نظام النقل MLX الياباني للقطارات الكهربائية المنزلقة هوائياً، ويظهر عليه الشكل العام للقطار والبنية الأرضية الثابتة ومقطع عرضي فيها.
تزود كل عربة من عربات القطار بأربع مجموعات للملفات الفائقة الناقلية مع تجهيزات تبريدها، وتتوضع بصفين على عربات حمل وإسناد موزعة بمجموعتين من كل جانب حيث تتوضع عربات الإسناد والحمل لنظام التعويم بين عربات القطار وبالنسبة لعربة القطار الرأسية فتزود بست مجموعات للملفات الفائقة الناقلية.
تتكون الحلقات المقصورة لنظام الرفع المثبتة على البنية الأرضية من ملفين منفصلين، يتوضعان على الجدار الشاقولي لجانبي البنية الأرضية (الشكل 3). وتتعلق قوى الرفع الناتجة بالآتي:
 |
| الشكل (3) القطار الكهربائي المنزلق هوائياً نموذج MLX الياباني |
ـ التيارات المتحرضة في الحلقات الناقلة المتوضعة على البنية الأرضية لنظام النقل.
ـ الثغرة الهوائية الفاصلة بينهما.
يُضمن التوازن الشاقولي للقطار بتوازن قوى الرفع مع القوى المؤثرة في العربات بما فيها قوة الثقل. ويعمل نظام التوجيه إلى جانب نظام الرفع ليضمن عملية توازن القطار في المستوى الأفقي عن طريق التفاعل المتبادل بين الحقل المغنطيسي للملفات الفائقة الناقلية في نظام الرفع مع صفين من الحلقات الناقلة المقصورة والمتوضعة شاقولياً على جانبي بنية الخط الحديدي. ولا تختلف الحلقات الناقلة من حيث التركيب والأبعاد عن الحلقات المتوضعة على المستوى الأفقي التي تؤمن عملية الرفع. عند انحراف محور القطار الطولي عن المحور الطولي للبنية الأرضية الذي قد ينجم عن قوى الرياح مثلاً مما يؤدي إلى تحريض تيارات في الحلقات الناقلة المقصورة المتوضعة شاقولياً فتتولد قوة توجيه (GF) guidance force تعيد القطار إلى وضعية التوازن لمحوره مع المحور الطولي للبنية الأرضية (الشكل 3). يتم تبريد الملفات الفائقة الناقلية في نظامي الرفع والتوجيه باستخدام تقانة التبريد بالغازات السائلة مثل الهليوم.
نظام الجر/الدفع propulsion system
 |
| الشكل (4) مخطط قطار بتصميم ألماني Transrapid بنظام جر تزامني خطي ونظام تعويم مغنطيسي |
ـ يشكل المحرك التزامني الخطي الجزء الأساسي في آلية الجر ذات المحركات التزامنية الخطية، ويستفاد في هذه الحالة من الملفات الفائقة الناقلية لمغانط نظام التعويم الكهروديناميكي كملفات تهييج للمحرك، ويتكون ثانوي المحرك من ملفات لها الخطوة القطبية لملفات التهييج نفسها، وتتوضع على البنية الأرضية للخط الحديدي وتتغذى من منبع كهربائي. ونتيجة التفاعل المتبادل بين جزئي المحرك الأولي والثانوي تنشأ قوى جر PF تؤمن حركة القطار بسرعة تتبع لتردد منبع تغذية ملفات ثانوي المحرك وللخطوة القطبية. ويبين الشكل (4) مخططاً للقطار بمحرك جر تزامني خطي ونظام تعويم مغنطيسي.
البنية الأرضية الثابتة لنظام النقل بالقطارات الكهربائية المنزلقة هوائياً
تنشأ البنية الأرضية لنظام النقل بالقطارات الكهربائية المنزلقة هوائياً على جسور بشكل مشابه لشبكات السكك الحديدية التقليدية أو في أنفاق تحت الأرض كما في شبكات المترو داخل المدن أو على قناطر. وتضم البنية الأرضية التجهيزات الثابتة لنظامي التعويم والتوجيه والجزء الأولي أو الثانوي لمحركات الجر الخطية وتجهيزات صعود ونزول الركاب. توجد إحاطة بين البنية الأرضية للخط الحديدي وعربات القطار أو عربات القطار تحيط بالخط الحديدي وهذا يزيد عامل الأمان في نظام النقل.
القطار أحادي السكة المحمول
 |
| الشكل (5) منظر عام لمشروع القطار أحادي السكة المحمول في دمشق |
تتسم هذه القطارات بإمكانية عملها ضمن الأحياء السكنية ومرورها عبر الأبنية الكبيرة، وبسرعات منخفضة نسبياً في حدود 30ـ50كم/سا كسرعة وسطى حتى 80كم كسرعة قصوى. وتعمل على محركات جر كهربائية تحريضية (لاتزامنية) دوارة وليست خطية induction (asynchronous) traction motors. وتُغذى هذه القطارات بالطاقة الكهربائية ذات التيار المستمر C عن طريق محطات تحويل كهربائية تتصل مع صفيحة معدنية أو سكة خاصة تركب على الجانب الداخلي من الجسر الحامل بمحاذاة القطار وتسمى السكة الثالثة. حيث يحصل القطار منها على التغذية الكهربائية عن طريق مأخذ منزلق يسمى pantograph كما في قطارات المترو.
ومن المؤمل أن ينفذ مشروع القطار المحمول في دمشق في السنوات الثلاث القادمة كخطوة أولى باتجاه النقل العام الكهربائي غير الملوث للبيئة.
كمـال ناجي، سـلام محمود