Đường sắt tốc độ cao và một số công nghệ đoàn tàu đặc trưng

23-11-2022

Đường sắt tốc độ cao đang là một xu thế phát triển giao thông trên thế giới. Liên minh đường sắt quốc tế (UIC) nhận xét đường sắt tốc độ cao tiêu thụ năng lượng ít hơn, xả thải ít hơn so với máy bay hay ô tô khi chuyên chở cùng một lượng hàng hóa hoặc lượng hành khách trên cùng một quãng đường. Bài viết sẽ tìm hiểu về đường sắt tốc độ cao và một số công nghệ đặc trưng về đoàn tàu đang được áp dụng.

1. Đường sắt tốc độ cao là gì?

Theo định nghĩa tại Luật Đường sắt năm 2017, đường sắt tốc độ cao là đường sắt quốc gia có vận tốc thiết kế từ 200km/h trở lên.

Bài viết tập trung về công nghệ đoàn tàu của đường sắt chạy trực tiếp trên ray. Các loại hình tàu chạy trên đệm từ trường (maglev), hay trong ống hút chân không (hyperloop) không đề cập trong bài viết này.

2. Hình dáng đoàn tàu

Không khó đoán hình dáng đoàn tàu tốc độ cao. Để chạy ở tốc độ cao, các đoàn tàu đều có thiết kế hình dáng khí động học (aerodynamic) và giảm ồn (aeroacoustic).

Hình 1 liệt kê một số đoàn tàu tiêu biểu đang khai thác với tốc độ trên 300km/h. Hiện tại, một số loại tàu vẫn còn đang thử nghiệm (tàu Alfa-X - thế hệ Shinkansen E956 của Nhật Bản, tàu HEMU-430X của Hàn Quốc), hoặc chưa vận hành (tàu Alstom-Hitachi của tuyến HS2 - Vương quốc Anh) nên chưa đưa vào danh sách.

Hình 1

Dễ nhận thấy đoàn tàu của Nhật Bản có phần mũi tàu dài hơn các đoàn tàu khác. Điều này được lý giải như sau: Khổ hầm Nhật Bản nhỏ hơn so với các nước khác do triết lý thiết kế của Nhật Bản không sử dụng đường bộ thoát hiểm trong hầm (khi có đám cháy, tàu vẫn phải chạy qua hầm rồi mới dừng lại), trái ngược với tiêu chuẩn Châu Âu và Trung Quốc (tàu có thể dừng lại và hành khách theo đường thoát hiểm ra khỏi hầm).

Vì khổ hầm nhỏ hơn (hầm bên trái), dẫn đến mũi tàu phải dài hơn để giảm hiệu ứng piston khi tàu chạy tốc độ cao trong hầm (Hình 2).

Hình 2

3. Một số công nghệ đặc trưng của đoàn tàu

3.1. Tấm che giảm sức cản

Đoàn tàu thiết kế có tấm che các bộ phận (dưới mũi tàu, cần lấy điện, nối toa, giá chuyển hướng,…) để giảm tối đa sức cản gió (Hình 3).

Hình 3

3.2. Cơ chế tự nghiêng

Khi đoàn tàu vào đoạn cong thì xuất hiện lực ly tâm. Một số đoàn tàu được trang bị hệ thống tự nghiêng ngược hướng lực ly tâm để có thể chạy tốc độ cao trong đoạn cong có bán kính nhỏ (Hình 4).

Hình 4

Tại các tuyến xây dựng mới, khi có đường cong nằm bán kích đủ lớn, hệ thống tự nghiêng ít được xem xét đến do chi phí bảo dưỡng, bảo trì đoàn tàu lớn.

3.3. Cơ chế hãm

- Để tăng hiệu quả tối ưu, cơ chế hãm được thực hiện đồng thời: hãm tái sinh, hãm gió ép, thu cần tiếp điện.

- Một số tàu trang bị hãm điện từ (dùng dòng điện Foucault). Hệ hãm bằng nam châm điện sẽ hút trực tiếp xuống thanh ray (hãm thẳng) hoặc ép vào mâm đĩa kim loại trên trục bánh (hãm tròn) trong trường hợp khẩn cấp (Hình 5).

Hình 5

3.4. Điều khiển đoàn tàu sử dụng mạch điện đường ray và sóng viễn thông (GSM-R/LTE-R/5G-R)

- Mạch điện đường ray tưởng có vẻ kém hiện đại hơn, khi mà đường sắt đô thị đa số sử dụng CBTC (Điều khiển tàu dựa trên thông tin viễn thông) để điều khiển. Tuy nhiên tín hiệu mạch điện đường ray cho độ tin cậy cao, có thể phát hiện tình trạng đường ray (nứt, vỡ,…) để có cảnh báo kịp thời.

- Sóng viễn thông (GSM-R/LTE-R/5G-R) có độ phủ lớn, đối với quãng đường dài của đường sắt cao tốc sẽ giảm thiểu được thiết bị bố trí dọc tuyến (Hình 6).

3.5. Cách thức lấy điện

Hình 6

- Do yêu cầu tốc độ cao nên tàu cao tốc chỉ sử dụng cách thức tiếp điện trên cao (Hình 7).

Hình 7

- Phần lớn sử dụng dòng xoay chiều 25kVAC 50Hz. (Ngoài ra tùy thuộc các quốc gia mà sử dụng điện 25kVAC 60Hz, 15kVAC 16,7Hz).

Một số tàu ở châu Âu có thể kết hợp dùng dòng điện một chiều 3kVDC hay 1,5kVDC khi vận hành không yêu cầu tốc độ cao.

4. Tổng quan

Có thể tóm lược công nghệ đoàn tàu tại Hình 8. Lưu ý tất cả các loại tàu đều là tổ hợp chạy điện, gọi chung là EMU. Loại hình động lực được phân loại theo vị trí toa chứa động cơ, không nên nhầm lẫn EMU chỉ là động lực phân tán.

Hình 8

Trong tương lai gần, công nghệ đường sắt tốc độ cao vẫn tiếp tục phát triển, các hướng nghiên cứu đang triển khai là: thí điểm hệ thống điều khiển chạy tàu tự động, thử nghiệm điều khiển không sử dụng mạch điện đường ray, nghiên cứu lắp các cánh nâng để tăng tốc độ chạy tàu lên 450km/h,…

5. Nhận xét

Hiện nay chúng ta đang xây dựng Tiêu chuẩn đường sắt tốc độ cao. Theo bản dự thảo, Tiêu chuẩn của Việt Nam sẽ căn cứ Tiêu chuẩn châu Âu và một số Tiêu chuẩn tương tự khác để thành lập. Điều này có vẻ phù hợp vì hai lý do sau:

- Tiêu chuẩn châu Âu và các tiêu chuẩn tương tự được áp dụng rộng rãi và phổ biến. Nếu áp dụng, chúng ta sẽ có nhiều thuận lợi trong việc kết nối đường sắt với mạng lưới khu vực, như nối sang Trung Quốc (sẽ chở được hàng có tải trọng lớn hơn hiện nay), Lào (dự kiến sử dụng khổ 1435, đoàn tàu có tải trọng trục 25 tấn) và Campuchia (trong quy hoạch tương lai). Việc thay thế vật tư, thiết bị, phương tiện cũng thuận lợi hơn do có nhiều nhà cung cấp.

- Theo Tiêu chuẩn của Châu Âu cũng sẽ đồng bộ với Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia công trình tàu điện ngầm QCVN 08:2018/BXD cũng quy định phải có đường đi bộ thoát hiểm trong hầm.

Để có thể triển khai đường sắt tốc độ cao hiệu quả tại Việt Nam, có thể chúng ta sẽ phải hợp tác để tiếp thu công nghệ, nhưng nhất định chúng ta phải nắm được, thấu hiểu công nghệ từ thiết kế, thi công, đến sản xuất, lắp đặt, vận hành, bảo dưỡng. Có làm chủ như vậy thì sẽ triển khai thực hiện dự án an toàn, đúng tiến độ, đúng chất lượng và đảm bảo kinh tế - kỹ thuật được./.

(Nguồn: ThS. Nguyễn Chí Đạt - Sở Giao thông Vận tải Thành phố Hồ Chí Minh)