Phương án thiết kế đoàn tàu chở khách, tàu hàng tuyến đường sắt tốc độ cao trục Bắc – Nam

Một đoàn tàu đường sắt tốc độ cao tại Pháp - Ảnh Internet

Bộ GTVT vừa trình Thủ tướng Chính phủ chủ trương đầu tư Dự án tuyến đường sắt tốc độ cao trục Bắc – Nam, trong đó đề xuất xây dựng mới tuyến đường sắt này với chiều dài khoảng 1.541 km, đi qua 20 tỉnh, thành phố, điểm đầu tại ga Ngọc Hồi (Hà Nội) và điểm cuối là ga Thủ Thiêm (TP. HCM). Đề xuất căn cứ quá trình nghiên cứu, báo cáo nghiên cứu tiền khả thi dự án của Liên danh tư vấn TEDI - TRICC - TEDIS thực hiện và được thẩm định nội bộ.

Từ nghiên cứu về đoàn tàu đường sắt tốc độ cao trên thế giới, báo cáo nghiên cứu tiền khả thi của tư vấn đưa ra đề xuất giải pháp thiết kế sơ bộ đoàn tàu chở khách, tàu chở hàng trên tuyến đường sắt tốc độ cao trục Bắc - Nam. Đặc điểm cơ bản là tàu chở khách chạy được với vận tốc tối đa 320 km/h, tàu chở hàng chạy tối đa 160 km/h. Tàu khách trong giai đoạn đầu thiết kế 8 toa chở khách, tương lai thiết kế 16 toa; đoàn tàu hàng có 14 toa chở hàng, chở được container 40 feet, tổng tải trọng tối đa của đoàn tàu là 1.200 tấn.

Thuyết minh về giải pháp thiết kế tàu chở khách, theo tư vấn, trên thế giới có 2 loại hình đoàn tàu về phân phối lực kéo: động lực phân tán và động lực tập trung. Những nước phát triển tàu tốc độ cao động lực phân tán bao gồm Nhật Bản, Đức, Trung Quốc và động lực tập trung gồm Pháp và Hàn Quốc. Tuy vậy, xu hướng thiết kế của thế giới là hướng tới động lực phân tán.

Đặc điểm của thiết kế đoàn tàu tốc độ cao dùng động lực phân tán và động lực tập trung

Do đó, tư vấn đề xuất thiết kế đoàn tàu chở khách trên đường sắt tốc độ cao trục Bắc - Nam sử dụng động lực phân tán. Thiết kế đoàn tàu chở khách đặt ra các yêu cầu và giải pháp là đảm bảo đáp ứng các tiêu chí: năng lực chuyên chở lớn, có khả năng khai thác ở tốc độ cao, tiện nghi, an toàn và thân thiện với môi trường.

Theo đó, trong giai đoạn đầu của dự án, đoàn tàu chở khách có 8 toa xe, loại toa có động lực (có động cơ) đảm bảo dự phòng, tăng tốc cao và khả năng hãm tái tạo. Trong tương lai khi nhu cầu đi lại tăng, đầu tư các đoàn tàu có 16 toa, gồm 14 toa có động lực và 2 toa xe kéo theo (không có động cơ). Công suất của động cơ cảm ứng phải vượt quá 300 kW, tổng công suất của đoàn tàu là 9600 kW đối với đoàn tàu 8 toa. Lượng điện đó đủ để vận hành ở tốc độ 320 km/h.

Một số yêu cầu cơ bản và giải pháp về đoàn tàu đường sắt tốc độ cao trục Bắc - Nam

- Yêu cầu hệ thống sức kéo: Đảm bảo điện để phòng các trường hợp sự cố về sức kéo, duy trì tính ổn định, do đó cần phải áp dụng hệ thống phân bổ điện. Hệ thống phân bổ điện góp phần làm giảm tải trọng trục tối đa và giúp tăng tốc/giảm tốc nhanh hơn. Mô - tơ cảm ứng và hệ thống kiểm soát VVVF góp phần làm giảm yêu cầu bảo trì. Điện đầu ra của một mô - tơ cảm ứng cần cao hơn 300 kW và tổng lượng điện cho đoàn tàu sẽ là 9600 kW. Mức điện đó là đủ để chạy ở tốc độ 320 km/h.

- Thân tàu rộng để chở nhiều: Để tăng hiệu quả sức chứa cho tàu, nên sử dụng toa rộng. Toa có chiều rộng khoảng 3.350 mm sẽ giúp bố trí 5 ghế mỗi hàng trong toa hạng thường. Việc tăng sức chứa của từng toa giúp làm giảm số lượng toa và chi phí cho phương tiện nói chung.

- ATC kỹ thuật số (điều khiển tàu tự động): đường sắt tốc độ cao (ĐSTĐC) Việt Nam cần được trang bị hệ thống ATC kỹ thuật số để đảm bảo chạy tàu an toàn. Tín hiệu sẽ thể hiện tốc độ của tàu trên màn hình trước mặt lái tàu. Đồng thời cần tiếp cận với loại hình công nghệ thông tin tín hiệu mới trong khai thác vận hành đa hướng.

- Thân toa và trang thiết bị nhẹ: Gần đây, phần lớn phương tiện đường sắt tốc độ cao trên thế giới đều sử dụng cấu trúc khung nhôm hai lớp để giảm khối lượng của khung và tải trọng trục mà vẫn đảm bảo được độ chắc của thân toa. Khối lượng của từng thiết bị cũng đã được giảm đáng kể. Thế thệ toa Series 200 của Công ty đường sắt Đông Nhật Bản là tàu khung hợp kim nhôm có cấu trúc dạng khung được giới thiệu năm 1982. Trọng lượng là 583 tấn/10 toa, còn với Series E5 thì là 452 tấn. Do đó, có thể thấy khối lượng của E5 giảm 22% so với khối lượng của Series 200. Đối với toa xe hàng, sử dụng các loại thép có cường độ cao để giảm tự trọng toa xe. Khối lượng nhẹ cũng giúp làm giảm thiêu thụ năng lượng và chi phí khai thác.

- Thân thiện với môi trường: Sóng vi áp trong hầm là một trong những vấn đề quan trọng của ĐSTĐC. Để giảm thiểu tác động của sóng vi áp, cần giảm thiểu diện tích mặt cắt của thân toa hoặc tăng diện tích mặt cắt ngang hầm. Về chỉ số kỹ thuật cụ thể cho ĐSTĐC Việt Nam với cự ly giữa hai tim đường 5,0 m, diện tích mặt cắt hầm ≥100m² sẽ là một trong những yếu tố góp phần giảm thiểu tối đa những bất lợi gây ra do sóng vi áp khi chạy tàu với tốc độ trên 300 km/h. Gần đây, tại các lối ra hầm đã lắp đặt mui che lối vào hầm để ngăn chặn sóng vi áp.

Tư vấn đề xuất các thông số cơ bản của đoàn tàu tốc độ cao chở khách tuyến đường sắt tốc độ cao trục Bắc - Nam

- Cần lấy điện cũng là nguồn gây ồn lớn. ĐSTĐC Việt Nam cần được trang bị loại tay lấy điện độ ồn thấp và các tấm giảm ồn. ĐSTĐC Việt Nam sẽ trang bị mỗi tàu hai tay lấy điện, nhưng chỉ sử dụng một tay khi chạy để giảm ồn phát sinh.

- Sự thoải mái của hành khách: Để hành khách cảm thấy thoải mái khi đi tàu ở tốc độ tối đa, ĐSTĐC Việt Nam cần trang bị hệ thống giảm xóc chủ động hoàn toàn cho tất cả các toa. Thiết bị kiểm soát hệ thống này sẽ dò các rung động bên từ các đầu dò và chủ động điều khiển hệ thống đẩy đối trọng để giảm rung.

Một tuyến đường sắt tốc độ cao ở Đức - Ảnh: Internet

Khác với đoàn tàu chở khách, nghiên cứu và đề xuất của tư vấn đối với thiết kế tàu chở hàng đường sắt tốc độ cao trục Bắc - Nam là sử dụng công nghệ động lực tập trung. Đoàn tàu hàng sử dụng đầu máy điện AC 25kV khổ tiêu chuẩn 1435 mm với toa xe container. Các đoàn tàu chở hàng cũng phải đảm bảo đáp ứng các tiêu chí: năng lực vận chuyển lớn, khả năng vận hành tốc độ cao, an toàn và thân thiện với môi trường...

Tàu chở hàng được đề xuất thiết kế có đủ lực kéo để chạy tối đa vận tốc 160 km/h, chở được container 40ft. Tổng tải trọng tối đa của đoàn tàu chở hàng là 1.200 tấn cho 14 toa chở hàng

- Chiều dài đoàn tàu: Thiết kế chiều dài đoàn tàu hàng cần nhỏ hơn 400 m. Do tàu hàng sẽ giới hạn thời gian hoạt động từ 0h00 đến 6h00 sáng. Nếu xảy ra trục trặc ở giờ này, tàu sẽ phải rời khỏi tuyến chính hoặc ít nhất là di chuyển dừng ở ga đi qua ga gần nhất để không ảnh hưởng đến hoạt động chạy tàu vào sáng sớm.

Đề xuất thông số cơ bản khi thiết kế đầu máy kéo của đoàn tàu hàng tốc độ cao trục Bắc - Nam

- Hệ thống đầu kéo: Cần có một hệ thống phân phối điện để cung cấp điện, ngăn ngừa các vấn đề về lực kéo và duy trì sự ổn định. Hệ thống phân phối điện giúp giảm tải trọng trục tối đa và cho phép tăng giảm tốc nhanh hơn. Động cơ cảm ứng và hệ thống điều khiển VVVF giúp giảm yêu cầu bảo trì. Mỗi động cơ được điều khiển bởi bộ điều khiển VVVF độc lập cho phép vận hành có độ tin cậy cao. Công suất đầu ra của động cơ cảm ứng phải vượt quá 1000 kW và tổng công suất của đầu máy là 6000 kW. Lượng điện đó đủ để vận hành ở tốc độ 160 km/h. (thông số này sẽ tiếp tục được nghiên cứu, đề xuất trong các bước tiếp theo đảm bảo khai thác hiệu quả, phù hợp với cấu hình đoàn tàu từng thời kỳ khai thác).

- ATC kỹ thuật số: Để đảm bảo vận hành tàu an toàn, ĐSTĐC Việt Nam phải được trang bị hệ thống ATC kỹ thuật số. Tín hiệu sẽ hiển thị tốc độ của tàu trên màn hình trước mặt người lái. Đồng thời, điều quan trọng là phải tiếp cận được các loại công nghệ thông tin tín hiệu mới có thể hoạt động theo hai hướng. Xe chở hàng container lớn tiêu chuẩn: Hàng container tiêu chuẩn 40ft cho phép vận chuyển hàng hóa hiệu quả cao cả đường sắt và hàng hóa.

Thông số cơ bản khi thiết kế toa xe chở hàng

- Xe chở hàng container VN có thể xếp 2 container 40ft lên 4 container 20ft. Tải trọng tối đa của container 40ft là 30t bao gồm cả trọng lượng bản thân container. Tải trọng tối đa của container 20ft là 15t bao gồm trọng lượng bản thân container. Tổng tải trọng tối đa của đoàn tàu chở hàng là 1200 tấn cho 14 toa chở hàng.

- Thân thiện với môi trường: Sóng vi áp trong đường hầm là vấn đề lớn với ĐSTĐC. Để giảm ảnh hưởng của sóng vi áp, ĐSTĐC phải giảm kích thước mặt cắt ngang thùng xe hoặc tăng diện tích mặt cắt ngang hầm. Chỉ tiêu kỹ thuật cụ thể cho ĐSTĐC Việt Nam với khoảng cách giữa hai tim đường là 5,0 m, mặt cắt hầm ≥100 m2 sẽ góp phần hạn chế nhược điểm do sóng vi áp gây ra khi chạy tàu với tốc độ trên 160 km/h.

- Tiềng ồn: Xe chở hàng không gây ra tiếng ồn lớn vì không có hệ thống đẩy như xe rơ-moóc.

Huy Lộc - Minh Tùng