Trong loạt bài viết vừa qua về chủ đề đường sắt, ban biên tập technologyMAG đã chia sẻ những bài viết về chủ đề hệ thống đường sắt, đường sắt tốc độ cao và các loại tàu tốc độ cao tại một số quốc gia phát triển, cung cấp thông tin về lĩnh vực đường sắt tại các quốc gia này. Trong loạt bài mới về chủ đề công nghệ đường sắt lần này, ban biên tập technologyMAG chia sẻ video của Railway Explained, nói về cấu trúc và vai trò của một thành phần tưởng chừng rất cơ bản trong lĩnh vực đường sắt, nhưng lại cực kỳ quan trọng: Đường ray.

Khởi đầu và vai trò của đường ray
Lịch sử của đường ray bắt đầu từ gần 500 năm trước. Trong các hệ thống đường ray đầu tiên tại London, người ta sử dụng ray gỗ để dẫn hướng cho các xe goòng, nhưng loại vật liệu này nhanh chóng bị hao mòn. Để cải thiện độ bền, các tấm sắt đúc đã được lắp lên bề mặt gỗ, giúp tăng hiệu suất và cho phép phát triển các hệ thống chuyển hướng tinh vi hơn. Những đường ray đúng nghĩa đầu tiên được cố định bằng ổ sắt đặt trên các thanh tà vẹt gỗ, tạo nên khái niệm “đường ray cố định” – một hệ thống mà trong đó, đường ray dẫn hướng các toa tàu theo đúng hướng nhờ duy trì trục thẳng. Khi đầu máy hơi nước xuất hiện, hệ thống đường ray bắt đầu có khả năng vận chuyển hành khách và hàng hóa với vận tốc cao hơn, nhưng vẫn cần cải tiến kỹ thuật và công nghệ liên tục.

Cấu trúc của đường ray
Phần quan trọng nhất trong quá trình phát triển này chính là kết cấu đường ray. Hệ thống “đường cố định” này bao gồm cả kết cấu phần trên và kết cấu phần dưới. Mục đích của nó là nâng đỡ và dẫn hướng bánh tàu, truyền tải các lực theo phương thẳng đứng và phương ngang, đồng thời phân bổ an toàn các lực này xuống nền đất.

Trong kết cấu đường ray truyền thống, mỗi bộ phận đều giữ một vai trò chuyên biệt trong việc nâng đỡ, dẫn hướng và phân bố tải trọng khi đoàn tàu di chuyển. Hệ thống này hoạt động như một chuỗi truyền lực liên tục, từ bánh xe xuống thanh ray, qua tà vẹt và lớp ba lát, rồi cuối cùng đến nền đường. Khi một trong các thành phần này hoạt động kém hiệu quả, toàn bộ hình học đường ray và độ ổn định của tuyến có thể bị ảnh hưởng. Kết cấu đường ray bao gồm những thành phần chính sau:

1. Thanh ray (rails):
Là bộ phận chịu lực đầu tiên và lớn nhất, nơi bánh tàu tiếp xúc trực tiếp với bề mặt kim loại. Thanh ray không chỉ dẫn hướng cho bánh tàu mà còn truyền tải trọng thẳng đứng và các lực ngang (do tăng tốc, phanh, ly tâm khi vào cua) xuống tà vẹt. Độ cứng, hình dạng mặt cắt và chất lượng vật liệu của thanh ray quyết định độ êm, độ ồn, tuổi thọ bánh tàu và sự an toàn của đoàn tàu khi chạy ở tốc độ cao.

2. Tà vẹt (sleepers):
Tà vẹt giữ hai thanh ray ở vị trí chính xác, duy trì khổ đường đúng tiêu chuẩn để bánh tàu không trượt khỏi ray. Chúng phân tán tải từ ray xuống lớp ba lát trên diện rộng, giảm ứng suất cục bộ. Ngoài ra, tà vẹt còn chống xoắn (torsion) và chống dịch chuyển ngang cho ray, giúp đường ray giữ hình học ổn định trong thời gian dài.

3. Hệ thống liên kết (fastening system):
Bao gồm kẹp, bu lông, tấm đệm đàn hồi… dùng để gắn chắc chắn thanh ray vào tà vẹt. Hệ thống này kiểm soát chuyển động của ray theo phương ngang, dọc và phương xoắn, đồng thời tạo độ đàn hồi cần thiết để giảm rung động và hạn chế truyền lực đột ngột từ bánh tàu xuống kết cấu bên dưới. Độ cứng hoặc mềm của hệ thống liên kết ảnh hưởng trực tiếp đến ổn định đường ray và độ êm khi chạy tàu.

4. Lớp đá ba lát (ballast):
Lớp đá ba lát đảm nhiệm vai trò nâng đỡ tà vẹt, phân tán tải trọng xuống nền đường theo diện rộng, hấp thụ rung động và giảm chấn để bảo vệ kết cấu phía dưới. Nhờ đặc tính dạng hạt sắc cạnh, lớp ba lát có khả năng “khóa chặt” (interlock), giúp đường ray ổn định dưới tải động lớn. Ba lát cũng giữ vai trò quyết định trong việc thoát nước, tránh tích nước gây lún và suy giảm độ bền nền đường.

5. Nền đường (subgrade):
Là lớp vật liệu hoặc nền đất đã gia cố bên dưới ba lát, chịu tải trọng cuối cùng từ toàn bộ kết cấu đường ray. Nền đường phải có cường độ cao, tính ổn định lâu dài và khả năng chống nước tốt để tránh lún không đều, trồi sụt hoặc biến dạng. Sự ổn định của nền đường quyết định trực tiếp độ bền và hình học của toàn tuyến.

Phân phối tải trọng và sự tiến hóa của kết cấu đường ray
Hệ thống đường ray đã liên tục được cải tiến để đáp ứng yêu cầu vận hành với tốc độ cao và tải trọng trục lớn hơn. Diện tích tiếp xúc giữa bánh tàu và ray cực kỳ nhỏ, chỉ vài cm². Điều này tạo ra áp suất rất lớn lên phần diện tích tiếp xúc rất nhỏ. Khi lực này truyền qua tà vẹt, đá ba lát và nền đường, nó dần được phân tán đều. Mặc dù chịu lực lớn, hệ thống vẫn phải đảm bảo tính ổn định. Quá trình phát triển công nghệ đường ray đã dẫn đến các giải pháp mới, thay thế tà vẹt và đá ba lát truyền thống bằng kết cấu bê tông đúc liền khối. Mặc dù chi phí xây dựng ban đầu cao hơn, loại đường ray này có tuổi thọ dài hơn, ít cần bảo trì hơn và độ ổn định cao – lý tưởng cho các tuyến đường sắt tốc độ cao hiện đại.

Áp lực tiếp xúc và vai trò phân phối lực
Việc hiểu rõ cơ chế truyền tải lực tĩnh và động từ bánh xe xuống kết cấu đường ray là rất cần thiết. Khi tốc độ và khối lượng đoàn tàu tăng, áp lực lên điểm tiếp xúc giữa bánh và ray cũng tăng theo, đòi hỏi hệ thống phải có khả năng phân phối và hấp thụ lực hiệu quả. Hệ thống đường ray cần chống mài mòn, giữ cân bằng ứng suất và hạn chế biến dạng. Áp suất giữa ray và tà vẹt có thể giảm xuống khoảng 1 kg/cm² và còn thấp hơn nữa khi truyền qua lớp đá ba lát và nền đường. Chính cấu trúc phân lớp này cho phép tàu hiện đại vận hành an toàn ở tốc độ rất cao.

Khi nhu cầu đối với hệ thống đường sắt tiếp tục tăng, việc cải tiến hiệu suất và độ bền của kết cấu đường ray trở nên cấp thiết. Dù chi phí ban đầu cao, các tuyến đường bê tông có chi phí vòng đời thấp hơn và là lựa chọn ưu tiên trong xây dựng đường sắt tốc độ cao.

Kết luận
Cấu trúc đường ray là nền tảng không thể thiếu trong hệ thống đường sắt hiện đại, đảm nhận vai trò dẫn hướng, chịu lực và phân phối tải trọng từ bánh tàu xuống mặt đất một cách hiệu quả và an toàn. Từ những thanh ray gỗ sơ khai đến các kết cấu slab track bằng bê tông tiên tiến ngày nay, quá trình phát triển này phản ánh nhu cầu liên tục đổi mới để đáp ứng tốc độ cao hơn, tải trọng lớn hơn và yêu cầu vận hành khắt khe hơn. Trong bối cảnh đường sắt đang ngày càng giữ vai trò trọng yếu trong mạng lưới giao thông bền vững, việc đầu tư vào chất lượng và hiệu suất của kết cấu đường ray chính là chìa khóa để đảm bảo an toàn, hiệu quả và khả năng phát triển lâu dài cho ngành.

Để xem các tin bài khác về “Đường ray” hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Railway Explained