tính toán năng lực v thời gian thông qua cho đon tu đờng sắt nhẹ h nội h đông TS. Nguyễn Văn Chuyên Bộ môn Đầu máy - Toa xe Khoa Cơ khí - Trờng Đại học GTVT Tóm tắt: Tuyến đờng sắt trên cao H Nội - H Đông đợc nh nớc đầu t sẽ triển khai trong thời gian tới. Để có thể lựa chọn đợc mật độ v thnh phần đon tu, cần tính toán năng lực v thời gian thông qua. Đây l một quá trình rất khó khăn, cần phải thống kê v tính toán chính xác. Summary: The overhead railway Ha Noi - Ha Dong will be implemented in the near furture. To decide density and components of a train, we work out its transporting capacity and working time. This is a difficult process so we have to collect data and caculate precisely. i. đặt vấn đề Tuyến đờng sắt Hà Nội - Hà Đông là tuyến đờng sắt nhẹ, đợc xây dựng có đoạn trên mặt đất, có đoạn dới lòng đất và có đoạn trên cao, hoàn toàn cách ly với các phơng tiện giao thông khác. Đây là loại hình giao thông giao cắt không gian, bảo đảm tốc độ nhanh. Do loại hình giao thông đặc biệt nh vậy nên giãn cách các đoàn tàu có thể rất ngắn. Chúng ta cần phải xác định năng lực vận tải trên cơ sở tần suất và thành phần đoàn tàu để có thể đạt đợc hiệu quả vận tải cao. ii. nội dung 1. Những đặc trng chủ yếu của giao thông đờng sắt nhẹ Do đặc điểm kỹ thuật và phạm vi sử dụng, sự phân loại giao thông đờng sắt nhẹ rất khác nhau, chẳng hạn nh: nớc Đức, lấy việc cải tạo tàu điện truyền thống ở các giai đoạn khác nhau để chia đờng sắt nhẹ ra 4 cấp: cấp I là tàu điện bánh sắt truyền thống đợc hiện đại hoá toàn bộ tuyến đờng nằm trên mặt đất, chỉ có tuyến mới xây dựng mới đặt băng hàng cách ly. Cấp Il là phần đờng chạy qua thành phố thì đợc xây dựng trên cao hoặc ngầm dới đất, phần đờng ngoại ô thì chạy trên đê cạn, nhằm tạo giao cắt không gian với các phơng tiện giao thông khác. Cấp III là tỉ lệ phần đờng chạy ngầm đợc tăng lên, toàn tuyến cách ly, dùng máy tính chỉ huy chạy tàu. Cấp IV so với cấp III có mức độ tự động hoá cao hơn. Năng lực khách vận (một chiều) lớn nhất có thể đạt 40.000 khách/h. Thờng chỉ xây dựng ở thành phố lớn. Cũng có nớc lấy mức độ hiện đại hoá, chia giao thông đờng sắt nhẹ ra 3 loại: thấp, trung bình và cao. Loại thấp: tuyến đờng chủ yếu nằm trên mặt đất, dùng hình thức chạy tàu bán tự động, chỉ có điểm giao nhau quan trọng, mới giao cắt không gian, các điểm giao bình thờng vẫn là giao cắt phẳng, đoàn tàu có 2 ~ 3 toa: năng lực chuyên chở là 8.000 ~ 5.000 khách/h. Loại trung và cao cấp: phần lớn tuyến đờng đợc xây dựng trên cao hoặc ngầm dới đất, một phần nhỏ chạy trên mặt đất, chủ yếu là ở vùng ngoại ô thành phố và chạy tàu hoàn toàn tự động. Năng lực khách vận (một chiều), loại trung bình là 16.000 ữ 28.000 khách/h, loại cao cấp là 28.000 ữ 38.000 lợt khách/h. Tham số kỹ thuật chủ yếu của giao thông đờng sắt nhẹ gồm có: * Năng lực khách vận Năng lực khách vận của giao thông đờng sắt nhẹ, thiết kế trong khoảng 10.000 ữ 30.000 khách/h (một chiều giờ cao điểm), tức là nằm giữa đờng sắt ngầm và ôtô buýt. Tối đa, không nên vợt qúa 40.000 khách/h, vì nh thế đầu t sẽ ở mức cao hơn rất nhiều, hiệu quả kinh tế giảm thấp. * Tuyến đờng Tuyến đờng của giao thông đờng sắt nhẹ, có thể là trên mặt đất, trên giá cao hoặc ngầm dới đất. Khi thiết kế cụ thể, phụ thuộc vào bố cục tổng thể và quỹ đất của thành phố, hớng di chuyển của hành khách và yêu cầu bảo vệ môi trờng Tuyến đờng và bến đỗ cần phối hợp tốt với toàn mạng giao thông của thành phố liên hệ một cách hữu cơ giữa khu dân c với các khu dịch vụ và công tác thơng mại, nhà máy, trờng học, bệnh viện và vui chơi giải trí Bán kính nhỏ nhất: Trên tuyến không nhỏ trơn 100 m, nơi đặc biệt không khó khăn, không nhỏ hơn 50m, bãi xe, không nhỏ hơn 25m. Độ dốc lớn nhất: Trên tuyến có thể tới 60% o. Để đảm bảo vận hành bình thuận, trên đờng cong thiết kế có đờng hoà hoãn và đoạn thẳng giữa 2 đờng cong liên tiếp. * Đờng ray Đờng ray thờng dùng theo tiêu chuẩn quốc gia, để duy tu bảo dỡng thuận tiện và sự quản lý thống nhất với các hình thức giao thông đờng sắt thành phố khác. Trên tuyến dùng ray 50kg/m, trừ đoạn cong ra, đều dùng ray không mối nối, nhằm nâng cao chất lợng chạy tàu, giảm nhỏ tiếng ồn. * Toa xe Toa xe đờng sắt nhẹ phân thành: toa 4 trục, toa 6 trục một khớp và toa 8 trục hai khớp. Mỗi loại còn chia ra: toa hai buồng lái, toa một buồng lái và toa không buồng lái. Tất cả các loại toa đều là toa động lực: Toa xe đờng sắt nhẹ, có thể chạy độc lập, cũng có thể nối kết chạy thành đoàn. Trung Quốc thờng dùng toa 6 trục một khớp hai buồng lái, mô tơ điện kéo một chiều. Khi kết nối thành đoàn, nhiều nhất là 4 toa. * Bến đỗ Căn cứ vị trí tuyến đờng, điều kiện địa hình, yêu cầu tổ chức chạy tàu và lu lợng hành khách lên xuống đợc quyết định vị trí, hình thức và quy mô bến đỗ. Vị trí bến đỗ, trớc hết xét đến các điểm có khách lên xuống tơng đối tập trung nh: ga đờng sắt chính tuyến, sân bay, bến cảng, các trung tâm thơng mại, vui chơi giải trí, các công sở, nhà máy, trờng học, bệnh viện và các điểm chuyển đổi phơng tiện giao thông Hình thức kiến trúc bến đỗ phải phù hợp cảnh quan đô thị. Không cách bến đỗ trung bình 1000m là tốt nhất, vùng ngoại ô có thể dài hơn, trong nội thành có thể ngắn hơn. * Hệ thống cấp điện Hệ thống cấp điện phải an toàn và tin cậy, đây là điều kiện tiên quyết đợc bảo đảm cho hành khách và trình tự vận hành bình thờng của đoàn tàu. Hệ thống cấp điện cho giao thông đờng sắt thành phố nói chung, đờng sắt nhẹ nói riêng phải thuộc hệ thống phụ tải cấp I của quốc gia, hơn thế còn phải do hai đờng nguồn cung cấp, trong đó một đờng phải là đờng cấp chuyên dùng, nhằm bảo đảm cấp điện liên tục. Nội dung thực hiện Thời gian (s) Khoảng cách (m) Tăng tốc từ 0 ữ 40 km/h với a = 0,83 m/s2 13,39 74,22 Tăng tốc từ 40 ữ 80 km/h 13 74,21 Hãm từ 80 ữ 0 km/h với a = 1 m/s2 22,24 246,4 Chế độ điện áp theo tiêu chuẩn điện áp quốc tế DC 750V và dùng phơng thức mạng tiếp xúc trên cao. * Hệ thống thông tin tín hiệu Hệ thống thông tin tín hiệu để bảo đảm an toàn chạy tàu và nâng cao hiệu suất vận tải; Nói chung, cần thoả mãn các nguyên tắc sau: - Phải có năng lực bảo đảm an toàn và hiệu suất chạy tàu; phục vụ an toàn tin cậy và thuận tiện đối với hành khách. - Cần kết hợp điều kiện thực tế với kỹ thuật tiên tiến, trong điều kiện kinh tế cho phép, cần lợi dụng tối đa kỹ thuật cao, nâng cao trình độ hiện đại hoá. - Phù hợp yêu cầu nhất thể hoá thiết bị, khi thiết kế có lợng d để có thể thích ứng với sự phát triển sau này. * Bảo vệ môi trờng Theo sự phát triển của kinh tế và xã hội, yêu cầu của c dân đô thị đối với chất lợng cuộc sống ngày càng cao, bởi vậy, vấn đề bảo vệ môi trờng trong phát triển đờng sắt thành phố nói chung phải đặc biệt coi trọng, bao gồm: cảnh quan, ô nhiễm không khí, tiếng ồn. Tham khảo khả năng kỹ thuật của các nớc có nền công nghiệp chế tạo đoàn tàu metro tiên tiến, các chỉ tiêu đặc trng cho khả năng vận tải nhanh có thể chọn tiêu chuẩn kỹ thuật khi thiết kế tuyến đờng Hà Nội - Hà Đông nh sau: khi tăng tốc đoàn tàu từ vận tốc 0 km/h ữ 40 km/h thì gia tốc a = 0,83 m/s 2 ; gia tốc khi hãm từ tốc độ 80 km/h ữ 0 km/h: a = 1 m/s 2 . Từ đó xác định thời gian và khoảng cách tăng tốc và giảm tốc tại các ga đón và trả khách theo bảng 1. Sau khi tăng tốc và giảm tốc đoàn tàu đạt tốc độ cao ngay, sơ bộ có thể biểu thị khả năng phát huy tốc độ trong một khu gian nh hình 1: trong hình 1: t k - Thời gian khởi hành tăng tốc từ 0 ữ 40 km/h. S k - Quãng đờng cần thiết để tăng tốc từ 0 ữ 40 km/h. t h - Thời gian hãm từ tốc độ 80 km/h ữ 0 km/h. S h - Quãng đờng hãm giảm tốc từ 80 km/h ữ 0 km/h. t v - Thời gian vận hành với tốc độ định mức cho phép. S v - Quãng đờng vận hành tơng ứng với tốc độ định mức. Từ đặc tính gia và giảm tốc trên, có thể xây dựng đợc quá trình vận chuyển của đoàn tàu metro nh hình 2. Thời g ian ( s ) Khoảng cách (m) V km/h 80 70 60 50 40 30 20 10 0 t k S k t v S v t h S h Khoản g cách của 1 khu g ian Hình 1. Biểu đồ quan hệ tốc độ, thời gian, khoảng cách vận hnh cho một ga Hình 2. Biểu đồ V = (s) tuyến H Nội - H Đông Dựa vào giá trị gia tốc giảm tốc và khoảng cách giữa các ga, tính đợc thời gian cần thiết để đoàn tàu đi hết từng khu gian, từ đó tính đợc thời gian đoàn tàu đi hết một quay vòng, số liệu theo bảng 2, 3: Bảng 2 Thời gian (giây) Ga Khoảng cách (m) t k + t h t v t i TG dừng (s) Tổng thời gian (s) 01 850 49,03 13,80 62,83 30 92,83 02 1120 49,03 25,95 74,98 30 104,98 03 995 49,03 20,33 69,36 30 99,36 04 768 49,03 10,11 59,14 30 89,14 05 867 49,03 14,57 63,6 30 93,6 06 1075 49,03 23,93 72,96 30 102,96 07 1125 49,03 26,19 75,22 30 105,22 08 1000 49,03 20,55 69,58 30 99,58 09 1450 49,03 40,80 89,83 30 119,83 10 990 49,03 20,10 69,13 30 99,13 11 1160 49,03 27,75 76,78 30 106,78 12 1470 49,03 41,70 90,73 30 120,73 Tổng 12.870 m 588,36 s 285,78 s 874,14 s 360 s 1234,14 s Bảng 3. Thời gian cần thiết đon tu thông qua các khu gian TT Ga Cự ly (m) Thời gian chạy Thời gian đỗ 1 Cát Linh Nhạc Viện 850 62,83 30 2 Nhạc Viện Thái Hà 1120 74,98 30 3 Thái Hà - Láng 995 69,36 30 4 Láng Ngã T Sở 768 59,14 30 5 Ngã T Sở - ĐH Quốc Gia 867 63,6 30 6 ĐH Quốc Gia Vành Đai 3 1075 72,96 30 7 Vành Đai 3 Thanh Xuân 1125 75,22 30 8 Thanh Xuân BX Hà Đông 1000 69,58 30 9 BX Hà Đông Bệnh Viện 1450 89,83 30 10 Bệnh Viện La Khê 990 69,13 30 11 La Khê - Văn Khê 1160 76,78 30 12 Văn Khê - Vành đai 4 1470 90,73 30 Tổng cộng 12.870 m 874,14 giây 360 giây Dựa vào kết quả bảng 2, bảng 3 ta vẽ đợc đồ thị t = f(s). Hình 3. Biểu đồ t = (s) tuyến H Nội - H Đông Tổng thời gian đoàn tàu chạy từ ga Cát Linh đến ga Hà Đông có kể tới 5% dự phòng: t = 1234,14 + 1234,14*5% = 1295,85 giây 21 phút. Để ý tới thời gian quay đầu đoàn tàu chuyển làn đờng và quay vòng tại ga đầu mối, thời gian cần thiết để thực hiện 1 quay vòng là: TQV = (21 + 6)*2 = 54 phút = 0,9 giờ Căn cứ vào quy chuẩn thiết kế các đoàn tàu Metro chạy trên đờng 1435, đây là khổ đờng chọn cho tuyến Hà nội - Hà Đông và quy chuẩn tính toán khung giới hạn toa tầu tính đợc số lợng hành khách cho một toa tầu và kích thớc toa tầu biểu thị ở bảng 4 và bảng 5. Bảng 4. Xác định số hnh khách trong 1 đon tu Lợng khách trên mỗi toa Điều kiện chuyên chở Toa có động cơ M Toa có buồng lái TC Tổng số khách ở 4 toa Khách ngồi 42 36 156 Khách đứng 6 ngời/1m 2 245 230 950 Khách đứng 9 ngời/1m 2 367 345 1424 Nếu đứng 6 ngời/m 2 đoàn tàu sẽ chứa đợc 1106 ngời. Nếu đứng 9 ngời/m 2 đoàn tàu sẽ chứa đợc 1580 ngời. Bảng 5. Các kích thớc cơ bản của toa xe TT Các thông số Trị số [mm] 1 Chiều dài kể cả móc nối 19520 2 Chiều dài thùng xe 19000 3 Chiều rộng lớn nhất của thùng xe 2800 4 Chiều cao toa xe từ đỉnh ray đến đỉnh toa xe với bánh xe mới và không kể cần tiếp điện bao gồm cả hệ thống gió và điều hoà không khí 3800 5 Chiều cao từ sàn xe tới trần toa xe ở giữa xe Khoảng 2100 6 Chiều cao từ đỉnh ray tới mặt sàn toa xe 1100 7 Khoảng cách tâm hai cối chuyển Khoảng 13000 8 Đờng kính bánh xe mới 840 9 Đờng kính bánh xe đã chạy mòn 770 10 Khoảng cách trục trong một giá chuyển hớng 2200 11 Chiều cao từ mặt ray tới tâm móc nối 660 10 2. Tính toán năng lực vận tải hành khách trên tuyến Hà nội - Hà Đông. Trên cơ sở thống kê hiện trạng và dự báo của Viện Chiến lợc giao thông vận tải, qua phân tích tuyến Cát Linh - Hà Động có lợng hành khách vận chuyển biến động theo thời gian. Tại giờ cao điểm mật độ hành khách lớn nhất trên khu gian theo số liệu thiết kế là 7600 hành khách/1 giờ (số liệu thống kê tại khu gian Nhạc viện Hà Nội - Thái Hà là 7330 ngời/ giờ) theo một chiều. Mật độ hành khách lớn nhất theo hai chiều tại giờ cao điểm là: 7600 ì 2 = 15.200 hành khách. Sức chứa lớn nhất của đoàn Metro gồm 04 toa với mật độ 6 ngời/m 2 là 950 hành khách đi một chiều. Với mật độ 9 ngời/m 2 là 1424 hành khách. Số lợng đoàn tầu Metro yêu cầu để hoàn thành kế hoạch vận chuyển hành khách trong giai đoạn đầu là 11 đôi tàu/1giờ. Đoàn Metro làm việc từ 5 giờ đến 22 giờ (17 giờ liên tục), giờ cao điểm là các giờ: 6 - 7; 7 - 8; 8 - 9; 16 - 17; 17 - 18; 18 - 19 (tổng là 6 giờ). Trong các giờ không cao điểm ta chỉ lấy bằng 60% so với giờ cao điểm. Căn cứ vào lợng hành khách có thể biên chế đoàn tàu cho các thời kỳ 2005-2007, 2010, 2020 theo bảng 6. Bảng 6. Số đôi tu trong 1 giờ Các thời kỳ Số đôi tàu/giờ 2005 - 2007 2010 2020 Số lợng cần thiết để hoàn thành khối lợng vận tải hành khách 9 17 25 Số lợng yêu cầu giờ cao điểm 11 20 30 Số lợng yêu cầu giờ khôngcao điểm 7 12 18 Trên cơ sở bảng 6 ta sẽ tính đợc năng lực vận chuyển của đoàn tàu Metro trong một ngày trong giai đoạn đầu 2005 - 2007, 2010 và 2020 biểu thị qua các bảng 7, 8, 9. Bảng 7. Năng lực vận chuyển của đon tu trong giai đoạn 2005-2007 Giờ bắt đầu Giờ kết thúc Gin cách (phút) Chuyến/giờ/tuyến Năng lực (ngời) Khả năng (ngời) 05 : 00 06 : 00 5 7 6.650 9.968 06 : 00 07 : 00 4 11 10.450 15.664 07 : 00 08 : 00 4 11 10.450 15.664 08 : 00 09 : 00 5 11 10.450 15.664 09 : 00 10 : 00 7 7 6.650 9.968 10 : 00 11 : 00 7 7 6.650 9.968 11 : 00 12 : 00 7 7 6.650 9.968 12 : 00 13 : 00 7 7 6.650 9.968 13 : 00 14 : 00 7 7 6.650 9.968 14 : 00 15 : 00 7 7 6.650 9.968 15 : 00 16 : 00 4 7 6.650 9.968 16 : 00 17 : 00 4 11 10.450 15.664 17 : 00 18 : 00 4 11 10.450 15.664 18 : 00 19 : 00 5 11 10.450 15.664 19 : 00 20 : 00 7 7 6.650 9.968 20 : 00 21 : 00 10 7 6.650 9.968 21 : 00 22 : 00 10 7 6.650 9.968 Tổng cộng 143 135.850 163.760 Bảng 8. Năng lực vận chuyển của đon tu trong giai đoạn 2010 Giờ bắt đầu Giờ kết thúc Gin cách (phút) Chuyến/giờ/tuyến Năng lực (ngời) Khả năng (ngời) 05 : 00 06 : 00 5 12 11.400 17.088 06 : 00 07 : 00 4 20 19.000 28.480 07 : 00 08 : 00 4 20 19.000 28.480 08 : 00 09 : 00 5 20 19.000 28.480 09 : 00 10 : 00 7 12 11.400 17.088 10 : 00 11 : 00 7 12 11.400 17.088 11 : 00 12 : 00 7 12 11.400 17.088 12 : 00 13 : 00 7 12 11.400 17.088 13 : 00 14 : 00 7 12 11.400 17.088 14 : 00 15 : 00 7 12 11.400 17.088 15 : 00 16 : 00 4 12 11.400 17.088 16 : 00 17 : 00 4 20 19.000 28.480 17 : 00 18 : 00 4 20 19.000 28.480 18 : 00 19 : 00 5 20 19.000 28.480 19 : 00 20 : 00 7 12 11.400 17.088 20 : 00 21 : 00 10 12 11.400 17.088 21 : 00 22 : 00 10 12 11.400 17.088 Tổng cộng 204 193.800 290.496 Bảng 9. Năng lực vận chuyển của đon tu trong giai đoạn 2020 Giờ bắt đầu Giờ kết thúc Gin cách (phút) Chuyến/giờ/tuyến Năng lực (ngời) Khả năng (ngời) 05 : 00 06 : 00 5 18 17.100 25.632 06 : 00 07 : 00 4 30 28.500 42.720 07 : 00 08 : 00 4 30 28.500 42.720 08 : 00 09 : 00 5 30 28.500 42.720 09 : 00 10 : 00 7 18 17.100 25.632 10 : 00 11 : 00 7 18 17.100 25.632 11 : 00 12 : 00 7 18 17.100 25.632 12 : 00 13 : 00 7 18 17.100 25.632 13 : 00 14 : 00 7 18 17.100 25.632 14 : 00 15 : 00 7 18 17.100 25.632 15 : 00 16 : 00 4 18 17.100 25.632 16 : 00 17 : 00 4 30 28.500 42.720 17 : 00 18 : 00 4 30 28.500 42.720 18 : 00 19 : 00 5 30 28.500 42.720 19 : 00 20 : 00 7 18 17.100 25.632 20 : 00 21 : 00 10 18 17.100 25.632 21 : 00 22 : 00 10 18 17.100 25.632 Tổng cộng 306 290.700 435.744 Từ kết quả các bảng 7, 8, 9 ta vẽ đợc đồ thị năng lực vận chuyển hình 4, 5, 6. 0 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000 14.000 16.000 18.000 56789101112131415161718192021 Ngời Năng lực Khả năng giờ Hình 4. Năng lực vận chuyển hnh khách ở giai đoạn 2005-2007 0 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000 30.000 56789101112131415161718192021 Series2 Series1 Ngời giờ Năng lực Khả năng Hình 5. Năng lực vận chuyển hnh khách ở giai đoạn 2010 0 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000 30.000 35.000 40.000 45.000 5 6 7 8 9 101112131415161718192021 Ngời giờ Năng lực Khả năng Hình 6. Năng lực vận chuyển hnh khách ở giai đoạn 2020 III. Kết luận Việc tính toán năng lực thông qua và thời gian quay vòng đoàn tàu của tuyến đờng sắt nhẹ Hà Nội - Hà Đông là rất khó khăn phụ thuộc vào quá trình thống kê trong nhiều năm. Chúng tôi dựa trên cơ sở đó với sự trợ giúp của các cơ quan nh Viện Chiến lợc, Tổng Công ty t vấn thiết kế giao thông vận tải; mới chỉ tính toán đợc năng lực trong một số mốc thời gian của tuyến và xây dựng các biểu đồ V = f(s), t = f(s), để xây dựng các quay vòng định ra tần suất đoàn tàu nhằm giúp cho việc xây dựng tuyến đờng sắt Hà Nội - Hà Đông có độ chính xác cao. Tài liệu tham khảo [1]. TEWET Và trung tâm nghiên cứu phát triển giao thông vận tải phía Nam. Nghiên cứu khả thi tuyến tàu điện ngầm thành phố Hồ Chí Minh. [2]. Co, Ltd. CNR Group. Technical proposal for vehicle of Ha Noi rail traffic line, Bắc kinh 2004. [3]. Nguyễn Văn Chuyên, Trơng Duy Phúc. Sức kéo đầu máy điện, Hà Nội 2003 . thông đờng sắt nhẹ ra 3 loại: thấp, trung bình và cao. Loại thấp: tuyến đờng chủ yếu nằm trên mặt đất, dùng hình thức chạy tàu bán tự động, chỉ có điểm giao nhau quan trọng, mới giao cắt không. Tuyến đờng của giao thông đờng sắt nhẹ, có thể là trên mặt đất, trên giá cao hoặc ngầm dới đất. Khi thiết kế cụ thể, phụ thuộc vào bố cục tổng thể và quỹ đất của thành phố, hớng di chuyển của hành. trọng, bao gồm: cảnh quan, ô nhiễm không khí, tiếng ồn. Tham khảo khả năng kỹ thuật của các nớc có nền công nghiệp chế tạo đoàn tàu metro tiên tiến, các chỉ tiêu đặc trng cho khả năng vận tải