( Vibration of Railway Rolling Stocks)

บทนำ

เรื่องหนึ่งที่เป็นประเด็นให้ถกเถียงกันเป็นประจำเมื่อมีการเปลี่ยนแปลง ผู้บริหารระดับสูงก็คือเรื่องความกว้างของรางรถไฟที่ภาษาอังกฤษเรียกว่า Railway Gauge และส่วนใหญ่ที่ถกเถียงกันก็มักจะเอาเรื่องใจชอบหรือไม่ชอบเป็นที่ตั้ง มากกว่าจะใช้เหตุผลด้านวิชาการทางวิศวกรรมมาประกอบเข้ากับเหตุผลด้านประวัติ ศาสตร์และเศรษฐศาสตร์

ถ้าทุกอย่างเริ่มต้นจากศูนย์ รางกว้างก็ย่อมจะดีกว่าอย่างแน่นอน แต่ประวัติศาสตร์ 108 ปี ของรถไฟ ย่อมต้องมีความเป็นมา และความเป็นมานั้นก็ถูกเลือกสรรโดยบรรพบุรุษด้วยเหตุผลความจำเป็นที่แตกต่าง กันไปตามสถานการณ์ ร.5 ทรงเลือกที่จะสร้างทางรถไฟสายแรกเป็นรางกว้าง 1,435 มม. (Standard Gauge)  ก็เพราะทรงเกรงว่าฝรั่งจะต่อทางรถไฟจากเพื่อนบ้านซึ่งใช้รถไฟรางแคบ (กว้าง 1,000 มม. ที่เรียกว่า Metre Gauge) แล้วใช้เป็นเครื่องมือยึดดินแดน แต่เมื่อจะสร้างทางรถไฟสายใต้ ประเทศไทยก็จำเป็นต้องสร้างเป็นรางแคบเพราะต้องกู้เงินอังกฤษและยอมทำตาม เจ้าของเงินกู้ และเมื่อจะสร้างสะพานพระราม6 บรรพบุรุษในขณะนั้นก็ได้เลือกที่จะเปลี่ยนมาใช้เป็นรางแคบ และขณะนี้เราก็มีทางรถไฟรางแคบอยู่ 4,100 กม. ทั่วประเทศ

เมื่อเราไม่ได้เริ่มต้นจากศูนย์ ก็คงจะต้องดูว่าที่เรามีอยู่แล้วนี้ ดีหรือไม่ดีอย่างไร มีเหตุผลอะไรที่เราจะต้องเปลี่ยน สิ่งเหล่านี้ในฐานะที่เป็นวิศวกร คงไม่ตัดสินอะไรไปบนความชอบหรือไม่ชอบ และที่จะเขียนนี้ก็เป็นเหตุผลหนึ่งที่สามารถใช้ประกอบการพิจารณาด้วย

สิ่งนั้นคือ การสั่นสะเทือนขั้นมูลฐานของล้อเลื่อนรถไฟ (Basic Vibration of Rolling Stocks) ซึ่งในที่สุดก็คือสิ่งที่จะชี้ถึงความมั่นคงของขบวนรถไฟในการวิ่งด้วยความ เร็วสูง

การสั่นสะเทือนของรถไฟไม่ว่าจะใช้รางกว้างหรือรางแคบก็ตาม เป็นปรากฏการณ์ตามปกติที่เกิดอยู่แล้ว หน้าที่ของวิศวกรผู้ออกแบบคือต้องหาทางลดการสั่นสะเทือนให้เหลือน้อยที่สุด และการสั่นสะเทือนของรถไฟที่วิศวกรต้องพิจารณามี 2 ช่วง คือ การสั่นสะเทือนที่ทำให้ผู้โดยสารรู้สึกไม่สบายและการสั่นสะเทือนที่รุนแรง ถึงขั้นเป็นอันตราย การวัดความมั่นคงในการสั่นสะเทือนมีค่ามาตรฐานเรียกว่า Ride Quality Index ซึ่งท่านที่สนใจก็อาจจะหาอ่านได้ในอินเตอร์เนตหรือหนังสือที่มีชื่อตามที่ผม นำมาตั้งเป็นชื่อบทความนี้

การสั่นสะเทือนของรถไฟมีปฐมเหตุจากล้อ

ล้อรถไฟจะมีรูปร่างเป็นกรวยตัด พื้นล้อเป็นระนาบเอียง สันนิษฐานว่า(เพราะยังหาตำราไม่พบ)เมื่อล้อกดลงบนรางแล้วจะทำให้เกิดการแตก แรงดังแสดงในรูป กล่าวคือ น้ำหนักรถ W ที่กดลงบนรางจะแตกออกเป็นแรง P ซึ่งจะดันรางให้แบะออกด้านข้างและแรง Q ซึ่งดึงล้อให้ไถล

เข้าด้านใน แรง Q ของล้อซ้ายและขวาจะดึงให้ล้อรถไฟอยู่ในตำแหน่งตรงกลาง เป็นการสร้างให้เกิดการสมดุล ผลก็คือแรงที่บังใบล้อกระแทกกับหัวรางของล้อที่มีพื้นล้อแบบกรวยตัดจะน้อย กว่าแรงกระแทกของล้อที่มีพื้นล้อเป็นแบบทรงกระบอก

resizedimage600443-aaaaaa

การสั่นสะเทือนของรถ 4 ล้อ

ล้อที่มีรูปร่างเป็นกรวยตัดเมื่อเคลื่อนไปบนรางก็จะส่ายไปมาเป็นลักษณะงู เลื้อย(Snake Motion หรือ Sine wave motion) การส่ายตัวดังกล่าวนี้คือคุณสมบัติของล้อพร้อมเพลาอิสระ (Free Wheel Set) และเมื่อนำล้อพร้อมเพลามาประกอบเข้าเป็นรถ 4 ล้อ ก็จะทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของล้อเลื่อนรถไฟขึ้นรอบแกน x,y,z โดยมีการสั่นสะเทือนสะเทือน 6 ทิศทางรอบแกนดังกล่าวดังแสดงในรูปต่อไปนี้

wheel-train-2

การสั่นสะเทือนรอบแกน X มี 2 ลักษณะ คือ การกระตุกในแนวแกน X ที่เรียกว่า Jerking หรือ Fore & Aft Motion และการโคลงรอบแกน X ที่เรียกว่า Rolling

การสั่นสะเทือนรอบแกน Y มี 2 ลักษณะ คือ การไกวออกทางด้านข้างในแนวแกน Y ที่เรียกว่า Swaying และการกระดกหน้า กระดกหลังรอบแกน Y ที่เรียกว่า Yawing หรือ Pitching

การสั่นสะเทือนรอบแกน Z มี 2 ลักษณะ คือ การเต้นในแนวดิ่งทางแกน Z ที่เรียกว่า Bouncing และการส่ายตัวรอบแกน Z ที่เรียกว่า Hunting

การสั่นสะเทือนรอบ Center of Gravity (CG) ในแนวแกนทั้งสาม เป็นผลมาจากล้อรถไฟที่เป็นรูปกรวยตัด และการสั่นสะเทือนนี้จะเกิดขึ้นตามธรรมชาติแม้ว่ารางรถไฟจะเรียบเป็น แผ่นกระจกก็ตาม ดังนั้น ในสภาพทางรถไฟจริงซึ่งไม่เรียบ ก็ยิ่งจะทำให้การสั่นสะเทือนรุนแรงยิ่งขึ้นซึ่งวิศวกรรถไฟจะต้องออกแบบทั้ง ล้อเลื่อนและทางรถไฟให้มั่นคงเพื่อป้องกันการสั่นสะเทือนที่รุนแรงจนถึงขั้น รถตกรางเป็นอันตรายได้

การส่ายตัวแบบงูเลื้อย (Snake Motion) ของล้อพร้อมเพลาอิสระ เป็นต้นเหตุของการสั่นสะเทือนทั้งหมด กล่าวคือ เมื่อล้อพร้อมเพลาเซออกไปทางด้านใด ล้อด้านนั้นก็จะวิ่งไปบนรางด้วยเส้นผ่าศูนย์กลางที่โตกว่าล้อด้านตรงข้าม เป็นผลให้ล้อด้านนั้นวิ่งล้ำหน้าไป เพลาล้อจึงส่ายออกหน้าจากแนวแกนที่ตั้งฉากกับรางรถไฟ ทำให้เกิดการบังคับทิศทางให้ล้อพร้อมเพลาเคลื่อนที่กลับ (Self Steering) ล้อด้านที่วิ่งด้วยเส้นผ่าศูนย์กลางที่โตกว่าก็จะส่ายกลับเอาแกนด้านตรงข้าม นำหน้าใหม่ สลับกันไปเช่นนี้ ผลก็คือเกิดการเคลื่อนที่ของล้อพร้อมเพลาในลักษณะงูเลื้อยดังกล่าวแล้ว

wheel-train-3

ถ้าความถี่ในการส่ายแบบงูเลื้อยของล้อพร้อมเพลาคู่หน้าและหลังไม่ทับรอย กัน (Out of phase) เท่ากับ 180° พอดี ตัวรถด้านหน้าและด้านหลังก็จะส่ายไปคนละด้าน ทำให้เกิดการส่ายของตัวรถรอบแกน Z หรือที่เรียกว่า Hunting

อย่างไรก็ดี การส่ายของเพลาล้อคู่หน้าและหลังอาจจะไม่ทับรอยกัน 180° พอดี ซึ่งจะทำให้ศูนย์กลางของการส่าย (Center of Gravity: C of G) เคลื่อนออกทางด้านข้างในแนวแกน Y เรียกว่าการไกว หรือ Swaying  และในทำนองเดียวกัน ถ้าการยุบตัวของสปริงรับน้ำหนักที่ล้อแต่ละด้านสั่นไม่ทับรอยกัน (Out  phase) ก็จะทำให้ C of G ของตัวรถเต้นขึ้นลงในแนวแกน Z หรือที่เรียกว่า Bouncing ส่วนการกระดกหน้ากระดกหลังรอบแกน Y  ที่เรียกว่า Yawing หรือ Pitching  จะเกิดจากการยุบตัวของสปริงรับน้ำหนักที่ไม่ทับรอยกัน 180°

การสั่นสะเทือนประเภทสุดท้ายคือ การกระตุกในแนวแกน X หรือที่เรียกว่า Fore & Aft เกิดจากผลของ Gyroscopic อันเนื่องมาจากล้อพร้อมเพลาที่มีน้ำหนักเป็นตันหมุนรอบเพลาซึ่งส่ายไปมา ในขณะที่ล้อเคลื่อนที่ไปตามแนวรางรถไฟ นอกจากนั้นหากล้อรถไฟมีน้ำหนักไม่สมดุล ก็อาจจะทำให้เกิดการสั่นสะเทือนแบบนี้มากยิ่งขึ้น รถไฟที่วิ่งเร็วกว่า 160 กม/ชม. จึงต้องถ่วงล้อเหมือนรถยนต์เพื่อลดการกระตุกลง

การสั่นสะเทือนของรถไฟในสภาพที่เป็นจริง จะเกิดจากการผสมผสานของการสั่นสะเทือนทั้ง 6 แนวแกนที่เกิดขึ้นพร้อมกัน นอกจากนั้น หากมีสิ่งผิดปกติเกิดขึ้นบนรางรถไฟ เช่น รางยุบตัวหรือเมื่อรถวิ่งผ่านประแจ ความผิดปกติเหล่านี้ก็จะกระตุ้นให้เกิดการสั่นสะเทือนที่รุนแรงยิ่งขึ้น และการสั่นสะเทือนนี้ก็จะมีผลตั้งแต่ทำให้ล้อและรางสึก ทำให้ผู้โดยสารรู้สึกไม่สบายไปจนถึงการที่รุนแรงมากจนถึงเป็นเหตุให้รถตกราง ได้

การสั่นสะเทือนของรถ 8 ล้อ

รถไฟ 4 ล้อเป็นรถในระยะแรกที่วิศวกรรถไฟประดิษฐ์ขึ้น แต่เป็นรถที่มีสมรรถนะไม่ดี ไม่สามารถวิ่งความเร็วสูงได้เนื่องจากคาบในการส่ายตัวของล้อมีระยะสั้น ทำให้ตัวรถมีการสั่นสะเทือนที่เกินมาตรฐานความปลอดภัยในทุกทิศทาง ในระยะต่อมาจึงมีผู้คิดประดิษฐ์รถ 8 ล้อขึ้นซึ่งเรียกเป็นภาษาอังกฤษว่า Bogied-vehicle ซึ่งรถ 8 ล้อก็คือการนำเอารถ 4 ล้อมาทำให้สั้นลง เรียกว่า “โบกี้” แล้วเอาตัวรถวางทับลงไปอีกชั้นหนึ่ง

wheel-train-4

โดยวิธีการดังนี้ การส่ายของล้อพร้อมเพลาซึ่งเป็นต้นเหตุของการสั่นสะเทือนของตัวรถก็จะลดลงไป การสั่นสะเทือนพื้นฐานซึ่งเกิดกับรถ 4 ล้อ จะทำให้โบกี้มีการสั่นสะเทือน
เช่นเดิม แต่การสั่นสะเทือนดังกล่าวจะถูกส่งผ่านขึ้นมาถึงตัวรถน้อยลง

wheel-train-5

wheel-train-6

อย่างไรก็ดี แม้ว่าจะแก้ไขให้การสั่นสะเทือนที่ไม่พึงประสงค์ลดลงโดยใส่โบกี้เข้าไปแล้ว แต่การสั่นสะเทือนที่ไม่ทับรอยกัน (Out of phase) ของโบกี้หน้าและหลัง ก็ยังเป็นเหตุให้ตัวรถยังเกิดการส่ายรอบ CG อยู่ เพียงแต่มีระดับความรุนแรงลดลง ในทำนองเดียวกัน การสั่นสะเทือนในแนวแกนอื่นของตัวรถก็ยังคงมีอยู่ในขณะที่การสั่นสะเทือน พื้นฐานของรถ 4 ล้อก็จะไปปรากฏอยู่ที่ตัวโบกี้

การสั่นสะเทือนที่เกิดจากแรงภายนอก

ความผิดปกติของทางรถไฟจะกระตุ้นให้เกิดการสั่นสะเทือนที่มีอยู่แล้วตาม ธรรมชาติให้รุนแรงขึ้น ดังนั้นในเบื้องต้นจึงต้องออกแบบเพื่อสร้างและบำรุงรักษาทางรถไฟให้มีความ มั่นคง

อย่างไรก็ดี ในสภาพที่เป็นจริง ก็คงหลีกเลี่ยงแรงกระทำจากภายนอกเหล่านั้นไม่ได้ อย่างน้อยเมื่อรถวิ่งผ่านประแจซึ่งเนื้อรางโหว่เป็นช่อง ก็จะกระตุ้นให้เกิดการสั่นสะเทือนในแนวดิ่งที่ผิดปกติขึ้น ซึ่งในการออกแบบโบกี้นั้น วิศวกรจะลดการสั่นสะเทือนโดยให้มีระบบ Primary suspension ( อุปกรณ์รับน้ำหนักชุดแรกที่อยู่ติดกับเพลาล้อ) และระบบ Secondary suspension (อุปกรณ์รับน้ำหนักชุดที่สอง ที่การสั่นสะเทือนส่งผ่านมาจากอุปกรณ์ส่วนเคลื่อนไหวของโบกี้ และจาก Primary suspension ด้วย) เพื่อควบคุมการสั่นสะเทือนจึงต้องติดตั้งโช๊คอัพ (Shock Absorber) เพื่อระงับการสั่นสะเทือนที่ผิดปกติให้จางหายไปโดยเร็ว โบกี้สำหรับรถที่วิ่งด้วยความเร็วต่ำก็อาจจะเป็นโช๊คอัพแบบง่ายๆ เช่นรถสินค้า 4 ล้อในสมัยแรกซึ่งใช้สปริงแบบเหล็กแผ่น (Leaf Spring) ไม่ติดตั้งโช๊คอัพ แต่อาศัยแรงเสียดสีระหว่างแผ่นเหล็กสปริงช่วยระงับการสั่นสะเทือนในแนวดิ่ง ทำหน้าที่เป็น Primary suspension รถเหล่านี้วิ่งได้ความเร็ว 50-70 กม/ชม. เท่านั้น สำหรับรถโดยสารซึ่งวิ่งเร็วกว่าและต้องการควบคุมการสั่นสะเทือนให้รัดกุม กว่า โบกี้ก็จะใช้ทั้งCoil spring และโช๊คอัพที่มีคุณภาพสูงกว่า เป็น Primary suspension ส่วน Secondary suspension ก็จะมีทั้งที่ใช้ทั้งCoil spring ถุงลม (Air spring) และแผ่นยางสลับโลหะ (Metallic) สำหรับรถไฟความเร็วสูงซึ่งวิ่งด้วยความเร็ว 200-350 กม/ชม. นั้น นอกจากจะติดตั้งระบบรับน้ำหนักดังกล่าวแล้ว ยังติดตั้งโช๊คอัพโบกี้ละนับสิบตัวเพื่อระงับการสั่นสะเทือนทุกทิศทางที่ เกิดขึ้นดังกล่าวแล้วกับ Primary และ Secondary suspension

การ ออกแบบที่ดีจะควบคุมการสั่นสะเทือนโดยล้อจะเสียดสีกับสันรางเท่านั้น เมื่อผู้เขียนนั่งรถไฟความเร็วสูงของญี่ปุ่นจากโตเกียวไปโอซากา สังเกตเห็นรอยสึกเป็นเส้นตรงบนสันราง ไม่ค่อยมีรอยบังใบล้อเสียดสีกับหัวรางด้านข้างซึ่งแสดงให้เห็นความสามารถใน การออกแบบที่ควบคุมการส่ายตัวของโบกี้ได้เป็นอย่างดี

wheel-train-7

ตะเฆ่ที่บริเวณประแจซึ่งกระตุ้นการสั่นสะเทือนแม้จะสร้างและบำรุงรักษาทางรถไฟให้มั่นคงแล้ว

โบกี้รถไฟแบบต่างๆ

รถไฟแบบมี 2 โบกี้ๆละ 2 เพลาเป็นล้อเลื่อนรถไฟแบบมาตรฐานที่มีใช้งานอยู่โดยทั่วไป อย่างไรก็ดี เนื่องจากเป็นวิธีการออกแบบที่มีราคาแพงจึงมีผู้พยายามพัฒนาระบบรับน้ำหนัก แบบอื่น ได้แก่รถไฟแบบ 4 ล้อที่สามารถวิ่งความเร็วสูงและรถแบบใช้โบกี้ร่วม (Articulated Bogie) ซึ่งวิศวกรเห็นว่าหากสามารถสร้างให้มีสมรรถนะเท่ากับรถแบบใช้โบกี้ ก็จะมีราคาต่ำกว่า

รถเหล่านี้ในภายหลังเมื่อเครื่องมือและเทคโนโลยีทันสมัยขึ้น ก็สามารถออกแบบให้วิ่งความเร็วสูงได้ ตัวอย่างเช่น รถ 4 ล้อที่ใช้เทคโนโลยี Talgo Pendular ของประเทศสเปนซึ่งสามารถทำความเร็วในขณะทดสอบได้ถึง 359 กม/ชม.

wheel-train-8

รถโดยสาร 4 ล้อที่ใช้เทคโนโลยี Talgo Pendular

รถใช้โบกี้แบบ 4 ล้อ ร่วมกัน เช่นขบวนรถไฟความเร็วสูงของประเทศฝรั่งเศสซึ่งวิ่งใช้งานจริงด้วยความเร็ว สูงสุดถึง 350 กม/ชม. นอกจากนั้น ยังมีความพยายามที่จะออกแบบรถที่ใช้โบกี้แบบล้อเดียวร่วม (Mono Axle Articulated Bogie) แต่เนื่องจากจะทำให้มีน้ำหนักกดเพลาสูงมาก จึงยังไม่เคยเห็นใช้งาน แนวคิดในการออกแบบเหล่านี้ก็คือความพยายามที่จะลดค่าใช้จ่ายในการสร้างและ บำรุงรักษาลงในขณะเดียวกันก็สามารถรักษาสมรรถนะในการวิ่งใช้งานไว้ให้มีค่า ตามมาตรฐาน

wheel-train-9

ขบวนรถ TGV ของประเทศฝรั่งเศส ใช้ Articulated Bogie 

Tilting Technology

ในขณะที่ขบวนรถวิ่งผ่านทางโค้งด้วยความเร็วสูง จะเกิดแรงหนีศูนย์กลางซึ่งดันผู้โดยสารออกทางด้านข้าง ทำให้รู้สึกไม่สบาย ด้วยเทคโนโลยีสมัยใหม่ทำให้การออกแบบสร้างเพื่อแก้ไขปัญหาดังกล่าวทำได้ง่าย ขึ้น วิศวกรจะใช้วิธีบันทึกคุณลักษณะของทางโค้งไว้ทั้งหมด เมื่อขบวนรถวิ่งผ่าน อุปกรณ์บนรถก็จะเอียงตัวรถให้พอเหมาะกับโค้ง โดยวิธีการดังกล่าวก็จะทำให้ผู้โดยสารรู้สึกสบายขึ้นในขณะที่ขบวนรถวิ่งผ่าน ทางโค้ง เทคโนโลยีนี้เหมาะสำหรับทางรถไฟที่มีขบวนรถหลายแบบที่วิ่งด้วยความเร็วสูง สุดต่างกัน ใช้เส้นทางร่วมกันซึ่งไม่สามารถยกรางในทางโค้งให้เหมาะกับความเร็วของรถขบวน ใดขบวนหนึ่งได้

ขบวนรถไฟของ ควีนสแลนด์ ประเทศออสเตรเลีย ซึ่งวิ่งบนรางกว้าง 1,067 มม. และใช้ Tilting Technology สามารถวิ่งด้วยความเร็วสูงสุดถึง 170 กม/ชม. โดยมีค่า Ride Quality Index ซึ่งผู้โดยสารรู้สึกสบาย และเส้นทางรถไฟนั้นก็สามารถใช้เดินขบวนรถโดยสารธรรมดาและขบวนรถสินค้าซึ่ง วิ่งช้ากว่า

การกลึงล้อ (Wheel Turning)

ดังกล่าวแล้วข้างต้นว่า การส่ายตัวของล้อพร้อมเพลาทำให้ล้อที่ผ่านการใช้งานแล้วสึกหรอไปซึ่งการที่ ล้อเปลี่ยนรูปไปจากเดิมก็จะทำให้การส่ายตัวผิดแปลกไปจากที่ออกแบบไว้ ผลก็คือทำให้ค่า Ride Quality Index เปลี่ยนไปในทางลบ ผู้โดยสารจะรู้สึกไม่สบาย และถ้าปล่อยให้การสึกเกินพิกัดไปมากก็อาจเป็นอันตรายต่อขบวนรถได้

ดังนั้นรถที่ผ่านการใช้งานไปแล้วระยะหนึ่งจึงต้องกลึงขึ้นรูปล้อเสียใหม่เพื่อให้การสั่นสะเทือนกลับไปสู่สภาพตามที่ออกแบบไว้

หน้าตัดของล้อรถไฟแต่ละประเทศจะแตกต่างกัน การรถไฟแห่งประเทศไทยใช้ล้อซึ่งมีความเอียง 1:20 จัดว่ามีความเอียงค่อนข้างมาก เข้าใจว่าต้องการกันไม่ให้ล้อปีนรางในทางโค้ง แต่ล้อที่มีความเอียงค่อนข้างมากนี้จะมีความยาวคลื่น (Wavelength) ในการส่ายตัวสั้น ทำให้โบกี้ส่ายตัวมากเมื่อวิ่งในทางตรง ผลก็คือคุณภาพในการสั่นสะเทือนไม่ค่อยดี ล้อและรางสึกหรอมากประเทศญี่ปุ่นใช้ล้อซึ่งพื้นล้อมีความเอียงสองระนาบคือ 1:10 และ 1:20 ส่วนรถซึ่งโบกี้เป็นแบบไม่มีเบาะรับน้ำหนัก (Bolsterless) จะใช้ล้อที่มีความลาดเอียง 1:100 ในทำนองเดียวกันนี้ ล้อรถไฟที่ใช้อยู่ในประเทศอื่นๆก็จะมีความลาดเอียงและมิติสำคัญอื่นๆต่างกัน

wheel-train-a

สรุป

จะเห็นว่าล้อเลื่อนรถไฟไม่ว่าจะใช้รางกว้างหรือรางแคบก็จะมีการสั่น สะเทือนเป็นธรรมชาติจากการออกแบบอยู่แล้วและวิศวกรผู้ออกแบบสร้างและบำรุง รักษาก็จะต้องกำหนดมาตรฐานในการทำงานโดยพยายามควบคุมการสั่นสะเทือนให้ให้ อยู่ในพิกัดซึ่งดังกล่าวไว้แล้วตั้งแต่ต้นว่ามีอยู่สองพิกัดคือ พิกัดที่กำหนดโดยความรู้สึกสบายของผู้โดยสาร (Passenger Comfort) และพิกัดที่กำหนดจากค่าความปลอดภัยซึ่งจะมีการสั่นสะเทือนที่รุนแรงกว่า ความแตกต่างของค่าพิกัดทั้งสองก็คือค่าความปลอดภัย (Safety Factor) ซึ่งใช้ควบคุมมาตรฐานในการซ่อมบำรุง

มาตรฐานการออกแบบกำหนดขึ้นจากงานค้นคว้าวิจัยซึ่งในการออกแบบล้อเลื่อน รถไฟในเบื้องต้นก็คือการคิดคำนวณหาค่าพารามิเตอร์ต่างๆที่จะทำให้การสั่น สะเทือนเป็นไปตามมาตรฐาน ในกรณีการออกแบบรถไฟความเร็วสูงจะมีการสร้างเครื่องทดสอบจำลองเพื่อตรวจสอบ การสั่นสะเทือนของล้อเลื่อนในเบื้องต้นก่อนที่จะทำการทดสอบขั้นสุดท้ายในภาค สนาม

การสั่นสะเทือนของล้อเลื่อนที่ความเร็วต่ำไม่ค่อยมีความสำคัญมากนักและ สามารถควบคุมให้อยู่ในพิกัดได้ง่าย ดังนั้นหากเข้าใจอย่างนี้ ก็จะเห็นว่ารถไฟฟ้าขนส่งมวลชนซึ่งมีสถานีอยู่ใกล้กันและวิ่งด้วยความเร็ว 50-70 กม/ชม. ก็ไม่ค่อยจำเป็นที่จะต้องใช้รางกว้าง แต่ความสำคัญในการออกแบบจะไปอยู่ที่เรื่องประหยัดและบำรุงรักษาง่ายมากกว่า ด้วยเหตุนี้ ประเทศญี่ปุ่นจึงเลือกใช้ความกว้างของรางรถไฟขนส่งมวลชนในเมืองโดยไม่ได้ให้ ความสำคัญกับเรื่องสมรรถนะมากนัก แต่ความสำคัญจะไปอยู่ที่เรื่องการเชื่อมโยงกับระบบรถไฟทั่วประเทศซึ่งใช้ รางกว้าง 1,067 มม. ดังนั้นรถไฟขนส่งมวลชนในกรุงโตเกียวจึงใช้รางกว้าง 1,435 มม. อยู่เพียงสองสาย ที่เหลือใช้รางกว้าง 1,067 มม. (ยกเว้นรถไฟของเอกชน)

รถไฟที่วิ่งระยะไกลซึ่งความเร็วสูงกว่าเป็นคนละกรณีกัน เพราะผลของการสั่นสะเทือนจะรุนแรงกว่ารถไฟขนส่งมวลชนในเมืองมาก ดังนั้น แม้ว่าวิศวกรจะสามารถใช้เทคโนโลยีสมัยใหม่ทำให้การสั่นสะเทือนลดลงได้ดีกว่า แต่ถึงที่สุดเมื่อความเร็วเลยระดับหนึ่งไปแล้วก็อาจจะหลีกเลี่ยงการใช้ รางกว้างไม่ได้ จากประสบการณ์ที่ผ่านมา รถไฟรางกว้าง 1,000- 1,067 มม. อาจจะพัฒนาการออกแบบให้วิ่งได้เร็วสูงสุดถึง 170 กม/ชม. โดยยังมีความมั่นคงในการสั่นสะเทือนอยู่ในพิกัด แต่ถ้าจะสร้างรถไฟที่เร็วกว่านั้นก็จำเป็นต้องใช้รางกว้างจึงจะทำให้การสั่น สะเทือนในการวิ่งใช้งานลดลง คำถามคือเราอยู่ตรงไหนของเรื่องราวเหล่านี้ เราต้องการความเร็วสูงสุดเท่าใด การเดินรถที่มีประสิทธิภาพทำอย่างไร ความคุ้มค่าทั้งการลงทุน เศรษฐกิจ ความกว้างรางเท่าใดที่เหมาะสม และเราควรเลือกทางเดินอย่างไร

 

นคร จันทศร

วศบ. (เครื่องกล) MSc. (Operational Research)

ที่ปรึกษาผู้อำนวยการ สวทช.

อดีตรองผู้ว่าการรถไฟ

มิถุนายน 2554

 

Share