قاطرة

(تم التحويل من القاطرة)
Three body styles of diesel locomotive: cab unit, hood unit and box cab. These locomotives are operated by Pacific National in Australia.
R class steam locomotive number R707 as operated by the Victorian Railways of Australia.
A Green Cargo RC 4 class electric locomotive repainted in its original livery for the Swedish 150-year railway anniversary in 2006.

القاطِرة بلإنگليزية Locomotive آلة تقوم بجر أو دفع القطارات على مسارات السكك الحديدية. يتراوح وزن القاطرات البدائية بين 2,5 و5,5 أطنان مترية وكانت تستطيع جر أو دفع عربات خفيفة قليلة فقط. وتزن القاطرة الحديثة أكثر من 640 طنًا متريا، وتستطيع تحريك أكثر من 200 عربة بضائع في وقت واحد.

و هناك ثلاثة أنواع أساسية من القاطرات تبعاً لمصدر القدرة المحركة لها: 1- قاطرات الديزل 2- القاطرات الكهربائية، 3- القاطرات البخارية. وهناك نوع رابع يعمل بمحرك يسمى التوربين الغازي. وتشبه هذه التوربينات تلك التي تستخدم في الطائرات. وليس للقطارات التوربينية قاطرات حيث تُبنى وحدات القدرة في واحدة أو أكثر من عربات القطار.

Walschaerts valve gear in a steam locomotive. In this animation, the red color represents live steam entering the cylinder, while the blue represents expanded (spent) steam being exhausted from the cylinder.
A steam locomotive at the Gare du Nord, Paris, 1930
Locomotive 030-219 of Renfe in Miranda de Ebro, Spain
Steam Locomotive B-5112 in Ambarawa Railway Museum - Indonesia

ولاتزال القاطرات البخارية التي قامت بجر معظم القطارات في الماضي تستخدم في بعض الدول. لكن قاطرات الديزل، والكهرباء حلّت محل القاطرات البخارية تماماً في معظم البلدان الصناعية. ولاتزال القاطرات البخارية تعمل في الدول التي تملك كميات وافرة من الفحم الحجري مثل الصين. كما أن بناء هذه القاطرات وصيانتها أكثر بساطة من الأنواع الأخرى، ولهذا فهي تستخدم في الدول التي تملك صناعة صغيرة. وفي بريطانيا، والولايات المتحدة وبعض البلدان تستخدم القاطرات البخارية في جر قطارات السائحين.

الشيطان الأحمر تعمل الآن بجنوب إفريقيا وهي واحدة من أحدث القاطرات البخارية في العالم.

تاريخ

القاطرات البخارية قامت بسحب كل القطارات تقريباً قبل اختراع الديزل. واليوم لاتزال القاطرة البخارية كالتي في الصورة أعلاه في خدمة القطارات في بعض أجزاء العالم.

كان المخترع البريطاني ريتشارد تريفيثيك أول من صمّم نموذجًا لقاطرة بخارية عام 1804م، وبنى بعده مهندس المناجم البريطاني جورج ستيفنسون وآخرون، هذه القاطرات.

وفي 27 سبتمبر 1825، حدث أول استخدام لقاطرة لجر قطار ركاب، شغلته شركة ستكتون ودارلنگتن في إنگلترة (صاحبها جورج ستيفنسون. وقد جرت القاطرة "لوكوموتيڤ رقم 1" 34 عربة ركاب زائد 1 عربة بضائع، لمسافة 21 ميل من شيلدون مروراً بدارلنگتن إلى ستكتن في مقاطعة درم. وكانت تلك الرحلة التاريخية هي بداية تطوير السكك الحديدية في العالم، التي انتشرت في أرجاء العالم مسرى النار في الهشيم في الأعوام التالية. وكان خط ستكتون-دارلنگتن هو أول خط ركاب وبضائع باستخدام قاطرات بخارية في معظمها وحسب جدول زمني مسبق.

كان بالقاطرات الأولى عيوب كثيرة حتى عام 1829 حين بنى ستيفنسون الصاروخ ليكون أول قاطرة حقيقية ناجحة. وقد نجح الصاروخ لأنه كان أول قاطرة تم تصميمها وبناؤها باستخدام ماسورة لفح ومرجل متعدد الأنابيب.

ملف:Steamiing
القاطرات التاريخية

وقد بنيت خطوط السكك الحديد في كل أنحاء العالم خلال القرن التاسع عشر الميلادي. وطوّر كثير من المهندسين المهرة القاطرات البخارية حتى تستطيع جر أحمال أكبر، وتسير على نحو أسرع، وتعمل بكفاءة أكبر. وكانت المحركات ذات عجلات القيادة الكبيرة تصل إلى سرعات عالية. وبعد ذلك قام المهندسون بوضع عجلات أصغر متصل بعضها ببعض لتعطي قوة سحب أكبر. وكذلك تمكنوا من وضع مراجل فوق العجلات الصغيرة. وفي البداية كانت خطوط السكك الحديدية تؤخذ بأبعاد مناسبة. ولكن بنهاية القرن التاسع عشر الميلادي صنعت غالبية طرق السكك الحديدية في أوروبا، وشمال أمريكا بأبعاد قياسية. ونتيجة لذلك فإن القاطرات التي تصنع في بلد ما تباع وتستخدم في أي بلد آخر. ولكن خطوط السكك الحديدية ذات الأبعاد الضيقة لاتزال تبنى وتستخدم في البلاد الجبلية. وبحلول الثلاثينيات من القرن التاسع عشر الميلادي وصلت القاطرات البخارية ذروة التطور الميكانيكي. بعد ذلك اختلفت القاطرات من ناحية الحجم فقط.

وقد بُنيت أولى القاطرات الكهربائية قرب نهاية القرن التاسع عشر الميلادي. وساهم كثيرون في تطويرها. وبَنت شركة سيمنز وهالسك الألمانية أول قاطرة كهربائية تعمل بصورة صحيحة عام 1879م، واختبر توماس أديسون أول نموذج له عام 1880م. وفي عام 1895م بدأت أولى القاطرات الكهربائية تعمل بصورة منتظمة على خطوط رئيسية في الولايات المتحدة. والقاطرات الكهربائية هي الوحيدة التي تستخدم في خطوط السكك الحديدية الممتدة تحت الأرض.

EMD GP50 diesel-electric freight locomotive of the Burlington Northern Railroad

وقد بدأ استخدام قاطرات الديزل، وعربات السكك الحديدية في عامي 1912، 1913م، ولكن في ثلاثينيات القرن العشرين تخطت قاطرات الديزل الخفيفة حاجز السرعة القياسية في ألمانيا والولايات المتحدة، إلا أن التغير الكبير من السحب بالبخار إلى السحب بالديزل على معظم خطوط السكك الحديدية قد حدث بعد الحرب العالمية الثانية (1939 - 1945م).

أنواع القاطرات

قاطرات الديزل

هي في الحقيقة محطات قدرة متنقلة. وبها محرك ديزل يعمل بضغط الهواء في حجرات تسمى الأسطوانات. وعندما ينضغط الهواء ترتفع درجة حرارته. وتتسبّب الحرارة الناتجة في إشعال الوقود الذي يتم حقنه في الأسطوانة. وتنتقل الطاقة المتولدة من هذه العملية إلى عجلات القيادة في القاطرة. ولمزيد من المعلومات المفصلة حول كيفية عمل محرك الديزل، انظر: محرك الديزل.

ولقاطرة الديزل عدد من الميزات. فهي تولد القدرة التي تحتاجها، ولهذا فهي تعمل في أي مكان يوجد به قضبان للسكة الحديدية. وتستطيع قاطرات الديزل أن تعمل لمسافات طويلة دون التزود بالوقود أو الخدمة. ويمكن إيقافها، أو إدارتها سريعاً كما أنها تصل إلى سرعات عالية أسرع من القاطرات البخارية، إضافة إلى أن فاعلية الوقود بها أعلى من مثيلتها في القاطرة البخارية، وتكلفة تشغيلها وصيانتها أقل.

ويمكن أن تكون قاطرة الديزل وحدة مفردة، أو تتألف من واحدة إلى أربع وحدات متصلة، وتتراوح قدرة الوحدة المفردة بين 400 و6,000 قدرة حصانية بينما تعطي وحدتان متصلتان قدرة كل واحدة 2,000 قدرة حصانية 4,000 قدرة حصانية. وتعطي ثلاث وحدات من هذه القاطرات 6,000 قدرة حصانية وهكذا.

ويستخدم رجال السكك الحديدية نظاماً من الحروف والأرقام لتصنيف أنواع قاطرات الديزل بعدد محاور القيادة والمحاور الطليقة (بدون قدرة)لكل قاطرة. ويدل الحرف A على محور قيادة واحد، والحرف B على محورين، والحرف C على ثلاثة، والحرف D على أربعة وهكذا.

Soviet electric locomotive VL60pk (ВЛ60пк), c. 1960.

ويدل الرقم 1 على محور طليق واحد، والرقم 2 على محورين، وهكذا. وتدمج محاور القيادة في معظم القاطرات في وحدات متحركة تسمى دروجة، وتدل الرموز A1A-A1A على قاطرة لها دروجتان بست عجلات، ولكل دروجة محور مركزي طليق، بينما تدل الرموز C-C على قاطرة ذات دروجتين بست عجلات إلا أن جميع المحاور قائدة.

قاطرات الديزل تجر معظم قطارات البضائع والركاب، وتقوم بمعظم أعمال التفريغ. وقاطرة الديزل (أعلى) من أكثر أنواع القاطرات انتشاراً في العالم.

وتلحق محركات الديزل ذات القدرة المنخفضة، والمتوسطة بعربات السكك الحديدية. وعربة السكك الحديدية مركبة ذاتية الحركة، يُستغل معظم الفراغ بها في خدمة الركاب والطرود. أو يمكن إلحاق عدد من محركات الديزل على مسافات في قطار يتألف من عربتين أو أكثر، لاينفصل بعضها عن بعض أبداً أثناء الخدمة. ويطلق رجال السكك الحديدية على هذه القطارات اسم قطارات متعددة الوحدة. ويمكن أن تُدمج وحدتان أو أكثر من هذه القطارات لتعمل تحت قيادة سائق واحد.

وتوجد ثلاثة أنواع من قاطرات الديزل:

1- ديزل كهربائي. 2- ديزل هيدروليكي.

3- ديزل ميكانيكي. وفي كل نوع تنتقل القدرة من المحرك إلى عجلات القيادة بطريقة مختلفة.

قاطرات الديزل الكهربائية

داخل قاطرة ديزل كهربائية

هي أكثر الأنواع شيوعًا. وفي هذه القاطرات يدير المحرك آلة تُسمى المولّد الذي يُنتج تيارًا كهربائيًا. عندئذ تتم تغذية محركات الجر بالتيار، وهي بدورها تدير التروس التي تسبب حركة عجلات القيادة. وفي معظم قاطرات الديزل الكهربائية تعطي مولداتها تيارًا مستمرًا وهو نوع من التيار الكهربائي يسري في اتجاه واحد فقط، بينما تنتج المولدات الملحقة ببعض القاطرات الحديثة الكبيرة تيارًا متناوبًا يعكس اتجاهه مرات عديدة كل ثانية. وتوجد في معظم قاطرات الديزل الكهربائية محركات جر تعمل بالتيار المستمر. ولهذا فإن القاطرات التي تعمل بمولدات تيار متناوب لابد أن تقوّم (تحوِّل) هذا التيار المتناوب إلى تيار مستمر قبل إرساله إلى المحركات. ويقوم بهذا التحويل أجهزة تُسمى المقومات السليكونية.

قاطرة الديزل الهيدروليكية تنقل قدرة المحرك إلى عجلات القيادة بأستخدام سائل مضغوط. وتستخدم هذه القاطرة الصينية في نقل الركاب إلى بكين.

قاطرات الديزل الهيدروليكية

في هذا النوع من القاطرات يقوم المحرك بتدوير محوِّل عزوم بدلاً من المولد. ومحول العزوم جهاز يستخدم سوائل تحت ضغط هيدروليكي لتوصيل قدرة المحرك والتحكم فيها. ويشتمل المحول على مضخة وتوربين. ويقوم التوربين بتحويل طاقة السوائل إلى قوة تستخدم في بذل شُغل. ويقوم المحرك بتسليم الزيت إلى المحول ثم تدوير المضخة. عندئذ تقوم المضخة بضغط الزيت على ريش التوربين وهذا يتسبب في تدوير التوربين، ثم قيادة مجموعة من التروس وأعمدة التدوير التي تدفع بعجلات القاطرة.

ولاتستخدم قاطرات الديزل الهيدروليكية على نطاق واسع مثلما تستخدم قاطرات الديزل الكهربائية. ولكن هذه القاطرات تُستخدم بكثرة في بعض البلدان خاصة ألمانيا حيث ظهر هذا النوع لأول مرة.

UP 68, one of Union Pacific's 4,500 hp 'veranda' turbines. From the Don Ross Collection

قاطرات الديزل الميكانيكية. تنتقل القدرة فيها من المحرك مثلما يحدث في السيارة بوساطة القابض، ومجموعة من التروس، وأعمدة الدوران. ويصل القابض بين المحرك ومجموعة التحريك، وهي التروس وأعمدة الدوران والتي بدورها تقوم بدفع العجلات. ويعطي هذا النظام الميكانيكي قدرة أقل من الأنظمة الأخرى ولهذا فهو يعمل بصورة جيدة في القاطرات الصغيرة.

القاطرات الكهربائية

على عكس قاطرات الديزل، فإن هذا النوع من القاطرات لاينتج القدرة اللازمة له. فهو يعمل بطاقة كهربائية تتولد من محطة قدرة كهربائية قد تكون بعيدة تماماً. ولذا فإن القاطرة الكهربائية تحتاج إلى كبلات خاصة أو قضبان حديدية تستمد منها طاقتها.

القاطرات الكهربائية تعمل بالقدرة التي تتولد من محطة توليد القدرة الكهربائية. وهذه القاطرات مفيدة على وجه الخصوص في جر قطارات الركاب السريعة أو قطارات البضائع الثقيلة والسريعة

والعديد من القاطرات الكهربائية يعمل بالتيار المتناوب. ويستمد القدرة المحركة من أسلاك معلقة أعلاه تُسمى المنحنى السلسلي. وهناك إطار من الحديد الصلب معلق في مفصل القاطرة يُسمى المنساخ يصل التيار الكهربائي بين الأسلاك والقاطرة. وتستقبل القاطرات التي تعمل بالتيار المتناوب القدرة اللازمة لها عند جهد كهربائي عال جدًا. وتوجد نبيطة كهربائية تُسمى المحول تقوم بتخفيض الجهد الكهربائي إلى المستوى المناسب للاستخدام. عندئذ يتم إرسال القدرة الكهربائية إلى محركات الدفع ذات التيار المتناوب، أو يتم تقويم التيار ثم يُبعث إلى محركات دفع ذات تيار مستمر.

A brass makers plaque from an Andrew Barclay locomotive of 1925.

وهناك بعض القاطرات التي تعمل بالتيار المستمر تستمد قدرتها الكهربائية بطريقة المنحنى السلسلي والمنساخ. وبعض قاطرات التيار المستمر الأخرى تستخدم قضيباً كهربائياًً ثالثاً يسير موازيا للقضبان الأصلية. وتلحق بهذه القاطرات نبيطة معدنية تُسمى حذوة التلامس وهذه تنزلق على القضبان فتلتقط منها التيار الكهربائي.

وتتكلف شبكة خطوط السكة الكهربائية مبالغ ضخمة بسبب مافيها من الأسلاك والمعدات الخاصة. وعلى كل حال، تستخدم القاطرات الكهربائية كميات كبيرة من القدرة الكهربائية من محطة القدرة المركزية. ومن الناحية الأخرى، لاتستخدم قاطرات الديزل قدرة محركة أكثر مما يعطيه الوقود الذي تحمله. وتتحرك القاطرات الكهربائية بمجرد تشغيلها. كما أنها هادئة ولاتصدر دخانًا، ولاغازات عادمة، ولذا فهي تستخدم في بعض الأوقات في الأماكن الآهلة بالسكان، وفي خطوط السكك الحديدية التي تجري تحت الأرض أو من خلال أنفاق طويلة.

القاطرة الكهربائية 010-91 واحدة من أحدث الأنواع التي تستخدم في الخطوط السريعة فيما بين المدن البريطانية.

وكما هو الحال في قاطرات الديزل، تعمل غالبية قاطرات الكهرباء منفردة أو في مجموعات من وحدتين أو أكثر. ولكن قاطرات الكهرباء يمكنها أن تعطي قدرة أكبر لكل وحدة مقارنة بقاطرات الديزل. ولهذا السبب فإن القاطرات الكهربائية أكثر فائدة عند استخدامها خاصة في قطارات الشحن الثقيلة والسريعة أو في قطارات الركاب السريعة.

ويمكن استخدام أنواع كثيرة من الوقود في محطات التوليد لإنتاج الكهرباء اللازمة لسير القاطرات. مثال ذلك الفحم الحجري والغاز والزيت وطاقة المياه أو الطاقة الذرية. وتسير قاطرات الديزل على زيت الديزل فقط، وقد يأتي يوم يكون فيه هذا نادرًا ومكلفًا.

القاطرات البخارية

تنتج الحرارة بحرق الفحم الحجري، أو زيت الوقود في صندوق الاحتراق. وتقوم الحرارة بتحويل الماء داخل مرجل (غلاية) القاطرة إلى بخار يتم إرساله إلى الأسطوانات. وهناك يتسبب الضغط الناشئ عن البخار في تحريك قضبان من الصلب تُسمى المكابس. وتتصل المكابس بأعمدة المكابس والأعمدة الأساسية والأعمدة الجانبية والتي تقوم بتحريك عجلات القيادة. وتلتحق بقاطرة البخار عربة تُسمى مقطورة الماء والوقود تحمل الوقود والمياه.

المحرك البخاري 799 يجر قطار الصباح من نيوجاليبجوري إلى داخل دارجيلينج في غرب البنغال بشمال شرقي الهند. ويعطي الشريط الضيق منظراً بديعاً أثناء رحلة القطار. وتبذل المحركات الصغيرة مجهوداً شاقاً لتكمل الرحلة الطويلة في 7 ساعات تقريباً متسلقة خلالها ارتفاعات في الهملايا تصل إلى 2,000م تقريباً. وقد تم بناء قاطرات هذا الطراز فيما بين عامي 1892 و 1927م.

وللقاطرات البخارية عدة عيوب، منها أنها تحتاج إلى عناية متكررة خصوصاً للمحافظة على اتقاد النار داخل المرجل، ولابد أن ينقضي وقت طويل لإشعال النار وتسخين المرجل حتى يخرج البخار. بالإضافة إلى أن القاطرات البخارية لايمكنها أن تصل إلى المعدلات العالية من السرعة التي تسير بها قاطرات الديزل أو القاطرات الكهربائية. كما أن لها فاعلية وقود منخفضة. ويتحتم حرق كميات كبيرة من الوقود للحصول على القدرة، ولكن القليل من الحرارة الناشئة يستخدم فعلاً في تسيير القاطرة والباقي يذهب هدرًا.


أنواع أخرى من القاطرات

تشمل قاطرات التوربين ـ الغازية (قاطرات العنفة الغازية)، وفيها وحدة توليد قدرة تتألف من ضاغط وحدة احتراق وتوربين. يقوم الضاغط بدفع الهواء المضغوط إلى داخل وحدة الاحتراق حيث يحرق الزيت، أو الغاز الطبيعي، أو مسحوق الفحم الحجري. وينشأ عن هذا الاحتراق لفح من الغازات الساخنة التي تُشغل التوربين. ويدير التوربين الضاغط أولاً. أما التوربين ذو الوصلات الكهربائية فيدير واحداً أو أكثر من المولدات الكهربائية. ثم تمد المولدات محركات الجر بالتيار الكهربائي. أما التوربين ذو الوصلات الميكانيكية فيدير تروس التخفيض. ثم تنقل عجلات التروس والأعمدة الجانبية الحركة إلى عجلات القاطرة.

ولتوربينات الغاز كفاءة جيدة في حالة العمل لفترات طويلة تحت حمل ثقيل. ولهذا السبب تسير غالبية قاطرات توربين الغاز على خطوط يصل طولها إلى 1,000كم على منحدرات طفيفة مستمرة مع قطارات شحن سريعة وثقيلة.

أنظر أيضاً

المصادر

الموسوعة المعرفية الشاملة

وصلات خارجية