रोलिंग स्टॉक डिझाइनमधील हलके साहित्यः अभियांत्रिकी आव्हान किंवा कार्यक्षमतेचा मार्ग?

आढावा

गेल्या अनेक दशकांपासून, रेल्वे उत्पादनाची उत्क्रांती हा सततच्या नवनिर्मितीचा प्रवास आहे, जो कार्यक्षमता, सुरक्षा आणि कामगिरी वाढवण्याच्या उद्देशाने प्रेरित आहे. रेल्वे वाहतुकीच्या सुरुवातीच्या टप्प्यात, गाड्या प्रामुख्याने पोलाद आणि कास्ट लोह सामग्रीपासून तयार केल्या जात असत, ज्या त्यांच्या सामर्थ्य आणि टिकाऊपणासाठी ओळखल्या जातात. तथापि, त्यांच्या लक्षणीय वजनामुळे जलद आणि अधिक ऊर्जा-कार्यक्षम प्रवास साध्य करण्याची क्षमता गंभीरपणे मर्यादित झाली. जसजसे रेल्वेचे जाळे विस्तारत गेले आणि साहित्य विज्ञानात प्रगती होत गेली, तसतसे केवळ विश्वासार्हच नव्हे तर हलके आणि अधिक किफायतशीर अशा गाड्यांच्या निर्मितीच्या दिशेने एक बदल झाला.

सध्या, रेल्वेच्या उत्पादनात हलक्या वजनाचे साहित्य एक महत्त्वाचा घटक म्हणून उदयाला येत आहे. रेल्वे उद्योगाने रोलिंग स्टॉकची एकूण कार्यक्षमता आणि कामगिरी अनुकूल करण्यासाठी एक कार्यक्षम उपाय म्हणून हलके साहित्य स्वीकारले आहे. ही सामग्री केवळ गाड्यांचे वजन कमी करत नाही तर त्यांची टिकाऊपणा, कार्यक्षमता आणि सुरक्षितता देखील वाढवते.

हा पेपर समकालीन रेल्वे उत्पादनात हलक्या वजनाच्या सामग्रीचे महत्त्व आणि फायदे तपासतो आणि त्यांच्या एकत्रीकरणात अडथळा आणणाऱ्या अडथळ्यांना संबोधित करतो.

रेल्वेच्या उत्पादनात हलक्या वजनाची सामग्री का?

सुरुवातीला, रेल्वे उत्पादकांनी पोलाद आणि लोह यासारख्या सामग्रीच्या वापराला प्राधान्य दिले, जे त्यांच्या टिकाऊपणासाठी आणि ताकदीसाठी प्रसिद्ध आहेत. तथापि, या सामग्रीच्या लक्षणीय वजनामुळे अनेक आव्हाने निर्माण झाली, ज्यात इंधनाचा वाढता वापर, रेल्वे रुळांवर वाढलेली घसरण आणि रचना लवचिकतेतील मर्यादा यांचा समावेश आहे. वाहतूक क्षेत्रात सुधारित वेग, ऊर्जा कार्यक्षमता आणि पर्यावरणीय शाश्वततेच्या वाढत्या मागणीला प्रतिसाद म्हणून, रेल्वे उद्योगाने हलक्या वजनाची सामग्री सक्रियपणे स्वीकारली आहे.

आर्थिकदृष्ट्या व्यवहार्य-आय. सी. एफ. (इंटिग्रल कोच फॅक्टरी), डी. एल. डब्ल्यू. (डिझेल लोकोमोटिव्ह वर्क्स), सी. एल. डब्ल्यू. (चित्तरंजन लोकोमोटिव्ह वर्क्स), आर. सी. एफ. (रेल कोच फॅक्टरी), आर. डब्ल्यू. एफ. (रेल व्हील फॅक्टरी) आणि डी. एम. डब्ल्यू. (डिझेल लोको मॉडर्नायझेशन वर्क्स) यासारख्या भारतीय रेल्वेच्या अंतर्गत येणाऱ्या प्रमुख उत्पादन संस्थांमध्ये, एकूण उत्पादन खर्चात केवळ सामग्रीचा वाटा सुमारे 70 ते 80 टक्के आहे.

हे प्रमाण लक्षात घेता, अॅल्युमिनियम मिश्रधातू किंवा संमिश्र पदार्थांसारख्या हलक्या वजनाच्या सामग्रीच्या वापराद्वारे सक्षम घटक किंवा संरचनात्मक वजनात 10 टक्के कपात देखील एकूण उत्पादन खर्चात 4 टक्के किंवा त्याहून अधिक कपात करू शकते, जेव्हा सामग्री एकूण खर्चाच्या 40 टक्के असते.

Sponsored

ऊर्जा कार्यक्षमः बॉम्बार्डियर ट्रान्सपोर्टेशनने केलेल्या अभ्यासातून असे सूचित होते की अॅल्युमिनियम किंवा संमिश्र पदार्थांसारख्या हलक्या वजनाच्या सामग्रीचा वापर करून 30 टक्क्यांपर्यंत वजन कमी करणे शक्य आहे. या वजनाच्या बचतीमध्ये ऊर्जेचा वापर 20 टक्के किंवा त्याहून अधिक कमी करण्याची क्षमता आहे.

पर्यावरणदृष्ट्या टिकाऊः हलक्या वजनाच्या साहित्याचा वापर करून तयार केल्या जाणाऱ्या गाड्या पर्यावरणदृष्ट्या टिकाऊ आहेत कारण त्या कामांसाठी कमी इंधन किंवा वीज वापरून ऊर्जेचा वापर कमी करतात. अॅल्युमिनियमसारखे काही हलके साहित्य अत्यंत पुनर्वापर करण्यायोग्य असतात आणि ते चक्रीय अर्थव्यवस्थेत योगदान देतात.

रेल्वेच्या निर्मितीतील प्रमुख हलक्या वजनाचे साहित्य

अॅल्युमिनियम आणि अॅल्युमिनियम मिश्रधातू

• अॅल्युमिनियम मिश्रधातूंचा वापर केल्याने रेल्वे प्रवासी गाड्यांचे निव्वळ वजन कमी होते आणि त्याच वेळी सामर्थ्य आणि कडकपणा संबंधित कठोर सुरक्षा आवश्यकतांचे पालन होते.

• अॅल्युमिनियमच्या मिश्रधातूंची घनता स्टीलच्या घनतेपेक्षा अंदाजे एक तृतीयांश आहे. सामग्रीच्या बदलाद्वारे संरचनात्मक अनुकूलतेचा विचार करताना, अॅल्युमिनियमच्या अंमलबजावणीमुळे रेल्वेगाडीचे एकूण वजन 50 टक्क्यांपर्यंत कमी होते.

• याव्यतिरिक्त, अॅल्युमिनियमचे मिश्रधातू स्टीलच्या तुलनेत उच्च गंज प्रतिरोध दर्शवतात. ही सामग्री हलके वजन, उत्कृष्ट गंज प्रतिकार, अनुकूल रचनाक्षमता, उच्च विशिष्ट सामर्थ्य आणि तुलनेने कमी खर्चाद्वारे वैशिष्ट्यीकृत संतुलित कामगिरी प्रदान करते.

कार्बन फायबर प्रबलित पॉलिमर (सी. एफ. आर. पी.)

• कार्बन फायबर-प्रबलित पॉलिमर त्यांच्या उत्कृष्ट सामर्थ्य-ते-वजन गुणोत्तरामुळे हाय-स्पीड रेल्वे बाजारात अधिकाधिक पसंतीची सामग्री बनत आहेत. सी. आर. आर. सी. (एक चिनी रोलिंग स्टॉक उत्पादक) च्या अंतर्दृष्टीनुसार, प्रत्येक कार्बन फायबर ट्रेन दरवर्षी सुमारे 130 टन कार्बनडाय ऑक्साईड उत्सर्जन कमी करू शकते.

• रेल्वे वाहनांच्या संरचनात्मक रचनेत सी. एफ. आर. पी. चा वापर सी. एफ. आर. पी. शी संबंधित उल्लेखनीय विशिष्ट कडकपणा आणि ताकदीमुळे पारंपारिक धातूंच्या तुलनेत मोठ्या प्रमाणात कपात सुलभ करतो.

• सी. एफ. आर. पी. सामग्रीचा वापर करून हलक्या वजनाच्या बोगी फ्रेम्सचा विकास विशेषतः ऊर्जा कार्यक्षमता, जास्तीत जास्त पेलोड क्षमता, तसेच धावण्याची गतिशीलता आणि ध्वनिक कामगिरी यासारख्या वैशिष्ट्यांमध्ये वाढ करण्यासाठी फायदेशीर आहे.

मॅग्नेशियम मिश्रधातू

• सिमेंटिक स्कॉलरच्या अहवालानुसार, मॅग्नेशियम मिश्रधातूंमध्ये उत्कृष्ट उच्च शक्ती आणि ओलावण्याचे गुणधर्म असतात, ज्यामुळे ते वेगवान गाड्यांच्या महत्त्वपूर्ण घटकांसाठी योग्य ठरतात.

• मॅग्नेशियम मिश्रधातू त्यांच्या कमी घनतेमुळे ओळखले जातात, ज्यामुळे ते व्यावहारिक वापरासाठी उपलब्ध असलेला सर्वात हलका संरचनात्मक धातू बनतात. ते उच्च विशिष्ट शक्ती आणि विशिष्ट कडकपणा, तसेच प्रभावी विद्युतचुंबकीय संरक्षण यासह महत्त्वपूर्ण फायदे देतात.

रेल्वेच्या उत्पादनासाठी हलक्या वजनाच्या सामग्रीचा जागतिक कल

जगातील पहिली कार्बन फायबर सबवे ट्रेनः सेट्रोवो 1.0

CETROVO 1.0 चा उद्घाटन सोहळा

जानेवारी 10, 2025 रोजी, सी. आर. आर. सी. आणि किंगदाओ मेट्रो ग्रुपच्या सहकार्याने विकसित केलेली सीईटीआरओव्हीओ 1.0 ट्रेन, किंगदाओ मेट्रोच्या लाइन 1 वर नियमित सेवेत दाखल करण्यात आली. मेट्रो ट्रेनच्या मुख्य संरचनात्मक भारवाहक घटकांमध्ये कार्बन फायबर संमिश्र सामग्रीचा हा पहिला व्यावसायिक वापर म्हणून ओळखला जातो.

CETROVO 1.0 चे वजन कमी करण्याचे मापन

• कार बॉडीः पारंपारिक धातू-शरीर वाहनांच्या तुलनेत अंदाजे 25 टक्के हलकी.
• बोगीची रचनाः वजन सुमारे 50 टक्क्यांनी कमी झाले.
• एकूण रेल्वेचे वजनः सुमारे 11 टक्क्यांनी कमी झाले.

ऊर्जा कार्यक्षमतेत सुधारणा

• वजन कमी होणे हे थेट कार्यात्मक कार्यक्षमतेमध्ये योगदान देते. CETROVO 1.0 चा ऊर्जा वापर अंदाजे 7 टक्क्यांनी कमी झाला आहे.

पर्यावरणाचा परिणाम

• ऊर्जा कार्यक्षमता सुधारून आणि वस्तुमान कमी करून, प्रत्येक CETROVO 1.0 ट्रेन सी. आर. आर. सी. च्या अंदाजानुसार अंदाजे 130 मेट्रिक टन वार्षिक कार्बन डाय ऑक्साईड उत्सर्जनात कपात साध्य करेल अशी अपेक्षा आहे.

हलक्या वजनाची कार्बन फायबर संमिश्र अवजड मालगाडी

• 10 सप्टेंबर 2024 रोजी, जगातील पहिली हलकी कार्बन फायबर संमिश्र हेवी-ड्युटी मालगाडी किकिहार येथील असेंब्ली लाइनवर सुरू झाली. या गाडीची निर्मिती सी. एच. एन. एनर्जी रेल्वे इक्विपमेंट कंपनी आणि सी. आर. आर. सी. किक्विहार कंपनीने केली होती.

• कार्बन फायबर संमिश्र सामग्री शक्ती आणि मॉड्यूलस वैशिष्ट्ये प्रदर्शित करते जी 3 ते 5 पट आणि 1.5 ते 1.8 पट अॅल्युमिनियम मिश्रधातूंपेक्षा जास्त असतात.

शिंकान्सेनमध्ये (बुलेट ट्रेन) अॅल्युमिनियम मिश्रधातूचा वापर

• हलक्या वजनाची आणि उच्च शक्ती असलेली रचना राखताना उच्च-गतीची कामगिरी अनुकूल करण्यासाठी शिंकान्सेन (बुलेट ट्रेन) आणि इतर उच्च-गती रेल्वेगाड्यांच्या निर्मितीमध्ये अॅल्युमिनियम मिश्रधातूच्या पत्रकांचा मोठ्या प्रमाणात वापर केला जात आहे.

• अॅल्युमिनियम मिश्रधातूंचे गुणधर्म कमी वजन, उच्च शक्ती, उत्कृष्ट गंज प्रतिकार आणि तुलनेने कमी खर्चाचे फायदेशीर संतुलन प्रदान करतात, ज्यामुळे त्यांना उच्च-गती रेल्वे अनुप्रयोगांसाठी एक आदर्श सामग्री म्हणून स्थान मिळते.

भारतीय रेल्वे उत्पादनात हलक्या वजनाच्या साहित्याचा वापर

वंदे भारत गाड्यांसाठी अॅल्युमिनियम बॉडीः एक आव्हान अजून पार करायचे आहे

भविष्यात, भारतीय रेल्वेचा वंदे भारत गाड्यांची वेग क्षमता ताशी 250 किलोमीटरपर्यंत वाढवण्याचा मानस आहे, ज्याचा परिचालन वेग ताशी 220 किलोमीटर असेल. तथापि, स्टील बॉडीचा वापर करताना उच्च गती प्राप्त करण्याच्या आव्हानासाठी अॅल्युमिनियमसारख्या हलक्या वजनाच्या सामग्रीचा अवलंब करणे आवश्यक आहे. या पार्श्वभूमीवर, भारतीय रेल्वेने 100 वंदे भारत गाड्यांच्या खरेदीसाठी निविदा जारी केली, ज्यामध्ये अल्स्टॉम सर्वात कमी बोली लावणारी कंपनी म्हणून उदयास आली. असे असूनही, भारतीय रेल्वेने उच्च उत्पादन खर्चामुळे 100 अॅल्युमिनियम वंदे भारत गाड्यांचे 30,000 कोटी रुपयांचे कंत्राट रद्द केले.

सध्याची परिस्थिती

भारतीय रेल्वेच्या निविदा समितीने जास्तीत जास्त 140 कोटी रुपयांची किंमत प्रस्तावित केली होती; तथापि, अल्स्टॉम इंडियाची प्रत्येक ट्रेनसेटसाठी सुमारे 145 कोटी रुपयांच्या कराराला अंतिम रूप देण्याची तयारी असूनही, करार होऊ शकला नाही, ज्यामुळे निविदा रद्द करण्यात आली.

तथापि, वंदे भारत प्रकल्पात खालील घटकांमध्ये अल्प प्रमाणात अॅल्युमिनियमचा वापर केला जात आहेः

• इंजिनियर्ड अॅल्युमिनियमने वंदे भारत प्रकल्पात महत्त्वपूर्ण भूमिका बजावली आहे. ही सामग्री आसन, पॅन्टोग्राफ, ब्रेक प्रणाली, सामान वाहक, विद्युत पटल आणि दरवाजे यासह आवश्यक घटकांमध्ये वापरली जाते.

• 6063 आणि 6005 सारख्या विशेष अल्युमिनियम मिश्रधातूंचा वापर त्यांची उच्च शक्ती, हलकी वैशिष्ट्ये आणि गंज प्रतिरोधकता यामुळे केला गेला आहे.

स्वदेशी निर्मित अॅल्युमिनियम मालगाडी रेलगाडी

• ऑक्टोबर 2022 मध्ये, बेस्को लिमिटेड वॅगन विभाग आणि हिंडाल्को यांच्या सहकार्याने विकसित केलेल्या पहिल्या स्वदेशी निर्मित अॅल्युमिनियम गुड्स ट्रेन रॅकला रेल्वेमंत्री अश्विनी वैष्णव यांनी ओडिशातील भुवनेश्वर येथून हिरवा झेंडा दाखवला.

• पारंपरिक पोलादाच्या रॅकपेक्षा ही रॅक 180 टन हलकी आहे, परिणामी वेग वाढतो आणि विजेचा वापर कमी होतो. या रेक्समुळे टनभर कार्बनडाय ऑक्साईड उत्सर्जनाची बचत होते, त्यांची वाहून नेण्याची क्षमता जास्त असते, ऊर्जा कमी वापरली जाते आणि ते गंज-प्रतिरोधक असतात.

भारतीय रोलिंग स्टॉक परिसंस्थेतील हलक्या वजनाच्या सामग्रीच्या व्यवहार्यतेचे विश्लेषण

रेल्वेच्या उत्पादनात हलक्या वजनाच्या सामग्रीचा वापर केल्याने अनेक परिचालन आणि जीवनचक्र फायदे मिळतात, ज्यात कमी ऊर्जेचा वापर, चांगली प्रवेगक कामगिरी आणि कमी उत्सर्जन यांचा समावेश आहे; तथापि, त्यांना भारतीय रेल्वे परिसंस्थेशी संपर्क साधणे हे एक अवजड काम आहे जे आर्थिक आणि तांत्रिक आव्हानांसह येते. या संक्रमणामुळे विद्यमान रचना, उत्पादन आणि पुरवठा साखळी चौकटीची सर्वसमावेशक पुनर्रचना आवश्यक आहे.

स्टेईनलेस स्टील सर्वात योग्य आहे का?

1990 च्या दशकाच्या उत्तरार्धात, भारतीय रेल्वेने जर्मन लिंक-हॉफमन-बुश (एल. एच. बी.) डब्याची रचना स्वीकारली, ज्यात प्राथमिक सामग्री म्हणून स्टीलचा वापर केला गेला. या डब्यांनी सुरक्षितता आणि आर्थिक व्यवहार्यतेच्या बाबतीत लक्षणीय टिकाऊपणा आणि परिणामकारकता दर्शविली आहे.

त्यांच्या यशाचा परिणाम म्हणून, भारतीय रेल्वेने तिन्ही डबे उत्पादन सुविधांमध्ये 100 टक्के निर्जंतुक पोलादाच्या डब्याचे संपूर्ण उत्पादन सुरू केले, ज्यात खालील गोष्टींचा समावेश आहेः

• इंटिग्रल कोच फॅक्टरी (आय. सी. एफ.),
• रेल्वे कोच कारखाना (आर. सी. एफ.) आणि
• आधुनिक कोच कारखाना (एम. सी. एफ.).

स्थापित स्टेईनलेस स्टील कोच उत्पादन परिसंस्था

एल. एच. बी. (लिंके हॉफमन बुश) प्लॅटफॉर्मवर आधारित स्टीलच्या स्टील कोच शेल्सचा वापर आता भारतात चांगल्या प्रकारे स्थापित झाला आहे. मुख्य सामग्रीसाठी आयातीवर अवलंबून न राहता पूर्णपणे स्थानिक उत्पादनाचा या उत्पादन दृष्टिकोनाचा फायदा होतो, ज्यामुळे कार्यक्षम कोच उत्पादन शक्य होते.

देशांतर्गत पुरवठा साखळी आणि विक्रेता विकास

गेल्या काही वर्षांमध्ये, प्रशिक्षक उत्पादन केंद्रांनी देशांतर्गत विक्रेत्यांचे एक विश्वासार्ह जाळे विकसित केले आहे जे निर्जंतुक पोलाद जोडण्या आणि घटक पुरविण्यास सक्षम आहेत.

भारतीय स्टील उद्योगाकडून पाठबळ

या परिसंस्थेच्या वाढीस देशांतर्गत स्टील उद्योग आणि संबंधित क्षेत्रांकडून आणखी बळकटी मिळते, ज्यांनी आधुनिक रेल्वे डबे उत्पादनाच्या कठोर गरजा पूर्ण करण्यासाठी त्यांची क्षमता वाढवली आहे. परिणामी, डबे कारखाने आणि त्यांचे विक्रेते आयात केलेल्या निर्जंतुकीकरण पोलादावर अवलंबून नाहीत.

अॅल्युमिनियमच्या संरचनेत देशांतर्गत कौशल्याचा अभाव

बी. ई. एम. एल., अल्स्टॉम, आय. सी. एफ., आर. सी. एफ. आणि एम. सी. एफ. यासह भारतातील रेल्वे आणि मेट्रो डब्यांच्या आघाडीच्या उत्पादकांना सध्या अॅल्युमिनियम डब्यांच्या विकासाचा अनुभव नाही. शिवाय, अॅल्युमिनियम-बॉडी गाड्यांच्या संरचनात्मक अखंडतेसाठी आणि वजन कार्यक्षमतेसाठी आवश्यक असलेले मधमाशी-प्रकारचे बॉक्स विभाग भारतात तयार केलेले नाहीत, ज्यामुळे आयातीवर जास्त अवलंबित्व निर्माण होईल.

पर्यावरणाचा विचारः स्टील विरुद्ध अॅल्युमिनियम

उच्च एंड-ऑफ-लाइफ पुनर्प्राप्ती मूल्यासह 100 टक्के पुनर्वापरक्षमता प्रदान करते. याउलट, अॅल्युमिनियमच्या उत्पादनात ऊर्जा-गहन इलेक्ट्रोलाइटिक प्रक्रियांचा समावेश असतो, ज्यामुळे कार्बनडाय ऑक्साईडचे उत्सर्जन वाढते, जे निर्जंतुक पोलादाच्या तुलनेत प्रति टन अंदाजे 5-6 पट जास्त असते.

जीवनचक्राची कामगिरी आणि देखभालीचे परिणाम

संरचनात्मक टिकाऊपणाच्या बाबतीत, स्टेनलेस स्टीलचे कोच शेल सामान्यतः 50 वर्षांपेक्षा जास्त आयुष्य चक्र देतात. दुसरीकडे, थकव्याच्या चिंतेमुळे आणि कालांतराने कॅम्बर विकृतीमुळे अॅल्युमिनियमच्या कवचांचे कार्य आयुष्य तुलनेने कमी असते.

निष्कर्ष

रेल्वेच्या उत्पादनात हलक्या वजनाच्या सामग्रीचे एकत्रीकरण केल्याने रेल्वे यंत्रणेची ऊर्जा कार्यक्षमता, कार्यात्मक कामगिरी आणि पर्यावरणीय पदचिन्ह सुधारण्याची क्षमता आहे. अॅल्युमिनियम मिश्रधातू, सी. एफ. आर. पी. आणि मॅग्नेशियम मिश्रधातू यासारखे साहित्य विशिष्ट सामर्थ्य, गंज प्रतिकार आणि एकूण वस्तुमान कमी करण्याच्या दृष्टीने मोजता येण्याजोगे फायदे देतात.

भारतीय संदर्भात, त्याच्या सुस्थापित पुरवठा साखळीमुळे आणि वैविध्यपूर्ण हवामानातील कामगिरीमुळे, जरी स्टेनलेस स्टील ही प्रमुख सामग्री राहिली असली, तरी पुढील पिढीच्या रेल्वे वाहतुकीच्या गरजा पूर्ण करण्यासाठी प्रगत हलक्या वजनाच्या सामग्रीकडे हळूहळू संक्रमण आवश्यक असू शकते. हे संक्रमण जीवनचक्र खर्च विश्लेषण, उत्पादन तयारी आणि भारतीय रेल्वेच्या विद्यमान पायाभूत सुविधांशी सुसंगतता यासारख्या घटकांवर अवलंबून असेल.

सामुग्री चाचणी, रचना प्रमाणीकरण आणि संमिश्र सामग्रीसाठी स्थानिक पुरवठा साखळीचा विकास यासह संपूर्ण उद्योगात क्षमता बांधणीची आवश्यकता तांत्रिक रुपांतरासाठी देखील असेल. टप्प्याटप्प्याने, अनुप्रयोग-विशिष्ट दृष्टीकोन भारताच्या रोलिंग स्टॉक परिसंस्थेमध्ये हलक्या वजनाच्या सामग्रीचा व्यापक अवलंब करण्यासाठी एक व्यावहारिक मार्ग म्हणून काम करू शकतो