การออกแบบวิธีทดสอบรางและรอยเชื่อมรางแบบ Traction Rolling Contact Fatigue

การขยายตัวของระบบขนส่งทางราง เป็นผลมาจากนโยบายของรัฐ ที่ให้การสนับสนุนอย่างต่อเนื่องกับการลงทุนเพื่อขยายเส้นทางขนส่งทางรางใหม่และการปรับปรุงเส้นทางเดิม การก่อสร้างเส้นทางรถไฟและระบบขนส่งทางรางอื่นๆ เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง และยังอยู่ระหว่างการขยายตัว กิจกรรมการก่อสร้างเหล่านี้ นอกจากต้องแข่งกับเวลาแล้ว ก็ยังคงต้องมีคุณภาพมาตรฐานในระดับสากล เนื่องจากระบบรางของประเทศไทย ต้องสามารถเชื่อมโยงกับประเทศอื่นๆ ได้ทั่วทั้งภูมิภาค รอยเชื่อมรางเป็นส่วนประกอบของรางที่มีความสำคัญ เนื่องจากเกี่ยวเนื่องกับความปลอดภัยในการเดินรถโดยตรง อีกทั้งยังมีปริมาณรอยเชื่อมจำนวนมาก เนื่องจากเทคนิคการก่อสร้างรางที่ใช้ในประเทศไทย ยังคงใช้รางรถไฟขนาดความยาวจำกัด (ประมาณ 25 เมตร) เชื่อมต่อกันตลอดเส้นทางการเดินรถ ประมาณการของรอยเชื่อมในเส้นทางเดินรถไฟทั่วไป (ไม่รวมถึงย่านสถานีที่มีความซับซ้อน) อาจมีรอยเชื่อมมากถึง 80 รอยเชื่อมในทุกๆ หนึ่งกิโลเมตร และหากพิจารณาสภาวะปัจจุบัน ประเทศไทยมีเส้นทางขนส่งระบบรางรวมระยะทางประมาณ 4,300 กิโลเมตร ซึ่งต้องการการบำรุงรักษาที่ยังคงต้องใช้เทคนิคและมาตรฐานการก่อสร้างที่ได้มาตรฐานสากลเช่นกัน

    การประกันคุณภาพของรอยเชื่อมรางระหว่างการก่อสร้าง จำเป็นต้องใช้การควบคุมที่กระบวนการเชื่อม อันเป็นกิจกรรมพึงกระทำปกติในสายงานวิศวกรรมการเชื่อม แต่อย่างไรก็ตาม กระบวนการเชื่อมจำเป็นต้องได้รับการทดสอบก่อนนำไปใช้ควบคุมงาน และต้องได้รับการทดสอบเป็นระยะ ระหว่างการนำกระบวนการเชื่อมไปใช้งาน เพื่อให้มั่นใจว่าคุณภาพของรอยเชื่อมที่เกิดขึ้นทุกๆรอยเชื่อม มีคุณภาพดีเพียงพอและปลอดภัยกับการเดินรถ การทดสอบรอยเชื่อมมีข้อกำหนดที่เป็นมาตรฐานสากล ซึ่งมีปรากฏอยู่ในมาตรฐานการเชื่อมหรือมาตรฐานระบบรางจากหลากหลายองค์กร เช่น AREMA, European Norms, ISO, AAR, หรือมาตรฐานของการรถไฟแห่งประเทศไทยเอง แต่หน่วยงานระบบรางในประเทศไทยยังคงไม่มีความชัดเจนในการเลือกใช้ข้อกำหนดมาตรฐาน แต่ละหน่วยงานจะเลือกใช้ข้อกำหนดตามความเหมาะสม ในบางกรณีใช้การดัดแปลงวิธีทดสอบ เนื่องจากไม่มีหน่วยงานในประเทศที่สามารถดำเนินการทดสอบได้ เช่น การทดสอบ Rolling Contact Fatigue บนรอยเชื่อมราง ซึ่งในปัจจุบันแม้ว่าจะมีหน่วยงานทดสอบในรายการทดสอบดังกล่าว แต่ยังคงเป็นเพียงการทดสอบเทียบเคียง ที่ไม่ครบถ้วนตามข้อกำหนดการทดสอบมาตรฐานสากล

    การทดสอบ Rolling Contact Fatigue เป็นกระบวนการทดสอบโดยใช้ล้อที่มีภาระแรงกด กลิ้งลงบนรางผ่านรอยเชื่อมต่อรางในทิศทางกลับไปมา บนตัวอย่างทดสอบที่เป็นรางแบบมีรอยเชื่อมตรงกลาง ตัวอย่างจัดวางไว้ในลักษณะแขวนแบบคานจุดยึดตรึงเดี่ยว (Cantilever Beam) ภาระแรงกดบนล้อ และจำนวนรอบการกลิ้งผ่าน เป็นไปตามข้อกำหนดของรางและรอยเชื่อมรางแต่ละชนิด การทดสอบดังกล่าวจะสามารถพิสูจน์ทราบถึงความสามารถในการใช้งานของรอยเชื่อมรางที่ต้องผ่านภาระการดัด (Bending) และภาระการเสียดทานหมุน (Rolling Friction) ของล้อที่กระทำต่อรางอย่างต่อเนื่องเป็นจำนวนหลายล้านรอบ ข้อมูลความเสียหายที่ได้จากการทดสอบเป็นข้อมูลที่มีความสมจริงกับการใช้งานรางรถไฟ รวมถึงเครื่องทดสอบสามารถให้บริการกับหน่วยงานก่อสร้างระบบรางในประเทศได้ตรงตามมาตรฐานสากล ยกระดับคุณภาพรอยเชื่อมรางและยกระดับคุณภาพการก่อสร้างรางในประเทศไทย

    อย่างไรก็ตาม วิธีการทดสอบดังกล่าว ยังคงไม่สามารถจำลองภาระกรรมจริงที่เกิดขึ้นจากล้อขับเคลื่อน (Traction Wheel) หรือที่เรียกว่า Traction Rolling Contact Fatigue ที่ทำให้เกิดแรงจากการเสียดทานของล้อบนรางระหว่างการหมุน แรงเสียดทานนี้เป็นสาเหตุให้เกิดความเสียหายที่หัวรางอย่างเด่นชัด และมีอิทธิพลมากต่อสภาพผิวของหัวราง ดังนั้น เพื่อให้เกิดการจำลองการเคลื่อนที่ผ่านรางและรอยเชื่อมรางอย่างสมจริง จึงควรเพิ่มภาระกรรมจากแรงเสียดทานด้วยการหมุนของล้อทดสอบด้วย การขับเคลื่อนล้อทดสอบบนเครื่องทดสอบนี้ถือว่าเป็นการออกแบบการทดสอบใหม่ โดยไม่มีข้อกำหนดใดในมาตรฐานสากลกำหนดให้ทดสอบมาก่อน ผลจากการทดสอบจะช่วยให้ทราบถึงสภาพความเสียหายและความสามารถในการใช้งานได้ของรางและรอยเชื่อมราง ทำให้สามารถวางแผนการซ่อมบำรุง และกำหนดวัตถุประสงค์ของการซ่อมบำรุงได้ตรงตามการใช้งานมากขึ้น

ผู้ร่วมวิจัยในโครงการนี้เห็นพ้องต้องกันว่า กระบวนการทดสอบใหม่แบบ Traction Rolling Contact Fatigue มีความจำเป็นต่อการพิสูจน์ทราบคุณภาพรอยเชื่อมราง และจำเป็นต้องมีเครื่องจักรทดสอบในรายการดังกล่าว เพื่อให้บริการกับหน่วยงานระบบรางทั้งภาครัฐและเอกชน รวมถึงให้บริการกับงานวิจัยที่ต้องการพิสูจน์ทราบความสามารถในการใช้งานจริง จึงร่วมกันเสนอโครงการนี้ขึ้น โดยมีวัตถุประสงค์ในการศึกษาข้อมูลเพื่อออกแบบ สร้าง และทดลองใช้งานเครื่องทดสอบ Traction Rolling Contact Fatigue องค์ความรู้ที่จำเป็นต่อการสร้างเครื่องดังกล่าวในงานวิจัยนี้มีหลากหลายด้าน เช่น ความรู้ด้านวิศวกรรมวัสดุ เพื่อออกแบบกระบวนการผลิตล้อทดสอบ วิศวกรรมเครื่องกล เพื่อออกแบบโครงสร้างและกลไกเครื่องทดสอบ วิศวกรรมการเชื่อม เพื่อออกแบบวิธีทดสอบและคุณภาพโครงสร้างเครื่อง รวมไปถึงต้องศึกษาสภาพปัจจุบันของเทคโนโลยี (State-of-the-art) ของเครื่องทดสอบที่มีความคล้ายคลึงกันที่มีการจดทะเบียนสิทธิบัตร เพื่อหาแนวทางในการนำองค์ความรู้ที่พัฒนาขึ้นไปยื่นขอจดทะเบียนสิทธิบัตร ให้สามารถนำไปใช้ประโยชน์ต่อยอดให้กับหน่วยงานที่ร่วมดำเนินการวิจัยได้ แนวทางในการออกแบบเครื่องทดสอบ Traction Rolling Contact Fatigue จะมุ่งเน้นให้เครื่องทดสอบมีความสามารถเทียบเท่ากับข้อกำหนดมาตรฐานการทดสอบ มีความเรียบง่ายและกะทัดรัด มีเทคโนโลยีการผลิตล้อทดสอบ ชิ้นส่วนต่างๆสามารถผลิตได้เองในประเทศ