لفهم كيفية عمل تقاطع السكك الحديدية، علينا أولاً أن نكوّن صورة شاملة عن مفترق السكك الحديدية. مفترق السكك الحديدية هو مجموعة من الأجهزة التي تعمل معًا لتمكين العجلات من الانتقال من مسار إلى آخر سكة حديد إلى آخر. تتألف هذه المجموعة بشكل أساسي من قضبان السكة الرئيسية، ونقاط التحويل، وقضبان الإغلاق، وقلصات التحويل، وقضبان الحماية، وأجزاء التوصيل الأخرى. وتُعد نقاط التحويل هي الجزء المتحرك من جهاز التحويل. تربط قضبان الإغلاق نقاط التحويل بالصمام. تقع قضبان الحماية مقابل الصمام بجوار قضبان السكك الحديدية، مما يوجه العجلات للسير على المسار الصحيح وتجنب انحراف القطار.

تتدحرج العجلات على سكة الجناح وتستمر في السير عليها حتى تستقر على نقطة التقاطع. لا يمكن لدعامة العجلة في أي مرحلة من المراحل أن تسقط في مسار الحافة في الفجوة بين القضبان، لأنها مدعومة بقوة على هذين القضبان، لذا فهي تتدحرج فقط على طول الجناح وتلتقط نقطة التقاطع عند انتقالها إلى قضيب التقاطع وتدحرج عبره. وبفضل هذه الهندسة، فإنها تضمن أن المعدات ستتدحرج عبر الفروغ دون أي صدمات أو السقوط في مسار الحافة في الفروغ. من المهم أن يكون مسار الحافة ضيقًا قدر الإمكان وأن يكون عرض العجلة واسعًا قدر الإمكان للسماح بحدوث ذلك. وهذا يسمح للعجلة بالدوران على طول مسافة سكة الجناح عبر نقطة التقاطع ثم الدوران على التقاطع.  

أنواع تقاطعات السكك الحديدية

وفقًا لشكل المقطع العرضي، هناك تقاطعات سكك حديدية مستقيمة وتقاطعات سكك حديدية منحنية. وهناك طريقة أخرى للتصنيف تعتمد على نوع الهيكل. فقد تكون تقاطعات السكك الحديدية إما مصنعة، أي مكونة من قضيبين تم تشكيلهما آليًا وربطهما معًا، أو مصبوبة كوحدة واحدة.

الضفدع الثابت

• الضفدع المركب

يتكون تقاطع السكك الحديدية المركب من قضبان فولاذية وأجزاء أخرى يتم قطعها وتجميعها. ويتألف من مقدمة التقاطع، وقضيب الجناح، وحاجز فاصل، ووسادة التقاطع، وأجزاء أخرى. وتعتبر عملية التصنيع بسيطة، حيث لا توجد متطلبات خاصة في هذه العملية. ومع ذلك، نادرًا ما يتم استخدامه بسبب عبء الصيانة الثقيل.

• قاعدة مصبوبة من قطعة واحدة

يُصنع تقاطع السكك الحديدية الحديث من فولاذ المنغنيز، وهو سبيكة متطورة تزداد صلابة مع الاستخدام. وتعد هذه خاصية مهمة، حيث يتحمل مقدمة التقاطع أحمال صدمات عالية عند مرور عجلات القطار.

قلبة متحركة (معبر متأرجح)

على عكس تقاطعات السكك الحديدية الثابتة، تحتوي تقاطعات السكك الحديدية المتحركة على مكونات متحركة خاصة، مثل القضبان الجانبية المتحركة أو مقدمة التقاطع المتحركة. من خلال تغيير موضع الجزء المتحرك في التقاطع، يمكن تداخل الجانب العامل من سكة الجناح أو مقدمة التقاطع لتوفير مسار مستمر للقطار المار. وهذا يمكن أن يزيل الفجوة عند نقطة التقاطع، مما يوفر إمكانية زيادة سرعة القطارات المارة عبر التقاطعات بشكل كبير.

تُطيل قفصات التوصيل ذات النقطة المتحركة من العمر التشغيلي للقفصة. أظهرت ممارسات التشغيل على المدى الطويل أن العمر التشغيلي للفرع ذي النقطة المتحركة يبلغ 6-9 أضعاف عمر نفس الطراز من الفروع المصبوبة من الفولاذ عالي المنغنيز. علاوة على ذلك، تقل أعمال الصيانة والإصلاح بنسبة 40%، مما يقلل بشكل كبير من تأثير عربات السكك الحديدية عند المرور.

لحام تقاطع السكك الحديدية

تختلف متطلبات عملية اللحام بين قواعد السكك المصنوعة من الفولاذ عالي المنغنيز والقضبان المصنوعة من الفولاذ عالي الكربون. وتؤدي هذه الاختلافات إلى صعوبة لحامهما معًا. فاللحام المباشر سيؤدي إلى حدوث تشققات. وتتمثل التقنية المتطورة الحالية في اختيار مادة تتمتع بأداء لحام جيد لتكون وسيطًا بينهما من أجل تحقيق الوصلة الملحومة.

الفولاذ عالي المنغنيز هو فولاذ أوستنيتي أحادي الطور. تتميز هذه البنية بحساسية عالية تجاه الشقوق الحرارية، كما أنها تؤدي بسهولة إلى حدوث شقوق تسييل في المنطقة المتأثرة بالحرارة. لذلك، يجب تقليل درجة التسخين ووقت التسخين أثناء اللحام. يحتوي السكة الحديدية على نسبة عالية من الكربون. لمنع حدوث تشققات أثناء اللحام، من الضروري التسخين المسبق قبل اللحام والتبريد بعد اللحام. إذا تم لحام قضبان الفولاذ عالي المنغنيز وقضبان الفولاذ عالي الكربون مباشرة، فإن كل من عملية اللحام واختيار مواد اللحام تكون أكثر صعوبة. لذلك، فإن التكنولوجيا الأكثر تقدمًا في العالم هي اختيار مادة ذات أداء لحام جيد كوسيط لتحقيق الوصلة اللحامية بين المادتين. في الماضي، لم تتقن هذه التكنولوجيا سوى دول قليلة مثل النمسا وفرنسا. لاحقًا، استخدم باحثون علميون من جميع أنحاء العالم، بما في ذلك الصين، بعد جهود دؤوبة، اللحام التناكبي السريع لدمج قضبان الفراغ المصنوعة من الفولاذ عالي المنغنيز وقضبان الفولاذ عالية الكربون الملحومة معًا بنجاح.