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高铁如此先进,为什么铁路轨道依然采用工字钢?——二

2020-05-23 16:31:16 佛山市昊顺商贸有限公司 阅读

         板式铁路比木头轨道进步了很多,但它的缺点也很明显:它的接头太多了,这些接头是最容易松脱的薄弱之处。随着铁冶炼技术的进步,人们需要一种更长的铁轨来取代板式铁路,于是在蒸汽机车出现后,由锻铁制造的带式铁轨开始取代老式的板式铁路。

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     萨拉曼卡机车,它是靠齿轮在板式铁轨上行驶的五花八门的带式铁轨

    钢轨并不是一步就发展到今天的样子,在带式铁轨出现后,工程师们陆续发明出各式各样的铁轨。

    1831年,英国人发明了“法兰T形铁轨”并将其运用到宾夕法尼亚铁路上,期间英国人还发明出一种双头铁轨,当一面磨损后,还可以反过来再用。当然,T形铁轨下端很小,需要用专门的金属底座才能固定,这无疑增加了成本。

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     早期的T形铁轨和双头铁轨

     1839年,用于连接英国伦敦和克罗伊登铁路的Vignoles铁轨是工字形的,它可以使用道钉很方便地固定在枕木上:

    Vignoles铁轨

    在1840年建设的伯明翰和格洛斯特铁路,Vignoles铁轨横截面变成了下图的样子,这可能是为了节约钢材。

高铁如此先进,为什么铁路轨道依然采用工字钢?


    另一种Vignoles铁轨

   1849年,威廉·亨利·巴洛发明了Barlow轨道,它很简洁,可以比较方便地固定在枕木上,缺点是强度不高。

高铁如此先进,为什么铁路轨道依然采用工字钢?

      Barlow轨道的截面图

      比铁轨更坚硬的钢轨在1857年被制造出来,相比于铁而言,钢是一种更坚固的材料,它的寿命更长,并且可以被制成更长的轨道。在上面这些轨道被陆续发明和使用之后,钢轨逐渐演变成今天我们熟悉的形状。它有宽大而平整的底面,可以很方便地固定在枕木上;它的上端面有优良的圆弧过渡,可以与车轮的斜面很好贴合,这继承了Barlow轨道的优点;它是T形铁轨和“工”字形铁轨的结合,拥有优秀的机械结构强度;同时受益于材料学的进步,它在用钢量上做到了最节省。

高铁如此先进,为什么铁路轨道依然采用工字钢?

       1898年宾夕法尼亚铁路上使用的标准铁轨横截面

       值得注意的是,尽管经历漫长的演变,铁轨的样子基本定形,但世界各国执行的标准各异,并且铁轨使用的场合不同,所以实际上很多铁路所铺设钢轨规格也是不尽相同的。比如说普通铁路、重载铁路和高速铁路所使用的钢轨在其形状上有些许区别,所采用的钢材也会不一样。

      在美国和欧洲的一些城市,它们的有轨电车、地铁和轻轨会使用一种带法兰槽的“工”字形铁轨,以防止那些骑自行车的人陷入铁轨两侧的沟槽里。

高铁如此先进,为什么铁路轨道依然采用工字钢?

       带法兰槽的铁轨与标准铁轨的对比

       这种带凹槽的铁轨并不适用于其它的标准铁路,因为槽里的积水会加速锈蚀,同时掉落其中的异物会造成列车颠簸,严重的还会引发脱轨事故。

       为什么轮式列车要采用钢轨?

      我们从对铁轨发展历史的分析已经知道,工字形钢轨是目前轮式列车最优的解决方案。它的强度更高、用料最省、价格便宜,也更方便生产、铺设与固定。列车为了获得更大的速度,它首先需要克服地面对车轮的阻力,车轮与地面之间存在滑动摩擦与滚动摩擦,我们需要在利用滑动摩擦同时克服滚动摩擦。 当车轮与地面接触时,接触面积越大,其滚动时受到的阻力越大,我们从下面这张滚动受力分析图可以对滚动摩擦力有一个直观的了解:

高铁如此先进,为什么铁路轨道依然采用工字钢?

     从方形、12边形到圆的滚动受力情况

   由上图我们可以看出,轮子受到的滚动阻力与它的重力G以及偏移量e相关,滚动阻力就是G·e。轮子与路面的刚性越大,e的长度就越小,滚动阻力就越小。反之,在车重不变的情况下,如果胎压不足,轮胎就会瘪下去一点,或路面比较软,O'与瞬心O的距离e就越大,滚动阻力G·e就越大。钢轨与车轮都是硬度很高的钢,它们之间的接触面做到了最小,因此火车受到的滚动摩擦力也可以达到最小。