铁轨形成之谜：探秘两条平行线的奥秘

15.两条平行线——铁轨

铁轨的诞生

16世纪下半叶，在英国和德国的矿山和采石场铺有用木材做成的最早路轨。在轨道上行走的车是靠人力或畜力推动的。1767年，英国的金属大跌价，有家铁工厂的老板看到堆积如山的生铁，既卖不出去赚不了钱，又占用了很多地方，就令人浇铸成长长的铁条，铺在工厂的道路上，准备在铁价上涨的时候再卖出去。可是，人们发现车辆走在铺着铁条的路上，既省力，又平稳。这样，铁轨先于火车诞生了。

铁条上行车毕竟不是很方便的，于是，铁条得到了改进，做成凹槽形的铁轨。这种轨道可以防止车轮滑出，但容易在凹槽中积上石子、煤屑，铁轨很容易损坏。于是，人们把铁轨做成了上下一样宽，中间略窄的形状，这样垃圾不易积起，铁轨也不容易损坏。可是这种轨道不是很稳固，铁轨受到冲击容易翻倒而导致车辆出轨翻车。人们又把铁轨的下面加宽，造成像汉字的“工”字形，这种形状的轨道既稳定又可靠，一直沿用到今天。

虽然，把钢轨连接成轨道的方法有多种，但是最传统的做法：

1.把二十米左右一截的钢轨固定在铁轨枕木之上，各截钢轨之间有接头（亦称接缝）。英国的习惯，两条路轨会在相同的地方有接头，但美国则会放在不同的地方。接头使用鱼尾板接合，它是一块约六十厘米长的钢板，两端有四或六口钢拴，用来扣在钢轨上的小洞。钢轨之间特地留有间隙，约为6毫米宽，称为伸缩接缝。

2.钢轨让鱼尾板上的钢拴穿过的小洞是椭圆形的，这样钢轨就有可以在炎热的天气下膨胀的空间。这对钢轨是非常重要的：如果没有膨胀的空间，每当温度改变一度钢轨就需要承受1.6吨的压力或拉力。如果一个地方每年最高及最低温度相差三十度，这力可以达到五十吨。一条钢轨可能会因而变得歪歪斜斜，影响行车安全。

虽然这样可以解决冷缩热涨的问题，但是路轨上留有的小接缝使列车驶过时产生“咔哒、咔哒”的声音。除非铁轨的保养得非常良好，否则这种有接缝的铁轨不适宜让高速列车行驶；乘客亦会觉得行车不平稳。很多铁路发达的国家依然会在低速路线、非重要的路线或支线使用这种路轨接合。鱼尾板亦常见于缺乏现代化投资的路线。美国大部分的路线都属于这类，而且多数是还使用木制的枕轨（即枕木）；另外部分原因是美国的铁路速度不高，木的价格亦很低。

3.另一种较新的连接钢轨的方法是持续焊接轨道，亦称无缝轨道或长焊轨。这种方法把数公里长的钢轨以焊接接成连续的一条。由于没有了接缝，于是路轨的犟度获得增加，需要的维修较少，车辆行驶亦更顺畅。

以焊接接合轨道的成本较用鱼尾板昂贵。但因为犟度较高，车辆可以在持续焊接轨道上以更高速度行驶，摩擦力亦得到减少。(www.xing528.com)

为解决无缝轨道在冷缩热涨时可能会歪曲的问题，钢轨需要被紧紧的锁定在铁路上，使它们的伸缩自由受到限制。一般的做法是使用混凝土制成的轨枕，用坚固的扣件把钢轨扣上，下方再配以足够的道碴。每次更换或铺设钢轨时，钢轨会被先拉长使它们膨胀，然后才锁定在轨枕上。这样就算日后温度增高，路轨的膨胀也无大碍。锁定轨度的温度亦很重要。一般每段轨道都会参考当地最高及最低温度，然后计算出合适的温度。如果日后温度超出最初的预算，（例如出现历史性的炎夏或寒冬），无缝轨道可能会弯曲或断裂。

使用持续焊接的轨道仍然可以在需要的地方使用接头。但这些接头多数都不是九十度直线打横越过钢轨，而是以很斜的角度接合。这样车轮经过时的震动及噪音都会大大减少，但钢轨仍然会有膨胀的空间。

知识链接

世界第一条商业性磁悬浮列车示范运营线——上海磁悬浮列车，这列当今世界上最酷的列车，带车头的车厢长27.196米，宽3.7米。中间的车厢长24.768米，14分钟内能在上海市区和浦东机场之间打个来回。置身其中，你会亲身体验到这架“陆地客机”所带来的奇异感受。建成后，从浦东龙阳路站到浦东国际机场，三十多公里只需6～7分钟。上海磁悬浮列车是“常导磁吸型”（简称“常导型”）磁悬浮列车。是利用“异性相吸”原理设计，是一种吸力悬浮系统，利用安装在列车两侧转向架上的悬浮电磁铁，和铺设在轨道上的磁铁，在磁场作用下产生的吸力使车辆浮起来。

在悬浮列车底部及两侧转向架的顶部安装电磁铁，在“工”字轨的上方和上臂部分的下方分别设反作用板和感应钢板，控制电磁铁的电流使电磁铁和轨道间保持1厘米的间隙，让转向架和列车间的吸引力与列车重力相互平衡，利用磁铁吸引力将列车浮起1厘米左右，使列车悬浮在轨道上运行。这必须精确控制电磁铁的电流。

悬浮列车的驱动和同步直线电动机原理一模一样。通俗地说，在位于轨道两侧的线圈里流动的交流电，能将线圈变成电磁体，由于它与列车上的电磁体的相互作用，使列车开动。

列车头部的电磁体N（北）极被安装在靠前一点的轨道上的电磁体S（南）极所吸引，同时又被安装在轨道上稍后一点的电磁体N（北）极所排斥。列车前进时，线圈里流动的电流方向就反过来，即原来的S（南）极变成N（北）极，N（北）极变成S（南）极。循环交替，列车就向前奔驰。

稳定性由导向系统来控制。“常导型磁吸式”导向系统，是在列车侧面安装一组专门用于导向的电磁铁。列车发生左右偏移时，列车上的导向电磁铁与导向轨的侧面相互作用，产生排斥力，使车辆恢复正常位置。列车如运行在曲线或坡道上时，控制系统通过对导向磁铁中的电流进行控制，达到控制运行目的。