高速铁路长轨生产系统研发与应用成果

早在16世纪以前，随着采矿业的发展，马车运输获得空前发展。以四轮马车为主要形式的运输，在运送长途旅客和货物上已相当普及。在17世纪初，随着工业和商业贸易的发展，各国各地区间的贸易往来越来越多，尤其是各国间征战的需要，单靠过去四轮马车已不能满足运载物资和武器的要求，特别是当车轮行走在土质松软的原野上时，常常因阴雨而造成车轮陷入泥水中，严重影响运输速度和效率。为了解决在松软土路上和在泥泞道路马车运输的正常进行，人们曾采用了多种方法，如往路上铺干草、铺皮革等。经过长时间实践，人们发现以在路面上铺设木板的方法最方便、最实用。于是人们就开始在马车运输的主要干道上铺上木板，让马车从木板上驶过。

木质轨是轨道最早的形式。这种木质轨后来随着车轮的加大和运量的增加也常常磨损折断，而影响行车。此后人们又开始摸索采用其他材料如石板等，但仍不理想。这时冶金技术已发展到可以生产各种铸造生铁的水平。实践告诉人们：铸造生铁比木材、石材更耐磨，而且易于生产和加工。尽管当时铸造生铁在价格上比木材、石材贵得多，但其良好的性能和长久的使用寿命，让人们开始采用铸铁轨代替木质轨。铸铁轨大约出现在1767年前后，当时这种铸铁轨实际上是一块1.5m长的铸铁板。

钢轨断面的历史演变过程如图1-15所示。铸铁轨由于强度高又耐用，很快就取代了原有的木质轨，正是铸铁轨的出现，使马车增大了体积和装载量，在增加马匹的条件下，扩大了运输速度和运量。由于马匹管理困难，常常因马匹伤病而造成运输停业，这又促使人们开始寻找新的动力，如在马车上加装风帆等，但都因不能维持稳定行车而未能广泛采用。

图1-15　钢轨断面的历史演变过程

在1820年前人们发明了蒸汽机，这种以煤为燃料、以蒸汽为动力的机械一出现，立即被人们广泛应用到各种工业领域，推动了整个英国工业的革命。此时也有人开始采用蒸汽机做动力牵引货车和客车。蒸汽机的牵引力要远远超过数匹马的能力，而且又平稳。但最初设计的以蒸汽机为动力的机车大多数热效率低下。英国人乔治·斯蒂芬森出生在威尔姆城，这是英国煤炭外运的一个海港城市。他从年轻时就开始研究如何提高运输煤炭效率的问题。经过多次试验和考察，在1829年他设计出了被称为“火箭”的机车。他设计的这种机车采用了热交换原理，即在炉膛内装有大量热交换管道，让从管道内通过的水产生更大量的蒸汽，再由蒸汽推动活塞做功，牵引整个机车运动。这一设计对当时的机车改进可以说是革命性的，因其设计的机车无论是速度还是牵引力均超过当时任何其他机车。乔治·斯蒂芬森及其发明的“火箭”机车如图1-16所示。

随着蒸汽机车的出现，铁路运输能力大大提高。铁路运量和车速的提高，又反映出原来的铸铁轨存在容易脆断的问题，威胁铁路的行车安全。这时冶金技术伴随着工业革命而获得了巨大发展，已能生产可锻铸铁。这种可锻铸铁比普通铸铁韧性好。从1767年以后一直到大约1830年，人们一直是生产、使用铸铁轨，这种铸铁轨大多为“T”字形状，车轮在轨头突缘的限制下可防止下道。为节约金属，当时人们把这种T型轨镶在木质或石质底座上。

图1-16　乔治·斯蒂芬森发明的“火箭”机车

1831年波·奥·奥埃伯设计出工字形轨，这种工字型轨理论重量达18kg/m，其断面轮廓已接近现代钢轨。在这之后又有人设计出U型断面轨和其他形状轨，但这些断面轨均在行车实践中逐步被淘汰。到1858年，钢轨的形状基本固定下来，即工字形断面，钢轨理论重量达38kg/m。(www.xing528.com)

在工业革命推动下，冶金技术迅速发展，贝斯麦转炉的出现为人们提供了廉价钢，这时轧机也开始出现，用两辊轧机轧制各种断面形状的钢材比用锻造方法生产钢材可大大提高生产效率和产品尺寸精度。1865年美国首先用轧制方法生产了钢轨，当时轧制的钢轨理论重量为22.6kg/m。

从那时起直到现在，钢轨断面形状几经修改变化，但基本上保持了1865年所设计的工字形断面形状，只是由于机车动力的扩大，钢轨断面尺寸也随之不断增加。从1865年最初理论重量22.6kg/m，到1900年已生产45.2kg/m轨，再到1930年开始生产59.2kg/m轨，这之后很长时间一直停留在这个水平上。1947年以后，随着电力和内燃机车的逐步推广，人们又设计了70.1kg/m重型轨。应特别指出的是，从1947年至今，铁路技术发生了巨大的变化，随着高速铁路、城市轻轨铁路和矿山重载线路的出现，钢轨的断面尺寸又有了多次调整，材质也有了多次改进。

从钢轨理论重量看，各国普遍认为：在大轴重、大运量的重载线路上应使用60～75kg/m钢轨，在车速小于160km/h的普通客运线路上应使用50～60kg/m钢轨，在车速超过160km/h的准高速及高速线路上应采用60～65kg/m钢轨。在钢轨的材质上随着钢轨工作条件的不断苛刻，人们对钢轨性能也逐步提出了更高要求，要求钢轨钢的抗张强度从800MPa到900MPa再到1100MPa，硬度从300HB到350HB再到388HB。为满足这些要求，人们不仅开发了碳素钢轨钢，而且研制了合金钢轨钢和热处理钢轨钢。

随着断裂力学的研究和电镜技术的广泛采用，人们对钢轨钢的成分、性能与组织之间的关系有了更深刻的了解和认识。世界各国的科学家和工程师一致认为，珠光体钢轨钢具有最好的钢轨钢金相组织，但其强度和硬度已达到或接近其理论值的范围，进一步大幅度提高的余地已很小。随着材料技术的发展，需要研究以获得比珠光体钢更好的断裂韧性、耐磨性和抗疲劳性能的新型钢轨钢。