钢轨是歪的？！

咱们有个地区常有人喜欢说“歪好歪好”，表示“差不多”的意思。同时我们也知道，修铁路看起来是个力气活儿，却也是一项要求极其精细的工作，铁路修的好不好，不仅事关行车安全，甚至还关乎一车人的性命，不允许有丝毫的马虎，更不能“差不多”就行了。为什么铁路工人明明把铁轨装歪了，铁路的专家却说这“歪”是好的呢？原来，铁路上的钢轨不是随意装歪的，按照技术规范，它必须装歪。如果钢轨装的很正，不仅得不到表扬，还必须要返工，否则很容易引起翻车事故。这到底是为什么呢？本文就来为你详细分析。

　　

　　施工人员正在调整安装高铁轨道钢轨是歪的？！没错，钢轨的确是歪的。因为它歪的角度比较小，我们通常注意不到这种倾斜，以为它们就是端端正正地安装在轨枕上，一直延伸到遥远的地方。

旧金山湾区的尖叫

几年前到过美国旧金山并且乘坐过BART地铁线的人，应该对它的刺耳尖叫声印象深刻，包括地铁运营方在内的旧金山人忍受这种尖叫44年是件很不容易的事情，它被形容为“女巫”。你很难在车厢里对话，也无法听清报站的广播，更不用说听听音乐了。2016年，BART终于下决心用4年时间“花最少的钱”对地铁进行改造，找出尖叫的原因并减轻它。

　　

　　旧金山湾区地铁系统运营了近50年火车制造商庞巴迪公司在赢得合同后，花了4年时间，找了3个承包商和德国的工程师，通过计算机建模和一年的测试，最终得出一个简单结论：火车之所以发出尖叫，因为BART的车轮是圆柱形，轨道面也是水平的。这件事之所以让人无力吐槽，因为圆柱形车轮不适用于铁路，这是一百多年前就举世皆知的铁路基础知识，所有具备轨道交通设计资质的工程师都应该明白这一点，更何况BART线路在设计之初的目的就是为了满足湾区民众的快速通行，它的设计时速比一般的地铁要快。因此它的车轮理应像普通火车那样做成锥形面，并且铁轨也要相应倾斜。庞巴迪公司制定了解决方案，他们将所有BART列车的车轮都换成了外小内大的锥形，一举解决了列车尖叫的问题。

　　

　　庞巴迪换过车轮后的轮轨关系为什么圆柱形的车轮会尖叫，圆锥面的车轮会安静一些？这个问题我在此前的文章中详细介绍过，这里做一个简单说明：火车的车轮是一对一对固定在轮轴上的，每一对车轮旋转的角度相同，它们在轨道上走过的距离也一样，当转弯时，外侧的轨道更长，这样必然会有一侧的轮子会打滑，剧烈地摩擦轨道，从而发出刺耳的声音。BART的转向完全依靠车轮内缘凸起的法兰与轨道内侧的推挤与摩擦来实现，摩擦会缩短车轮与铁轨的寿命，如果车速更快一些，列车还有可能冲出轨道造成脱轨甚至翻车。

　　

　　行驶时车轮的内缘会挤擦铁轨发出尖叫声而圆锥面的车轮在弯道处由于受到离心力的作用会向外侧移动，由于它内侧的周长更长，其行驶的距离也更长，相对应地，处于弯道内侧的车轮周长更短，其行驶的距离也短一些，这与铁轨的长度相吻合，列车就可以很顺利地转弯，车轮也不会在铁轨上打滑了。

　　

　　锥形车轮转弯的原理庞巴迪解决了BART的尖叫，但留下了另一个隐患，这就是他们只改了车轮，却没有改动铁轨，车轮与铁轨之间的夹角以后会带来大问题。

车轮与铁轨的关系

为了顺利地通过弯道，并且在直道行驶中达到动态平衡，火车的车轮必须设计成锥面，锥面的倾角大约是1:20。这时候，车轮与轨道上端面之间会形成一个夹角。

　　

　　锥面车轮对轨道施加侧向推力使其变形从上图可以看出，由于车轮剖面是带有角度的锥面，它与轨道接触点在其轴线的内侧，在行驶的过程中，车轮会给钢轨以侧向的推力，使轨腰产生应力变形。这种变形一方面会加剧轨道的金属疲劳，同时还会使钢轨内侧固定物受力松脱，从而引发事故。如何解决这个问题？解决问题的办法其实很简单，那就是在安装钢轨时，将其向内侧倾斜一个角度，使车轮的踏面落在钢轨顶端中轴线附近，这样车辆在运行时，车轮对轨道的合力与钢轨断面中轴线基本重合。

　　

　　车轮对路轨的压力和侧向力示意下面是调整钢轨倾角后，车轮与钢轨接触面的受力分析情况。从这张图可以看出，当钢轨向内侧倾斜一定角度后，车轮对钢轨施加的合力基本处于钢轨的中心，钢轨的受力是均匀向下的，正常情况下不会造成应力疲劳。

　　

　　轨道倾斜后的受力情况

钢轨的倾斜角度

我们已经知道，将钢轨倾斜是保证列车行车安全的重要基础。那么钢轨倾斜角度应该为多少才是最合适的呢？钢轨在安装时向内倾斜角度在工程上通常被称为“ 轨底坡”，也就是钢轨底面与水平面的坡度。每个国家对轨底坡的设置有各自不同的标准，并且对于铁路用途的不同、使用铁轨型号的差异，轨底坡的角度也会略有不同。一般情况下 这个坡度值在1:20~1:40之间，任何情况下钢轨内倾度不应大于1:12或小于1:60。结合运营的实际情况，我们对高铁轨底坡设置规定在平直路面上是1:30，而重载铁路的轨底坡为1:20，与车轮踏面的倾角相同。

　　

　　高铁轨道轨底坡规定为向内倾斜1:30轨底坡的角度并不是固定不变的，当列车转弯时，由于铁道外侧比内侧高，这将导致内侧轨底坡被削减，为了保证内侧轨道与水平面的坡度不小于1:60，这时候就需要使内侧轨道更加倾斜一些，从而保证车轮不向内侧翻。

　　

　　过弯的列车

总结：

钢轨向内倾斜是铁路技术规范所要求的，铁路工人严格按规范施工安装钢轨，当然应该受到赞许。列车的车轮被设计成内大外小的圆锥面，这样有利于车辆的转弯以及在平面路面行进中的动态平衡。与此同时，钢轨也将受到向外的侧向推力，为了抵消侧向推力，使钢轨适度向内倾斜是最简便有效的方法。车轮踏面为1:20的坡度角，因此铁轨向内倾斜的角度也大致在这个范围附近，这被称为轨底坡。轨底坡的角度通常比较小，我们用肉眼很难发现，于是常常误以为钢轨都是垂直安装的。

　　

　　正在铺设钢轨的高速铁路从科学的角度看，只有装“歪”的钢轨，才是好的铁路。现在你明白了吧？“歪好歪好”并不是“差不多”，而是非常好呢！