鋼軌是歪的？！

咱們有個地區常有人喜歡說“歪好歪好”，表示“差不多”的意思。

同時我們也知道，修鐵路看起來是個力氣活兒，卻也是一項要求極其精細的工作，鐵路修的好不好，不僅事關行車安全，甚至還關乎一車人的性命，不允許有絲毫的馬虎，更不能“差不多”就行了。為什麼鐵路工人明明把鐵軌裝歪了，鐵路的專家卻說這“歪”是好的呢？

原來，鐵路上的鋼軌不是隨意裝歪的，按照技術規範，它必須裝歪。如果鋼軌裝的很正，不僅得不到表揚，還必須要返工，否則很容易引起翻車事故。這到底是為什麼呢？本文就來為你詳細分析。

施工人員正在調整安裝高鐵軌道

鋼軌是歪的？！

沒錯，鋼軌的確是歪的。因為它歪的角度比較小，我們通常注意不到這種傾斜，以為它們就是端端正正地安裝在軌枕上，一直延伸到遙遠的地方。

舊金山灣區的尖叫

幾年前到過美國舊金山並且乘坐過BART地鐵線的人，應該對它的刺耳尖叫聲印象深刻，包括地鐵運營方在內的舊金山人忍受這種尖叫44年是件很不容易的事情，它被形容為“女巫”。你很難在車廂裡對話，也無法聽清報站的廣播，更不用說聽聽音樂了。2016年，BART終於下決心用4年時間“花最少的錢”對地鐵進行改造，找出尖叫的原因並減輕它。

舊金山灣區地鐵系統運營了近50年

火車製造商龐巴迪公司在贏得合同後，花了4年時間，找了3個承包商和德國的工程師，通過計算機建模和一年的測試，最終得出一個簡單結論：火車之所以發出尖叫，因為BART的車輪是圓柱形，軌道面也是水平的。

這件事之所以讓人無力吐槽，因為圓柱形車輪不適用於鐵路，這是一百多年前就舉世皆知的鐵路基礎知識，所有具備軌道交通設計資質的工程師都應該明白這一點，更何況BART線路在設計之初的目的就是為了滿足灣區民眾的快速通行，它的設計時速比一般的地鐵要快。因此它的車輪理應像普通火車那樣做成錐形面，並且鐵軌也要相應傾斜。

龐巴迪公司制定瞭解決方案，他們將所有BART列車的車輪都換成了外小內大的錐形，一舉解決了列車尖叫的問題。

龐巴迪換過車輪後的輪軌關係

為什麼圓柱形的車輪會尖叫，圓錐面的車輪會安靜一些？這個問題我在此前的文章中詳細介紹過，這裡做一個簡單說明：火車的車輪是一對一對固定在輪軸上的，每一對車輪旋轉的角度相同，它們在軌道上走過的距離也一樣，當轉彎時，外側的軌道更長，這樣必然會有一側的輪子會打滑，劇烈地摩擦軌道，從而發出刺耳的聲音。BART的轉向完全依靠車輪內緣凸起的法蘭與軌道內側的推擠與摩擦來實現，摩擦會縮短車輪與鐵軌的壽命，如果車速更快一些，列車還有可能衝出軌道造成脫軌甚至翻車。

行駛時車輪的內緣會擠擦鐵軌發出尖叫聲

而圓錐面的車輪在彎道處由於受到離心力的作用會向外側移動，由於它內側的周長更長，其行駛的距離也更長，相對應地，處於彎道內側的車輪周長更短，其行駛的距離也短一些，這與鐵軌的長度相吻合，列車就可以很順利地轉彎，車輪也不會在鐵軌上打滑了。

錐形車輪轉彎的原理

龐巴迪解決了BART的尖叫，但留下了另一個隱患，這就是他們只改了車輪，卻沒有改動鐵軌，車輪與鐵軌之間的夾角以後會帶來大問題。

車輪與鐵軌的關係

為了順利地通過彎道，並且在直道行駛中達到動態平衡，火車的車輪必須設計成錐面，錐面的傾角大約是1:20。這時候，車輪與軌道上端面之間會形成一個夾角。

錐面車輪對軌道施加側向推力使其變形

從上圖可以看出，由於車輪剖面是帶有角度的錐面，它與軌道接觸點在其軸線的內側，在行駛的過程中，車輪會給鋼軌以側向的推力，使軌腰產生應力變形。這種變形一方面會加劇軌道的金屬疲勞，同時還會使鋼軌內側固定物受力鬆脫，從而引發事故。

如何解決這個問題？

解決問題的辦法其實很簡單，那就是在安裝鋼軌時，將其向內側傾斜一個角度，使車輪的踏面落在鋼軌頂端中軸線附近，這樣車輛在運行時，車輪對軌道的合力與鋼軌斷面中軸線基本重合。

車輪對路軌的壓力和側向力示意

下面是調整鋼軌傾角後，車輪與鋼軌接觸面的受力分析情況。從這張圖可以看出，當鋼軌向內側傾斜一定角度後，車輪對鋼軌施加的合力基本處於鋼軌的中心，鋼軌的受力是均勻向下的，正常情況下不會造成應力疲勞。

軌道傾斜後的受力情況

鋼軌的傾斜角度

我們已經知道，將鋼軌傾斜是保證列車行車安全的重要基礎。那麼鋼軌傾斜角度應該為多少才是最合適的呢？

鋼軌在安裝時向內傾斜角度在工程上通常被稱為“軌底坡”，也就是鋼軌底面與水平面的坡度。每個國家對軌底坡的設置有各自不同的標準，並且對於鐵路用途的不同、使用鐵軌型號的差異，軌底坡的角度也會略有不同。一般情況下這個坡度值在1:20~1:40之間，任何情況下鋼軌內傾度不應大於1:12或小於1:60。結合運營的實際情況，我們對高鐵軌底坡設置規定在平直路面上是1:30，而重載鐵路的軌底坡為1:20，與車輪踏面的傾角相同。

高鐵軌道軌底坡規定為向內傾斜1:30

軌底坡的角度並不是固定不變的，當列車轉彎時，由於鐵道外側比內側高，這將導致內側軌底坡被削減，為了保證內側軌道與水平面的坡度不小於1:60，這時候就需要使內側軌道更加傾斜一些，從而保證車輪不向內側翻。

過彎的列車

總結：

鋼軌向內傾斜是鐵路技術規範所要求的，鐵路工人嚴格按規範施工安裝鋼軌，當然應該受到讚許。

列車的車輪被設計成內大外小的圓錐面，這樣有利於車輛的轉彎以及在平面路面行進中的動態平衡。與此同時，鋼軌也將受到向外的側向推力，為了抵消側向推力，使鋼軌適度向內傾斜是最簡便有效的方法。

車輪踏面為1:20的坡度角，因此鐵軌向內傾斜的角度也大致在這個範圍附近，這被稱為軌底坡。軌底坡的角度通常比較小，我們用肉眼很難發現，於是常常誤以為鋼軌都是垂直安裝的。

正在鋪設鋼軌的高速鐵路

從科學的角度看，只有裝“歪”的鋼軌，才是好的鐵路。現在你明白了吧？“歪好歪好”並不是“差不多”，而是非常好呢！