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火車是如何變軌的?

【機械cax360第445期】火車在錯綜複雜的鋼軌上是怎麼從一個軌道上跑到另一個軌道上呢?這期我們說說火車變軌的那些事。

01

鐵路軌道是一種鐵路設施,簡稱路軌、鐵軌、軌道等,也稱鋼軌、股道。用於鐵路上,並與轉轍器及道岔協同工作,使火車無需轉向便能行走。軌道通常由兩條平衡的鋼軌組成。鋼軌固定放在枕木上,枕木之下為道碴。

以鋼鐵製成的路軌,可以比其它物料承受更大的重量。枕木亦稱軌枕或路枕,作用是把鋼軌的重量分開散布,和保持路軌固定,維持路軌的軌距。

一般而言,軌道的底部為石礫鋪成的道碴或道砟。道碴亦稱路碴、碎石或道床,是為軌道提供彈性及排水功能。鐵軌也可以鋪在混凝土築成的基座上(橋上常見),甚至嵌在混凝土裡。

最早期的路軌使用的「板式鐵軌」,用很薄的鐵片釘在木製的路軌上製成。但這種路軌的承重很低,所以雖然建造的成本很低,但長遠來說並不划算。

後來鐵路開始改用鐵軌,經過數十年的改進,使用的物料改成鋼,而鋼的質素亦得到很大的提高。鐵路上使用的鋼軌必須承受巨大的壓力,故此需要使用鋼料質素極高的鋼材。

鐵路鋼軌對鋼的要求比其他的應用都為高。同樣的小瑕疵,在建築物使用的鋼筋內出現可能不會產生任何問題;但在鐵路鋼軌出現則隨時會導致路軌斷裂而引起列車出軌。

鋼軌並不便宜,占鐵路成本中相當重要的部分。現代使用的鋼軌切面成「工」字形,類似結構工程用的工字梁,其分為與車輪接觸的軌頭、中間的軌腰及底部的軌底。

上圖為鋼軌切面。左邊的屬於平底型,可以穩定地放在枕軌上。右邊的是凸頭型,在英國曾經常用。最初設想是一個軌面磨損過後,還可以反轉後使用另一面。

不同的路線對鋼軌的強度、穩定性及耐磨性都有不同的要求。因此鋼軌亦有不同的規格。一條路線上應該選擇使用那一種,需要考慮經濟及技術等因素。

把鋼軌連接成軌道的方法有多種。最傳統的做法會把20米左右一截的鋼軌固定在軌枕之上,各截鋼軌之間有接頭(亦稱接縫)。接頭使用魚尾板(亦稱魚尾鈑)接合,它是一塊約60厘米長的鋼板,兩端有四或六口鋼栓,用來扣在鋼軌上的小洞。

魚尾板

鋼軌之間特地留有間隙,約為6mm寬,稱為伸縮接縫。鋼軌上魚尾板上鋼栓通過的小洞是橢圓形的,這樣鋼軌就可以在炎熱的天氣下有膨脹的空間。

這對鋼軌是非常重要的,如果沒有膨脹的空間,每當溫度改變一度,鋼軌就需要承受1.6噸的壓力或拉力。如果一個地方每年最高及最低溫度相差三十度,這力可以達到五十噸。一條鋼軌可能會因而變得歪歪斜斜,影響行車安全。

雖然這樣可以解決熱脹冷縮的問題,但是路軌上留有的小接縫使列車駛過時產生「咔噠、咔噠」的聲音。除非路軌的保養得非常良好,否則這種有接縫的路軌不適宜讓高速列車行駛;乘客亦會覺得行車不平穩。很多鐵路發達的國家依然會在低速路線、非重要的路線或支線使用這種路軌接合。

另一種較新的連接鋼軌的方法是持續焊接軌道,亦稱無縫軌道或長焊軌。這種方法把數公里長的鋼軌以鋁熱劑焊接接成連續的一條。由於沒有了接縫,於是路軌的強度獲得增加,需要的維修較少,車輛行駛亦更順暢,降低噪音。

持續焊接軌道

持續焊接軌道的成本較用魚尾板昂貴。但因為強度較高,車輛可以在持續焊接軌道上以更高速度行駛,摩擦力亦得到減少。

為解決無縫軌道在冷縮熱脹時可能會歪曲的問題,鋼軌需要被緊緊地鎖定在線路上,使它們的伸縮自由受到限制。一般的做法是使用混凝土製成的軌枕,用堅固的扣件把鋼軌扣上,下方再配以足夠的道碴。

每次更換或敷設鋼軌時,鋼軌會被先被拉長使它們膨脹,然後才鎖定在軌枕上。這樣就算日後溫度增高,路軌的膨脹亦會減少。

鎖定軌道的溫度亦很重要。一般每段軌道都會參考當地最高及最低溫度,然後計算出合適的溫度。如果日後溫度超出最初的預算(例如出現異常的炎夏或寒冬),無縫軌道可能會彎曲或斷裂。

02

火車變軌是靠道岔的轉換來實現的,通過控制鐵路道岔,實現軌道的變軌。岔軌也能變軌,岔軌是鐵路設備的一種。

火車輪內側有一圈比車輪更大的圓盤,叫做「輪緣」,使得車輪緊緊的卡在鐵軌中間,這就使得車輪始終在軌道上運行不脫軌,用來控制火車運行的方向。

火車變軌不是由火車司機能控制的,而是由鋼軌中能活動的一部分來控制的,其名字叫做道岔。當道岔部分留有小細縫的時候,輪緣就可以從小細縫中穿過,按照外側軌道引導的方向行進。當兩根軌道密貼時,輪緣就被引導到靠內側的軌道方向行進。

道岔在早些時候還是由人工來控制,而現在大都採用計算機來精準控制道岔的移動方向,極大的減小道岔扳錯方向或扳不到位的情況。

軌道變軌是道岔控制,用得最多的是單開道岔。道岔由轉轍器、連接部分、轍叉及護軌三個單元組成,轉轍器包括基本軌、尖軌和轉轍機械。

既然有單開道岔,就有雙開道岔、三開道岔以及多開道岔(複式交分道岔)等。雙開道岔為Y形,即與道岔相銜接的兩股道向兩側分岔。

三開道岔如同Ψ形,同時銜接三股道,由兩組轉轍機械操縱兩套尖軌。複式交分道岔像X形,實際上相當於四組單開道岔和一副菱形交叉的組合。除此而外,還有一種交叉設備,通常使用的叫做菱形交叉。它由兩組銳角轍叉和兩組鈍角轍叉組成,但沒有轉轍器,所以股道之間不能轉線。

如果將複式交分道岔的X形的上面兩點和下面兩點分別連接起來,就是交叉渡線。它不僅能開通較多的方向,而且佔地不多,所以經常在車站採用。

道岔各有其代號,比如9號道岔、12號道岔、18號道岔等等。這個代號可不是隨便排列的,它實際上代表了轍叉角(α)的餘切值,也就是轍叉心部分直角三角形兩條直角邊FE和AE的比值,即N=ctgα=FE/AE,N就是道岔號。

顯而易見,轍叉角α越小,N值就越大,導曲線半徑也越大,列車側線通過道岔時就越平穩,允許過岔速度也就越高。所以採用大號道岔對於列車運行是有利的。不過,事物總有它的兩面性,道岔號數越大,道岔越長,造價自然就高,佔地也要多得多。因此,採用什麼號數的道岔要因地制宜,因線而異,不可一概而論。

上面說的是傳統鐵路的兩條平衡路軌,而在中國一些城市輕軌採用的是單軌鐵路。單軌鐵路是鐵路的一種,特點是使用的軌道只有一條。

單軌鐵路的路軌一般以混凝土製造,比普通鋼軌寬很多。而單軌鐵路的車輛比路軌更寬。和城市軌道交通系統相似,單軌鐵路主要應用在城市人口密集的地方,用來運載乘客。亦有在遊樂場內建築的單軌鐵路,專門運載遊人。

單軌鐵路主要分成兩類。懸掛式單軌鐵路的列車懸掛在軌道之下。另一種較為常見的是跨座式單軌鐵路,列車跨座在路軌之上,兩旁蓋過路軌。跨座式單軌最先由瑞士ALWEG發明,而最先提出懸掛式單軌的是SAFEGE。

現代的單軌鐵路由電動機推進,一般使用輪胎而不使用鋼製的車輪。輪胎會在路軌的上面及兩旁轉動,推動列車及維持平衡。早期單軌系統的設計是不能使用轉轍器的,使到運作上出現很多不便。現代的單軌系統多數已經可以使用轉轍器,讓車輛可以駛進不同的線路,而同一線路亦可作雙程行駛。

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