【正文】 第四章 高速鐵路與鋼軌 第一節(jié)高速鐵路對(duì)鋼軌的質(zhì)量要求 690．什么叫輪軌系統(tǒng)的高速鐵路 ? 目前已經(jīng)投入運(yùn)營(yíng)的高速鐵路設(shè)計(jì)全部是采用輪軌系統(tǒng)，輪軌系統(tǒng)的高速鐵路無(wú)論是總體設(shè)計(jì)，還是車(chē)體制造及線(xiàn)路施工維護(hù)技術(shù)都已成熟，這一系統(tǒng)已在世界各國(guó)運(yùn)行了近 40年。 40 年的運(yùn)行證明了輪軌系統(tǒng)的高速鐵路是成功的，并告訴人們這一系統(tǒng)在高速下運(yùn)行是可靠的、安全的和高效的，被世界各國(guó)的政府和鐵路部門(mén)所接受。 輪軌系統(tǒng)的高速鐵路車(chē)速現(xiàn)已達(dá)到 200～ 350km／ h，全世界已建成的高速鐵路總長(zhǎng)約5000km。其中 ，日本有 4 條，法國(guó)有 3 條，英國(guó)有 1 條，德國(guó)有 2條，西班牙有 2 條，波蘭有 1條。全世界在建或計(jì)劃建的高速鐵路約 6000km，分布在 13個(gè)國(guó)家，主要有日本、美國(guó)、中國(guó)、俄羅斯和韓國(guó)等。 采用輪軌系統(tǒng)的高速鐵路，大多數(shù)是以大功率的電力機(jī)車(chē)或內(nèi)燃機(jī)車(chē)為動(dòng)力。高速鐵路的線(xiàn)路采用小坡度，一般為 0． 8％～ 3． 5％；線(xiàn)路曲線(xiàn)采用大半徑，一般為 2500～ 8000m。通常，人們把速度為 200km／ h的高速鐵路定為第一代高速鐵路，把速度為 300km／ h的高速鐵路定為第二代高速鐵路，把速度為 350km／ h的高速鐵路定為第三代 高速鐵路。輪軌系統(tǒng)的高速鐵路其實(shí)驗(yàn)車(chē)速已達(dá)到 515km／ h。到目前為止，世界各國(guó)已建成的和規(guī)劃中的長(zhǎng)距離的高速鐵路基本上都是采用輪軌系統(tǒng)設(shè)計(jì)的。 691．什么叫磁懸浮系統(tǒng)的高速鐵路 ? 磁懸浮列車(chē)是利用電磁原理和超導(dǎo)原理研制的一種高速列車(chē)。在電磁場(chǎng)產(chǎn)生的吸力或斥力作用下，列車(chē)被托起懸浮在線(xiàn)路上，靠線(xiàn)路上和車(chē)輛上的線(xiàn)性電機(jī)所產(chǎn)生的推力前進(jìn)。與輪軌系統(tǒng)的高速列車(chē)相比，磁懸浮列車(chē)的車(chē)速可以更快，運(yùn)行更平穩(wěn)，又不產(chǎn)生污染，是一種理想的交通工具。但其技術(shù)難度大，目前尚在實(shí)驗(yàn)研究中。另外，磁懸浮高速鐵路的 投資比輪軌高速鐵路的投資要高出 20％～ 40％以上。 692．什么叫重載鐵路 ? 現(xiàn)在，人們對(duì)“重載” (heavy haul)的概念往往僅指那些裝運(yùn)鐵礦石、煤、磷礦等礦物的又長(zhǎng)又重的貨運(yùn)列車(chē)，其實(shí)重載列車(chē)早已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不拘于此。在北美有許多重載鐵路，這些裝載各種商品的又長(zhǎng)又重的列車(chē)已運(yùn)營(yíng)多年?！爸剌d”的概念隨著社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展也在變化，在 1835 年，那時(shí)所指“重載”是指采用蒸汽做動(dòng)力的貨運(yùn)列車(chē)，它僅僅是相對(duì)于用馬做動(dòng)力的運(yùn)客或運(yùn)煤的四輪車(chē)而言的。 現(xiàn)代重載鐵路的概念是由國(guó)際重載協(xié)會(huì) (IHHA)在 1986年 9月確定的，即重載鐵路必須能讓每列車(chē)載重量超過(guò) 5000t、軸重大于 21t的列車(chē)通過(guò)，且每年運(yùn)量要超過(guò) 2020萬(wàn) t的線(xiàn)路才能稱(chēng)為重載鐵路。 重載鐵路的出現(xiàn)，在歷史上主要是看重其經(jīng)濟(jì)性。如美國(guó)和加拿大在邊遠(yuǎn)山區(qū)采用超長(zhǎng)和重載運(yùn)輸方式是經(jīng)濟(jì)的。為牽引這樣的重載列車(chē)，在美國(guó)曾開(kāi)發(fā)了最大牽引力的蒸汽機(jī)車(chē)“巨孩”號(hào)。這是在 1941年由美國(guó)機(jī)車(chē)公司制造的。機(jī)車(chē)重達(dá) 345t，有 24個(gè)輪子。當(dāng)時(shí)主要運(yùn)行在夏延 (Cheyenne)與懷俄明 (Wyoming)線(xiàn)。列車(chē)全長(zhǎng)約 2442m，共牽掛 90～ 100 節(jié)車(chē)廂。該 機(jī)車(chē)一直運(yùn)行到蒸汽機(jī)車(chē)末期，現(xiàn)在被保留下來(lái)。其實(shí)在北美，軸重在 30～ 35t的車(chē)輛并不少見(jiàn)，甚至可找到 37t 軸重車(chē)輛。當(dāng)時(shí)由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，曾開(kāi)發(fā)出了 35． 7t 軸重、 125t裝載量的車(chē)廂。應(yīng)指出的是，重載運(yùn)輸即使是 30～ 35t軸重列車(chē)，也會(huì)使橋梁的維修費(fèi)成本升高到危險(xiǎn)點(diǎn)。 現(xiàn)代重載鐵路的鋪設(shè)主要是用于運(yùn)輸煤、鐵礦石和其他礦石。 693．什么叫自動(dòng)化鐵路 ? 自動(dòng)化鐵路． AGT(Automated Guideway Transit)是指列車(chē)的運(yùn)營(yíng)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人操縱，即從列車(chē)發(fā)出開(kāi)車(chē)信號(hào)到列 車(chē)啟動(dòng)、加速運(yùn)行，以及在到站前的減速停車(chē)等，這一切均由計(jì)算 機(jī)進(jìn)行控制，一般情況下不要司機(jī)介入，即可實(shí)現(xiàn)列車(chē)運(yùn)營(yíng)全過(guò)程的無(wú)人管理?，F(xiàn)在，新的快速運(yùn)輸系統(tǒng)，都是以計(jì)算機(jī)控制為基礎(chǔ)，自動(dòng)化線(xiàn)路運(yùn)營(yíng)與車(chē)站管理相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了全部功能自動(dòng)化控制。 這種自動(dòng)化鐵路是采用高架的專(zhuān)用軌道，由計(jì)算機(jī)管理的輕型電車(chē)。它是近 10 年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型城市軌道交通系統(tǒng)，其運(yùn)輸能力介于常規(guī)鐵路與公共汽車(chē)之間，其運(yùn)輸能力為 2020～ 20200人／ h，車(chē)速最高可達(dá) 50— 60km／ h。通常，每輛車(chē)定員是 60～ 70人，每列車(chē)由 4— 6輛 組成。其在地面上的結(jié)構(gòu)與單軌鐵路的基本相同，一般占地上空間寬度為 25～30m，在車(chē)站處占地上空間高度為 30— 35m左右。 694．從鐵路技術(shù)發(fā)展歷史看。鐵路發(fā)展經(jīng)歷了哪幾個(gè)階段 ? 大約經(jīng)歷了下列三個(gè)階段： (1)初期發(fā)展階段：大約從 1830 年到 1900 年前后。這一階段以蒸汽機(jī)的發(fā)明和鋼軌生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步為代表，解決了鐵路發(fā)展的動(dòng)力和鋼軌等關(guān)鍵問(wèn)題，促進(jìn)了鐵路的大發(fā)展。 (2)第二階段：大約從 1900 年到 1950 年前后。在這一階段中，鐵路技術(shù)的進(jìn)步主要是圍繞機(jī)車(chē)技術(shù)的進(jìn)步和鋼軌斷 面的改進(jìn)兩個(gè)方面進(jìn)行的。首先是電力機(jī)車(chē)的出現(xiàn)，為鐵路的發(fā)展提供了干凈的動(dòng)力。 機(jī)車(chē)車(chē)速和機(jī)車(chē)牽引力的提高，對(duì)鋼軌的要求也越來(lái)越嚴(yán)格，特別是隨著電力機(jī)車(chē)和內(nèi)燃機(jī)車(chē)的出現(xiàn)，機(jī)車(chē)軸重的大幅度提高，要求使用更大斷面的鋼軌。原來(lái)蒸汽機(jī)車(chē)所用的單重僅在 18～ 38kg／ m 的斷面鋼軌，已不足以抵抗大功率機(jī)車(chē)的磨耗，在這種形勢(shì)下， 1900年出現(xiàn)了單重為 45． 3kg／ m 的鋼軌， 1916 年出現(xiàn)了單重為 58． 9kg／ m 的鋼軌， 1930 年出現(xiàn)了單重為 59． 3kg／ m的鋼軌。但這些鋼軌的斷面形狀卻基本保持了 1865年的 T 形形狀 。 (3)第三階段：從 1950年開(kāi)始到現(xiàn)在。這一階段是高技術(shù)鐵路的飛躍發(fā)展時(shí)期，特別是1964．年 10月 1 日，世界上第一條高速鐵路 —— 日本東海道新干線(xiàn)的問(wèn)世，向世人展示了高技術(shù)鐵路的發(fā)展前景，使古老的鐵路又煥發(fā)出了新的生機(jī)。從 20世紀(jì) 60年代到現(xiàn)在，高技術(shù)鐵路以其高的速度、高的運(yùn)輸效率、低的運(yùn)行成本和其特有的安全舒適性，在陸?？者\(yùn)輸中獨(dú)占鰲頭。 高技術(shù)鐵路是以電力牽引技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的，它綜合了近代的通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和冶金技術(shù)等學(xué)科的成果。其突出特點(diǎn)是高速、高效、 安全。它包括了高速客運(yùn)鐵路、地下鐵路、自動(dòng)化鐵路和重載鐵路等領(lǐng)域。 695． 21世紀(jì)現(xiàn)代化鐵路在鋼軌和線(xiàn)路上的發(fā)展趨勢(shì)有哪些 ? 自從蒸汽機(jī)車(chē)發(fā)明到現(xiàn)在，鐵路運(yùn)輸獲得了巨大發(fā)展，車(chē)速?gòu)脑瓉?lái)的 10~20km／ h，發(fā)展到現(xiàn)在的 120~260km／ h；機(jī)車(chē)也由過(guò)去的蒸汽機(jī)車(chē)更換為內(nèi)燃機(jī)車(chē)或電力機(jī)車(chē)；機(jī)車(chē)牽引力由過(guò)去的幾百千瓦發(fā)展到 3677． 5kW?，F(xiàn)在全世界共有鐵路總長(zhǎng)約 140萬(wàn) km，遍布世界各地。不僅有普通客運(yùn)、貨運(yùn)鐵路，而且有地下鐵路、重載鐵路和高速客運(yùn)鐵路。 從 20世紀(jì) 50年代開(kāi)始，鐵 路發(fā)展到了一個(gè)新的時(shí)代，具有高新技術(shù)的火車(chē)在世界范圍內(nèi)獲得越來(lái)越多的認(rèn)同。以法國(guó)的吒Ⅳ、德國(guó)的 ICE、日本的子彈頭列車(chē)為代表的新型列車(chē)的出現(xiàn)，向世人展示了現(xiàn)代化鐵路的廣闊發(fā)展前景和比航空、公路運(yùn)輸更具潛力的發(fā)展優(yōu)勢(shì)。這些新型列車(chē)是電子技術(shù) (包括電力機(jī)車(chē)、磁懸浮列車(chē) )、地下挖掘技術(shù)與自動(dòng)化技術(shù)有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物，這些技術(shù)已廣泛應(yīng)用于從本體的設(shè)計(jì)、制造到列車(chē)的運(yùn)行與維護(hù)，從列車(chē)的通訊、信號(hào)自動(dòng)化，到列車(chē)牽引、事故控制等鐵路現(xiàn)代化建設(shè)的各個(gè)方面。 世界交通運(yùn)輸專(zhuān)家認(rèn)為 2l 世紀(jì)解決城市間陸路交通和大城市內(nèi)交通問(wèn) 題的最有效工具仍然是鐵路，尤其是高速鐵路和地下鐵路，它們?cè)谶\(yùn)輸?shù)母咚俣?、高效率、安全性、舒適性和大運(yùn)量等諸方面，有著航空、航海和汽車(chē)公路運(yùn)輸無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。不少專(zhuān)家指出，在2l世紀(jì)鐵路會(huì)有更大的發(fā)展。筆者認(rèn)為隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，信息高速公路和多媒體技術(shù)的 普及應(yīng)用， 21 世紀(jì)的世界鐵路技術(shù)必將躍上一個(gè)新水平。世界鐵路技術(shù)的發(fā)展正在朝著自動(dòng)化牽引、高速度、大軸重、大運(yùn)量的方向邁進(jìn)，為此各國(guó)鐵路都采取了下面一些辦法來(lái)滿(mǎn)足鐵路高速、大軸重、大運(yùn)量發(fā)展的要求。 (1)普遍采用重型斷面鋼軌 法國(guó)鐵路部門(mén)認(rèn) 為當(dāng)車(chē)速超過(guò) 160km／ h 時(shí)， 就應(yīng)采用 50kg／ m 或 60kg／ m鋼軌。德國(guó)鐵路部門(mén)認(rèn)為當(dāng)車(chē)速超過(guò) 200km／ h時(shí)，至少應(yīng)鋪設(shè) 54～ 65kg／ m鋼軌，當(dāng)車(chē)速超過(guò) 250km／ h時(shí)，則應(yīng)采用 70kg／ m鋼軌。日本鐵路實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn) 60kg／ m鋼軌的壽命比 50kge／ m鋼軌可以提高 2． 1— 6． 5 倍。美國(guó)和加拿大從 20 世紀(jì) 70年代就開(kāi)始大量鋪設(shè) 61． 5kg／ m 鋼軌。前蘇聯(lián)鐵路部門(mén)規(guī)定當(dāng)客車(chē)速度大于 140km／ h時(shí)，在行車(chē)密度大于 100對(duì)的區(qū)間內(nèi)，應(yīng)采用 65kg／ m鋼軌。 65kg／ m鋼軌比 50kg／ m鋼軌質(zhì)量?jī)H增加 30％，而 可使在使用期限內(nèi)通過(guò)的列車(chē)運(yùn)量噸位增加 80％。中國(guó)鐵路部門(mén)規(guī)定在年通過(guò)貨運(yùn)總量超 5000萬(wàn) t km的地段，應(yīng)鋪設(shè) 60kg／ m鋼軌。世界鐵路鋪設(shè)鋼軌單重的變化大概如下： 20世紀(jì) 50年代平均軌重 43～ 50kg／ m， 60年代平均軌重 49～ 52kg／ m， 70年代平均軌重 52～ 65kg／ m。目前各國(guó)鐵路采用鋼軌的最大單重為：中國(guó) 60kg／ m及 75kg／ m，前蘇聯(lián) 65kg／ m及 75kg／ m，日本 60kg／ m，法國(guó) 60kg／ m，英國(guó) 57kg／ m，美國(guó) 68kg／ m，意大利 65kg／ m，波蘭 60kg／ m。 (2)普遍 采用無(wú)縫線(xiàn)路 為了提高車(chē)速和列車(chē)運(yùn)行舒適度，各國(guó)從 20世紀(jì) 60年代開(kāi)始在干線(xiàn)鐵路上普遍采用焊接長(zhǎng)軌。這種焊接長(zhǎng)軌一般是先在焊軌廠(chǎng)將鋼軌焊接成 250m或更長(zhǎng)的長(zhǎng)軌，然后送到軌排廠(chǎng)預(yù)裝上軌枕，再用特制的軌排運(yùn)輸車(chē)上的專(zhuān)用設(shè)備邊行走邊鋪設(shè)。 60 年代全世界鋪設(shè) 4萬(wàn) h無(wú)縫線(xiàn)路，到 70年代已鋪無(wú)縫線(xiàn)路超過(guò) 20萬(wàn) km， 80年代后各國(guó)的干線(xiàn)鐵路基本上是鋪設(shè)無(wú)縫線(xiàn)路。從所鋪的無(wú)縫線(xiàn)路里程占鐵路總長(zhǎng)的比例看，前西德比例最高達(dá) 65％，瑞士次之達(dá) 53％，意大利和丹麥也均在 20％以上。我國(guó)的無(wú)縫線(xiàn)路已占 30％左右。 696．世界高速客運(yùn)鐵路的發(fā)展情況如何 ? 20世紀(jì) 60年代高速客運(yùn)列車(chē)最高車(chē)速為 200km／ h； 70年代日本東海道新干線(xiàn)設(shè)計(jì)車(chē)速已達(dá) 260km／ h；法國(guó)在 80 年代初其高速鐵路車(chē)速已達(dá) 300km／ h，其實(shí)驗(yàn)車(chē)速在 90 年代已達(dá)到 515km／ h。隨著磁懸浮列車(chē)技術(shù)的改進(jìn)和完善，國(guó)外有不少專(zhuān)家認(rèn)為到 21世紀(jì)，高速客運(yùn)列車(chē)車(chē)速可以達(dá)到 600km／ h。高速鐵路按速度劃分，車(chē)速在 200km／ h 以上的為第一代高速鐵路，車(chē)速在 250km／ h以上的為第二代高速鐵路，車(chē)速在 300km／ h以上的為第三代高速鐵路。世界上大多 數(shù)國(guó)家的高速鐵路主要用于客運(yùn)，也有少數(shù)國(guó)家用于客貨混運(yùn)。 697．高速鐵路對(duì)鋼軌的質(zhì)量要求是什么 ? 高速客運(yùn)鐵路對(duì)鋼軌的要求主要是： (1)關(guān)于鋼軌斷面，多數(shù)國(guó)家選擇 50kg／ m或 60kg／ m平底軌，其長(zhǎng)度為 25m、 36m、50m或焊接長(zhǎng)軌。 (2)關(guān)于鋼種，一般采用碳素鋼，其強(qiáng)度要求在 900MPa 以上。為防止早期疲勞和剝離的產(chǎn)生，要求鋼軌鋼采用硅脫氧鎮(zhèn)靜鋼，鋼中最大鋁含量不大于 0． 005％。為獲得潔凈鋼，要對(duì)鋼軌鋼進(jìn)行鋼包精煉和真空脫氣。按 ASTME45／ 84 條款規(guī)定對(duì)氧化 物最壞的視場(chǎng)是B1，對(duì)硅酸鹽型夾雜的視場(chǎng)是 C1。在德國(guó) DIN 50602條款中，要求鋼必須滿(mǎn)足如下要求： 一 K3≤ 10對(duì) 95％的鋼軌；一 K3≤ 20對(duì)其余 5％的鋼軌。 (3)對(duì)平直度的要求是： 1)軌端平直度：垂直上翹不大于 0． 2mm／ m，垂直下彎不大于 0． 1mm，水平彎曲不大于 0． 25mm／ m； 2)全長(zhǎng)平直度：垂直方向不大于 0． 1mm／ m，水平方向不大于 0． 3mm／ m，垂直方向上翹最大 5mm，水平方向旁彎的彎曲半徑不小于 1000m。 (4)對(duì)于焊接軌，焊縫處軌高尺寸 公差要控制在 0． 1～ 0． 2mm。 (5)為保證在高速下行車(chē)平穩(wěn)，輪、軌接觸帶寬不應(yīng)超過(guò) 12～ 14mm，而且在這個(gè)接觸帶上不應(yīng)存在任何表面缺陷，為此必要時(shí)要對(duì)軌頭進(jìn)行打磨拋光。 (6)對(duì)于軸重大于 20t的線(xiàn)路，則應(yīng)采用耐磨級(jí)鋼軌。 698．鋼軌有哪些種類(lèi) ? 鋼軌自 1767年發(fā)明至今，已經(jīng)歷了 230 余年，隨著鐵路技術(shù)的發(fā)展，鋼軌的斷面也經(jīng)歷了從平板形到 T形又到 U形的過(guò)程，直到 1864年才最后固定為工字形。 根據(jù)用途的不同，現(xiàn)代鋼軌可以分為三類(lèi)： (1)供礦山鐵路用 的輕軌，中國(guó)主要有 9kg／ m、 12kg／ m、 15kg／ m、 22kg／ m、 30kg／ m五種，日本主要有 6kg／ m、 9kg／ m、 10kg／ m、 12kg／ m、 15kg／ m、 22kg／ m六種。 (2)供客貨運(yùn)鐵路用的重軌，中國(guó)鐵路使用的重軌主要有 38kg／ m、 43kg／ m、 50kg／ m、60kg／ m、 75kg／ m 五種，日本使用的重軌主要有