第四章 高速铁路与钢轨
第一节高速铁路对钢轨的质量要求 690．什么叫轮轨系统的高速铁路?
目前已经投入运营的高速铁路设计全部是采用轮轨系统，轮轨系统的高速铁路无论是总体设计，还是车体制造及线路施工维护技术都已成熟，这一系统已在世界各国运行了近40年。40年的运行证明了轮轨系统的高速铁路是成功的，并告诉人们这一系统在高速下运行是可靠的、安全的和高效的，被世界各国的政府和铁路部门所接受。
轮轨系统的高速铁路车速现已达到200～350km／h，全世界已建成的高速铁路总长约5000km。其中，日本有4条，法国有3条，英国有1条，德国有2条，西班牙有2条，波兰有1条。全世界在建或计划建的高速铁路约6000km，分布在13个国家，主要有日本、美国、中国、俄罗斯和韩国等。 采用轮轨系统的高速铁路，大多数是以大功率的电力机车或内燃机车为动力。高速铁路的线路采用小坡度，一般为0．8％～3．5％；线路曲线采用大半径，一般为2500～8000m。通常，人们把速度为200km／h的高速铁路定为第一代高速铁路，把速度为300km／h的高速铁路定为第二代高速铁路，把速度为350km／h的高速铁路定为第三代高速铁路。轮轨系统的高速铁路其实验车速已达到515km／h。到目前为止，世界各国已建成的和规划中的长距离的高速铁路基本上都是采用轮轨系统设计的。 691．什么叫磁悬浮系统的高速铁路?
磁悬浮列车是利用电磁原理和超导原理研制的一种高速列车。在电磁场产生的吸力或斥力作用下，列车被托起悬浮在线路上，靠线路上和车辆上的线性电机所产生的推力前进。与轮轨系统的高速列车相比，磁悬浮列车的车速可以更快，运行更平稳，又不产生污染，是一种理想的交通工具。但其技术难度大，目前尚在实验研究中。另外，磁悬浮高速铁路的投资比轮轨高速铁路的投资要高出20％～40％以上。 692．什么叫重载铁路?
现在，人们对“重载”(heavy haul)的概念往往仅指那些装运铁矿石、煤、磷矿等矿物的又长又重的货运列车，其实重载列车早已远远不拘于此。在北美有许多重载铁路，这些装载各种商品的又长又重的列车已运营多年。“重载”的概念随着社会生产力的发展也在变化，在1835年，那时所指“重载”是指采用蒸汽做动力的货运列车，它仅仅是相对于用马做动力的运客或运煤的四轮车而言的。
现代重载铁路的概念是由国际重载协会(IHHA)在1986年9月确定的，即重载铁路必须能让每列车载重量超过5000t、轴重大于21t的列车通过，且每年运量要超过2000万t的线路才能称为重载铁路。 重载铁路的出现，在历史上主要是看重其经济性。如美国和加拿大在边远山区采用超长和重载运输方式是经济的。为牵引这样的重载列车，在美国曾开发了最大牵引力的蒸汽机车“巨孩”号。这是在1941年由美国机车公司制造的。机车重达345t，有24个轮子。当时主要运行在夏延(Cheyenne)与怀俄明(Wyoming)线。列车全长约2442m，共牵挂90～100节车厢。该机车一直运行到蒸汽机车末期，现在被保留下来。其实在北美，轴重在30～35t的车辆并不少见，甚至可找到37t轴重车辆。当时由于经济发展的需要，曾开发出了35．7t轴重、125t装载量的车厢。应指出的是，重载运输即使是30～35t轴重列车，也会使桥梁的维修费成本升高到危险点。
现代重载铁路的铺设主要是用于运输煤、铁矿石和其他矿石。 693．什么叫自动化铁路?
自动化铁路．AGT(Automated Guideway Transit)是指列车的运营可以实现无人操纵，即从列车发出开车信号到列车启动、加速运行，以及在到站前的减速停车等，这一切均由计算
机进行控制，一般情况下不要司机介入，即可实现列车运营全过程的无人管理。现在，新的快速运输系统，都是以计算机控制为基础，自动化线路运营与车站管理相结合，实现了全部功能自动化控制。
这种自动化铁路是采用高架的专用轨道，由计算机管理的轻型电车。它是近10年来发展起来的一种新型城市轨道交通系统，其运输能力介于常规铁路与公共汽车之间，其运输能力为2000～20000人／h，车速最高可达50—60km／h。通常，每辆车定员是60～70人，每列车由4—6辆组成。其在地面上的结构与单轨铁路的基本相同，一般占地上空间宽度为25～30m，在车站处占地上空间高度为30—35m左右。
694．从铁路技术发展历史看。铁路发展经历了哪几个阶段? 大约经历了下列三个阶段：
(1)初期发展阶段：大约从1830年到1900年前后。这一阶段以蒸汽机的发明和钢轨生产技术的进步为代表，解决了铁路发展的动力和钢轨等关键问题，促进了铁路的大发展。 (2)第二阶段：大约从1900年到1950年前后。在这一阶段中，铁路技术的进步主要是围绕机车技术的进步和钢轨断面的改进两个方面进行的。首先是电力机车的出现，为铁路的发展提供了干净的动力。
机车车速和机车牵引力的提高，对钢轨的要求也越来越严格，特别是随着电力机车和内燃机车的出现，机车轴重的大幅度提高，要求使用更大断面的钢轨。原来蒸汽机车所用的单重仅在18～38kg／m的断面钢轨，已不足以抵抗大功率机车的磨耗，在这种形势下，1900年出现了单重为45．3kg／m的钢轨，1916年出现了单重为58．9kg／m的钢轨，1930年出现了单重为59．3kg／m的钢轨。但这些钢轨的断面形状却基本保持了1865年的T形形状。
(3)第三阶段：从1950年开始到现在。这一阶段是高技术铁路的飞跃发展时期，特别是1964．年10月1日，世界上第一条高速铁路——日本东海道新干线的问世，向世人展示了高技术铁路的发展前景，使古老的铁路又焕发出了新的生机。从20世纪60年代到现在，高技术铁路以其高的速度、高的运输效率、低的运行成本和其特有的安全舒适性，在陆海空运输中独占鳌头。
高技术铁路是以电力牵引技术为基础发展起来的，它综合了近代的通信技术、计算机技术、电子技术、自动化技术和冶金技术等学科的成果。其突出特点是高速、高效、安全。它包括了高速客运铁路、地下铁路、自动化铁路和重载铁路等领域。 695．21世纪现代化铁路在钢轨和线路上的发展趋势有哪些?
自从蒸汽机车发明到现在，铁路运输获得了巨大发展，车速从原来的10~20km／h，发展到现在的120~260km／h；机车也由过去的蒸汽机车更换为内燃机车或电力机车；机车牵引力由过去的几百千瓦发展到3677．5kW。现在全世界共有铁路总长约140万km，遍布世界各地。不仅有普通客运、货运铁路，而且有地下铁路、重载铁路和高速客运铁路。 从20世纪50年代开始，铁路发展到了一个新的时代，具有高新技术的火车在世界范围内获得越来越多的认同。以法国的吒Ⅳ、德国的ICE、日本的子弹头列车为代表的新型列车的出现，向世人展示了现代化铁路的广阔发展前景和比航空、公路运输更具潜力的发展优势。这些新型列车是电子技术(包括电力机车、磁悬浮列车)、地下挖掘技术与自动化技术有机结合的产物，这些技术已广泛应用于从本体的设计、制造到列车的运行与维护，从列车的通讯、信号自动化，到列车牵引、事故控制等铁路现代化建设的各个方面。
世界交通运输专家认为2l世纪解决城市间陆路交通和大城市内交通问题的最有效工具仍然是铁路，尤其是高速铁路和地下铁路，它们在运输的高速度、高效率、安全性、舒适性和大运量等诸方面，有着航空、航海和汽车公路运输无法比拟的优势。不少专家指出，在2l世纪铁路会有更大的发展。笔者认为随着电子技术的进步，信息高速公路和多媒体技术的
普及应用，21世纪的世界铁路技术必将跃上一个新水平。世界铁路技术的发展正在朝着自动化牵引、高速度、大轴重、大运量的方向迈进，为此各国铁路都采取了下面一些办法来满足铁路高速、大轴重、大运量发展的要求。 (1)普遍采用重型断面钢轨
法国铁路部门认为当车速超过160km／h时，就应采用50kg／m或60kg／m钢轨。德国铁路部门认为当车速超过200km／h时，至少应铺设54～65kg／m钢轨，当车速超过250km／h时，则应采用70kg／m钢轨。日本铁路实测发现60kg／m钢轨的寿命比50kge／m钢轨可以提高2．1—6．5倍。美国和加拿大从20世纪70年代就开始大量铺设61．5kg／m钢轨。前苏联铁路部门规定当客车速度大于140km／h时，在行车密度大于100对的区间内，应采用65kg／m钢轨。65kg／m钢轨比50kg／m钢轨质量仅增加30％，而可使在使用期限内通过的列车运量吨位增加80％。中国铁路部门规定在年通过货运总量超5000万t·km的地段，应铺设60kg／m钢轨。世界铁路铺设钢轨单重的变化大概如下：20世纪50年代平均轨重43～50kg／m，60年代平均轨重49～52kg／m，70年代平均轨重52～65kg／m。目前各国铁路采用钢轨的最大单重为：中国60kg／m及75kg／m，前苏联65kg／m及75kg／m，日本60kg／m，法国60kg／m，英国57kg／m，美国68kg／m，意大利65kg／m，波兰60kg／m。
(2)普遍采用无缝线路
为了提高车速和列车运行舒适度，各国从20世纪60年代开始在干线铁路上普遍采用焊接长轨。这种焊接长轨一般是先在焊轨厂将钢轨焊接成250m或更长的长轨，然后送到轨排厂预装上轨枕，再用特制的轨排运输车上的专用设备边行走边铺设。60年代全世界铺设4万h无缝线路，到70年代已铺无缝线路超过20万km，80年代后各国的干线铁路基本上是铺设无缝线路。从所铺的无缝线路里程占铁路总长的比例看，前西德比例最高达65％，瑞士次之达53％，意大利和丹麦也均在20％以上。我国的无缝线路已占30％左右。 696．世界高速客运铁路的发展情况如何?
20世纪60年代高速客运列车最高车速为200km／h；70年代日本东海道新干线设计车速已达260km／h；法国在80年代初其高速铁路车速已达300km／h，其实验车速在90年代已达到515km／h。随着磁悬浮列车技术的改进和完善，国外有不少专家认为到21世纪，高速客运列车车速可以达到600km／h。高速铁路按速度划分，车速在200km／h以上的为第一代高速铁路，车速在250km／h以上的为第二代高速铁路，车速在300km／h以上的为第三代高速铁路。世界上大多数国家的高速铁路主要用于客运，也有少数国家用于客货混运。 697．高速铁路对钢轨的质量要求是什么? 高速客运铁路对钢轨的要求主要是：
(1)关于钢轨断面，多数国家选择50kg／m或60kg／m平底轨，其长度为25m、36m、50m或焊接长轨。
(2)关于钢种，一般采用碳素钢，其强度要求在900MPa以上。为防止早期疲劳和剥离的产生，要求钢轨钢采用硅脱氧镇静钢，钢中最大铝含量不大于0．005％。为获得洁净钢，要对钢轨钢进行钢包精炼和真空脱气。按ASTME45／84条款规定对氧化物最坏的视场是B1，对硅酸盐型夹杂的视场是C1。在德国DIN 50602条款中，要求钢必须满足如下要求： 一K3≤10对95％的钢轨；一K3≤20对其余5％的钢轨。 (3)对平直度的要求是：
1)轨端平直度：垂直上翘不大于0．2mm／m，垂直下弯不大于0．1mm，水平弯曲不大于0．25mm／m；
2)全长平直度：垂直方向不大于0．1mm／m，水平方向不大于0．3mm／m，垂直方向上翘最大5mm，水平方向旁弯的弯曲半径不小于1000m。