轨道交通运输（三）- 铁轨

早期的轨道是木制的，其最大问题是强度低，容易破损，承载力很弱。随着铸铁的工业的发展，人们自然把铸铁应用轨道交通中，改善轨道运输的性能。在这章中，我们主要讲述“铁轨”。

公元16世纪中叶，1760年代，英国的工业革命刚开始。人们为了增加木轨寿命，把铸造铁条钉在木轨的表面，称为条形轨道（strap iron rails）。虽然这个改进了木轨的寿命，但也有不少问题。

由于，铁条钉在木轨表面，随着车轮和轨面摩擦、滚动，固定钉子容易松动。有时候，铁条的一段会翘起，等下一辆轨道车通过时，翘起的铁条会刺穿正在通过的轨道车的底部，这类事故称为摆蛇头（snakehead)。

铁条轨道属于“轻”轨，不能承受重载。这种轨道的优点是建造相对廉价，工期较短。

铁条轨道以及凿刻石基

条形铁及固定钢钉

现代仿品，原始铁条因该是铸铁，不是钢铁（steel）

由于铁条轨道的显著缺陷，另一方面铸铁工业的发展，全铸铁的轨道出现。1776年，一种平板带缘（“Ｌ”形）的铸铁轨道代替了木制轨道，应用到马力轨道运输。 当时的铸造技术，轨道短（3英尺，不到一米）。 因此整个轨道建造后不久就变得不很平齐。这种轨道大量地使用了近50年，到1830年，该轨道的用户就逐渐减少了。

“L”形带缘的铁轨

“Ｌ”形轨道道岔

“Ｌ”形铸铁轨道

“Ｌ”形轨道和车辆

1789年，本杰明.O（Benjamin Outram）和他的合作伙伴威利姆.J(William Jessop ）发明一种称为“鱼肚行（fishbelly)”轨道，其轨道中间宽两边窄，形状如同鱼肚形。辆段窄的部分，是轨道之间的连接部。这种轨道有长有段，长的轨道轨道6英尺10寸。

鱼肚形轨道

鱼肚形轨道陈列在美国Darlington 铁路博物馆

鱼肚形铸铁轨道及典型配套支撑基石

鱼肚轨道及典型配套支撑基石

鱼肚形轨道的连接，半交接设计连接

显然，这种轨道面不宽，要求与之配套的轮缘车轮。In 1789, 英国人William Jessup  设计了第一个有轮缘（Flange）的车轮。 本杰明.O（Benjamin Outram）和威利姆（William Jessop ）天衣无缝的合作创造了第一个工字型（截面，英文I-beam）和第一次设计的轮缘，这在轨道运输史上，是一个突破。

“Ｌ”形铁轨和鱼肚形铁轨都是铸铁。由于铸铁材料性能较脆，很容易断裂。其次，鱼肚形轨道架在石墩上，石墩之间的距离，也就轨距的控制很麻烦。

1820年， 约翰.B (John Birkinshaw 英）取得了低碳钢（wrought Iron）轨道的专利，并将轨道制造长度增加到15英尺。低碳钢，不是钢，依然是铁。于铸铁不同的是，铸件是铁矿融化的铁水，直接进入模具（moulding),冷却后形成部件。低碳钢是铁水形成的基本铁形，在冷却前或冷却后从新加热，进行锻打，滚压等机械处理，并形成设计的形状。 低碳钢轨道就是经过滚压形成的。通常低碳钢含碳量少于铸铁，强度和柔韧性优于铸铁。真正的钢轨是在1857年，Robert Forester Mushet（英）制造了第一批钢轨（steel），并将其用在英国Derby 车站。

1820年，铁轨的滚压（Rolling）技术就发明了，200年后的的今天，钢轨生产还在应用这个技术。请看YouTube 的一段视频，钢轨是如何制造的。

这里要说明一下，1804年，蒸汽就开始上轨实验了，铸造轨道基本上承受不了蒸汽机车的重量。低碳钢轨道发明的很及时，为蒸汽机车的推广奠定了基础。

从1789年轮缘和鱼肚形铁轨发明，铁轨的形状在不断地变化，其目的就是增加铁轨的承载能力，下图就说明了铁轨截面形状的变化于承载力变化的时间图。

铁轨形状的改变及年代i

由于低碳钢的引入和良好的性能，再加上蒸汽机车的成功应用，1825-1840年铁路运输膨胀发展，这是后话。