伟大的工程背后，多亏了这些奇妙的小零件

2015-12-26 15:00:33 | 来源：玩转帮会 | 投稿：佚名 | 编辑：小柯

原标题：伟大的工程背后，多亏了这些奇妙的小零件

扣件 (Fasteners) 是将钢轨 (Rail) 固定在轨枕 (Tie) 上的部件，包括道钉 (Spikes)、弹条扣件 (Clips) 等，此外，钢轨垫板 (Tie Plates)、防爬设备 (Rail Anchors)、轨距杆 (Gauge Rods) 等也放在本部分中介绍。

首先说一下钢轨垫板。钢轨并不是直接固定在轨枕上的，而是通过钢轨垫板固定在轨枕上。木质轨枕一般使用钢制钢轨垫板，混凝土轨枕一般使用复合材料钢轨垫板。下面两张图中，上面一张为金属钢轨垫板，是我们教授的玩具 (!)，下面一张为复合材料钢轨垫板，是国内某铁路施工时换下来的旧钢轨垫板。

钢轨垫板的主要作用包括：

保护轨枕免受磨损；
为钢轨底座提供平坦的接触面；
防止钢轨爬行。

对于木质轨枕，钢轨垫板还有一个作用，就是提供钢轨的倾斜角 (cant)。

下面逐一说明每种作用。

首先，保护钢轨免受磨损。由于钢轨和轨枕之间接触压强很大，因此为了保护轨枕，需要设法使压力减小。对于木质轨枕，由于木材所能承受的应力小，所以需要设法增大接触面积，以分散应力。在金属垫板那张图片中，红色方框框出的是钢轨底座的投影，黄色方框框出的是钢轨垫板的投影，显而易见，黄色方框的面积比红色方框的大。面积增大了，分散在轨枕上的应力自然就小了。而对于混凝土轨枕，由于混凝土所能承受的应力大于木材，因此分散应力的需求相对小一些。但是，列车运行时，由于钢轨不平、车轮不圆、轨道强度的变化等带来的动态冲击，可以高达列车重量的两倍，这么大强度的冲击仍然可能损害混凝土轨枕。因此，混凝土轨枕上往往使用复合材料钢轨垫板，这种钢轨垫板比较软，可以一定程度上缓解动态冲击。

第二，为钢轨底座提供平坦的接触面。轨枕的上表面不可能是绝对的平面，本来钢轨底座在轨枕上的投影面积就不大，如果接触面不平，那么接触面积将更小。因此，使用钢轨垫板可以提供平坦的接触面，从而增大接触面积，减小应力。

第三，防止钢轨爬行。金属垫板上钢轨底座接触的部位两侧有两道“坎”（与上图中红色方框的边重合），因此这种钢轨垫板被称为 Double Shoulder Tie Plate，这两道“坎”可以防止钢轨横向移动。金属垫板配合道钉使用的情况下，无法为钢轨提供足够的纵向约束，因此还需要配合使用防爬设备，这将会在后面讲述。复合材料钢轨垫板与钢轨之间的摩擦系数大于混凝土轨枕和钢轨之间的摩擦系数，配合弹条扣件的使用，可以提供足够的横向和纵向约束。

最后，金属钢轨垫板还有提供钢轨倾斜角的作用。如下图所示，钢轨并不是与轨枕垂直布置的，而是向内侧 (gauge side) 倾斜一定的角度，这样可以提供更好的轮轨接触面。北美铁路的钢轨倾斜角为 1:40。对于混凝土轨枕，钢轨倾斜角被整合在了轨枕上，即轨枕的钢轨接触面 (Rail Seat) 本身就是倾斜的。图片来自我们老师的课件，未经许可，严禁转载。

说完了钢轨垫板，接下来说说紧固扣件。扣件分为 3 种，分别是道钉 (Cut Spike)、紧固螺栓 (Screw Spike) 和弹条扣件 (Clips)。下面分别进行介绍，介绍中的轨枕类型只考虑木质轨枕和混凝土轨枕，不考虑复合材质轨枕、钢制轨枕等不常见的类型。

道钉只能用于木质轨枕上，是北美铁路使用最常见的扣件类型。下图中是一颗道钉。并不是钢轨垫板上的每一个孔都要钉一颗道钉的，钢轨垫板上一共有 8 个孔，根据具体的线路情况，最少可能只需要两颗道钉。中间的 4 个孔称为 Line Holes，主要作用是将钢轨固定在钢轨垫板上，顺便将钢轨垫板固定在轨枕上；两侧的 4 个孔称为 Hold-Down Holes，主要作用是将钢轨垫板固定在轨枕上。在列车的两个转向架之间，钢轨实际上是向上弯曲的，因此有把轨枕提起来的趋势，而道钉并不能提供足够的摩擦力，因此长时间以后，道钉会被提起来半厘米左右，并不能严严实实地压在钢轨底座和钢轨垫板上，这是正常使用中会发生的现象。被提起来的道钉只能防止钢轨垫板在水平面上移动，并且仍然能够防止钢轨的横向移动，但是不能防止钢轨的纵向移动（即钢轨爬行），因此使用道钉作为扣件的线路，必须同时使用防爬设备防止钢轨爬行。

紧固螺栓既可以用在木质轨枕上，也可以用在混凝土轨枕上。下图中是一颗紧固螺栓。对于采用木质轨枕的线路，紧固螺栓一般只用在道岔等特殊场合，或者配合弹条扣件使用；而对于采用混凝土轨枕的线路，只能采用弹条扣件 + 紧固螺栓的扣件形式（因为道钉砸不进混凝土呀对不对）。

弹条扣件一般需要配合紧固螺栓使用，一般应用在混凝土轨枕上，也可以应用在木质轨枕上。弹条扣件有多种样式，下面两张图中，上面一张是北美常用的 e 型弹条扣件，下面一张是国内常用的 w 型弹条扣件（已经被安装到线路上，图片摄于济西编组站）。由于弹条扣件可以一直保持压紧钢轨底座和钢轨垫板，因此可以提供足够的横向和纵向约束，一般无需防爬设备，但是在一些特殊地段仍然需要防爬设备提供额外的约束。

下面上几张我拍摄的人工砸道钉和拧紧固螺栓的图片，实际施工中，机械化作业采用得更多，但是人工的看起来不是有意思嘛（虽然很辛苦）~

PS 砸道钉是个体力活，更是个技术活……

PPS 穿紫色短袖那家伙是我哈~

发自知乎专栏「Trains · Cars · Bikes」

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