火车在错综复杂的钢轨上是怎么从一个轨道上跑到另一个轨道上呢？这期我们说说火车变轨的那些事。

01

铁路轨道是一种铁路设施，简称路轨、铁轨、轨道等，也称钢轨、股道。用于铁路上，并与转辙器及道岔协同工作，使火车无需转向便能行走。轨道通常由两条平衡的钢轨组成。钢轨固定放在枕木上，枕木之下为道碴。

以钢铁制成的路轨，可以比其它物料承受更大的重量。枕木亦称轨枕或路枕，作用是把钢轨的重量分开散布，和保持路轨固定，维持路轨的轨距。

一般而言，轨道的底部为石砾铺成的道碴或道砟。道碴亦称路碴、碎石或道床，是为轨道提供弹性及排水功能。铁轨也可以铺在混凝土筑成的基座上（桥上常见），甚至嵌在混凝土里。

最早期的路轨使用的“板式铁轨”，用很薄的铁片钉在木制的路轨上制成。但这种路轨的承重很低，所以虽然建造的成本很低，但长远来说并不划算。

后来铁路开始改用铁轨，经过数十年的改进，使用的物料改成钢，而钢的质素亦得到很大的提高。铁路上使用的钢轨必须承受巨大的压力，故此需要使用钢料质素极高的钢材。

铁路钢轨对钢的要求比其他的应用都为高。同样的小瑕疵，在建筑物使用的钢筋内出现可能不会产生任何问题；但在铁路钢轨出现则随时会导致路轨断裂而引起列车出轨。

钢轨并不便宜，占铁路成本中相当重要的部分。现代使用的钢轨切面成“工”字形，类似结构工程用的工字梁，其分为与车轮接触的轨头、中间的轨腰及底部的轨底。

上图为钢轨切面。左边的属于平底型，可以稳定地放在枕轨上。右边的是凸头型，在英国曾经常用。最初设想是一个轨面磨损过后，还可以反转后使用另一面。

不同的路线对钢轨的强度、稳定性及耐磨性都有不同的要求。因此钢轨亦有不同的规格。一条路线上应该选择使用那一种，需要考虑经济及技术等因素。

把钢轨连接成轨道的方法有多种。最传统的做法会把20米左右一截的钢轨固定在轨枕之上，各截钢轨之间有接头（亦称接缝）。接头使用鱼尾板（亦称鱼尾钣）接合，它是一块约60厘米长的钢板，两端有四或六口钢栓，用来扣在钢轨上的小洞。

▲鱼尾板

钢轨之间特地留有间隙，约为6mm宽，称为伸缩接缝。钢轨上鱼尾板上钢栓通过的小洞是椭圆形的，这样钢轨就可以在炎热的天气下有膨胀的空间。

这对钢轨是非常重要的，如果没有膨胀的空间，每当温度改变一度，钢轨就需要承受1.6吨的压力或拉力。如果一个地方每年最高及最低温度相差三十度，这力可以达到五十吨。一条钢轨可能会因而变得歪歪斜斜，影响行车安全。

虽然这样可以解决热胀冷缩的问题，但是路轨上留有的小接缝使列车驶过时产生“咔哒、咔哒”的声音。除非路轨的保养得非常良好，否则这种有接缝的路轨不适宜让高速列车行驶；乘客亦会觉得行车不平稳。很多铁路发达的国家依然会在低速路线、非重要的路线或支线使用这种路轨接合。

另一种较新的连接钢轨的方法是持续焊接轨道，亦称无缝轨道或长焊轨。这种方法把数公里长的钢轨以铝热剂焊接接成连续的一条。由于没有了接缝，于是路轨的强度获得增加，需要的维修较少，车辆行驶亦更顺畅，降低噪音。

持续焊接轨道的成本较用鱼尾板昂贵。但因为强度较高，车辆可以在持续焊接轨道上以更高速度行驶，摩擦力亦得到减少。

为解决无缝轨道在冷缩热胀时可能会歪曲的问题，钢轨需要被紧紧地锁定在线路上，使它们的伸缩自由受到限制。一般的做法是使用混凝土制成的轨枕，用坚固的扣件把钢轨扣上，下方再配以足够的道碴。

每次更换或敷设钢轨时，钢轨会被先被拉长使它们膨胀，然后才锁定在轨枕上。这样就算日后温度增高，路轨的膨胀亦会减少。

锁定轨道的温度亦很重要。一般每段轨道都会参考当地最高及最低温度，然后计算出合适的温度。如果日后温度超出最初的预算（例如出现异常的炎夏或寒冬），无缝轨道可能会弯曲或断裂。

02

火车变轨是靠道岔的转换来实现的，通过控制铁路道岔，实现轨道的变轨。岔轨也能变轨，岔轨是铁路设备的一种。

火车轮内侧有一圈比车轮更大的圆盘，叫做“轮缘”，使得车轮紧紧的卡在铁轨中间，这就使得车轮始终在轨道上运行不脱轨，用来控制火车运行的方向。

火车变轨不是由火车司机能控制的，而是由钢轨中能活动的一部分来控制的，其名字叫做道岔。当道岔部分留有小细缝的时候，轮缘就可以从小细缝中穿过，按照外侧轨道引导的方向行进。当两根轨道密贴时，轮缘就被引导到靠内侧的轨道方向行进。

道岔在早些时候还是由人工来控制，而现在大都采用计算机来精准控制道岔的移动方向，极大的减小道岔扳错方向或扳不到位的情况。

轨道变轨是道岔控制，用得最多的是单开道岔。道岔由转辙器、连接部分、辙叉及护轨三个单元组成，转辙器包括基本轨、尖轨和转辙机械。

既然有单开道岔，就有双开道岔、三开道岔以及多开道岔（复式交分道岔）等。双开道岔为Y形，即与道岔相衔接的两股道向两侧分岔。

三开道岔如同Ψ形，同时衔接三股道，由两组转辙机械操纵两套尖轨。复式交分道岔像X形，实际上相当于四组单开道岔和一副菱形交叉的组合。除此而外，还有一种交叉设备，通常使用的叫做菱形交叉。它由两组锐角辙叉和两组钝角辙叉组成，但没有转辙器，所以股道之间不能转线。

如果将复式交分道岔的X形的上面两点和下面两点分别连接起来，就是交叉渡线。它不仅能开通较多的方向，而且占地不多，所以经常在车站采用。

道岔各有其代号，比如9号道岔、12号道岔、18号道岔等等。这个代号可不是随便排列的，它实际上代表了辙叉角（α）的余切值，也就是辙叉心部分直角三角形两条直角边FE和AE的比值，即N=ctgα=FE/AE，N就是道岔号。

显而易见，辙叉角α越小，N值就越大，导曲线半径也越大，列车侧线通过道岔时就越平稳，允许过岔速度也就越高。所以采用大号道岔对于列车运行是有利的。不过，事物总有它的两面性，道岔号数越大，道岔越长，造价自然就高，占地也要多得多。因此，采用什么号数的道岔要因地制宜，因线而异，不可一概而论。

上面说的是传统铁路的两条平衡路轨，而在中国一些城市轻轨采用的是单轨铁路。单轨铁路是铁路的一种，特点是使用的轨道只有一条。

单轨铁路的路轨一般以混凝土制造，比普通钢轨宽很多。而单轨铁路的车辆比路轨更宽。和城市轨道交通系统相似，单轨铁路主要应用在城市人口密集的地方，用来运载乘客。亦有在游乐场内建筑的单轨铁路，专门运载游人。

单轨铁路主要分成两类。悬挂式单轨铁路的列车悬挂在轨道之下。另一种较为常见的是跨座式单轨铁路，列车跨座在路轨之上，两旁盖过路轨。跨座式单轨最先由瑞士ALWEG发明，而最先提出悬挂式单轨的是SAFEGE。

现代的单轨铁路由电动机推进，一般使用轮胎而不使用钢制的车轮。轮胎会在路轨的上面及两旁转动，推动列车及维持平衡。早期单轨系统的设计是不能使用转辙器的，使到运作上出现很多不便。现代的单轨系统多数已经可以使用转辙器，让车辆可以驶进不同的线路，而同一线路亦可作双程行驶。