Järnvägsspårets historia
.png)
Järnvägsspåret eller den permanenta vägen är delarna av järnvägslinjer : i allmänhet de par av räls som vanligtvis läggs på sliprarna eller banden inbäddade i barlast , avsedda att bära de vanliga tågen på en järnväg. Det beskrivs som ett permanent sätt eftersom under de tidigare dagarna av järnvägsbyggande lade entreprenörer ofta ett tillfälligt spår för att transportera byte och material runt platsen; när detta arbete i stort sett var avslutat togs det tillfälliga spåret upp och den permanenta vägen installerades.
De tidigaste spåren bestod av träskenor på tvärgående träslipers, vilket bidrog till att hålla rälsens avstånd. Olika utvecklingar följde, med gjutjärnsplåtar lagt ovanpå träskenorna och senare smidesplåtar eller smidesjärnsvinkelplåtar ( vinkeljärn som L-formade plåtskenor). Räls fästes också individuellt på rader av stenblock, utan några korsband för att upprätthålla korrekt separation. Detta system ledde också till problem, eftersom blocken kunde flyttas individuellt. Den första versionen av Isambard Kingdom Brunels 7 fot ( 2 134 mm ) bredspåriga system använde räls som lades på längsgående slipers vars spårvidd och höjd fastnålades genom att vara bunden till pålar (konceptuellt liknar en pålbro ), men detta arrangemang var dyrt och Brunel ersatte det snart med det som blev det klassiska bredspåriga spåret, där pålarna var borta och akterspegeln, liknande slipers, bibehöll spårvidden. Idag använder de flesta järnvägsspår standardsystemet med räls och slipers; stegspår används i ett fåtal tillämpningar.
Utvecklingen inom tillverkningsteknologier har lett till förändringar i design, tillverkning och installation av skenor, slipers och fästanordningar. Gjutjärnsskenor, 4 fot (1,2 m) långa, började användas på 1790-talet och 1820 var 15 fot långa (4,6 m) smidesjärnskenor i bruk. De första stålskenorna tillverkades 1857 och standardrälslängderna ökade med tiden från 30 till 60 fot (9,1–18,3 m). Räls specificerades vanligtvis med viktenheter per linjär längd och dessa ökade också. Järnvägsslipers tillverkades traditionellt av kreosotbehandlat lövträ och detta fortsatte till modern tid. Kontinuerlig svetsad skena introducerades i Storbritannien i mitten av 1960-talet och detta följdes av introduktionen av betongslipers.
Bandsystem av trä
Planka sätt
Den tidigaste användningen av ett järnvägsspår verkar ha varit i samband med gruvdrift i Tyskland på 1100-talet. Gruvorna var vanligtvis blöta och leriga, och det var extremt svårt att flytta malmhålor längs dem. Förbättringar gjordes genom att lägga ut timmerplankor så att hjulförsedda containrar kunde släpas med arbetskraft. På 1500-talet hade svårigheten att hålla vagnen igång rakt löst genom att en tapp gick in i ett mellanrum mellan plankorna. Georg Agricola beskriver lådformade vagnar, kallade "hundar", ungefär hälften så stora igen som en skottkärra, försedda med en trubbig vertikal tapp och trärullar som går på järnaxlar. Ett elisabethanska eran har upptäckts vid Silvergill i Cumbria , England, och de var förmodligen också i bruk i de närliggande gruvorna Royal of Grasmere, Newlands och Caldbeck. Där utrymmet tillåts installerades träspår med runda sektioner för att ta lastbilar med flänsade hjul: en målning från 1544 av den flamländska konstnären Lucas Gassel visar en koppargruva med räls av denna typ som kommer från en adit .
Kantade skenor
Ett annat system utvecklades i England, förmodligen i slutet av 1500-talet, nära Broseley för att transportera kol från gruvor, ibland drivande gruvor ner längs sidan av Severn Gorge till floden Severn . Detta, troligen ett lindrat lutningsplan, hade funnits "långt före" 1605. Detta föregick troligen Wollaton Wagonway 1604, som hittills har betraktats som det första.
I Shropshire var spårvidden vanligtvis smal, för att vagnarna skulle kunna tas under jord i drivgruvor. Det överlägset största antalet vagnar var dock nära Newcastle upon Tyne , där en enda vagn drogs av en häst på en vagn med ungefär den moderna standardspårvidden. Dessa tog kol från grophuvudet ner till en staithe , där kolet lastades i flodbåtar som kallas kölar.
Slitage på timmerskenorna var ett problem. De kunde förnyas genom att vända dem, men var tvungna att bytas ut regelbundet. Ibland gjordes skenan i två delar, så att den övre delen lätt kunde bytas ut när den var utsliten. Skenorna hölls samman av träslipers, täckta med ballast för att ge en yta för hästen att gå på. [ citat behövs ]
Tidiga järnskenor
Gjutjärnsremsor kunde läggas ovanpå träskenor, och användningen av sådana material förekom troligen 1738, men det finns påståenden om att denna teknik gick tillbaka till 1716. 1767 började Ketleys järnbruk tillverka gjutjärnsplåtar , som fixerades till toppen av träskenor med spik, för att ge en mer hållbar löpyta. Denna konstruktion var känd som strap-iron rail (eller strap rail) och användes i stor utsträckning på pre-steam järnvägar i USA. Även om de var relativt billiga och snabba att bygga, var de olämpliga för tunga belastningar och krävde "överdrivet underhåll". Tåghjul som rullade över spikarna lossade dem, vilket gjorde att skenan kunde bryta sig loss och kröka sig uppåt tillräckligt mycket för att ett bilhjul skulle kunna ta sig under det och tvinga upp rälsens ände genom bilens golv, vrida sig och vrida sig, vilket äventyrade passagerarna. Dessa trasiga skenor blev kända som "ormhuvuden".
När smidesjärn blev tillgängligt gav smidesplåtar en ännu mer hållbar yta. Skenorna hade utskjutande klackar (eller öron) med ett hål för att kunna fästas på den underliggande träskenan. [ citat behövs ]
Järnplattor
Ett alternativ utvecklades av John Curr från Sheffield, chefen för hertigen av Norfolks kolverk där. Denna hade en L-formad skena, så att flänsen låg på skenan snarare än på hjulet. Detta användes också av Benjamin Outram från Butterley Ironworks och William Jessop (som blev delägare i dem 1790). Dessa användes för att transportera varor relativt korta sträckor ner till kanaler, även om Curr's sprang mellan herrgården och staden Sheffield . Dessa räls kallas plattor, och järnvägen kallas ibland en platå. Termen "plåtläggare" härrör också från detta ursprung. I teorin kunde de oflänsade hjulen ha använts på vanliga motorvägar, men i praktiken gjordes det nog sällan, eftersom vagnshjulen var så smala att de skulle ha grävt i vägbanan.
Systemet fick bred användning i Storbritannien. Ofta var plattorna monterade på stenblock, och ibland utan slipers, men det kunde leda till att rälsen spreds isär, vilket ökade spårvidden. Järnvägar av detta slag användes flitigt i södra Wales, särskilt för att transportera kalksten ner till järnverket och sedan för att ta järnet till en kanal, ibland flera mil bort, som tog produkterna till marknaden. Skenorna var först gjorda av gjutjärn, vanligtvis i längder på 0,91 m, som spänner mellan stenblock.
Stenblocken hade antagits vara permanenta, men erfarenheten visade snabbt att de satte sig och gradvis rörde sig under trafik, skapade kaotisk spårgeometri och orsakade urspårningar. Ett annat problem var att löpytan riskerade att blockeras av stenar som förskjutits från barlasten. Ett alternativ var att använda en järnstag för att hålla rälsen till rätt spårvidd, med en sko där skenan var fixerad.
Ett exempel på detta var spårvägen Penydarren eller Merthyr . Detta användes av Richard Trevithick för att demonstrera ett pionjärlokomotiv 1804 , med en av hans högtrycksångmaskiner, men motorn var så tung att den bröt många av rälsen. [ citat behövs ]
Tidiga kantskenor
Kantskenor i gjutjärn användes av Thomas Dadford junior när de byggde Beaufort- och Blaenavon -linjerna till Monmouthshire-kanalen 1793. Dessa var rektangulära, 2,5 tum (64 mm ) breda med ett djup på 3 tum (76 mm) och 4 fot ( 1,2 m) i längd och erforderliga flänsar på vagnens hjul. Samma år Benjamin Outram kantskenor på Cromford-kanalen . T-formade balkar användes av William Jessop på Loughborough - Nanpantan -linjen 1794, och hans söner använde I-formade balkar 1813–15 på en järnväg från Grantham till Belvoir Castle . Prover av dessa skenor hålls i Science Museum, London .
Ett kortlivat alternativ var den fiskbukade profilen, som först användes av Thomas Barnes (1765–1801) vid Walker Colliery, nära Newcastle 1798, vilket gjorde att räls kunde ha en längre spännvidd mellan blocken. Dessa var T-sektionerade kantskenor, tre fot långa och lagda på tvärgående stenslipers. Dessa var fortfarande gjorda av gjutjärn .
Rump- och höftleder
De tidigaste skenorna hade fyrkantiga stumfogar, som var svaga och svåra att hålla i linje. George Stephenson introducerade överlappade leder, som bibehöll sin inriktning ganska bra. [ sida behövs ]
Moderna kantskenor
Genombrottet kom när John Birkinshaw från Bedlington Ironworks i Northumberland utvecklade rullade smidesjärnskenor 1820 i 15 fot (4,6 m) längder, som användes för Stockton och Darlington Railway . Denna var stark nog att bära vikten av ett lok och ett tåg av vagnar (eller vagnar) som drogs av den. Detta markerar början på den moderna järnvägseran. Detta system var omedelbart framgångsrikt, även om några falska starter ägde rum. Vissa tidiga skenor gjordes i T-tvärsnitt, men avsaknaden av metall vid foten begränsade böjhållfastheten för skenan, som måste fungera som en balk mellan stöden.
När metalltekniken förbättrades gjordes dessa smidesjärnskenor gradvis något längre och med ett tyngre, och därför starkare, tvärsnitt. Genom att tillhandahålla mer metall i foten av skenan skapades en starkare balk, vilket uppnådde mycket bättre styrka och styvhet, och en sektion skapades som liknar den bullhead-skensektion som fortfarande är synlig idag. Detta var dock dyrt, och initiativtagarna av tidiga järnvägar kämpade med beslut om lämplig vikt (och därför styrka och kostnad) för sina räls.
Till en början var rälssektionen nästan symmetrisk topp-till-botten, och beskrevs som en dubbelhårig räls. Avsikten var att vända skenan efter att den övre ytan blivit sliten, men räls tenderar att utveckla stolgall, en nötning av skenan där den stöds i stolarna, och detta skulle ha gjort löpningen på den tidigare bottenytan omöjligt bullrig och oregelbunden. Det var bättre att tillhandahålla den extra metallen på den övre ytan och få extra slitage där utan att behöva vända skenan vid dess halveringstid.
Många järnvägar föredrog en plan rälssektion, där rälsen kunde läggas direkt på sliprarna, vilket innebär en markant kostnadsbesparing. Indragning av slipern var problemet; där trafiken var tung, blev det nödvändigt att tillhandahålla en sulplatta under rälsen för att fördela belastningen på slipsen, vilket delvis skadade kostnadsbesparingen. Men i huvudlinjesituationer fann denna form nästan universell adoption i Nordamerika och Australien, och i stora delar av det kontinentala Europa. Förenade kungariket fortsatte med bullhead rail i huvudlinjeanvändning, med utbredd introduktion av flatbottnad räls först omkring 1947.
Stålskenor
De första rälsen gjorda av stål gjordes 1857 , när Robert Forester Mushet smälte om stålskrot från ett misslyckat försök med Bessemer , i deglar vid Ebbw Vale järnverk, och lades experimentellt vid Derby järnvägsstation på Midland Railway i England . Skenorna visade sig vara mycket mer hållbara än järnskenorna de ersatte och förblev i användning till 1873. Henry Bessemer levererade 500 ton stålblommor till Londons och North Western Railways järnvägsbruk i Crewe 1860. Flera andra företag började tillverka stålskenor under de följande åren. Övergången till stålskenor påskyndades av införandet av ståltillverkning med öppen härd . William Siemens satte upp sitt Landore stålverk delvis för att leverera järnväg till Great Western Railway . En boom i järnvägsproduktionen följde, men en bankkris i Amerika bromsade hastigheten med vilken järnvägar byggdes där och beställningar till brittiska järnvägstillverkare. Den brittiska järn- och stålindustrin gick in i en lågkonjunktur, som särskilt drabbade smidessektorn. När efterfrågan på räls började växa igen gällde det till stor del stålskenor som var mer hållbara än de av järn. [ citat behövs ]
Tillhörande funktioner
Sleepers
Träslipers, det vill säga tvärbalkar som bär upp de två rälsen som bildar spåret, ersatte de enskilda stenblocken som tidigare användes. Detta system har den stora fördelen att underhållsjusteringar av spårets geometri inte störde den så viktiga spårvidden. Inriktningen av spåret kunde justeras genom att förskjuta sliprarna kroppsligt, utan att tappa spårvidd. Barrträ användes flitigt, men dess livslängd var begränsad om det inte behandlades med konserveringsmedel, och vissa järnvägar satte upp kreosotanläggningar för ändamålet. Kreosotbehandlat lövträ används nu i stor utsträckning i Nordamerika och på andra håll.
Vid det här laget användes relativt långa (kanske 20 fot) smidesskenor uppburna i stolar på korssleepers av trä - en spårform som idag känns igen i äldre spår.
Stålslipers prövades som ett alternativ till timmer; Acworth som skrev 1889 beskriver tillverkningen av stålslipers på London & North Western Railway, och det finns en illustration som visar rullad kanalsektion (grunda uppåtvända "U"-former) utan formade ändar och med tredelade smidda stolar nitade direkt. Stålslipers verkar dock inte ha fått stor användning förrän omkring 1995. Deras dominerande användning är nu för livslängdsförlängning av befintliga spår på sekundära vägar. De har en betydande fördel på svaga formationer och dåliga ballastförhållanden, eftersom lagerytan ligger på en hög nivå, omedelbart under rälssätet.
Rälsfästen
De tidiga gjutjärnsskenorna från 1700-talet och tidigare använde integrerade fästen för spikning eller bultning i järnvägsbanden. Bandskenor introducerade i slutet av 1700-talet, av gjutet och senare valsjärn spikades fast på trästöd via försänkta hål i metallen. Introduktionen av rullade rälsprofiler på 1820-talet, såsom enkelflänsad T parallellskena och senare dubbelflänsad T parallellskena krävde användning av stolar, nycklar för att hålla skenan och bultar eller spikar för att fixera stolen. Den plattbottnade skenan som uppfanns av Robert L. Stevens 1830 spetsades till en början direkt på träslipers, senare användes dragplåtar för att sprida belastningen och även hålla skenan i spårvidd med inbyggda skuldror i plattan. Utanför Nordamerika introducerades senare ett brett utbud av fjäderbaserade fästsystem i kombination med bottenplattor och plattbottnade skenor, dessa finns nu överallt på höghastighetsjärnvägar.
Ballast
Spår lades ursprungligen direkt på marken, men detta visade sig snabbt vara otillfredsställande och någon form av barlast var nödvändig för att säkerställa god dränering, sprida belastningen och hålla banan på plats. Den naturliga marken är sällan stark nog att acceptera lastning från lokomotiv utan överdriven sättning, mer så under våta förhållanden; ett lager av ballast under slipers minskar lagertrycket på marken, tenderar att hålla dem på plats och motstå förskjutning och håller den permanenta vägen väldränerad.
Barlast i tidiga dagar var vanligtvis lokalt tillgängliga mineralprodukter, såsom grus eller avfallsmaterial från kol- och järnbrytning. Great North of Scotland Railway använde rundat flodgrus , som inte begränsar rörelsen lika mycket som skarpkantad sten. Under senare år slagg , en biprodukt från ståltillverkning, och aska från ånglok. Modern praxis är att använda skarpkantad sten som krossas inom ett smalt storleksintervall.
Mätare
Tidiga spårvidder
De tidiga järnvägarna var nästan uteslutande lokala angelägenheter involverade i att transportera mineraler till någon vattenväg; för dem antogs spårvidden för att passa de vagnar som var avsedda att användas, och den låg vanligtvis i intervallet 4 fot till 4 fot 8½ tum, och till en början fanns det ingen aning om behovet av någon överensstämmelse med spårvidden av andra rader. När de första allmänna järnvägarna utvecklades George Stephensons skickliga innovation att hans järnvägar var dominerande och spårvidden på 4 fot 8 + 1 ⁄ 2 tum ( 1 435 mm ) han använde var därför den mest utbredda. När tidiga uppfattningar om att koppla ihop olika järnvägssystem utvecklades, säkrade denna spårvidd allmänt antagande. Det är mer eller mindre en historisk slump att denna spårvidd – som passade de vagnar som redan användes vid gruvan där George Stephenson hade varit motorman – blev den brittiska standardmätaren: den exporterades till större delen av Europa och Nordamerika.
Hänvisning görs ibland till "mätaren" av hjulspår i stenvägar på forntida platser som Pompeji , och dessa hävdas ofta vara ungefär samma som Stephensons mätare. Naturligtvis gjordes hjulen av kärror, och vagnarna var av en rimlig storlek för hästdragna kärror före den industriella eran, ungefär lika stor som storleken på förjärnvägskärrorna vid gruvan där Stephenson arbetade : det är den enda kopplingen.
Bredspårig bana
När Isambard Kingdom Brunel tänkte ut Great Western Railway (GWR), sökte han en förbättrad design för sitt järnvägsspår och accepterade ingen av de tidigare mottagna visdomarna utan utmaning. Den 4 fot 8½ tum spårvidden hade varit bra för små minerallastbilar på en hästdragen spårväg, men han ville ha något mer stabilt för sin höghastighetsjärnväg. Hjulen med stor diameter som användes i scenbussar gav bättre åkkvalitet på ojämn mark, och Brunel tänkte ursprungligen att sina passagerarvagnar skulle bäras på samma sätt - på hjul med stor diameter placerade utanför vagnarnas kroppar. För att uppnå detta behövde han en bredare spårvidd och han bosatte sig på den berömda 7 fot (2,1 m) breda spårvidden . (Det lättades senare till 7 ft 0¼in). När det var dags att bygga passagerarvagnarna konstruerades de på konventionellt sätt med mindre hjul under karosserna trots allt, men med en sjufots spårvidd kunde karosserna vara mycket bredare än på standardspåret. Hans ursprungliga avsikt att ha hjulen utanför kropparnas bredd övergavs.
Brunel tittade också på nya spårformer och bestämde sig för att använda en kontinuerligt stödd skena. Genom att använda längsgående timmer under varje skena fick han en jämnare profil samtidigt som han inte krävde en så stark rälsektion, och han använde en grund broskena för ändamålet. Den bredare, platta foten gjorde också att den stol som behövdes av bullheadsektionen kunde undvaras. De längsgående virket behövde hållas på rätt avstånd för att hålla mätaren korrekt, och Brunel uppnådde detta genom att använda träakterspegeln - tvärgående distanser - och järnstag. Hela församlingen kallades baulkvägen — järnvägsmän brukar kalla deras spår för en väg. Till en början lät Brunel binda ner spåret till timmerpålar för att förhindra sidorörelser och studsar, men han hade förbisett det faktum att den anlagda marken, på vilken hans spår stöddes mellan pålar, skulle lägga sig. Pålarna förblev stabila och marken mellan dem satte sig så att hans spår snart fick en obehaglig böljning, och han var tvungen att klippa pålarna, så att banan kunde lägga sig mer eller mindre jämnt. En variant av baulkvägen kan fortfarande ses idag på många äldre underbroar där det inte fanns någon barlast. Designen varierar avsevärt, men i många fall stöds längsgående timmer direkt på tvärbalkarna, med akterspegel och stag för att behålla spårvidden, men givetvis med moderna skenor och bottenplattor eller stolar. De längsgående slipersna påminner något om dagens Ladder-bana .
Gruppen av järnvägar som hade Brunel som sin ingenjör var framgångsrika och det bredspåriga spåret spred sig över västra England, södra Wales och West Midlands . Men när det brittiska järnvägsnätet spred sig blev inkompatibiliteten mellan de två systemen en allvarlig blockering, eftersom en vagn inte kunde skickas från det ena systemet till det andra utan att lasta om varorna för hand. En mätkommission tillsattes för att fastställa nationell politik. Broad Gauge var tekniskt överlägsen, men omvandlingen av standardspårvägarna till breda skulle ha inneburit att man rekonstruerade varje tunnel, bro och stationsplattform, medan det universella antagandet av standardspår endast krävde en progressiv omvandling av själva banan. Den breda spårvidden var dödsdömd och inga ytterligare oberoende bredspåriga linjer kunde byggas.
De befintliga bredspåriga linjerna kunde fortsätta, men eftersom de inte hade någon utvecklingspotential var det bara en tidsfråga innan de så småningom konverterades till standard. Under tiden installerades en omfattande körsträcka med blandad spårvidd , där varje linje hade tre räls för att ta emot tåg med båda spårvidden. Det förekom några fall av tåg med blandad spårvidd , där vagnar av varje spårvidd kördes i ett enda tåg. Arvet från bredspåret kan fortfarande ses där det verkar finnas ett onödigt stort utrymme mellan stationsperrongerna.
Tjugonde århundradet och därefter
1900 till 1945
I början av 1900-talet hade formen av brittiskt spår konvergerat med användning av tjurskenor av smidesjärn uppburna i gjutjärnsstolar på timmerslipers, lagda i någon form av ballast. I Nordamerika var standarden T-skenor och dragplåtar fästa på träkryssar med skurna spikar. Många järnvägar använde mycket lätta räls och när lokens vikter och hastigheter ökade blev dessa otillräckliga. Följaktligen, på huvudlinjerna, gjordes skenorna som användes successivt tyngre (och starkare). Metallurgiska processer förbättrades och bättre räls, inklusive en del av stål, togs i bruk. Ur underhållssynpunkt var rälsfogarna källan till det mesta av arbetet, och i takt med att ståltillverkningstekniken förbättrades blev det möjligt att rulla stålskenor med ökad längd, vilket minskade antalet skarvar per mil. Standardlängden blev 30 fot (9 144 mm), sedan 45 fot (13 716 mm) och slutligen blev 60 fot (18 288 mm) skenor normen. För användning på huvudlinjen blev standardrälssektionen 95BH-sektionen, som vägde 95 lb per yard (47,13 kg per meter). För sekundära rutter användes en lättare 85BH (42,16 kg per meter) sektion.
Platta bottenskenor sågs fortfarande som oönskade för brittisk huvudlinjes järnvägsanvändning, trots deras framgångsrika användning i Nordamerika, även om vissa lättmanövrerade brittiska järnvägar använde dem, vanligtvis spetsade direkt till sliprarna. Vid tung användning gör de indrag i sliprarna kraftigt och den ökande kostnaden för en basplatta dök upp vid detta tidiga datum, för att utesluta den platta bottendelen.
Träslipers var dyra och inte hållbara, och järnvägarnas ingenjörer hade starka – och motstridiga – åsikter om de bästa träslagen och de bästa konserveringsbehandlingarna. Järnvägarna rörde sig mot standardisering på en barrträsliper bevarad genom tryckinjektion av kreosot , mätt 8 ft 6in (2 591 mm) lång och 10 tum (254 mm) gånger 5 tum (127 mm). Stolar säkrades till sliprarna med trenails (stålspikar som drevs genom en timmerhylsa) eller tre stolsskruvar på förstklassiga vägar. Enbart GWR bland huvudlinjejärnvägarna höll sin egen standard, 00-skenan på 97½ lb/yd (48,365 kg per meter), och med två fästbultar som säkrade varje stol till slipern, med bultens huvud under slipern och en mutter ovanför stolen – säkrare men mycket svårare att justera.
Vissa experiment gjordes före 1945 med slipers av armerad betong, i de flesta fall med bullhead-stolar monterade på dem. Detta var ett svar på det mycket höga priset på det bästa (mest hållbara) virket, men armerad betongslipers var aldrig framgångsrika i huvudlinjen. Betongkrukor användes också i sidospår; de kallas ibland dubbelblockssliprar och bestod av två betongblock vardera monterade med en stol, och ett vinkeljärn som förbinder dem och håller kvar mätaren.
Utvecklingen efter kriget
I slutet av andra världskriget 1945 var de brittiska järnvägarna utslitna, efter att ha lappats efter krigsskador utan att det fanns mycket nytt material. Landet var också ekonomiskt sett i en svag situation, och under nästan ett decennium efter kriget var material – särskilt stål och timmer – en mycket bristvara. Även arbetskraft var allvarligt begränsad i tillgängligheten.
Järnvägsföretagen blev övertygade om att de traditionella spårformerna behövde revideras, och efter en del experiment antogs ett nytt rälsformat med platt botten. British Standard- sektionerna var olämpliga och en ny profil, en 109 lb/yard skena, gjordes till den nya standarden. I längder på 60 fot, läggs på stålbottenplattor på barrträslipers , skulle det vara den universella standarden. Fästningarna skulle vara av fjädrande ståltyp, och för sekundära rutter användes en 98 lb/yd skena. Regionala variationer kvarstod fortfarande, och lövträslipers och Mills-klämmor gynnades till exempel i den östra regionen .
De nya designerna var framgångsrika, men de införde många utmaningar, särskilt som tillgången på erfaren spårunderhållspersonal blev akut svår, och dåligt underhållna plattbottenspår verkade svårare att hålla i god ordning än dåligt underhållna bullhead-banor. Den större styvheten av platt botten var en fördel, men den tenderade att räta ut mellan lederna på kurvor; och platt bottens styvhet ledde till höga vertikala stötkrafter vid dåligt underhållna leder och detta resulterade i stora volymer av utmattningsbrott i lederna. Dessutom hade de elastiska rälsfästningarna lite motstånd mot rälskrypning - skenornas benägenhet att gradvis röra sig i trafikriktningen, och arbetsbelastningen med att dra tillbaka rälsen för att reglera skarvarna var förvånansvärt hög.
Långa svetsade skenor
Mycket av arbetet med att underhålla spåret låg i skarvarna, speciellt då de styva rälsen blev nedsänkta och fogsliprarna fick ett slag. Förkrigsförsök med långa svetsade rälslängder byggdes vidare och under åren från 1960 installerades långa rälslängder, först på lövträslipers men snart på betongslipers. Till exempel, den första långa svetsade skenan (nästan 1 mi (1,6 km)) på Storbritanniens East Coast Main Line lades 1957, strax söder om Carlton-on-Trent , vilande på gummikuddar för att motstå rälskrypning. I detta banbrytande skede gjordes några katastrofala misstag i detaljkonstruktionen, men från omkring 1968 blev kontinuerlig svetsad skena en pålitlig standard för universell installation på huvud- och sekundärleder. Formen som användes använde förspända betongslipers och en 110A rälssektion – en liten förbättring jämfört med de 109 räls som tidigare användes – A var för att skilja den från British Standard 110 lb/yd rälsektionen, som var olämplig. Rälsfästen konvergerade så småningom till en egenutvecklad fjäderklämma tillverkad av Pandrol -företaget som var den exklusiva formen av fästning i Storbritannien i cirka 30 år.
Det svetsade spåret skulle läggas på sex till tolv tum (15 till 30 centimeter) ballast av krossad sten, även om detta inte alltid uppnåddes, och formationens bärförmåga togs inte alltid med i beräkningen, vilket ledde till några spektakulära formationsfel .
En ytterligare förbättring av rälsprofilen producerade 113A-sektionen, som var den universella standarden fram till omkring 1998; detaljförbättringar av slipers och ballastprofil fullbordade bilden och banans allmänna form hade stabiliserats. Detta format finns nu på plats över 99 % av de förstklassiga huvudlinjerna i Storbritannien, även om järnvägssektionen CEN60 (60 kg/m) introducerades i Storbritannien under 1990-talet. Denna har en bredare rälsfot och är högre än 113A-sektionen så är inkompatibel med standardslipers.
Spårförnyelseståg har nu ersatt arbetsintensiva gäng på permanent väg. Lång svetsad skena var svår att installera manuellt. En tidig demonstration av mekaniserad banläggning med två längder på 180 m långa svetsade skenor ägde rum på grenen Fighting Cocks 1958. De två längderna lastades på tio vagnar, fästa vid det befintliga spåret med ett stålrep och dras tillbaka med 9,1 m (30 fot) per minut. När tåget flyttade tillbaka hävdes de gamla rälsen ut och de nya föll ner i stolarna. En lyftanordning på den bakre vagnen tappade den sista delen av rälsen på plats.
Spårvidd
Som sagt var den allmänna spårvidden i Storbritannien 4 ft 8 + 1 ⁄ 2 in ( 1 435 mm) . Under det senare 1950-talet försämrades den allmänna banunderhållsstandarden snabbt på grund av brist på arbetskraft och, på vissa sträckor, snabbare godstågshastigheter. Godståg bestod nästan uteslutande av fyrhjuliga vagnar med kort hjulbas (10 fot) som transporterades på en mycket styv elliptisk bladfjäderupphängning, och dessa vagnar visade en snabb ökning av urspårningarna. [ citat behövs ]
Som svar på vagnarnas dynamiska beteende ("jakt") sänktes vagnarnas tillåtna hastighet till 45 mph och, på nya installationer av kontinuerligt svetsade spår på betongslipers, minskade spårvidden med en åttondel av en tum till 4 fot 8⅜tum (1432 mm). [ citat behövs ] I praktiken orsakade denna förändring fler problem än den botade och den återfördes vid förnyelser till 1435 mm med verkan från 1996. Mätvärdet ställs in av placeringen av de ingjutna fästena, så det är inte en enkel uppgift att återställa -mäta befintligt spår; det skapar även problem med punktbyten av sliprar. Många slipers tillverkades med den reducerade spårvidden men 1435 mm ( 4 ft 8 + 1 ⁄ 2 tum ) standardspårversioner har också tillverkats på senare tid.
Växlar och korsningar
Terminologi är svår för "switches and crossings" (S&C) tidigare "points and crossings", eller "fittings".
Tidig S&C tillät endast en mycket långsam hastighet på den underordnade rutten ("deltagandet"), så geometrisk design var inte alltför viktig. Många äldre s&c-enheter hade en lös skarv vid hälen så att växelskenan kunde svänga till nära lagerskenan eller öppna sig från den. När växelskenan stängdes säkrades en rimlig inriktning; när den var öppen kunde inget hjul köra på den så det gjorde inget.
När hastigheterna steg var detta inte längre möjligt och växelskenorna var fixerade vid häländen, och deras flexibilitet gjorde att tåänden kunde öppnas och stängas. Tillverkningen av växelskenorna var en komplicerad process, och korsningarna i ännu högre grad. Hastigheterna på den underordnade rutten var sällan högre än 20 mph förutom i mycket speciella konstruktioner, och stor uppfinningsrikedom användes för att ge en bra resa till fordon som passerade i hastighet på huvudlinjen. En svårighet var den vanliga korsningen där kontinuerligt stöd till passerande hjul var svårt, och spetsskenan var hyvlad för att skydda den från direkta stötar i vändriktningen, så att en utformad oregelbundenhet i stödet infördes.
Eftersom högre hastigheter krävdes, designades fler konfigurationer av s&c, och ett mycket stort antal komponenter, var och en specifik för endast en typ av s&c, krävdes. Vid högre hastigheter på växelvägen är avvikelsen från huvudsträckan mycket mer gradvis, och därför krävs en mycket avsevärd längd av planering av växelbanan.
Omkring 1971 vändes denna trend med den så kallade vertikala s&c, där rälsen hölls vertikalt, snarare än med den vanliga 1 på 20-lutningen. Med andra förenklingar minskade detta avsevärt lagerhållningen som krävs för ett brett spektrum av s&c-hastigheter, även om den vertikala skenan medför en förlust av styreffekten och färden genom nya vertikala s&c är ofta oregelbunden.
Kontinuerlig svetsad skena
Continuous Welded Rail (CWR) utvecklades som svar på observationen att huvuddelen av spårunderhållsarbetet sker vid lederna. Allteftersom stålproduktionen och tillverkningsprocesserna förbättrades ökades de installerade rälslängderna successivt, och den logiska förlängningen av detta skulle vara att eliminera skarvarna helt och hållet.
Ett stort hinder för att göra det är termisk expansion : skenorna expanderar vid högre temperaturer. Utan skarvar finns det inget utrymme för skenorna att expandera; när rälsen blir varmare kommer de att utveckla en enorm kraft när de försöker expandera. Om de förhindras från att expandera utvecklar de en kraft på 1,7 ton (17 kN) för varje 1 grad Celsius av temperaturförändring i en praktisk rälssektion.
Om en liten kub av metall komprimeras mellan käftarna på en press, kommer den att dra ihop sig - det vill säga att den kommer att klämmas ihop något - och en mycket stor kraft kan motstås av den utan slutgiltigt misslyckande. Men om ett långt metallstycke med samma tvärsnitt komprimeras, kommer det att deformeras i sidled till en bågeform; processen kallas buckling, och den tryckkraft som den tål är mycket mindre.
Om den långa tunna metallbiten kunde begränsas för att förhindra att den bucklas (t.ex. genom att hållas inne i ett rör) så kan den motstå en mycket högre tryckkraft. Om rälsen kan begränsas på liknande sätt kan de förhindras från att bucklas. Banans tyngd motstår buckling uppåt, så buckling sker med största sannolikhet i sidled. Detta förhindras av:
- ger tunga sliprar som genererar friktion på barlastbädden
- säkerställa att sliprarna är väl stödda på konsoliderad ballast för att möjliggöra generering av friktionen
- tillhandahåller konsoliderad ballast runt sidorna av sliprarna för att ge ytterligare friktion
- värma upp skenorna när de monteras och fästs i kallt eller kallt väder, så att expansionen de varmaste dagarna blir mindre än annars
- se till att eventuell räls som lagts till om räls går sönder under kallt väder tas bort innan det varma vädret återvänder.
- se till att kurvorna inte kantar sig inåt under kallt väder tillräckligt för att göra buckling mer sannolikt när varmt väder återvänder
- vidta försiktighetsåtgärder när banunderhållsarbeten utförs i varmt väder, och se till att ballasten är tillräckligt konsoliderad innan driften i full hastighet återupptas.
Om skenan hålls så att den inte kan expandera alls, då finns det ingen begränsning på längden på skenan som kan hanteras. (Den expansiva kraften i en rälslängd på en fot vid en viss temperatur är densamma som i en räls längd på en mil eller 100 mil.) Tidiga kontinuerliga svetsade skenor installerades i begränsade längder endast på grund av tekniska begränsningar. Men i slutet av CWR-sektionen där det anligger äldre, vanligt skarvat spår, skulle det spåret inte kunna motstå den expansiva kraften och det skarvade spåret kan tvingas att buckla. För att förhindra det installerades speciella expansionsbrytare, ibland kallade ventilationsventiler. Expansionsbrytarna kunde rymma en avsevärd expansiv rörelse - vanligtvis fyra tum (100 mm) eller så - i ändsektionen av CWR utan att föra rörelsen vidare till det sammanfogade spåret.
CWR installeras och fästs vid en optimal temperatur, för att säkerställa att högsta möjliga expansiva kraft begränsas. Denna temperatur kallas den stressfria temperaturen, och i Storbritannien är den 27 °C (81 °F). Det ligger i det övre intervallet för vanliga utomhustemperaturer, och själva installationsarbetet tenderar att göras vid kallare temperaturer. Ursprungligen värmdes skenorna fysiskt till den stressfria temperaturen med propangasvärmare; de skramlades sedan med handstänger för att eliminera all bindning, vilket förhindrade jämn expansion, och klipptes sedan ner. Sedan omkring 1963 används dock hydrauliska domkrafter för att fysiskt sträcka rälsen medan de stöds av tillfälliga rullar. Genom att sträcka ut skenorna till den längd de skulle vara om de hade den stressfria temperaturen, så finns det ingen anledning att värma dem; de kan bara klippas ner innan domkrafterna släpps.
CWR-skenorna är gjorda genom att svetsa ihop vanliga skenor. Under många år kunde skenor endast tillverkas i längder på upp till 18 m 288 mm i Storbritannien, och fabrikssvetsprocessen gjorde dem till 600, 900 eller 1200 fot längder, beroende på fabrik. Processen som användes var en flash-butt-process där höga elektriska strömmar används för att mjuka upp rälsänden och ändarna sedan pressas samman av kolvar. Flash-butt-processen är mycket tillförlitlig, förutsatt att fabriken säkerställt god geometri på rälsändarna.
De långa rälsen kunde transporteras till platsen med ett specialtåg och lossas på marken (genom att kedja änden på plats och dra ut tåget underifrån rälsen). De långa skenorna måste svetsas samman (eller till intilliggande spår) med en svetsprocess på plats; och efter inledande experiment användes den patenterade Thermit- svetsprocessen. Detta var en aluminium-termisk process där en pulver "del" antändes; aluminiumet bränslet och en metallurgiskt lämplig sammansättning av smält stål föll ner i springan mellan rälsändarna, innesluten i eldfasta formar.
Den ursprungliga SmW-processen var mycket känslig för operatörens skicklighet, och eftersom svetsningen vanligtvis var den sista processen innan banan återfördes till trafik, applicerades ibland tidspress vilket resulterade i oönskade felaktiga svetsar. Den förbättrade SkV-processen var mindre känslig och med åren förbättrades svetskvaliteten.
Frågan om knäckning är inte begränsad till CWR, och ledband har drabbats av spännen tidigare. Fiskplåtarna vid skarvarna behöver tas bort och smörjas årligen (kravet mildrades till vartannat år 1993) och där detta utelämnades eller där ballastförhållandena var särskilt svaga skedde knäckning i varmt väder. Dessutom, om räls tilläts krypa, var det alltid möjligt att flera på varandra följande skarvar kunde sluta, så att expansionsgapet gick förlorat, med oundvikliga resultat i början av varmt väder.
Se även
Källor
- Baxter, Bertram (1966). Stenblock och järnskenor (spårvägar) . De brittiska öarnas industriella arkeologi. Newtown Abbot: David och Charles.