(4.2)--第三章-1 火车百年史——蒸汽机车(一).pdf

一铁道知识科普话廊提到火车，人们会首先想到那高大雄伟，喷吐着浓烟、铁路运输，曾为社会和人们生活做出巨大贡献的蒸汽机车，机车、电力机车以及更加环保、节能、方便、快捷的动车。呼啸疾驶，散发着无穷魅力的蒸汽机车。随着不断变革的已经逐渐淡出人们的视线，取而代之的是更加先进的内燃然而，时间抹不去人们对火车的那份情感。回望火车漫长的发展历史，回味那些属于火车的记忆，探究那些不为人知的火车的秘密文中国铁道博物馆姜冬青火车的由来这要从轮子的发明说起。6 0 0 万年前，人类以直立行走为标志而成为真正意义上的人，从此开始了对自由移动的不断追求，那时，人类单单靠着双腿行走天下。从发明工具、学会使用工具开始，人类就一直苦苦追寻着快速移动和搬运重物的方法。任何简单而意义深远的发明都不是人们凭空想象出来的，而是因为某种现象触发了灵感。正如古人见到水里飘着的木头而想到独木舟一样，车轮的发明也是受到了一些自然现象的启发。据说，远古人类就是看到从山上滚下来的大圆石头，而受启发发明了轮子。轮子是人类历史上最重要的发明36R A I L W A YK N O W L E D G E之一。虽然轮子的历史仅有几千年，但是人们常把它和已经有1 5 0 万年历史的火种使用相提并论。正是轮子的发明，带来了人类交通工具延续至今的不断发展。大多数地面交通工具都是以轮子的转动为基础的。最早的轮子出现在公元前3 5 0 0 年的美索不达米亚平原上，没有人知道是谁发明的。它们只是一些被钉到车轴两端的圆形板，虽然简单、笨拙，却大大减轻了人与驮兽的负担，增加了载重量。轮子的出现大大减轻了人们搬运重物的负担。以它为基础，发展起来了很多交通工具，如1 8 世纪出现的木质自行车。公元前1 5 0 0 至公元前1 0 0 0年，畜牧业开始兴起，畜力逐步替代人力成为陆上交通工具的主要动力源。马车不仅减轻了人的负担，更重要的是加快了移动速度。马车的出现给人们的生活带来了极大的便利，需要步行一天的路程，马车只需要几个小时就可以到达。1 6 2 0 年，伦敦出现了第一家出租马车队，全部家当就是四辆四轮马车。直到1 9 世纪，马车仍然是城乡交通中最重要的工具之一。马车虽然给人们带来了便利，但它远远满足不了人类对自由移动更快、更远的需求。1 7 8 6 年，诗人歌德乘马车从德国魏玛到意大利罗马，就用了两个月的时间。另外，随着马车的广泛使用，以往干净安宁的小街，到处是粪便、马蹄声和马叫声，还有那些万方数据从马粪里爬出来的苍蝇、蚊虫。此时，人们自然期望能有一种干净的交通工具，且比马车更快捷、更省力。在这种形式下，蒸汽机车应运而生。蒸汽机的诞生火车的历史从蒸汽机开始。1 6 8 8年，英国的资产阶级发动“光荣革命”，宣告了资本主义制度的诞生。新的生产关系解放了生产力。手工工场日益精密的技术分工，使各个生产过程简单化到能够用机器代替手工劳动，使手工工人的技术趋于专门化，这都为机器的发明和应用创造了良好的条件。自此，工业革命拉开了序幕。工业革命首先是从纺织行业开始的。在纺织行业中，大机器生产逐步取得了主导地位。机器的发明和应用，使得蒸汽机应运而生。1 8 0 0 年，骤然提高的效率使工作迫切需要运进大量原料，同时将产品输送到世界各地的市场上去。用蒸汽动力取代力量和耐受性差得多的马匹来用于运输车辆，已经成为人们的一种渴望。一位美国蒸汽机制造者奥利弗伊文思预言：“总有一天，人们可以利用蒸汽机旅行，由一个城市到另一个城市，如鸟类飞行一样快速。旅客清晨自华盛顿出发，可以在巴尔的摩吃早餐，在费城吃午餐，而同一天在纽约吃晚餐。”蒸汽机是1 8 世纪初起源于英国的一种将热能转化为机械能的动力装置，它是依靠燃料把水加热后产生蒸汽，再经过活塞、连杆等将蒸汽转化为机械能，从而达到使机械做功或运动的目的。这一时期前后，曾出现过不少发明家设计制造的蒸汽机，如法国物理学家丹尼斯潘平(1 6 4 7-1 7 1 2)发明的蒸汽冷凝泵和用蒸汽机车带动船桨的轮船。英国科学家托马斯纽克曼(1 6 6 3 1 7 2 9)设计制造的由蒸汽机带动的抽水机，用于抽取矿井中的积水。关于蒸汽机的发明，人们一定听说过“瓦特的故事”吧!在瓦特小的时候，看见炉子上壶里的水沸腾了。蒸汽把壶盖顶了起来，瓦特从中受到启发，长大后发明了蒸汽机，成为著名的发明家。其实，瓦特发明蒸汽机并不是他幼时的灵感，而是吸收前人的成果和他个人艰苦努力的结果。1 7 3 6 年，瓦特出生于英国造船业发达的格拉斯哥城附近的格里诺克镇。他的祖父和叔叔是机械工人，父亲是造船工人。因为家里穷，瓦特几乎没上过学，但在家庭的影响下，从小就懂得了不少机械制造的知识，培养了制造机械的兴趣。瓦特1 8 岁那年进格拉斯哥城学习手艺，后来又去伦敦专门学习机械制造业。1 7 5 7 年，瓦特到格拉斯格大学当实验员，专门制作和修理教学仪器。大学为瓦特提供了良好的学习与实践的机会。他孜孜不倦地学习，还掌握了德文和意大利文，一有机会就向大学里的教授请教，有时还和他们争论科学技术问题。1 7 6 3 年，瓦特负责修理大学里的一台蒸汽机。瓦特和另外几个人详细科普话廊I 铁道知识地研究，这台由纽克曼发明制造的蒸汽机，在当时是最先进的蒸汽机了。经过认真研究，瓦特发现纽克曼蒸汽机有许多缺陷，主要是燃料耗费太大，笨拙，应用的范围也相当有限，只能用于矿井抽水和灌溉，瓦特决心造一台比它更好的蒸汽机。一年之后，瓦特自己制造的蒸汽机开始点火了。但水沸腾起来之后，蒸汽机一动不动，水汽从里面冒了出来，屋子里搞得雾气腾腾，原来蒸汽机漏汽，瓦特的第一次试验失败了。但是，瓦特相信自己的能力。经过反复实践，终于在1 7 9 6 年制成了有分离冷凝器的单动式蒸汽机。这种蒸汽机比纽克曼的蒸汽机有显著的优点，可节省7 5 的燃料。瓦特并没满足于已取得的成就，1 7 8 2 年，他又成功地制造了联协式蒸汽机。1 7 8 4 年，瓦特对它进行了改进，为它增加了一种自动调节蒸汽机速率的装置，使它能适用于各种机械的运动。从此之后，纺织业、采矿业、冶金业、造纸业、陶瓷业等工业部门，都先后采用蒸汽机作为动力了(图1)。1 8 0 7 年，美国人富尔把瓦特的蒸汽机装在轮船上，从此，航运中的帆船时代结束了。卫1 瓦特的蒸汽机R A I L W A YK N O W L E D G E3 7万方数据一铁道知识科普话廊1 8 1 4 年，英国人史蒂芬森把瓦特的蒸汽机装在火车上，陆路运输的新时代开始了。随后利用蒸汽机的原理制造出在公路上跑的蒸汽车，也就是后来的汽车。几十年后，能在轨道上运行的蒸汽火车头问世。蒸汽机车艰难问世1 8 0 4 年，英国工程师理查德特里维西克在仔细研究了瓦特蒸汽机的基础上设计制造了一台实用性轮轨蒸汽38R A I L W A YK N O W L E D G E机车。这是世界上第一台在铁轨上行驶的机车，总重量为5 吨。由于机车本身很重，又必须载上许多水和煤，所以在载重量上和速度上都不如马拉的铁道车辆。然而，它却是以后出现的在铁轨上行驶的“火车”的雏形。因机车由锅炉、烟囱、汽缸、动轮、摇杆、连杆、飞轮等部件组成。燃料将锅炉中的水加热产生蒸汽由蒸汽推动汽缸中的活塞运动，活塞通过与活塞杆连接的带滑动十字头的摇杆，来推动大飞轮快速旋转，在经过大飞轮的齿轮传动装置，带动机车动轮运转，从而使机车开动起来。理查德特里维西克的这台轮轨蒸汽机车，锅炉蒸汽压力是3 0 千克厘米2，在钢铁轨道上行驶时可以牵引大约1 0 吨左右的载荷。他的这一发明，被称作世界交通史上具有开创性意义的发明创造。这一发明不仅证明了蒸汽机可以用做牵引动力机械，而且，蒸汽机车还可以拖动比它自身重量还要重的多的载荷。同时还证明了钢铁的车轮在钢铁的轨道上行驶时，由于车轮与钢轨两者之间“粘着力”、“粘着系数”的存在，车轮在钢轨上不仅不会打滑，反而会产生“粘着牵引力”，从而使“铁路”这一新型的运输方式能够实际应用于生活。1 8 0 8 年，特里维西克制成了又一台蒸汽机车，取名“无敌”号。这台机车行驶在直径约3 0 米的环形轨道上，几千人兴致勃勃地坐上了它，人们感到“马车不用马拉”的幻想终于实现了。这台“无敌”号机车，在锅炉、烟囱、动轮、传动机构等方面，进行了改良。例如：加长的烟囱使得汽缸的废气得以顺利排出同时还增强了锅炉中空气的吸入量，使机器的效能有所提高。但是有一天，这台机车突然翻倒摔坏了，蒸汽机车于是被认为是危险的“怪物”，人们对它望而生畏。特里维西克本人也心灰意冷，再也没有兴趣做进一步的改进。1 8 1 2 年，英国发明家约翰布伦金索普为米德尔顿煤矿设计制造的世界上第一台齿轮式蒸汽机车“摄政王”号，这种齿轮机车需要在铺设有齿条的轨道上运行，作为矿井运输煤炭的工具。然而在实际使用过程中，齿轮经常损坏，以致机车不得不经常停驶。虽然许多人做了各种各样的尝试和努力，真正实用的蒸汽机车没有制造出来，但却积累了丰富的经验。万方数据又经过近半个多世纪的艰苦探索，世界上第一台真正实用的蒸汽机车终于由英国机械工程师乔治史蒂芬森制造出来了。史蒂芬森从小生活在矿区，煤矿工人运煤的艰辛，坚定了史蒂芬森要改进当时的运煤工具的决心，来制造出代替人力和畜力的实用型蒸汽机车。他认真吸取前人的经验教训，经过苦心研究，反复试验，终于在1 8 1 4 年，制成了“半统靴号”蒸汽机车。这台机车可以拉8 节煤车，载重为3 0 吨，以每小时6 4 千米的速度奔跑在基林沃斯煤矿到港口之间约1 4 千米的轨道上。这是世界上第一台具有实用价值的机车。“半统靴号”机车解决了机车容易脱轨的问题，并且增大了载重量。但它也存在着明显的缺点，那就是行驶速度慢，震动厉害，声音大，烟筒冒火等。因此招来了许多讥笑和责难。但史蒂芬森顶着舆论的压力，以顽强的毅力，继续进行研制和改进蒸汽机车的工作。为了提高机车功率，史蒂芬森采用蒸汽鼓风法，把废气导引向上从烟囱喷出，以带动后面的空气，从而加强了通风。这个设计使蒸汽机车进入实用阶段。他用了整整1 0 年时间，终于造出了世界上第一台客货蒸汽机车，命名为“旅行”号。这台机车由于采用弹簧装置，减少了震动；用把废气引入烟囱的办法，既避免了蒸汽被挤出时发出尖叫声，又增大了火力，提高了速度。2 史蒂芬森设计的运动1 号蒸汽机车3“火箭”号复制品4 有轨马车5 马车与火车的对决1 8 2 5 年9 月，英国在斯特克顿到达林顿之间铺设的铁路建成，这条全长2 5 英里的铁路，是世界上第一条商业运营铁路，并开行了世界上第一列旅客列车。这条铁路通车时，牵引列车的就是乔治史蒂芬森设计制造的轮式为O-4 0 的“运动1 号”蒸汽机车(图2)。与此同时，史蒂芬森设想在这条新建的铁路上，奔驰着速度更快的机车，使火车运输达到快速实用的目的。乔治史蒂芬森和他的儿子罗伯特史蒂芬森着手对机车作进一步的改进，开始制造“火箭号”机车(图3)。1 8 2 9 年1 0 月，利物浦到曼彻斯特的铁路竣工。为了显示蒸汽机车的优越性，史蒂芬森决定在这条新修的铁路上举行一场别开生面的蒸汽机车比赛。比赛在利物浦附近的莱因西尔进行，共有5 辆蒸汽机车参赛。比赛开始后，一辆称为“无敌号”的机车，没驶多远，蒸汽锅炉就出现了裂缝，不得不停下来。另一台机车行驶了约4 4 千米以后，汽缸破损，只得退出比赛。只有史蒂芬森父子制造的“火箭号”机车牵引着1 7 吨重的货物，以平均时速2 2 千米，最高时速5 8 千米左右的速度顺利地跑完了全程。利物浦一曼彻斯特铁路因此成为世界上第一条完全靠蒸汽机车运输的铁路线。它标志了近代铁路运输业的开端。扒此之后，蒸汽机车因构造简单、造价低廉、快速实用、安全可靠迅速地在英国、欧洲和北美得到广泛使用，开始了持续1 0 0 多年独霸铁路牵引动力垄断地位的黄金时代。史蒂芬森的名字与他发明的划时代的运输工具蒸汽机车一起载入了科技史册，受到了人们的称赞。科普话廊I 铁道知识马拉的火车在今天看来，在视力所及范围内总是向前延伸的两条钢轨是专为火车而设计的，但是在2 0 0 年前的英国煤矿，钢轨上行走的运煤小车是靠一匹马或几匹马作为动力前行的(图4)。1 8 2 5年世界上第一条营业铁路在英国的斯托克顿与达林顿之间开通了，尽管当时火车已经加入了运输的行列，但在钢轨之上马车与火车同时存在，交叉运行。直到1 8 2 9 年，曼彻斯特至利物浦的铁路铺成后，使用火车或马车却要通过一场比赛来决定胜负(图5)。史蒂芬森和儿子一起改进的“火箭号”长6 4 米，重7 5 吨，烟囱高达4 5 米。“火箭号”以每小时5 6 公里的时速获得了胜利。这样才最终决定了这条铁路不用马拉而采用火车牵引。1 8 3 0 年9 月，曼彻斯特至利物浦的铁路正式通车，1 1 月1 1H，在这条铁路线上第一次用火车非正式地运送邮件。自此，火车终于取代了有轨马车，成为钢轨上唯一的主人。这在现在也许人们会认为是在讲故事，但当时却是真正发生的真实事件。R A I L W A YK N O W L E D G E3 9 万方数据铁道知识I 科普话廊因为在蒸汽机车出现以前，最先取代传统马车而成为人类主要公共运输工具的是有轨马车。这种交通工具是英国人约翰乌特兰于1 7 7 5 年发明的。欧洲中世纪的道路状况不佳，乘客坐在设备简陋而又颠簸的马车上极其不舒服，相比之下，这种在轨道行驶的马车算是较为舒适的了。有轨马车是靠马匹牵引车辆、车轮在钢制轨道上滚动行驶的交通工具，可搭载双倍于普通马车的乘客和货物。运营线路一般位于郊区，但也有例外。比如：1 8 3 2年，约翰史蒂芬森在纽约的上曼哈顿莱姆之间建立了第一条市区有轨马车线路，共运营了三年。利用轨道运送货物的车子显然要结实的多，人们将采掘出的煤炭运送到相距数公里外的码头上。在一些地方，由于矿区到码头是下坡路，可用一些刹车装置调整车子的行驶速度；而在返回的上坡路上，则必须使用马匹将空车拉回。不久，人们发现，如果在下坡时让马也搭乘于车上，可以大大地减轻马匹的疲劳，从而提高工作效率。有时，这种车也用于采石场运送石材。直到1 9 世纪7 0 年代后，有轨马车才逐渐退出了历史舞台。蒸汽机车的大时代所谓的“蒸汽时代”是指1 9 世纪三、四十年代，蒸汽机在欧洲和北美被广泛采用。曾被后人赞誉为经典之作的“火箭”号机车，之所以能够在运行比赛中获胜，主要在于它经过改良的锅炉系统和独特的车身结构设计。“火箭”号机车首次采用了卧式多烟管(总共有2 5 根烟管)锅炉。传热面积大，产生蒸汽快，锅炉胴体与火箱拼接在一起，锅炉蒸汽压力达到3 5 千克厘米2。机车上有两个与水平线倾斜成3 5 度角的汽缸装于锅炉后侧，有一对装于机车前部的动轮，动轮轴左右各装有一个曲轴，互成直角，这样无论机车动轮曲拐停止在任何位置，机车均能启动。汽缸排出的乏汽从烟囱喷出，同时诱导通风促进燃烧。“火箭”号机车自重约4 吨，它可以牵引超过其自身重量3 倍多的载荷运行。从它的特点上看，“火箭”号机车是世界上第一台初步具有现代蒸汽机车基本构造和特征的机车。随着利物浦一曼彻斯特铁路的正式运营，在1 8 3 0 年最后4 个月中共运载7 万人次旅客，1 8 3 1 年的运输总收入达5 0 万英镑(图6)。到1 8 3 2 年，英国已经拥有了2 4 条商用铁路，最兴旺的一条铁路每天要运输一万吨货物。在新路线上运载客货的火车头，多数为史蒂芬森工程公司所建造，而且主要是“火箭”型或“行星”型。这些坚实的火车头可牵引1 2 辆载客或载货车厢，以每小时3 3 千米的速度行驶。到1 8 3 3年，英国开采的每一块煤，在运往市场途中总有一部分路程要依靠火车。到1 8 3 6 年，已有总长超过7 2 4 千米的铁路将英国各主要工业地区连成一体。火车和铁路已经真正成为正处于工业革命中的英国的一条“经济动脉”。4 0R A I L W A YK N O W L E D G E万方数据1 8 3 0 年之后人们开始在整个欧洲修建铁路，最开始大家购买的还是英国的火车头。德国的第一辆火车头“阿德勒”号(图7)，是英国人乔治史蒂芬森设计的一种车型。这辆车让德国人花费了1 7 0 0 0 金马克。火车司机威廉-威尔森也来自英国。威尔森赚的钱比铁路老板还多，之后不久他就建立了德国第一家火车司机培训学校。1 8 3 5年1 2 月7H“神雕号”第一次在纽伦堡到菲尔特的铁路上运行。但是直到1 8 6 2 年以前，铁路马车还一直比蒸汽火车多，因为铁路马车比蒸汽火车更便宜。1 8 3 7 年，德国教授安德鲁舒伯特建造了德国的第一辆蒸汽火车“萨克索尼亚”号(图8)。两年后的4 月8日这天，德国开通了莱比锡到德勒斯顿的铁路线，“萨克索尼亚”号是第一辆在这条铁路上运行的火车。这让英国人开始担心他们的霸主地位了。和其他欧洲国家一样，美国也是从1 8 3 0 年开始先后兴起修建铁路和制造蒸汽机车的热潮。这一时期，蒸汽机车的轮对由两对或三对动轮逐步发展到四对、五对、六对动轮。同年，在英国利物浦一曼彻斯特铁路运行1 年的时间中，美国的机车厂已经建造了6辆新火车头。其中一辆“戴维克林顿”号，已有7 3 5 千瓦的功率。这些早期火车还很不完备，跑起来时烟囱的火星像下雨一样落在游客身上，旅行时旅客们总是在车厢里忙作一团，互相用手去拍溅在大衣上的火星。尽管如此，火车对好奇的美国人来说仍然充满了吸引力，它的速度、便捷和平稳大大超过了四轮马车。每当火车开动，小孩和成人都跑到火车站睁大眼睛观看。在当时的美国，造火车，修铁路是一件既时髦，又令人羡慕的事情。科普话廊铁道知识一4 2 0 的“乔纳森兄弟”号，并行驶于美国莫霍克哈德森铁路。以后，又逐渐在机车动轮的后面装有较小的从轮，借助于机车从轮，机车可以搭载一个比较宽大、较重的锅炉(火箱)，从轮还可以减轻机车驾驶室的颠簸震动，使驾驶员感到更为舒适。在当时，戴着鸭舌帽、穿着斜纹粗布服装的操纵火车节气阀的火车司机，成为美国民众所热爱的火车的美好象征。1 8 3 2 年，美国建造了1 7 条全新的世界上最早采用导轮转向架的蒸铁路并获得执照启用。不久又有6 家汽机车是1 8 3 2 年美国制造的轮式为火车头制造厂出现。这些工厂所造的火车头十分优良，并且很快就输出火车头供给英国铁路部门。英美之间也由此形成了竞争的局面。o编辑倪寒农厂厂_6 英国首台客运蒸汽机车通车百年庆典7“阿德勒”号是全德国第一台可以真正行使的蒸汽机车(产于英国)8“萨克索尼亚”是德国建造的第一辆实用蒸汽火车R A I L W A YK N O W L E D G E41万方数据