蒸汽机车

蒸汽机车是利用蒸汽机，把燃料（一般用煤）的化学能变成热能，再变成机械能，而使机车运行的一种火车机车。1814年，英国人乔治·斯蒂芬森发明了第一台蒸汽机车，从此开始，人类加快了进入工业时代的脚步，蒸汽机车成为这个时代文化和社会进步的重要标志和关键工具。

产生背景

在十九世纪最先出现的机车是以蒸汽推动的。到二次大战结束时，蒸汽机车仍是最常见的机车。

第一部蒸汽机车是由英国人乔治·斯蒂芬森（George Stephenson,1781--1848)制造的，1814年，他研制的第一辆蒸汽机车“布拉策号”试运行成功。1825年9月27日，斯蒂芬森亲自驾驶他同别人合作设计制造的“旅行者号”蒸汽机车在新铺设的铁路上试车，并获得成功。蒸汽机在交通运输业中的应用，使人类迈入了“火车时代”，迅速的扩大了人类的活动范围。

蒸汽机车的速度纪录是由英国的 4-6-2 Mallard 所创下。1938年7月3日，4668号 Mallard拖着六个车厢，在一个稍微下坡路段创下时速126英里(203公里)的纪录。德国、美国的蒸汽机车亦达到接近的速度。一般认为这是蒸汽机车的速度极限。

蒸汽机车在二十世纪中开始被内燃机车所取代。1960年代末，世界上仍然有使用蒸汽机车作商业运作的国家已寥寥无几。到了二十世纪末，蒸汽机车在北美洲及欧洲基本上已被完全淘汰，只会间中在特别为铁道迷及游客安排的路线上行走。墨西哥仍有很少量的蒸汽机车在偏远的地方运作。在中国，某些地区煤炭的价格比石油低很多，使蒸汽机车仍然有它们的价值。中国曾经是全球最後一个制造大型蒸汽机车的国家，位于山西的大同车厂一直生产蒸汽机车至1988年；但中国蒸汽机车的数量亦在迅速减少。印度曾经大量使用蒸汽机车，但它们只会在空气稀薄的山区运作。2005年12月9日，在内蒙古大板附近的铁道边上，最后一列蒸汽机车执行完任务后，见证了蒸汽机车退出干线运营的最后一刻。  

发展历程

蒸汽机车问世至今已有180年的历史。它的发展有两个方面：一方面是牵引力和功率的发展，表现为动轮轴数和辅助轴数的增加，锅炉和汽缸的加大；另一方面是热效率和机械效率的发展，表现为炉床面积和锅炉受热面积的增大，蒸汽压力和温度的提高，废热的利用，蒸汽机的改进，滚动轴承的采用等等。

形成时期

瓦特发明蒸汽机后,1814年英国人R.特里维西克创造了一辆铁路蒸汽机车(图1),锅炉蒸汽压力为0.294兆帕（3.0千克力/厘米2）,锅炉内装有一个平放的汽缸。机车有两对动轮，由齿轮传动,轴列式为0-2-0。机车装有一个大飞轮，借助于它的旋转惯性动力，保持汽缸活塞的往复运动。机车重4.5吨，时速8公里，能牵引10吨货物,5节车，可乘70名旅客。这一实践证实两个重要现象：光滑的铁的机车驱动轮可在光滑的铁轨上运行而不会空转；机车可以拖动比机车本身重得多的东西。后人继起研究，得知轮轨间粘着力、粘着重量、粘着系数、粘着牵引力等的相互关系。这个问题涉及如何利用有限的机车粘着重量牵引更多的载重，至今仍在继续探讨。

1814年7月英国发明家乔治·斯蒂芬森造出他的第一辆机车，被誉为首次成功的机车。后来主要由乔治·斯蒂芬森之子R.斯蒂芬森设计建造的“火箭”号蒸汽机车（见彩图）于1829年10月参加蒸汽机车比赛，以运行可靠、速度最快得奖。比赛时最高时速为47公里。“火箭”号机车采用卧式多烟管锅炉，传热面积大，生成蒸汽快，锅胴与火箱拼接在一起，锅炉蒸汽压力为0.345兆帕（3.5千克力/厘米2）；有两个与水平线成35°角斜装于锅炉两后侧的汽缸；有一对装于机车前部的动轮，动轮车轴左右各装一曲拐，互成直角，使机车动轮曲拐停在任何位置均能起动，轴列式为 0-1-1。乏汽从烟筒喷出，以诱导通风，促进燃烧。“火箭”号重4吨,能牵引装载重量三倍于机车自重的车厢。这是第一辆初具现代蒸汽机车基本构造特征的蒸汽机车。1830年R.斯蒂芬森又造出“行星”号机车，将卧式锅炉的内外火箱和烟箱制成一整体，这种形式的锅炉后称为机车式锅炉。“行星”号机车的两个汽缸装于锅炉前端的烟箱下部车架内侧水平位置，称为内汽缸式机车，只有一对动轮,装在后部，轴列式为1-1-0。运行时上下颠抖减轻。蒸汽机车的基本构造形式除广泛采用外汽缸式（汽缸装于车架前端两外侧）外，迄今无多大变化。

发展时期

1830年以后,美国以及其他一些国家先后开始制造蒸汽机车。

这个时期机车动轮由二对或三对发展至四、五、六对。最早使用二轴引导转向架是美国于1832年制造的 2-1-0式“乔纳森兄弟”号机车，大型机车还在动轮后面装有较小的从轮。借助于从轮，机车可装载一个较宽大、较重的火箱。

1884年瑞士人A.马利特发明关节式机车，牵引力大，并能顺利通过曲线。1888年建成第一台。最大的关节式机车是2-4 4-2式“大人物”号(图2)，整备重量为543吨,锅炉压力为2.068兆帕（21.1千克力/厘米2），在时速120公里条件下，发挥出功率6000马力以上。

1875～1900年广泛地应用蒸汽两次膨胀原理，创造了复胀式机车，提高了机车热效率。1900～1920年由于采用蒸汽过热和给水加热等装置，机车的热效率、牵引力和功率又有提高。

1872年，英商为推销近代交通工具，在天津原法租界“紫竹林”码头一带，沿海河岸边的土路上铺设了一条环行1.5公里的“广告铁路”，将一台总重量为1020kg的小“火轮车”安装在轻便的窄轨上，经试运转后，是年9月14日，开始免费载客运行。此消息传开后，轰动天津城。据天津《申报》报道：“此次火车之来中国，可谓创观，其制作也可谓精美之至，均甚便捷，甚为适用之物……”由于这一“广告火轮车”的出现，在一定程度上，给国人留下了一些新式运输工具的形象。

1876年7月3日，中国第一条铁路——“吴淞铁路”（窄轨）建成通车，那台英制名曰“先导号”的蒸汽机车（机车总重量1420kg）时速为24—32公里，为我国第一台外国蒸汽机车。（后来被拆除，1898年准轨淞沪铁路在此基础上复建通车，1997年拆除）

1881年11月8日，建成了中国第一条自办铁路——“唐胥铁路”（唐山至胥各庄）。在“唐胥铁路”修筑路基的同时，中国工人凭时任总工程师的英人金达（C.W.Kinder）的几份图纸，利用矿场起重机锅炉和竖井架的槽铁等旧材料，试制成功了一台“0—3—0”型的蒸汽机车。（只有三对动轮，无导轮和从轮），被金达、薄内（Burnet）等英国专家命名为“中国火箭号”和“龙号”，为我国自制的第一台蒸汽机车（曾存于北京府右街交通陈列馆内，并可生火行驶，以供众览，“七七事变”后失踪，至今查无下落）。

1887年“津沽铁路公司”（原址为旧三岔河口西岸）从国外进口了数台小型蒸汽机车，其中一台为“0—2—0”型（只有两对动轮，无导轮和从轮，称“0”号），此机车是我们现在保存完好的、曾在“津沽铁路”上运行过的最古老机车，曾在国外展出过。该机车由英国制造，总重量为1320kg，也是世界上最小的蒸汽机车之一。从这台蒸汽机车出现到新中国成立，中国大地上行驶着英、美、德、法、日、比、俄等国各种蒸汽机车，被人们誉为“万国机车博览会”。据1949年《铁道月刊》第188期记载：当时全国共有4069台蒸汽机车，其中有8个国家、30多家工厂生产的198种型号，其中天津铁路管理局辖管的运用机车为671台。

1920年以后，蒸汽机车的性能进一步得到改善。20～30年代，机车的锅炉压力由 1.373兆帕（14千克力/厘米2）提高到2.000～2.069兆帕（20.4～21.1千克力/厘米2）,试验性高压机车的锅炉压力甚至高达9.807兆帕(100千克力/厘米2)以上。高压机车采用水管式锅炉，虽然热效率较高，但构造复杂，重量大，造价高，维护困难，维修费高，而且极易发生故障，运用可靠性差，因而未能正式投入运用。但一般机车的锅炉压力以美国、加拿大最高,为2.068兆帕（21.1千克力/厘米2）。40～50年代，有些国家进一步提高了过热蒸汽温度，如苏联JIB和2-4-2型机车最高温度达430～440℃。奥地利人G.吉士林根创造的高效率矩形通风装置（扇烟筒），已为20多个国家和地区所采用。利用废气热来加热给水的混合式给水加热器已得到广泛应用。中国的前进型、建设型和人民型蒸汽机车都已安装这种设备。为了提高机车热效率，仍在继续研制凝汽式蒸汽机车。还提出了蒸汽机车使用沸腾炉床，燃用煤气等建议，希望使蒸汽机车的热效率达到10%以上。

第二次世界大战以后,蒸汽机车由于热效率低,已大部分被热效率高的柴油机车和电力机车所代替。

创新时期

1952年，四方机车车辆厂制造出了中国第一台“解放”型蒸汽机车。其后，四方、大连、唐山、大同等机车车辆厂陆续生产了近万台蒸汽机车。蒸汽机车一度成为中国铁路运输的主要牵引动力。1988年12月21日，大同机车厂停止蒸汽机车生产，标志着中国蒸汽机车制造史的结束。随着科学技术的进步，蒸汽机车已被内燃机车和电力机车取代。

蒸汽机车在美国、西欧国家、日本和苏联等国已于1960～1977年期间相继停止使用。在印度和一些不发达国家，蒸汽机车仍占铁路机车一半以上。在中国，蒸汽机车还是铁路的主要的牵引动力。

2005年12月9日，在内蒙古大板附近的铁道边上，最后一列蒸汽机车执行完任务后，见证了蒸汽机车退出历史舞台的最后一刻。 蒸汽机车的退出,让很多人有一种怀旧心理,深圳福顺通科技发公司制作的仿蒸汽式的旅游观光小火车,填补了很多人这种怀旧情怀,让蒸汽机车再次出现在人们的视野中。

随着科学技术的进步，蒸汽机车已逐渐被内燃机车和电力机车取代。为了保留和发展具有工业革命活化石之称的蒸汽机车，沈阳新阳光投巨资开发制造了新一代的蒸汽机车，在保留蒸汽机车特点的情况下，对燃烧效率、环保排放、容易驾驶等方面进行了再创新。

机车原理

蒸汽机车是蒸汽机在交通工具上运用的最好范例。蒸汽机是靠蒸汽的膨胀作用来作功的，蒸汽机车的工作原理也不例外。当司炉把煤填入炉膛时，煤在燃烧过程中，它蕴藏的化学能就转换成热能，把机车锅 炉中的水加热、汽化，形成400℃以上的过热蒸汽，再进入蒸汽机膨胀作功，推动汽机活塞往复运动，活塞通过连杆、摇杆，将往复直线运动变为轮转圆周运动，带动机车动轮旋转，从而牵引列车前进。因此蒸汽机车必须具备锅炉、汽机和走行三个基本部分。

运行效率

蒸汽机车热效率很低，锅炉内燃料燃烧的热量只有一部分转变为蒸汽的热能，锅炉的效率一般为50%～80%。蒸汽在汽机内作功，汽机效率只有10%～15%。此外，在汽机到轮周的力的传递中，机械效率为80%～95%。因此蒸汽机车的最高热效率只有8%～9%，而且在车站停车，在机务段整备、停留等仍需消耗燃料，所以实际热效率只有5%～7%。

组成结构

蒸汽机车由锅炉、汽机、车架和走行部以及煤水车等组成。

锅炉

燃烧燃料和产生蒸汽的部件，包括火箱、锅胴和烟箱三部分。火箱由内火箱和外火箱两部分组成，内火箱底部是炉床，炉床下部有存放炉灰的灰箱。在锅胴内排列着不同数目的大烟管和小烟管，大烟管内套有使蒸汽干燥和加热的过热管。在内外火箱之间和锅胴内贮有锅炉用水，锅水覆没内火箱顶板和大小烟管，在锅水蒸发面上形成蒸汽空间。烟箱位于锅胴前部，内有烟筒、乏气喷口、反射板和火星网等通风装置。

燃料投入炉床，在火箱内与从灰箱风门进入的空气混合燃烧产生热能，热能通过内火箱板和大小烟管，传递给周围的锅水和过热管中的蒸汽，烟气进入烟箱，通过烟筒排出。高压高温蒸汽由锅炉最高处的蒸汽包经调整阀、干燥管、过热管和主蒸汽管等蒸汽通路进入汽机。 

汽机

将蒸汽的热能转变为机械能的部件。汽机连同机械部分包括汽室、汽缸、活塞（又称鞲鞴）、十字头、摇杆、连杆、阀动装置等部件。阀动装置是支配汽阀与活塞协调动作的配汽机构，用于调节进入汽缸的蒸汽量和实现机车的前进或后退。锅炉发生的高压高温过热蒸汽进入汽室后，通过阀动装置的配汽作用，进入汽缸，在汽缸内膨胀作功，推动活塞时，机械能经活塞杆、十字头、摇杆等机械部件传递给主动轮，再经连杆传递给其他动轮，通过轮轨接触，牵引列车。

车架

锅炉、汽机等部件固装于车架上，经弹簧悬挂装置将重量由轴箱传至车轮，由钢轨支持。动轮把机械部传来的机械能转变为机车在轨道上的走行功。

走行部

蒸汽机车的走行部分包括弹簧悬挂装置、轮对、导轮、从轮、轴箱、导轮转向架、从轮转向架和牵引装置等构成。

轮对分导轮、动轮、从轮三种。安装在机车前转向架上的小轮对叫导向轮对，机车前进时，它在前面引导，使机车顺利通过曲线。机车中部能产生牵引力的大轮对叫动轮。机车后转向架上的小轮对叫从轮，除了担负一部分重量外，当机车倒行时还能起导轮作用。轴箱和车辆的滑动轴承轴箱相类似，主要起润滑作用，防止车轴在高速运行时过热。弹簧装置的作用主要是缓和运行时的振动，减轻车轮对线路的冲击，另外还能把车架上部的重量平均分配给各个轮对。

煤水车

装载煤、水、油脂和存放工具等的车辆，挂在机车司机室后面。煤水车由煤槽和水柜两部分组成。大功率机车，由于单位时间的燃煤量大，在煤水车上装有推煤机和输煤机，将煤均匀地喷投到炉床各处。

机车种类

按工质利用分

①单胀式机车,蒸汽在汽缸中膨胀工作一次即排入大气,机车构造简单，采用较广。

②复胀式机车，蒸汽在一个或一对汽缸（高压汽缸）中膨胀工作后进入另一个或另一对汽缸（低压汽缸）再膨胀工作一次才排入大气。这种机车热效率虽高一些，但构造较复杂，采用较少。

③凝汽式机车，乏气进入装于煤水车后部的冷凝器凝结成水，再泵入锅炉重复使用，损失的水由煤水车的水补充。机车构造很复杂，多在缺水地区使用。④饱和蒸汽机车和过热蒸汽机车，自从创造出机车用的过热器提高了蒸汽温度以后，汽机效率提高很多，饱和蒸汽机车即被改造成过热蒸汽机车。

按汽缸位置分类

蒸汽机车按汽缸安装位置可分为：

①外汽缸机车，机车汽缸固定于车架两边外侧，因检修方便，采用较广。

②内汽缸机车，机车汽缸固定于车架内侧，有一根动轮轴制成曲拐轴，因检修不便，采用较少。

③三汽缸机车，两个汽缸固定于车架两边外侧，第三个汽缸固定于车架中间。

按车架形式分类

蒸汽机车因车架形式不同可分为：

①板梁式车架机车，车架是板梁型结构，车架较轻，欧洲国家采用较多。

②杆梁式车架机车，车架是杆状结构，用厚钢板切割成型或用铸钢铸造，采用普遍。

按车架和动力单元的组成分类

蒸汽机车就其车架和动力单元的组成来说，可分为：

①常规机车，只有一个固定车架组成一动力单元（包括汽缸、动轮、连杆装置和阀动装置等）并支承锅炉。

②关节机车，除有一个固定车架组成的动力单元并支承锅炉后半部外，还有一个可转动的车架和后面的固定车架连接组成另一动力单元，并可滑动地支承锅炉前半部，起转向架作用。

按水柜位置分类

蒸汽机车按水柜安装位置可分为：

①煤水车机车，它的后部连挂一专门供机车长途行驶所需煤和水的煤水车，应用广泛。

②水柜机车，在机车锅炉两侧各有一长方体水柜或为一鞍形水柜跨装于锅炉上，煤则存放于司机室后部的煤槽中。另一种水柜机车是将水储存在煤槽下部的水柜中。水柜机车储存煤水量较少。只用于调车、短途运输和工矿运输。

按使用燃料分类

蒸汽机车按使用燃料可分为：

①燃煤蒸汽机车，火箱内燃用烟煤，是普遍采用的一种机车。

②燃油蒸汽机车，火箱内燃用雾化锅炉油，用于无煤的产油区或有特殊要求的地方。

按原动机分类

蒸汽机车按所装用的原动机可分为：

①以往复式蒸汽机为动力的蒸汽机车，构造简单，应用广泛，通常所说的蒸汽机车就是指这种机车

②以蒸汽涡轮机为动力的蒸汽机车，称为蒸汽涡轮机车。涡轮机转速高，须配用减速齿轮箱，因而有电力传动的和机械传动的两种。排汽又有冷凝的和非冷凝的两种。蒸汽涡轮机车因构造复杂，造价昂贵，维修费用高，热效率比蒸汽机车高得不多，未能推广使用。

中国发展

解放型

解放型机车是中等功率的货运机车，多为调车和小运转用。建设型机车是1957年在解放型机车的基础上设计而成的，与解放型机车相比，锅炉用全焊结构，蒸汽压力提高至15千克力/厘米，并加装了加煤机、给水加热器、自动调整楔铁等设备，目前是干线货运主要蒸汽机车之一。

胜利型

胜利型机车1956年试制成功，其结构特点是增加过热和蒸发传热面积的比值，采用特洛菲莫夫分动式汽阀，煤水车底架、水柜、煤槽均采用电焊焊接结构等。胜利型机车是主要客运蒸汽机车之一，在干线上已逐步被柴油机车所取代。人民型机车是在胜利型机车的基础上改进设计，于1958年制成。锅炉采用全焊结构，蒸汽压力提高至15千克力/厘米，构造速度为每小时110公里,并增加了加煤机、给水加热器和自动调整楔铁等装置。人民型机车是铁路干线和支线上的主要客运蒸汽机车之一。

FD型

中国在苏联30～40年代制造的机车的基础上改制而成的大功率货运机车，大多已经报废。 前进型机车 　中国自行设计制造的大功率干线主型货运蒸汽机车。1956年试制成功,当时称和平型机车,现称老前进型机车。机车轴式1-5-1,当计算供汽率为70千克/米·小时时，机车轮周功率为2960马力，但锅炉蒸发量不能满足运行的需要，仅生产了40多台。1964年对锅炉进行重新设计，采取了加装燃烧室，改变烟管排列，改进烟箱通风装置等技术措施，使锅炉的供汽能力显著提高，满足了铁路运输生产的需要。前进型机车采用全焊结构锅炉,蒸汽压力为15千克力/厘米,有1200毫米长的燃烧室,炉床面积为6.8米,火箱传热面积32.5米,火箱容积13.56米,有直径133/125毫米的大烟管69根,直径51/46毫米的小烟管80根，锅炉蒸发传热面积为255.3米。

前进型

前进型机车采用单胀式双汽缸，汽缸直径 650毫米，活塞行程800毫米，汽阀直径300毫米。有五对动轮，直径1500毫米，机车粘着重量100.5吨,有4轴和6轴两种煤水车。它能利用6%～10%的汽缸排出的乏气量,将给水加热到70～100℃，可以节水 7%～9%，节热6%～8%。它装有粘着重量增加器,使粘着重量增大8吨。前进型机车最高热效率可达8.42%，通常为5.5%～8.0%。这种机车的缺点是：过热蒸汽温度较低，烟渣飞扬损失较大，通风效率和机械效率低，粘着牵引力不能适应汽缸牵引力的要求等。

上游型

游型蒸汽机车又称为上游型工矿用小型蒸汽机车，原名“工农型”。 1960年，唐山工厂在MA6(ㄇㄎ6)型机车的基础上改造设计并试制出第一台上游型机车，代号SY，到目前为止共生产1600多台。

机车全长21519(21643)毫米，构造速度每小时80公里，，最高汽机有效热效率为13.15%，机车总效率为8.5%。曾经出口到美国作为旅游用车。另外，还专为韩国生产了SY燃油型蒸汽机车。

跃进型

1958年济南机车厂在PR2(ㄆㄌ2)型机车的基础上改进设计并制造，命名为跃进型，代号YJ。

1961年停产，唐山、牡丹江、武昌、济南等工厂共制造202台。机车全长18326毫米，构造速度每小时60公里，模数牵引力137千牛，轴式1—3—1。主要用于工矿、调车、小运转等。

阳光型

沈阳新阳光将蒸汽机车传统制造与现代技术相结合，命名为阳光型。

采用柴油做为燃料(取代煤)，应用电脑智能控制系统精确控制燃料燃烧状态，提高燃烧效率，车辆自动给水、自动补风。同时具有系统故障自诊断和信息显示功能，既能保证车辆安全运行，节能燃料，又方便车辆检修。此蒸汽机车在保留其特点的情况下，对燃烧效率、环保排放、容易驾驶等方面进行了再创新。

工业遗产

乐山市犍为县芭蕉沟镇的芭石窄轨铁路至今仍运营者蒸汽机车，主要供当地村民出行和旅游观光使用，已被列为工业遗产加以保护，并成为世界公认的蒸汽小火车博物馆之一。