[科普中国]-蒸汽机车

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。12

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。12

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。12

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。12

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。12

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。12

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%。12

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。12

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。12

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。12

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。12

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。12

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。12

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。1

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。