基本介紹
- 中文名：蒸汽機車
- 外文名：steam locomotive
- 燃料：煤
- 發明時間：1814年
- 發明人：喬治·史蒂芬森
產生背景,發展歷程,形成時期,發展時期,創新時期,機車原理,運行效率,組成結構,鍋爐,汽機,車架,走行部,煤水車,機車種類,中國發展,解放型,勝利型,FD型,前進型,上游型,躍進型,陽光型,工業遺產,
產生背景
在十九世紀最先出現的機車是以蒸汽推動的。到二次大戰結束時，蒸汽機車仍是最常見的機車。
現存昆明鐵路博物館的蒸汽機車
現存昆明鐵路博物館的蒸汽機車第一部蒸汽機車是由英國人喬治·史蒂芬森（George Stephenson,1781--1848)製造的，1814年，他研製的第一輛蒸汽機車“布拉策號”試運行成功。1825年9月27日，史蒂芬森親自駕駛他同別人合作設計製造的“旅行者號”蒸汽機車在新鋪設的鐵路上試車，並獲得成功。蒸汽機在交通運輸業中的套用，使人類邁入了“火車時代”，迅速的擴大了人類的活動範圍。
蒸汽機車的速度紀錄是由英國的 4-6-2 Mallard 所創下。1938年7月3日，4668號 Mallard拖著六個車廂，在一個稍微下坡路段創下時速126英里(203公里)的紀錄。德國、美國的蒸汽機車亦達到接近的速度。一般認為這是蒸汽機車的速度極限。
蒸汽機車在二十世紀中開始被內燃機車所取代。1960年代末，世界上仍然有使用蒸汽機車作商業運作的國家已寥寥無幾。到了二十世紀末，蒸汽機車在北美洲及歐洲基本上已被完全淘汰，只會間中在特別為鐵道迷及遊客安排的路線上行走。墨西哥仍有很少量的蒸汽機車在偏遠的地方運作。在中國，某些地區煤炭的價格比石油低很多，使蒸汽機車仍然有它們的價值。中國曾經是全球最後一個製造大型蒸汽機車的國家，位於山西的大同車廠一直生產蒸汽機車至1988年；但中國蒸汽機車的數量亦在迅速減少。印度曾經大量使用蒸汽機車，但它們只會在空氣稀薄的山區運作。2005年12月9日，在內蒙古大板附近的鐵道邊上，最後一列蒸汽機車執行完任務後，見證了蒸汽機車退出幹線運營的最後一刻。
蒸汽機
蒸汽機發展歷程
蒸汽機車問世至今已有180年的歷史。它的發展有兩個方面：一方面是牽引力和功率的發展，表現為動輪軸數和輔助軸數的增加，鍋爐和汽缸的加大；另一方面是熱效率和機械效率的發展，表現為爐床面積和鍋爐受熱面積的增大，蒸汽壓力和溫度的提高，廢熱的利用，蒸汽機的改進，滾動軸承的採用等等。
形成時期
瓦特發明蒸汽機後,1814年英國人R.特里維西克創造了一輛鐵路蒸汽機車(圖1),鍋爐蒸汽壓力為0.294兆帕（3.0千克力/厘米2）,鍋爐內裝有一個平放的汽缸。機車有兩對動輪，由齒輪傳動,軸列式為0-2-0。機車裝有一個大飛輪，藉助於它的旋轉慣性動力，保持汽缸活塞的往復運動。機車重4.5噸，時速8公里，能牽引10噸貨物,5節車，可乘70名旅客。這一實踐證實兩個重要現象：光滑的鐵的機車驅動輪可在光滑的鐵軌上運行而不會空轉；機車可以拖動比機車本身重得多的東西。後人繼起研究，得知輪軌間粘著力、粘著重量、粘著係數、粘著牽引力等的相互關係。這個問題涉及如何利用有限的機車粘著重量牽引更多的載重，至今仍在繼續探討。
1814年7月英國發明家喬治·史蒂芬森造出他的第一輛機車，被譽為首次成功的機車。後來主要由喬治·史蒂芬森之子R.史蒂芬森設計建造的“火箭”號蒸汽機車（見彩圖）於1829年10月參加蒸汽機車比賽，以運行可靠、速度最快得獎。比賽時最高時速為47公里。“火箭”號機車採用臥式多煙管鍋爐，傳熱面積大，生成蒸汽快，鍋胴與火箱拼接在一起，鍋爐蒸汽壓力為0.345兆帕（3.5千克力/厘米2）；有兩個與水平線成35°角斜裝於鍋爐兩後側的汽缸；有一對裝於機車前部的動輪，動輪車軸左右各裝一曲拐，互成直角，使機車動輪曲拐停在任何位置均能起動，軸列式為 0-1-1。乏汽從煙筒噴出，以誘導通風，促進燃燒。“火箭”號重4噸,能牽引裝載重量三倍於機車自重的車廂。這是第一輛初具現代蒸汽機車基本構造特徵的蒸汽機車。1830年R.史蒂芬森又造出“行星”號機車，將臥式鍋爐的內外火箱和煙箱製成一整體，這種形式的鍋爐後稱為機車式鍋爐。“行星”號機車的兩個汽缸裝於鍋爐前端的煙箱下部車架內側水平位置，稱為內汽缸式機車，只有一對動輪,裝在後部，軸列式為1-1-0。運行時上下顛抖減輕。蒸汽機車的基本構造形式除廣泛採用外汽缸式（汽缸裝於車架前端兩外側）外，迄今無多大變化。
火箭號
火箭號發展時期
1830年以後,美國以及其他一些國家先後開始製造蒸汽機車。這個時期機車動輪由二對或三對發展至四、五、六對。最早使用二軸引導轉向架是美國於1832年製造的 2-1-0式“喬納森兄弟”號機車，大型機車還在動輪後面裝有較小的從輪。藉助於從輪，機車可裝載一個較寬大、較重的火箱。
1884年瑞士人A.馬利特發明關節式機車，牽引力大，並能順利通過曲線。1888年建成第一台。最大的關節式機車是2-4 4-2式“大人物”號(圖2)，整備重量為543噸,鍋爐壓力為2.068兆帕（21.1千克力/厘米2），在時速120公里條件下，發揮出功率6000馬力以上。
1875～1900年廣泛地套用蒸汽兩次膨脹原理，創造了復脹式機車，提高了機車熱效率。1900～1920年由於採用蒸汽過熱和給水加熱等裝置，機車的熱效率、牽引力和功率又有提高。
1872年，英商為推銷近代交通工具，在天津原法租界“紫竹林”碼頭一帶，沿海河岸邊的土路上鋪設了一條環行1.5公里的“廣告鐵路”，將一台總重量為1020kg的小“火輪車”安裝在輕便的窄軌上，經試運轉後，是年9月14日，開始免費載客運行。此訊息傳開後，轟動天津城。據天津《申報》報導：“此次火車之來中國，可謂創觀，其製作也可謂精美之至，均甚便捷，甚為適用之物……”由於這一“廣告火輪車”的出現，在一定程度上，給國人留下了一些新式運輸工具的形象。
1876年7月3日，中國第一條鐵路——“吳淞鐵路”（窄軌）建成通車，那台英制名曰“先導號”的蒸汽機車（機車總重量1420kg）時速為24—32公里，為我國第一台外國蒸汽機車。（後來被拆除，1898年準軌淞滬鐵路在此基礎上復建通車，1997年拆除）
1881年11月8日，建成了中國第一條自辦鐵路——“唐胥鐵路”（唐山至胥各莊）。在“唐胥鐵路”修築路基的同時，中國工人憑時任總工程師的英人金達（C.W.Kinder）的幾份圖紙，利用礦場起重機鍋爐和豎井架的槽鐵等舊材料，試製成功了一台“0—3—0”型的蒸汽機車。（只有三對動輪，無導輪和從輪），被金達、薄內（Burnet）等英國專家命名為“中國火箭號”和“龍號”，為我國自製的第一台蒸汽機車（曾存於北京府右街交通陳列館內，並可生火行駛，以供眾覽，“七七事變”後失蹤，至今查無下落）。
1887年“津沽鐵路公司”（原址為舊三岔河口西岸）從國外進口了數台小型蒸汽機車，其中一台為“0—2—0”型（只有兩對動輪，無導輪和從輪，稱“0”號），此機車是我們現在保存完好的、曾在“津沽鐵路”上運行過的最古老機車，曾在國外展出過。該機車由英國製造，總重量為1320kg，也是世界上最小的蒸汽機車之一。從這台蒸汽機車出現到新中國成立，中國大地上行駛著英、美、德、法、日、比、俄等國各種蒸汽機車，被人們譽為“萬國機車博覽會”。據1949年《鐵道月刊》第188期記載：當時全國共有4069台蒸汽機車，其中有8個國家、30多家工廠生產的198種型號，其中天津鐵路管理局轄管的運用機車為671台。
1920年以後，蒸汽機車的性能進一步得到改善。20～30年代，機車的鍋爐壓力由 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）,試驗性高壓機車的鍋爐壓力甚至高達9.807兆帕(100千克力/厘米2)以上。高壓機車採用水管式鍋爐，雖然熱效率較高，但構造複雜，重量大，造價高，維護困難，維修費高，而且極易發生故障，運用可靠性差，因而未能正式投入運用。但一般機車的鍋爐壓力以美國、加拿大最高,為2.068兆帕（21.1千克力/厘米2）。40～50年代，有些國家進一步提高了過熱蒸汽溫度，如蘇聯JIB和2-4-2型機車最高溫度達430～440℃。奧地利人G.吉士林根創造的高效率矩形通風裝置（扇煙筒），已為20多個國家和地區所採用。利用廢氣熱來加熱給水的混合式給水加熱器已得到廣泛套用。中國的前進型、建設型和人民型蒸汽機車都已安裝這種設備。為了提高機車熱效率，仍在繼續研製凝汽式蒸汽機車。還提出了蒸汽機車使用沸騰爐床，燃用煤氣等建議，希望使蒸汽機車的熱效率達到10%以上。
第二次世界大戰以後,蒸汽機車由於熱效率低,已大部分被熱效率高的柴油機車和電力機車所代替。
創新時期
1952年，四方機車車輛廠製造出了中國第一台“解放”型蒸汽機車。其後，四方、大連、唐山、大同等機車車輛廠陸續生產了近萬台蒸汽機車。蒸汽機車一度成為中國鐵路運輸的主要牽引動力。1988年12月21日，大同機車廠停止蒸汽機車生產，標誌著中國蒸汽機車製造史的結束。隨著科學技術的進步，蒸汽機車已被內燃機車和電力機車取代。
蒸汽機車在美國、西歐國家、日本和蘇聯等國已於1960～1977年期間相繼停止使用。在印度和一些不已開發國家，蒸汽機車仍占鐵路機車一半以上。在中國，蒸汽機車還是鐵路的主要的牽引動力。
2005年12月9日，在內蒙古大板附近的鐵道邊上，最後一列蒸汽機車執行完任務後，見證了蒸汽機車退出歷史舞台的最後一刻。 蒸汽機車的退出,讓很多人有一種懷舊心理,深圳福順通科技發公司製作的仿蒸汽式的旅遊觀光小火車,填補了很多人這種懷舊情懷,讓蒸汽機車再次出現在人們的視野中。
隨著科學技術的進步，蒸汽機車已逐漸被內燃機車和電力機車取代。為了保留和發展具有工業革命活化石之稱的蒸汽機車，瀋陽新陽光投巨資開發製造了新一代的蒸汽機車，在保留蒸汽機車特點的情況下，對燃燒效率、環保排放、容易駕駛等方面進行了再創新。
機車原理
蒸汽機車是蒸汽機在交通工具上運用的最好範例。蒸汽機是靠蒸汽的膨脹作用來作功的，蒸汽機車的工作原理也不例外。當司爐把煤填入爐膛時，煤在燃燒過程中，它蘊藏的化學能就轉換成熱能，把機車鍋 爐中的水加熱、汽化，形成400℃以上的過熱蒸汽，再進入蒸汽機膨脹作功，推動汽機活塞往復運動，活塞通過連桿、搖桿，將往復直線運動變為輪轉圓周運動，帶動機車動輪旋轉，從而牽引列車前進。因此蒸汽機車必須具備鍋爐、汽機和走行三個基本部分。
運行效率
蒸汽機車熱效率很低，鍋爐內燃料燃燒的熱量只有一部分轉變為蒸汽的熱能，鍋爐的效率一般為50%～80%。蒸汽在汽機內作功，汽機效率只有10%～15%。此外，在汽機到輪周的力的傳遞中，機械效率為80%～95%。因此蒸汽機車的最高熱效率只有8%～9%，而且在車站停車，在機務段整備、停留等仍需消耗燃料，所以實際熱效率只有5%～7%。
組成結構
蒸汽機車由鍋爐、汽機、車架和走行部以及煤水車等組成。
鍋爐
燃燒燃料和產生蒸汽的部件，包括火箱、鍋胴和煙箱三部分。火箱由內火箱和外火箱兩部分組成，內火箱底部是爐床，爐床下部有存放爐灰的灰箱。在鍋胴內排列著不同數目的大煙管和小煙管，大煙管內套有使蒸汽乾燥和加熱的過熱管。在內外火箱之間和鍋胴內貯有鍋爐用水，鍋水覆沒內火箱頂板和大小煙管，在鍋水蒸發麵上形成蒸汽空間。煙箱位於鍋胴前部，內有煙筒、乏氣噴口、反射板和火星網等通風裝置。
微信字元製作的蒸汽機車車頭
微信字元製作的蒸汽機車車頭燃料投入爐床，在火箱內與從灰箱風門進入的空氣混合燃燒產生熱能，熱能通過內火箱板和大小煙管，傳遞給周圍的鍋水和過熱管中的蒸汽，煙氣進入煙箱，通過煙筒排出。高壓高溫蒸汽由鍋爐最高處的蒸汽包經調整閥、乾燥管、過熱管和主蒸汽管等蒸汽通路進入汽機。
汽機
車架
鍋爐、汽機等部件固裝於車架上，經彈簧懸掛裝置將重量由軸箱傳至車輪，由鋼軌支持。動輪把機械部傳來的機械能轉變為機車在軌道上的走行功。
走行部
蒸汽機車的走行部分包括彈簧懸掛裝置、輪對、導輪、從輪、軸箱、導輪轉向架、從輪轉向架和牽引裝置等構成。輪對分導輪、動輪、從輪三種。安裝在機車前轉向架上的小輪對叫導向輪對，機車前進時，它在前面引導，使機車順利通過曲線。機車中部能產生牽引力的大輪對叫動輪。機車後轉向架上的小輪對叫從輪，除了擔負一部分重量外，當機車倒行時還能起導輪作用。軸箱和車輛的滑動軸承軸箱相類似，主要起潤滑作用，防止車軸在高速運行時過熱。彈簧裝置的作用主要是緩和運行時的振動，減輕車輪對線路的衝擊，另外還能把車架上部的重量平均分配給各個輪對。
蒸汽機
蒸汽機煤水車
裝載煤、水、油脂和存放工具等的車輛，掛在機車司機室後面。煤水車由煤槽和水櫃兩部分組成。大功率機車，由於單位時間的燃煤量大，在煤水車上裝有推煤機和輸煤機，將煤均勻地噴投到爐床各處。
機車種類
按工質利用分
①單脹式機車,蒸汽在汽缸中膨脹工作一次即排入大氣,機車構造簡單，採用較廣。
②復脹式機車，蒸汽在一個或一對汽缸（高壓汽缸）中膨脹工作後進入另一個或另一對汽缸（低壓汽缸）再膨脹工作一次才排入大氣。這種機車熱效率雖高一些，但構造較複雜，採用較少。
③凝汽式機車，乏氣進入裝於煤水車後部的冷凝器凝結成水，再泵入鍋爐重複使用，損失的水由煤水車的水補充。機車構造很複雜，多在缺水地區使用。④飽和蒸汽機車和過熱蒸汽機車，自從創造出機車用的過熱器提高了蒸汽溫度以後，汽機效率提高很多，飽和蒸汽機車即被改造成過熱蒸汽機車。
按汽缸位置分類
蒸汽機車按汽缸安裝位置可分為：
①外汽缸機車，機車汽缸固定於車架兩邊外側，因檢修方便，採用較廣。
②內汽缸機車，機車汽缸固定於車架內側，有一根動輪軸製成曲拐軸，因檢修不便，採用較少。
③三汽缸機車，兩個汽缸固定於車架兩邊外側，第三個汽缸固定於車架中間。
按車架形式分類
蒸汽機車因車架形式不同可分為：
①板梁式車架機車，車架是板梁型結構，車架較輕，歐洲國家採用較多。
②桿梁式車架機車，車架是桿狀結構，用厚鋼板切割成型或用鑄鋼鑄造，採用普遍。
按車架和動力單元的組成分類
蒸汽機車就其車架和動力單元的組成來說，可分為：
①常規機車，只有一個固定車架組成一動力單元（包括汽缸、動輪、連桿裝置和閥動裝置等）並支承鍋爐。
②關節機車，除有一個固定車架組成的動力單元並支承鍋爐後半部外，還有一個可轉動的車架和後面的固定車架連線組成另一動力單元，並可滑動地支承鍋爐前半部，起轉向架作用。
按水櫃位置分類
蒸汽機車按水櫃安裝位置可分為：
①煤水車機車，它的後部連掛一專門供機車長途行駛所需煤和水的煤水車，套用廣泛。
②水櫃機車，在機車鍋爐兩側各有一長方體水櫃或為一鞍形水櫃跨裝於鍋爐上，煤則存放於司機室後部的煤槽中。另一種水櫃機車是將水儲存在煤槽下部的水櫃中。水櫃機車儲存煤水量較少。只用於調車、短途運輸和工礦運輸。
按使用燃料分類
蒸汽機車按使用燃料可分為：
①燃煤蒸汽機車，火箱內燃用煙煤，是普遍採用的一種機車。
②燃油蒸汽機車，火箱內燃用霧化鍋爐油，用於無煤的產油區或有特殊要求的地方。
按原動機分類
蒸汽機車按所裝用的原動機可分為：
①以往復式蒸汽機為動力的蒸汽機車，構造簡單，套用廣泛，通常所說的蒸汽機車就是指這種機車
②以蒸汽渦輪機為動力的蒸汽機車，稱為蒸汽渦輪機車。渦輪機轉速高，須配用減速齒輪箱，因而有電力傳動的和機械傳動的兩種。排汽又有冷凝的和非冷凝的兩種。蒸汽渦輪機車因構造複雜，造價昂貴，維修費用高，熱效率比蒸汽機車高得不多，未能推廣使用。
中國發展
解放型
解放型機車是中等功率的貨運機車，多為調車和小運轉用。建設型機車是1957年在解放型機車的基礎上設計而成的，與解放型機車相比，鍋爐用全焊結構，蒸汽壓力提高至15千克力/厘米，並加裝了加煤機、給水加熱器、自動調整楔鐵等設備，目前是幹線貨運主要蒸汽機車之一。
蒸汽機
蒸汽機勝利型
勝利型機車1956年試製成功，其結構特點是增加過熱和蒸發傳熱面積的比值，採用特洛菲莫夫分動式汽閥，煤水車底架、水櫃、煤槽均採用電焊焊接結構等。勝利型機車是主要客運蒸汽機車之一，在幹線上已逐步被柴油機車所取代。人民型機車是在勝利型機車的基礎上改進設計，於1958年製成。鍋爐採用全焊結構，蒸汽壓力提高至15千克力/厘米，構造速度為每小時110公里,並增加了加煤機、給水加熱器和自動調整楔鐵等裝置。人民型機車是鐵路幹線和支線上的主要客運蒸汽機車之一。
FD型
中國在蘇聯30～40年代製造的機車的基礎上改制而成的大功率貨運機車，大多已經報廢。 前進型機車 中國自行設計製造的大功率幹線主型貨運蒸汽機車。1956年試製成功,當時稱和平型機車,現稱老前進型機車。機車軸式1-5-1,當計算供汽率為70千克/米·小時時，機車輪周功率為2960馬力，但鍋爐蒸發量不能滿足運行的需要，僅生產了40多台。1964年對鍋爐進行重新設計，採取了加裝燃燒室，改變煙管排列，改進煙箱通風裝置等技術措施，使鍋爐的供汽能力顯著提高，滿足了鐵路運輸生產的需要。前進型機車採用全焊結構鍋爐,蒸汽壓力為15千克力/厘米,有1200毫米長的燃燒室,爐床面積為6.8米,火箱傳熱面積32.5米,火箱容積13.56米,有直徑133/125毫米的大煙管69根,直徑51/46毫米的小煙管80根，鍋爐蒸發傳熱面積為255.3米。
蒸汽機
蒸汽機前進型
前進型機車採用單脹式雙汽缸，汽缸直徑 650毫米，活塞行程800毫米，汽閥直徑300毫米。有五對動輪，直徑1500毫米，機車粘著重量100.5噸,有4軸和6軸兩種煤水車。它能利用6%～10%的汽缸排出的乏氣量,將給水加熱到70～100℃，可以節水 7%～9%，節熱6%～8%。它裝有粘著重量增加器,使粘著重量增大8噸。前進型機車最高熱效率可達8.42%，通常為5.5%～8.0%。這種機車的缺點是：過熱蒸汽溫度較低，煙渣飛揚損失較大，通風效率和機械效率低，粘著牽引力不能適應汽缸牽引力的要求等。
上游型
游型蒸汽機車又稱為上游型工礦用小型蒸汽機車，原名“工農型”。 1960年，
上游型蒸汽機車
上游型蒸汽機車唐山工廠在MA6(ㄇㄎ6)型機車的基礎上改造設計並試製出第一台上游型
機車，代號SY，到目前為止共生產1600多台。
機車全長21519(21643)毫米，構造速度每小時80公里，，最高汽機有效熱效率為13.15%，機車總效率為8.5%。曾經出口到美國作為旅遊用車。另外，還專為韓國生產了SY燃油型蒸汽機車。
躍進型
1958年濟南機車廠在PR2(ㄆㄌ2)型機車的基礎上改進設計並製造，命名為躍進型，代號YJ。
陽光型
瀋陽新陽光將蒸汽機車傳統製造與現代技術相結合，命名為陽光型。
採用柴油做為燃料(取代煤)，套用電腦智慧型控制系統精確控制燃料燃燒狀態，提高燃燒效率，車輛自動給水、自動補風。同時具有系統故障自診斷和信息顯示功能，既能保證車輛安全運行，節能燃料，又方便車輛檢修。此蒸汽機車在保留其特點的情況下，對燃燒效率、環保排放、容易駕駛等方面進行了再創新。
工業遺產
樂山市犍為縣芭蕉溝鎮的芭石窄軌鐵路至今仍運營者蒸汽機車，主要供當地村民出行和旅遊觀光使用，已被列為工業遺產加以保護，並成為世界公認的蒸汽小火車博物館之一。
