蒸汽机车

点击次数:   更新时间:2020-08-12 00:19     作者:ag视讯

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  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。

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  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]

  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。

  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°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。

  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。

  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。

  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。

  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%。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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

  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。

  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。

  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。

  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。

  前进型蒸汽机车编写组.前进型蒸汽机车[M].中国铁道出版社,北京,1984。


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