什么是蒸汽机车?

什么是蒸汽机车?

[拼音]：zhengqijiche

[外文]：steam locomotive

以蒸汽机产生动力，并通过摇杆和连杆装置驱动车轮的机车。蒸汽机车携带一定数量的煤和水，能独立行驶在轨道上。

基本造构及其工作过程

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。

车架和走行部

机车上锅炉、汽机等设备的安装基础。车架和走行部由车架、d簧悬挂装置、动轮、导轮、从轮、轴箱、导轮转向架、从轮转向架和牵引装置等构成。锅炉、汽机等部件固装于车架上，经d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。

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。

热效率

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％。

分类

蒸汽机车可按多种方法分类。

按用途分类

蒸汽机车按用途可分为以下几类：

（1）客运机车。动轮直径较大，一般为1700～2000毫米，最大的为2133毫米（84英寸）。客运机车通常在前面装有2轴小直径车轮的导轮转向架，以便平稳地通过曲线线路。动轮后面装有1～2轴小直径车轮的从轮转向架，轴列式为2-2-1，2-2-2，2-3-1，2-3-2式等。

（2）货运机车。粘着重量和动轮轴重都较大因而牵引力也较大。动轮轴重一般为20吨左右，北美国家最高达35吨。中国货运蒸汽机车的轴重为20～22吨，动轮直径一般为1350～1750毫米。货运机车一般都有单轴引导转向架，视锅炉的大小安装1轴或2轴的后从轮转向架，轴列式多为1-3-1，1-4-0，1-4-1，1-4-2，1-5-0，1-5-1，和1-5-2式。坡道较大需用动轴数更多的重型机车，轴列式为1-3+3-1，2-3+3-2，1-4+4-1，1-4+4-2和2-4+4-2式的关节机车。

（3）客货通用机车。用于牵引重的旅客列车或较轻的快速货物列车。这种机车动轮直径同客运机车相近，动轮轴重接近货运机车，装用2轴引导转向架，轴列式为2-4-0，2-4-1和2-4-2式。

（4）调车机车。能以低速度牵引较多的车辆，在短途内运转。这种机车速度低，动轮直径小，动轮排列紧凑，固定轴距短，容易通过道岔和半径较小的曲线线路，不需导轮和从轮，机车的全部重量都作为粘着重量。轴列式为0-2-0，0-3-0，0-4-0，0-5-0式等。

（5）工矿机车。功率一般比铁路干线用的机车小，速度也不高，但需有足够的牵引力，动轮直径和轴列式同调车机车的相同。

按工质利用分类

蒸汽机车按工质利用可分为：

（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。

发展概况

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(1804～1830年)

瓦特发明蒸汽机后，1804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G.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G.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(1831～1920年)

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。

探求新设计时期（1920年以后）

这一时期，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，目前仍在继续研制凝汽式蒸汽机车。近年来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。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。

中国的蒸汽机车

中国第一台蒸汽机车──“龙”号，是1881年利用煤矿起重机的锅炉和一些旧钢材装配制成的。20世纪上半叶使用过性能较好的机车有1-4+4-1式机车（图3）和2-4-2式客货通用机车(图4)。中国于1952年制成第一台蒸汽机车，以后逐步发展出解放型和建设型（1-4-1式），胜利型和人民型(2-3-1式)，FD型和前进型（1-5-1式）等六种主型蒸汽机车。

解放型和建设型机车

解放型机车是中等功率的货运机车，目前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2，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。

胜利型和人民型机车

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，目前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2，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。（见彩图）

FD型机车

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2·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2，有1200毫米长的燃烧室，炉床面积为6.8米2，火箱传热面积32.5米2，火箱容积13.56米3，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2。

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。

参考书目

孙竹生编：《蒸汽机车工程》，龙门联合书局，上海， 1953。前进型蒸汽机车编写组编：《前进型蒸汽机车》，中国铁道出版社，北京，1984。