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1、 前言 一提到蒸汽机车，很多人应该眼前会自动浮现出一种画面，黑色的车身，红色的动轮，白色的蒸汽，带有节奏感的走形声，可以说蒸汽机车不光代表着一个时代，也是铁路发展的一个见证。不过我国蒸汽机车的外形基本都是最普通的蒸汽机车设计，例如前进、建设、人民或者解放等等，这些机车属于蒸汽机车中最普遍的型号。 不过在蒸汽机车150年的发展历程中，也有一些其他形式的蒸汽机车出现，这种机车都已经被埋没在了时代的浪潮中，也很少有人知晓，那么从本篇文章开始，将分为几个章节分别给大家介绍一些特殊构造形式的蒸汽机车。 我国的前进机车，双缸蒸汽机车的代表作 2、 蒸汽机车的构造分类 那么蒸汽机车到底分成了多少种形式呢，按照传动方式，我们可以分为连杆传动式和齿轮传动式和电传动式，其中连杆传动式还可以分为外缸和内缸两种；按照机车的外部结构以及轴列式，可以分成，双缸式（例如我国的前进、解放等），三缸式（例如著名的野鸭号），复式（例如宾铁S1、Q1等），马莱式（大男孩、挑战者），加来特式（例如东非59级），费尔立式（又分单式和双端式）以及麦耶式。 由于双缸式以及三缸式的蒸汽机车大家基本是耳熟能详了，那么本篇文章将从不常见的复式蒸汽机车开始介绍。 马莱式蒸汽机车示意图，和复式机车最大的区别就是图中红色线代表的铰接式结构 3、 复式蒸汽机车 复式蒸汽机车可以看做是将一台蒸汽机车的动轮部分分解成两组并通过刚性车架安装在一起的一种多气缸驱动的机车，和马莱式蒸汽机车不同，这种复式蒸汽机车并没有铰接式连接结构。这种机车的概念首次由法国在1863年提出并研发使用，只不过真正将这种机车发扬光大的是美国的鲍德温机车工厂在30年开发的一系列产品，在当时鲍德温是北美最大的蒸汽机车制造商，而这种复式蒸汽机车是由其首席工程师拉尔夫·P·约翰逊设计的。当复式蒸汽机车在美国开始推广之后，为了区别马莱式蒸汽机车，对这两种机车的定义做了重新的调整。 复式蒸汽机车的两组动轮都安装在一个刚性的车架上 1、 普通双缸蒸汽机车的存在问题 大家都是知道，蒸汽机车是通过机车两侧的气缸里的高压蒸汽来推动连杆驱动主动轮转动，再通过连杆系统带动从动轮转动以达到牵引力车的目的，但是机车在高速运行的时候，由于连杆甩动会产生巨大的惯性力，导致机车在运行途中会周期性的上下颠簸，普遍的解决方式都是在动轮连杆的链接点对称部位配置配重块来平衡，但是对于重型机车来说这种平衡力也是微乎其微的，这种由于连杆甩动导致机车上下颠簸的效应被称为'锤击'，如果恰好锤击效应达到了一个共振点，那么无论是对机车的悬挂系统还是轨道都会产生很大的负荷，严重的时候甚至能将动轮带离钢轨。也就是说锤击效应对于高速机车或者重型机车的发展都是一种不利影响。 2、 解决方案 在欧洲，首先提出了利用安装内缸分摊锤击效应或者采用铰接式机车来客服这个问题，尽管在当时人们认为机车的运行时速超过80km/h还可以稳定运行是不可能的事情。而在美国方面，大多数铁路公司不太接受带有内缸的机车，因为美国铁路需求的不是那种可以高速运行的蒸汽机车，而是牵引力更强的重型机车，不过随着机车的输出功率越来越高，带有内缸的蒸汽机车产生的锤击效应也越来越严重，和欧洲的轻型高速蒸汽机车不同，这种锤击效应甚至让安装了内缸的重型蒸汽机车具备了一定的破坏力。针对这种情况拉尔夫·P·约翰逊认为，只有回归传统的双缸4—8—4的轴列式才会减轻锤击带来的破坏性，但是现有的双缸蒸汽机车又已经达到了性能的极限，他深信，如果要突破这种瓶颈，一定要对机车的动力部分以及气缸做出更大的改进。 早在1863年，法国的儒勒·皮埃特为法国北部铁路公司设计一种轴列式为0-6-6-0的水柜式蒸汽机车，这是复式蒸汽机车最早的雏形，但是由于机车的刚性连接导致了过长的轴距让这台机车并没有得到太好的推广。不过，后来美国艾可机车工厂提出了一种铰接式连接的概念，用柔性结构将两组动轮连接的新结构，这在当时是一种创新（也就是马莱式蒸汽机车的雏形），只不过技术的限制又让这种蒸汽机车推迟了很多年才正式生产，一直到1936年艾可公司第一次将这种铰接式设计融合在了挑战者蒸汽机车上。 世界上第一台复式蒸汽机车 复式蒸汽机车和马莱式蒸汽机车从外表看没什么太大的区别，只不过和马莱式的铰接式关节不同，复式蒸汽机车是将多组气缸和动轮安装在一个刚性的车架上，例如将4-8-4的轴列式分解成4-4-4-4，4对动轮分为两组，每一组由2台气缸通过连杆驱动，由于2组连杆分摊了蒸汽机车的输出功率，这样可以减轻锤击效应，另外气缸和连杆以及动轮之间的联结构件所承担的负荷也会更小。不过刚性的车架带来一个更大的问题就是机车的轴距变得很长，在对于一些小半径曲线的山区铁路来说，这种复式蒸汽机车明显不合适。 3、 复式蒸汽机车的经典型号 （1） 巴尔的摩和俄亥俄铁路公司（B&O）N-1型蒸汽机车5600号车（机车命名乔治·H·爱默生） 该机车是美国正式投入运营的第一台复式蒸汽机车，也是B&O配属过的唯一一台复式蒸汽机车，该公司在1932-1933年期间拒绝了鲍德温机车工厂关于复式蒸汽机车的设计，但是随后为了提升治下铁路的牵引效力，该公司的管理层又从新联系了鲍德温机车工厂，在后者的帮助下，该公司在自家的机车车间内制造了这台N-1型蒸汽机车并取名为乔治·H·爱默生。机车在1937年5月完成，为了解决复式蒸汽机车轴距加长的问题，设计师将机车的第二组动轮反向安装，第二组气缸安装在了机车燃烧室旁，这样4对动轮之间的轴距可以和普通的双缸蒸汽机车一样，但是在实际运行中发现这种设计并不理想，由于气缸占用了燃烧室的位置，导致无论是燃烧室还是气缸都受到了尺寸上的影响，另外燃烧室的粉尘以及高热对气缸工作也不利，最终后侧气缸由于高温和粉尘过早的出现了磨损，机车在1943年就退役了，B&O表示对复式蒸汽机车不再有任何兴趣。 N-1型蒸汽机车 机车的参数如下： 制造厂商：B&O克莱尔山车间 制造日期：1937年5月 产量：1台 轴列式：4-4-4-4 轨距：1435mm 导轮直径：914mm 动轮直径：1930mm 从轮直径：1067mm 可通过最小曲线半径：正常运行：134.62m 慢速：97.42m 机车全长：35.67m 黏着重量：108t 机车全重：334.1t 携带燃料：煤21t 携带水：83000L 燃烧室面积：7.48㎡ 锅炉压力：2.41mPa 输出功率：3936马力 牵引力：289.1kN 退役年限：1943年，报废：1950年10月 （2） PRR（宾铁）S1型蒸汽机车 该机车是美国第二台复式蒸汽机车，该机车是由宾铁公司位于阿尔图纳的车间制造的，其设计旨在满足机车在平直轨道上能以160km/h的速度牵引1090吨的列车运行，为了达到这个性能，机车最低输出功率要求在4000马力以上，鲍德温机车工厂表示可以满足宾铁公司的要求并设计出了有史以来最大的客运蒸汽机车。该机车全长42.74m，轴列式6-4-4-6，机车全重480t。不过该机车太大了，宾铁公司治下大多数线路都无法承受机车的质量，因此该机车仅在伊利诺伊州芝加哥市到俄亥俄州克雷斯特莱思之间的446公里区间运行。1940年12月该机车正式服役，该机车实际运行所表现的性能让人满意，输出功率强劲，速度平稳且不会出现掉速现象。但是机车经常出现空转和抖动，这让机车的进一步设计改进带来了很大的麻烦。机车的缺陷被简单记录下来并被列入了原型车缺陷项，最终机车在1946年退役，S1系列的研发项目也停产，这台机车由于巨大的尺寸获得了一个外号——大引擎。关于这台机车的详细资料，后期我会单独以一篇文章进行介绍。 在1939年世博会上展览的S1型机车 （3） PRR（宾铁）T1型蒸汽机车 S1型并不能代表鲍德温机车工厂对复式蒸汽机车的追求，接下来出现的T1型蒸汽机车才是该工厂技术的最好体现，1940年7月宾铁公司首先订购了两台原型车，编号分别是6110和6111号，机车先后在1942年4月和5月交付。经过试运行之后发现，该机车性能强劲，但是空转的现象依然存在。 1945年2月，由于战事的缓和美国国内对机车生产的限制放宽，宾铁公司立刻签订了订购50台样车的订单合同，这是一个很冒险的决定，因为原型车中遇到的空转问题还没有解决，另外关于可靠性测试也没有进行，另外为了和S1型区分，T1型从新规划了外形。 当样车投入测试后，问题很快就出现了，机车在启动或者达到一定的速度点之后会出现剧烈的空转，更严重的是，高速运行下的空转会损坏气门齿轮组件。另外由于外形的原型，很多零部件想要直接维修并不容易，需要打开机车的外壳才能进行维修或者替换。这种复杂性问题直接降低了机车可用性和可靠性，虽然说有些经验老到司机可以避免空转的发生，但是事实证明，T1型蒸汽机车不能算是成功的产品。 T1型蒸汽机车 而且在接下来的一段时间内，关于机车的问题就一直存在，另外对于机车的争议也没有停过，不过宾铁公司很快就不在乎这些问题了，因为在T1交付之后的几个月，宾铁公司购置了大量的内燃机车以淘汰老旧的蒸汽机车，并在接下来的2年内逐渐取代了现有的客运蒸汽机车，这也导致了T1型蒸汽机车的退役。关于T1型蒸汽机车的详细资料以后会以单独的文章进行介绍。 （4） PRR（宾铁）Q1型蒸汽机车 在研发S1和T1型客运机车的同时，宾铁公司还希望将复式蒸汽机车投入到货运业务中，Q1型蒸汽机车则是货运版的一个型号，该机车是在1942年5月交付的，轴列式采用了非常特别的4-6-4-4，和前文介绍的N-1型蒸汽机车一样，该机车的第二组动轮反向安装，气缸安装在了燃烧室下方。机车的动轮直径达到了1956mm（后经验证发现，过大的动轮直径不适合货运），另外气缸也采用了和S1、T1一样的气缸。这样反而限制了机车的性能，另外第二组气缸安装在了燃烧室附近，高温和粉尘对气缸造成了很大的影响。最终这台编号为6130的Q1型蒸汽机车在1946年退役。另外补充一点，Q1型蒸汽机车是世界上第二大蒸汽机车，该机车的输出功率达到了恐怖的7320马力，比现在了很多内燃机车都要高出接近1倍。 Q1型蒸汽机车 （5） PRR（宾铁）Q2型蒸汽机车 有人要问了，Q1型蒸汽机车是世界上第二大蒸汽机车，那么第一大蒸汽机车是哪一台呢，就是我们接下来要介绍的这款Q2型蒸汽机车，这台机车是在1944年年底问世，不过和Q1不同的是，Q2型机车认识到了Q1型机车的缺陷和教训，将第二组动轮正置，这样气缸就不会受到高温和粉尘的影响，Q2型蒸汽机车是有史以来世界上最大的非铰接式蒸汽机车，也是输出功率最强的蒸汽机车，这台机车的输出功率达到了7987马力。和Q1不同，Q2的轴列式换成了4-4-6-4，另外对Q1的一些问题也进行了改进，该机车的牵引力是Q1的两倍。另外在投入运行之后，Q2型蒸汽机车的性能瞬间甩开了所有的现役机车。另外综合了S1、T1以及Q1一系列的问题之后，Q2型蒸汽机在运行中没有遇到任何问题，机车的运行非常平稳，这台机车被认为是最成功的复式蒸汽机车，阿尔图纳车间制造了26台。另外该机车还有一个创新，这是世界上第一台安装了防空转系统的蒸汽机车，事实证明该系统可以有效的防止两组动轮同时空转的问题，另外降低了单组动轮出现空转的几率。不过这样的额外设备增加了大修时的复杂程度。 投入运行的Q2型蒸汽机车 虽然说Q2型蒸汽机车非常成功，只可惜生不逢时，1951年，Q2型蒸汽机车的牵引区段全面内燃化，和Q2型同在一个区段的J1型蒸汽机车首先被淘汰，虽然Q2型机车依然还在运行，但是退役也只是时间问题。 关于Q1和Q2型蒸汽机车，后面我会对其进行详细的介绍。 （6） 法国151A型复式蒸汽机车 在美国复式蒸汽机车蓬勃发展的同时，远在大洋彼岸的法国在1932年下线了一款复式蒸汽机车，该机车在巴黎-里昂-马赛公司运营，轴列式2-4-6-2，一共购置了10台，机车主要在公司治下8‰的坡道上牵引重载货运列车。和美国的复式机车不同，法国的这款复式机车两组动轮之间还有内部连杆相连，表面看该机车的轴列式是2-4-6-2，但是通过内部连杆的连接作用，该机车实际上和2-10-2的轴列式蒸汽机车没有任何区别。1933年12月19日，机车进行了首测，机车以74km/h连续牵引列车运行了60km，机车在过载情况下输出功率3000马力。后来投入运营之后，机车可以牵引1247t的列车在8‰的坡道上以50km/h的速度运行，后来该线路电气化改造，1956年退役并报废。 4、 结束语 时至今日，没有任何一台复式蒸汽机车被成功的保存下来，这是非常可惜的。有意思的是，关于这种蒸汽机车性能问题的争议却一直没有停下来，很多人认为即使在技术先进的今天，想要完全避免复式蒸汽机车的空转问题也是不可能的。不过他们达成了一个共识，复式蒸汽机车的出现确实解决了当时蒸汽机车发展的一个瓶颈。目前有一个名为T1 Trust的非营利组织正打算制造一台复式蒸汽机车，该机车还原宾铁T1型蒸汽机车，车号5550，该组织旨在完成当年T1一些缺陷的改进并能够让该机车具备更优秀的性能特点，该项目预计完成时间是2030年。 PS：文章主要内容来源，维基英文百科 其他参考：《宾铁力量》，《机车配置文件24》（非出版个人资料），《美国复式蒸汽机车》等 |
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