火車的發(fā)展歷程

1、火車的發(fā)展歷程梁 政我們進(jìn)行遠(yuǎn)距離旅行，往往會(huì)乘坐火車，車上有座位、床鋪、餐桌、洗手間等，簡(jiǎn)直就是一座流動(dòng)的旅館。坐在平穩(wěn)的車廂里遙望車外的青山綠水、田園景色，令人心曠神怡。除此之外，火車還擔(dān)負(fù)著運(yùn)送工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國(guó)防建設(shè)物資的重任，真不愧為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈！從火車的發(fā)明到現(xiàn)在已走過了207年，這個(gè)對(duì)推動(dòng)世界工業(yè)化革命發(fā)揮了巨大作用的火車是怎樣發(fā)生、發(fā)展、變化的呢？現(xiàn)在就讓我們一起去回顧這一段閃爍著人類智慧的光輝歷史吧?；疖嚭退衅渌陌l(fā)明一樣，都是為了滿足社會(huì)需要而問世的。18世紀(jì)初，隨著社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展，人們急需一種比馬車裝得多、跑得快的新型車輛。在這種情況下，英國(guó)人瓦特發(fā)明了蒸汽機(jī)。這種機(jī)

2、器比馬的力氣可大多了，它一問世就引起了人們的關(guān)注。 在那時(shí)，一些具有改革創(chuàng)新激情的人萌發(fā)了將蒸汽機(jī)裝在車上，以代替人力或者畜力來(lái)拖動(dòng)車輛。這個(gè)設(shè)想首先在軍事上得到了應(yīng)用。那時(shí)，歐洲各國(guó)的軍隊(duì)為了滿足作戰(zhàn)需要，把大炮的口徑和射程做得越來(lái)越大。這就導(dǎo)致了炮的重量不斷增加，用人推馬拉的辦法很難保證大炮能及時(shí)跟隨部隊(duì)轉(zhuǎn)戰(zhàn)。法國(guó)一位名叫居尼奧的炮兵軍官，針對(duì)這一問題研制成了用蒸汽機(jī)推動(dòng)的“蒸汽車”來(lái)拉炮，從而開辟了以機(jī)器為動(dòng)力的現(xiàn)代車輛發(fā)展的道路，也為火車的誕生打下了基礎(chǔ)。這種將蒸汽機(jī)裝在車子上的機(jī)械車是怎樣推動(dòng)車輛行駛的呢？我們從它的外形上可以看到，蒸汽機(jī)有一個(gè)大鍋爐，裝在車架的前端。在鍋爐下面燒著煤

3、火，用來(lái)將鍋爐里面的水加熱成蒸汽。由鍋爐上的一根管子將蒸汽引入車子前輪上方的汽缸里，蒸汽的力氣很大，便推著汽缸里的活塞向前移動(dòng)，而活塞通過連桿和曲軸與前輪連在一起，于是隨著曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，車輪就跟著轉(zhuǎn)起來(lái)，這就是蒸汽機(jī)車行走的基本原理。此后不久，這種冒著黑煙、喘著粗氣的車子先后在英國(guó)和德國(guó)出現(xiàn)了。英國(guó)人于1804年制成了蒸汽機(jī)車。不過，它的模樣和先前不大一樣了：有的將鍋爐移到車子的中間，并罩上罩子，兩頭還裝上幾排座位；有的把鍋爐移到車后部，而在前面坐人的地方裝了一個(gè)車廂，等等。這種蒸汽車已經(jīng)頗有點(diǎn)近代車的氣派了。但提醒大家注意的是，當(dāng)時(shí)這種蒸汽機(jī)車是在公路上行駛的，因?yàn)槟菚r(shí)世界上還沒有鐵路。世界上

4、第一臺(tái)行駛于軌道上的蒸汽機(jī)車是“新城堡號(hào)”蒸汽機(jī)車。它是由英國(guó)一位出身貧寒、到處漂泊的發(fā)明家理查德特里維西克設(shè)計(jì)制造的。1804年2月29日，這臺(tái)機(jī)車（自重5噸）首次在南威爾士的麥瑟爾提德維爾到阿巴臺(tái)之間的軌道上作運(yùn)行試驗(yàn)，車速為每小時(shí)8公里，只能牽引十幾噸重，比馬車好不了多少。但它卻開辟了世界鐵路史上第一臺(tái)蒸汽機(jī)車的光輝行程。圖1 世界上第一臺(tái)蒸汽機(jī)車“新城堡號(hào)”1825年9月27日，史蒂文生親自駕駛自己設(shè)計(jì)制造的“動(dòng)力”1號(hào)機(jī)車，拉著550名乘客，從達(dá)靈頓出發(fā)，以24千米/時(shí)的速度駛向斯托克頓，這就是人類歷史上第一列用蒸汽機(jī)車牽引，在鐵路上行駛的旅客列車。1830年以后，蒸汽機(jī)車的動(dòng)輪由兩

5、對(duì)或三對(duì)發(fā)展至四、五、六對(duì)，熱效率、牽引力和功率都有了較大提高。自動(dòng)車鉤的誕生。自火車發(fā)明至19世紀(jì)初，每年都有大量鐵路員工在火車運(yùn)行過程中傷亡，其中1/3的人是在爬到兩車之間掛車鉤時(shí)傷亡的。美國(guó)人伊利漢密爾頓詹內(nèi)發(fā)明了火車車廂自動(dòng)掛鉤裝置（詹氏車鉤），并于1887年被美國(guó)鐵路系統(tǒng)采用，自動(dòng)車鉤的使用減少了人員的傷亡，提高了車輛摘掛效率?？諝庾詣?dòng)制動(dòng)機(jī)的問世。早期的火車進(jìn)站后為了能夠停住，司機(jī)只將機(jī)器關(guān)掉，拉響車上的錫制號(hào)笛，于是，男性旅客從速度較慢的車廂上跳下，大家齊力把車停住。后來(lái)一個(gè)20出頭叫喬治威斯汀豪斯的年輕人，從一篇介紹風(fēng)鉆的文章中受到啟發(fā)，很快研究出一臺(tái)空氣制動(dòng)閥（最早的空氣制動(dòng)

6、用三通閥），把它安裝在一列火車上進(jìn)行試驗(yàn)，取得巨大成功?；疖囇b上這一新型的空氣自動(dòng)制動(dòng)機(jī)后，便可以在很短的距離內(nèi)停車或進(jìn)行調(diào)速了。1881年中國(guó)工人采用礦場(chǎng)起重鍋爐和豎井架的槽鐵等舊材料，試制成功了一臺(tái)0-3-0型的蒸汽機(jī)車。這就是中國(guó)歷史上制造的第一臺(tái)機(jī)車。圖2 中國(guó)自造的第一臺(tái)0-3-0型的蒸汽機(jī)車在舊中國(guó)，鐵路上運(yùn)行的蒸汽機(jī)車和客、貨車輛幾乎都是外國(guó)貨，五花八門，所以被人戲稱為“萬(wàn)國(guó)車輛博物館”。解放后黨和政府十分重視鐵路裝備的自主研發(fā)。1952年7月26日，鐵道部青島四方機(jī)廠研制出我國(guó)首臺(tái)蒸汽機(jī)車，機(jī)車重92.07噸，車長(zhǎng)22.6米，構(gòu)造速度80公里/小時(shí)。該機(jī)車因?yàn)樵?月1日前夕誕生

7、，而被鐵道部命名為“解放”型“八一號(hào)”，是中國(guó)在上世紀(jì)五十年代和六十年代鐵路運(yùn)輸?shù)闹餍驼羝麢C(jī)車。圖3 新中國(guó)自造的第一臺(tái)“解放”型蒸汽機(jī)車以后逐步發(fā)展出解放型和建設(shè)型，勝利型和人民型，F(xiàn)D型和前進(jìn)型等6種主型蒸汽機(jī)車。圖4 解放后我國(guó)大量生產(chǎn)使用的前進(jìn)型蒸汽機(jī)車蒸汽機(jī)車的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，制造成本低，使用年限長(zhǎng)，駕駛和維修技術(shù)較易掌握，對(duì)燃料的要求不高。但蒸汽機(jī)車的主要缺點(diǎn)是熱效率太低，總效率一般只有5-9，使機(jī)車的功率和速度進(jìn)一步提高受到了限制。其次是煤水的消耗量大，沿線需要設(shè)置許多供煤和給水設(shè)施；在運(yùn)輸中產(chǎn)生的大量煤煙污染環(huán)境；機(jī)車乘務(wù)員的勞動(dòng)條件差。隨著鐵路運(yùn)量的增加和行車速度的提高，

8、蒸汽機(jī)車已不適應(yīng)現(xiàn)代運(yùn)輸?shù)囊蟆?866年，德國(guó)人奧托首先制成了一種燃燒煤氣的新型發(fā)動(dòng)機(jī)。這種發(fā)動(dòng)機(jī)和蒸汽機(jī)在汽缸外面的鍋爐里燃燒燃料不同，它是在汽缸內(nèi)點(diǎn)燃煤氣的，然后利用氣體的壓力推動(dòng)活塞，從而使曲軸旋轉(zhuǎn)。因此，就給它起了個(gè)形象的名字，叫做“內(nèi)燃機(jī)”。后來(lái)又發(fā)明了燃燒柴油的內(nèi)燃機(jī)，內(nèi)燃機(jī)的出現(xiàn)，為火車的進(jìn)一步發(fā)展帶來(lái)了生機(jī)。有的人可能認(rèn)為內(nèi)燃機(jī)車和汽車都是使用的內(nèi)燃機(jī)，兩者的結(jié)構(gòu)原理應(yīng)是相同的。其實(shí)，它們是不完全一樣的。汽車是利用內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力直接推動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，而內(nèi)燃機(jī)車則是先通過內(nèi)燃機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能，再用電能使電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動(dòng)機(jī)車前進(jìn)。所以，通常也將內(nèi)燃機(jī)車稱做“電傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車”

9、。圖5 我國(guó)生產(chǎn)的東風(fēng)8CJ重載內(nèi)燃機(jī)車內(nèi)燃機(jī)車與蒸汽機(jī)車相比，它的熱效率高，一般可以達(dá)到20一30。內(nèi)燃機(jī)車加足一次燃料后，持續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)，機(jī)車?yán)眯矢?，特別適用于在缺水或水質(zhì)不良地區(qū)運(yùn)行，便于多機(jī)牽引，乘務(wù)員的勞動(dòng)條件較好。但其缺點(diǎn)是機(jī)車構(gòu)造復(fù)雜，制造、維修和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用都較大，對(duì)環(huán)境有較大的污染。一些發(fā)達(dá)的資本主義國(guó)家如美、英、法、德、日本等，已經(jīng)在50年代和60年代就停止生產(chǎn)蒸汽機(jī)車，并于60年代和70年代停止使用這種機(jī)車。1988年12月，大同機(jī)車廠生產(chǎn)的我國(guó)最后一臺(tái)蒸汽機(jī)車出廠，從此結(jié)束了我國(guó)鐵路干線蒸汽機(jī)車的制造歷史。在我國(guó)大量替代蒸汽機(jī)車的首先是內(nèi)燃機(jī)車。電力機(jī)車的發(fā)明是同地鐵的

10、發(fā)展緊密相連的。1863年，英國(guó)的地鐵工程首先完成了從倫敦的福靈斯頓站到畢曉普站的6千米地下鐵路的建設(shè)。那時(shí)，還沒有發(fā)明電力機(jī)車，所以地鐵也用的是燒煤的蒸汽機(jī)車。這種蒸汽機(jī)車在行駛時(shí)，搞得地鐵隧道里煙霧彌漫，不僅熏黑了車站和車廂，乘客們也滿身煙塵。盡管如此，倫敦市民還是愿意乘地鐵。他們認(rèn)為，地鐵方便，速度快。因此，倫敦的地鐵利用率很高，并促使地鐵線路不斷擴(kuò)展。到1883年，倫敦已建成了32千米的環(huán)形線地鐵。1890年，德國(guó)和美國(guó)先后制成了性能優(yōu)良靠外來(lái)電力行走的電力機(jī)車。法國(guó)巴黎由于也受城市交通問題所困擾，便立即投入修建使用電力機(jī)車的地鐵。當(dāng)時(shí)，為了迎接1900年萬(wàn)國(guó)博覽會(huì)在巴黎舉辦，便加速施

11、工。結(jié)果，在博覽會(huì)舉辦時(shí)，巴黎地鐵如期通車。這是世界上最早使用電力機(jī)車的地鐵。與巴黎幾乎同時(shí)，德國(guó)也在柏林開挖地鐵，并于 1900年竣工，同樣使用了電力機(jī)車。電力機(jī)車是從鐵路上方的接觸網(wǎng)獲取電能產(chǎn)生牽引動(dòng)力的機(jī)車，所以電力機(jī)車是非自帶能源的機(jī)車。它的熱效率比蒸汽機(jī)車高一倍以上。它起動(dòng)快、速度高、善于爬坡；可以制成大功率機(jī)車，運(yùn)輸能力大、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用低；電力機(jī)車不用水，不污染空氣、乘務(wù)員的工作環(huán)境好，運(yùn)行噪音小，便于多機(jī)牽引。但電氣化鐵路需要建設(shè)一套完整的供電系統(tǒng)，在基建投資上要比采用蒸汽機(jī)車或內(nèi)燃機(jī)車大得多。從世界各國(guó)鐵路牽引動(dòng)力的發(fā)展來(lái)看，電力機(jī)車被公認(rèn)為最有發(fā)展前途的一種機(jī)車，它在運(yùn)營(yíng)上有良好

12、的經(jīng)濟(jì)效果。圖6 我國(guó)生產(chǎn)的韶山7型電力機(jī)車提高列車速度是鐵路賴以生存和適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的唯一出路。為此，從本世紀(jì)初至50年代，德、法、日本等國(guó)都開展了大量的有關(guān)高速列車的理論研究和試驗(yàn)工作。1903年10月27日，德國(guó)用電動(dòng)車首創(chuàng)了試驗(yàn)速度達(dá)210公里小時(shí)的歷史紀(jì)錄；1955年3月28日，法國(guó)用二臺(tái)電力機(jī)車牽引三輛客車試驗(yàn)速度達(dá)到了331公里小時(shí)，刷新了世界高速鐵路的記錄。鐵路高速技術(shù)，至60年代已進(jìn)入實(shí)用階段，80年代又取得了一系列新成就、新突破，使鐵路進(jìn)入了第二個(gè)新時(shí)代。 鐵路速度的分檔一般定為：時(shí)速100120公里稱為常速；時(shí)速120160公里稱為中速；時(shí)速 160200公里稱為準(zhǔn)高速或快

13、速；時(shí)速200400公里稱為高速，時(shí)速400公里以上稱為特高速。對(duì)于高速的水平，隨著技術(shù)進(jìn)步而逐步提高。西歐把新建時(shí)速達(dá)到250300公里、舊線改造時(shí)速達(dá)到200公里的稱為高速鐵路；1985年聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)在日內(nèi)瓦簽署的國(guó)際鐵路干線協(xié)議規(guī)定：新建客運(yùn)列車專用型高速鐵路時(shí)速為300公里，新建客貨運(yùn)列車混用型高速鐵路時(shí)速為250公里。 1964年10月1日，世界上第一條高速鐵路日本的東海道新干線正式投入運(yùn)營(yíng)，時(shí)速達(dá)到210公里，突破了保持多年的鐵路運(yùn)行速度的世界紀(jì)錄，從東京至大阪只需運(yùn)行3小時(shí)10分鐘（后來(lái)又縮短到2小時(shí)56分）。由于其運(yùn)行速度比原有鐵路提高一倍，票價(jià)較飛機(jī)便宜，從而吸引了大

14、量旅客，使東京至名古屋間的飛機(jī)航班不得不因此而停運(yùn)。這是世界上鐵路與航空競(jìng)爭(zhēng)中首次取勝的實(shí)例。繼東海道新干線之后，又陸續(xù)建成山陽(yáng)、東北、上越等新干線。目前日本高速鐵路的營(yíng)業(yè)里程已達(dá)1831.5公里，并計(jì)劃再修建5000公里高速鐵路，成為日本陸地交通運(yùn)輸網(wǎng)的支柱。高速鐵路的運(yùn)營(yíng)成績(jī)和取得的巨大經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益，扭轉(zhuǎn)了過去雖然通過理論研究和試驗(yàn)證明鐵路具有大幅度提高速度的潛力，但受到安全、造價(jià)等認(rèn)識(shí)的困擾，長(zhǎng)期給人們以可望不可及之感，糾正了人們對(duì)鐵路已不適應(yīng)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、工作節(jié)奏快和高流動(dòng)社會(huì)需要的錯(cuò)覺，給各國(guó)鐵路帶來(lái)了新的生機(jī)。之后，法國(guó)在1981年建成了他的第一條高速鐵路（TGV 東南線），列車

15、時(shí)速達(dá)到270公里；后來(lái)又建成了TGV大西洋線，時(shí)速達(dá)到300公里；1990年5月13日試驗(yàn)的最高速度已達(dá)515.3公里小時(shí)。法國(guó)的高速鐵路后來(lái)居上，在一些技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上超過日本而居世界領(lǐng)先地位。中國(guó)高鐵起步于2005年，年，走完國(guó)際上年高速鐵路發(fā)展歷程，目前中國(guó)的高鐵已躍居世界一流。高鐵的關(guān)鍵技術(shù)主要有：動(dòng)力系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、自動(dòng)運(yùn)行控制、車廂技術(shù)系統(tǒng)四個(gè)核心技術(shù)。在各種技術(shù)突破中，最關(guān)鍵的是我們?cè)诟哞F系統(tǒng)理論、高速列車制造和高速列車控制技術(shù)三方面取得的突破。動(dòng)車組就是把帶動(dòng)力的動(dòng)力車與非動(dòng)力車按照我們預(yù)定的參數(shù)組合在一起，因此可以概括的講：動(dòng)車組是沒有機(jī)車的，多輛自帶動(dòng)力（電動(dòng)機(jī)）固定編組

16、的，能夠兩端同時(shí)駕駛的，配備現(xiàn)代化服務(wù)設(shè)施的旅客列車單元。動(dòng)車組因?yàn)橛休^多的電動(dòng)機(jī)，并分散在多個(gè)車廂的車軸上，所以動(dòng)力軸對(duì)路軌黏著力的要求較低，每軸的載重較少，動(dòng)力效率高，爬坡能力強(qiáng)，運(yùn)行速度快。還有再生制動(dòng)（制動(dòng)時(shí)讓電動(dòng)機(jī)變成發(fā)電機(jī)，再生的電力返回電源）能力良好，這對(duì)於停站較多的近郊通勤鐵路、地下鐵路（停站多，制動(dòng)調(diào)速多），這優(yōu)點(diǎn)則更加突出?！盎疖嚺艿每?，全靠車頭帶”。這句順口溜對(duì)今日之高速客運(yùn)列車已經(jīng)不再適用了。圖7 運(yùn)行中的“和諧號(hào)”動(dòng)車組隨著列車運(yùn)行速度的提高，列車的空氣動(dòng)力問題日益突出。雖然列車和汽車都是在地面上運(yùn)行的交通工具，但列車和汽車不同，列車由動(dòng)車和多節(jié)呈長(zhǎng)方體的車廂串聯(lián)組成

17、，外形細(xì)長(zhǎng)，載重量大，運(yùn)行速度遠(yuǎn)高于汽車，目前已超過了飛機(jī)的起飛速度。而且列車是在固定軌道上高速運(yùn)行，當(dāng)復(fù)線上兩列相對(duì)運(yùn)行的列車交會(huì)及列車通過隧道所引起的空氣動(dòng)力問題，如果處理不當(dāng)，將影響行車安全和旅客的舒適性，并制約列車運(yùn)行速度的提高。因此高速動(dòng)車的空氣動(dòng)力學(xué)研究同樣要進(jìn)行風(fēng)洞等多項(xiàng)空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)。圖8 動(dòng)車組車廂飛機(jī)是在稀薄氣體中的運(yùn)動(dòng)，高速列車是在稠密氣體中的運(yùn)動(dòng)。飛機(jī)不必考慮外噪音，高速列車要考慮隧道風(fēng)對(duì)列車、兩列高速車交會(huì)時(shí)吸引力帶來(lái)的危險(xiǎn)性的影響，還要考慮列車風(fēng)對(duì)附近人和建筑物的影響等等。所以某些空氣動(dòng)力學(xué)要求比飛機(jī)還要高。列車空氣動(dòng)力學(xué)研究的目的主要是減小氣動(dòng)阻力，改善操縱穩(wěn)定性，提高安全舒適性及減小其對(duì)環(huán)境的影響。列車空氣動(dòng)力學(xué)的研究?jī)?nèi)容可以歸納如下幾個(gè)方面。（1）研究作用在列車上的空氣動(dòng)力和力矩，及其對(duì)列車性能的影響。（2）研究列車運(yùn)行時(shí)，自然風(fēng)對(duì)列車性能的影響及列車風(fēng)對(duì)人和建（構(gòu)）筑物的影響。（3）研究列車通過隧道和列車會(huì)車時(shí)的壓力波特性。（4）研究列車氣動(dòng)噪聲和氣候條件及其對(duì)車廂內(nèi)人員舒適性的影響。列車空氣動(dòng)力學(xué)的研究方法主要有模型模擬試驗(yàn)（風(fēng)洞、動(dòng)模型）、數(shù)值模擬計(jì)算、實(shí)車路試三種。目前我國(guó)運(yùn)行的高速動(dòng)車組在運(yùn)