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技术历史、技术、我们身边的事物
机车。 发明和生产的历史
蒸汽机车是一种带有蒸汽动力装置、使用蒸汽机作为发动机的自主机车。
蒸汽机车的历史结合了两个故事：铁轨的历史和机车的历史。 而且，第一个比第二个出现得早得多。 Sebastian Munster 在他 1541 年出版的书中写到了木轨在采矿中的使用。 在十八世纪，铁轨开始由铸铁制成，而在十九世纪初 - 由软铁制成（铸铁，由于其易碎性，很快就倒塌了）。 很长一段时间，铁轨只建在矿井里，但后来马车客运路变得普遍。 第一条这样的铁路建于 1801 年，位于英格兰的旺兹沃思和克罗伊登之间。 至于机车，只有在瓦特的伟大发明之后才有可能出现。 蒸汽机一普及，就有许多发明家试图使其适应运输的需要——例如，将蒸汽机用作自行推车的发动机。 这种尝试是瓦特的助手默多克第一次尝试。 他比其他人先了解蒸汽汽车的发动机在设计上必须与固定式蒸汽机不同。 为了使旅行车能够承载除自身之外的有效载荷，发动机必须紧凑、轻便且功能强大。 首先，默多克提出将气缸内的压力提高到3-3个大气压（当时认为这个压力非常高）。 他还认为有必要放弃冷凝器并将废气“用于排气”排放到大气中。 5 年，默多克制造了蒸汽车的工作模型。 然而，瓦特对助手的实验反应非常冷淡，默多克不得不离开他的实验。 幸运的是，在默多克在 Redrete 的实验期间，一位聪明而好奇的少年 Richard Trivaitik 在场。 他所看到的给他留下了深刻的印象，并且在成熟后，他将毕生精力投入到蒸汽自行式车辆的创造中。 Trivaitik 从默多克停止的地方开始。 首先，他设计了一种无需冷凝器即可“排气”的高压蒸汽机。
然后，在 1801 年至 1803 年，他建造了许多蒸汽货车，沿着从坎伯恩到普利茅斯的坏路行驶，取得了巨大的成功。 事实上，这些是历史上的第一辆汽车。 但在充气轮胎发明之前，只有爱好者才能驾驶这样的机器。 几乎没有什么好的道路，也没有弹簧可以使汽车及其驾驶员免于剧烈摇晃。 此外，所有这些结构都非常庞大和沉重，以便在土路上移动。
Trivaitik 的想法是把蒸汽车放在铁轨上。 1804 年，他制造了他的第一台蒸汽机车。 这台机车是一个圆柱形蒸汽锅炉，安装在两个轴上。 火箱位于烟囱下方的前面，因此必须将小车（装煤的货车，司煤机所在的地方）挂在机车前面。 一个直径为 210 毫米的长水平气缸，活塞行程为 1 米，活塞杆突出在机车前方，并由一个特殊的支架支撑。 在机车的一侧，两个轴上都有一个复杂的齿轮和车轮传动装置，另一侧是一个大型飞轮，就像工厂蒸汽机一样。 在很多方面，这台历史上第一台蒸汽机车有着惊人的特点。 于是，它以自身4吨的重量，以5公里/小时的速度运送了8辆总重量为25吨的货车。空车时，它以26公里/小时的速度行驶。
Trivaitik 不确定车轮和铁轨之间的摩擦力是否足以让机车向前移动。 因此，突出于钢轨的轮子的外部装有钉头，钉头被压入与钢轨平行放置的钢筋中。 然而，很快 Trivaitik 就确信不需要这些额外的设备 - 机车可以完美地沿着光滑的轨道移动，并在其后面拖动几辆货车。 尽管行驶性能不错，但第一台蒸汽机车并没有引起人们的兴趣。 事实上，Trivaitik 必须在 Merthyr Tydfil 马铁路上展示他的后代。 沉重的蒸汽机车不断地打破铸铁轨道。 很明显，必须为他建造特殊的路径。 然而，Trivaitik 希望对蒸汽机车感兴趣的矿主不想投资修建新道路，并拒绝为发明者提供资金。 在随后的几年里，Trivaitik 设计并制造了更多的蒸汽机车。 1808 年的蒸汽机车又向前迈进了一步。 Trivaitik 移除了笨重的齿轮系。 垂直气缸的运动通过带有曲柄的简单连杆传递到后轴。 一部分废气用于加热锅炉中的水，一部分通过狭窄的孔释放到烟囱中以增加炉内的通风。 这种改进的蒸汽机车在空车时达到了 30 公里/小时的速度。 然而，没有人对如此出色的汽车感兴趣。 1811 年，Trivaitik 最终破产，不得不停止他的实验。 他的麻烦在于他的发明来得太早了。 不仅是铁，就连铸铁也太贵了。 因此，修建铁路似乎无利可图。 高精度金属切削机床也很少。 机车的所有部件都必须手工制作，成本很高。 加之与拿破仑发生战争，英国受到大陆封锁的制约，所有需要大量资金投入的项目都无法实施。 但是，当然，没有任何困难可以阻止技术思想。 新的发明家出现了，他们开始制造蒸汽机车。 长期以来，机械师普遍认为光滑的轮子不能在光滑的铁轨上滚动。 为了避免这种想象中的危险，一些发明者走上了错误的道路。 1812 年，约克郡米德尔顿煤矿的所有者之一布伦基斯顿在米德尔顿和利兹之间建造了一条 6 公里长的小型铁路，专门用于蒸汽机车。 同年，机械师穆雷根据布兰克斯顿项目建造了蒸汽机车，技术性能相当不错。 他在普通的轨道上移动，并有轮辋光滑的轮子。 但这种运动是在齿轮沿着光滑轨道旁边的齿条滚动的帮助下进行的。 这台机器有两个蒸汽缸。 发动机曲柄相互错开 90 度。 当他们中的一个处于停顿状态时，另一个在那个时候以最大的力量行动。
这是第一台能够从曲柄的任何位置启动的双作用蒸汽机。 Murray蒸汽机车可以以20 km / h的速度运输6吨有效载荷。 在较轻的负载下，他可以进行非常陡峭的攀登。 这些蒸汽机车中有几辆是为矿山服务的，但由于速度非常低、价格高，而且经常因断轨而闲置，因此没有被广泛使用。 另一位发明家布伦顿于 1813 年制造了一台蒸汽机车，该机车有两个机构，就像腿一样，应该推动离开地面并使汽车向前移动（在第一次测试中，这台机车爆炸了，因为计算错误锅炉）。
很快就证明了一个光滑的轮子可以沿着光滑的轨道移动。 两位发明家——布莱克特和黑德利——建造了一辆带有光滑轮辋的特殊手推车，它是由人在上面的齿轮系驱动的。 铁被装载到推车上，从而改变了它的重量。 在这些实验过程中，表明转向架的驱动轮（即从发动机接收旋转的那些轮子）的摩擦力比沿轨道自由滚动的轮子的摩擦力高 50 倍。 因此，由于其驱动轮的停止，任何机车都可以拉动比其耦合负载（落在与发动机配对的蒸汽机车车轮上的重量）大 50 倍的负载。 1815 年，布莱克特和哈德利组装了一台非常出色的发动机，取名为“普芬比利”。 有了 Trivaitik 的图纸，他们能够利用他的许多发展。 很长一段时间，设计者都在为当时所有蒸汽机车的发明者所面临的问题苦苦挣扎——如何降低轴重，使机车不至于断轨。 起初，这种情况发生得太频繁了，因此在每次旅行之前，必须给小船装载一些铸铁钢轨。 最后，布莱克特和哈德利将锅炉与投标车放在同一个框架上，为其配备了四对轮子，这样“比利”就有了四个驱动轴。 只有在那之后，他才停止破坏轨道。 这台机车一直在矿场运行，直到 1865 年才被移交给伦敦博物馆。
与此同时，对拿破仑的最终胜利导致了市场状况的变化。 英国进入了一个新的工业高潮时期。 对煤炭的需求急剧增加，因此矿主越来越意识到蒸汽运输的必要性。 现在他们中的许多人准备资助建造蒸汽机车的实验。 当时，蒸汽牵引的想法风靡一时，几十名机械师同时在英国不同的地方工作，开发出各种设计的蒸汽机车。 事实证明，乔治斯蒂芬森设计和制造的机车比其他机车更成功。 1812 年，作为基林沃斯矿山的首席机械师，斯蒂芬森向他的主人托马斯·利德尔提议设计他的第一台蒸汽机车。 他同意支付建设费用。 1814年，这项工作完成。 名为“Blucher”的蒸汽机车参与了矿山的维护工作。 在设计上，它非常类似于 Blenkinston 蒸汽机车，但没有齿轮传动轮。 它有两个垂直放置的蒸汽缸； 活塞的运动通过连杆传递到两个领先的坡道。 这些斜坡由齿轮驱动连接。 投标车与机车分开并系在车尾。 “Blucher”可以承载重达 30 吨的负载，但无法进行陡峭的攀爬，负载时的速度仅为 5 km / h。 在许多方面，他都不如“吹牛比利”，经过一年的经营，结果只比以前使用的马多一点利润。 失败的原因是牵引力较弱。 排出的蒸汽直接排放到空气中，而不是排放到管道中，这样会增加熔炉的通风量。 斯蒂芬森首先消除了这个缺点。 排汽开始流入管道后，推力增大。 改进后的机车已经与马匹进行了激烈的竞争，利德尔心甘情愿地出钱继续实验。
1815 年，斯蒂芬森制造了他的第二台蒸汽机车。 在这个设计中，他放弃了车轴与齿轮驱动的连接。 立式蒸汽锅炉直接放置在车轴上方，活塞的运动直接传递到与链条配对的驱动轴上。 1816年，第三台发动机“Killingworth”完成。 对他来说，斯蒂芬森首先发明并应用了弹簧（在此之前，锅炉直接安装在框架上，结果机车从字面上将司机的灵魂从司机身上抖了出来，在关节处弹跳）。 与此同时，斯蒂芬森致力于改善赛道。 脆铁轨在当时被广泛使用。 移动重型蒸汽机车时，它们时不时地在接头处爆裂。 斯蒂芬森想出了斜关节，并为它申请了专利。 然而，与此同时，他也完全清楚，只要铸铁轨道不被铁轨取代，就无法期待重大改进。 铁比铸铁贵好几倍，业主不愿修建如此昂贵的道路。 但斯蒂芬森证明，只有在牵引力足够大的情况下，使用蒸汽机车才是有利可图的。 为了使蒸汽机车能够承载大型列车并发展显着速度，有必要不惜一切代价，从两个方面对第一批蒸汽机车必须经过的现有马路进行改造：软化斜坡并加强铁轨。 斯蒂芬森在几年内设法实现了这些想法。
1821 年，达灵顿矿主之一埃德加·皮斯（Edgar Pease）成立了一家公司，建造从达灵顿到斯托克顿的铁路，并委托斯蒂芬森建造。 支路全长56公里。 对于那个时代来说，这是一项重大的任务，斯蒂芬森热情地承担了它的实施。 他费了很大的力气才说服比萨和他的伙伴们安装半条路的铁轨而不是铁轨，尽管它们的成本是铁轨的两倍。 19 年 1825 月 34 日，XNUMX 节车厢的第一列火车庄严地沿路驶过。 其中六个装满了煤和面粉，其余的则有供公众使用的长凳。 所有这些货车都是由斯蒂芬森亲自操作的新型蒸汽机车“运动”牵引的。 在音乐声和乘客欢快的惊呼声中，列车顺利驶往斯托克顿。
火车的平均速度为10公里/小时。 机车前，一位举着旗帜的骑手疾驰，要求观众松开铁轨。 在某些路段，他不得不全速奔跑，因为火车加速到了 24 公里/小时。 此次航班共搭载了 600 多名乘客。 连同其余的货物，这些观众重约 90 吨。
随着达灵顿-斯托克顿路的成功建设，斯蒂芬森的名字广为人知。 1826 年，曼彻斯特-利物浦公路运输公司的董事会向斯蒂芬森提供了总工程师的职位，薪水为 1000 英镑。 这条路的建设难度很大，因为它要经过非常崎岖的地形。 必须建造许多不同的人工结构：路堤、挖掘、隧道等。 一些桥梁建了 63 座。在利物浦本身的地下，有必要在岩石地面铺设一条 2 公里长的隧道。 然后我不得不在一块高沙岩石上进行切割（在这项工作中，总共移除了 4 万立方米的石头）。 特别困难的是在 Chet Moss 泥炭沼泽中建造帆布，宽 480 公里，深 6 m。工程的总成本很快超过了所有初步估计，而斯蒂芬森坚持要求铺设昂贵的铁轨，而不是廉价的铸造——铁轨。 他用他所有的口才和所有的权力向董事们证明，铁路应该是这样建造的，而不是其他方式。 终于，所有的障碍都顺利克服了。 1829 年，当道路接近完工并且已经有必要考虑机车车辆时，该公司宣布免费竞争最佳机车设计。 在 Rainhill 附近，分配了一个 3 公里长的新路段。 参加比赛的蒸汽机车要跑这个距离20次。 斯蒂芬森在雷恩希尔展出了他的新型蒸汽机车“火箭”，该机车是根据当时的最新技术在他的工厂制造的。 早在 1826 年，他就开发了带有倾斜圆柱体的机车设计（首次在蒸汽机车“美国”上进行了测试）。 这使得减少气缸中的有害空间成为可能，这对于它们的垂直布置非常重要。 蒸汽锅炉也有了明显的改进，第一次使用了烟管，这点不得不说。 一般来说，蒸汽锅炉是蒸汽机车最重要的部件之一，其技术特性在很大程度上取决于它。 对他提出了许多要求：在消耗少量煤和水的情况下，他必须提供尽可能多的弹性蒸汽。 首先，可以通过增加水和热气体之间的接触面积来实现这种效果。
早期的蒸汽机车使用简单的圆柱形锅炉。 这里 D 是收集蒸汽的盖子，通过其中一个管 B（另一个连接到安全阀）引导到蒸汽阀。 锅炉有一个倾斜的炉排 R，大气通过该炉排输送到通过漏斗 T 倾倒的煤上。煤在燃烧时顺着漏斗滑落，燃烧最强的地方发生在炉排底部。 那里的火焰从倾斜的拱顶 G 下方升起，那里有一个开口 b，热气通过该开口进入锅炉下方的第一个烟囱 F。 然后这些气体进入 c 并进入侧烟囱 F，并通过前侧的连接 d 再次沿 F 流到锅炉的后部，它们已经从那里流入烟囱。 因此，锅炉可以说是四面八方的热空气四处流动。 灰门 K 和风门 S 是简单的装置，加煤机用它们来调节进入燃烧室的空气流量。
圆柱形锅炉最简单的修改是带有火焰管的锅炉，其中第一个烟囱没有通过锅炉下方，而是在其中。 下一步是管式锅炉，由法国工程师 Seguin 于 1828 年发明。 金属烟管穿过这个锅炉，热气通过它从炉子流到烟囱。 在管式锅炉中，受热面比圆柱形锅炉大得多。 与此同时，大部分热量蒸发了，而相对较小的部分则流入了烟囱。 在“火箭”上，锅炉的总受热面约为13平方米，其中管子占11个，因此在相同尺寸的情况下，锅炉的生产率要大得多。
雨山比赛成为机车史上的一件大事； 据信，他们结束了他的童年时期。 此次比赛约有一万名观众参加，这最能说明公众对蒸汽运输的浓厚兴趣。 斯蒂芬森对他的创作寄予的希望是完全合理的。 10 月 10 日空荡荡的“火箭”在当时创下了 48 公里/小时的创纪录速度。 该机车自重4吨，以5公里/小时的速度自由拉动总重17吨的列车。 一辆客车的蒸汽机车的速度达到了21公里/小时。 无论如何，“火箭”比所有其他机车都要好一个数量级，斯蒂芬森获得了 500 英镑的奖金。 他把它分享给了他的助手布斯，后者提出了管式锅炉的想法（当时布斯和斯蒂芬森本人都不知道塞甘的发明）。 “火箭”可以被认为是一个完美的蒸汽机车，因为它具有后来机车的所有最重要的特征：1）炉膛被锅炉水包围； 2) 锅炉水平放置，有火管； 3）蒸汽进入烟囱，增加了风量，提高了炉温； 4）蒸汽的动力通过连杆传递给车轮，无需任何齿轮。 次年，利物浦-曼彻斯特线开通。 这条道路的建设需要当时闻所未闻的资本投资。 铺设它的总成本达 739 万英镑。 然而，这条路的需求如此之大，以至于很快就得到了回报。 这是对新交通方式的最佳建议。 几年后，世界各地开始快速建设铁路。 蒸汽机车的时代已经开始。 利物浦-曼彻斯特公路在这一过程中的重要性不容小觑——它是历史上第一个技术上正确的大型铁路建设项目。 斯蒂芬森的许多发现，关于路堤的建造、水坝和隧道的建造、铁轨和轨枕的铺设等，后来成为其他工程师的榜样。 蒸汽机车的广泛使用所带来的大规模变化之大，可以毫不夸张地说——它们改变了世界的面貌。 在铁路发明之前，最重要的工业城市位于沿海或可通航的河流上。 帆船是主要的交通工具。 在国内，货物运输是用马车进行的，所有国家的道路都非常糟糕。 没有道路，工业就无法发展。 然而，许多拥有矿产的领土注定要停滞不前。 尽管运输成本已显着下降，但向蒸汽运输的过渡导致运输速度和货物周转速度显着提高。 最偏远的地区很快通过铁路与工业中心、港口和原材料来源相连，并融入了经济生活的总体节奏。 距离不再是障碍，工业获得了强大的发展动力。 作者：Ryzhov K.V.
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