火車的發(fā)展歷程

1、火車的發(fā)展歷程梁 政我們進行遠距離旅行，往往會乘坐火車，車上有座位、床鋪、餐桌、洗手間等，簡直就是一座流動的旅館。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，火車還擔負著運送工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國防建設物資的重任，真不愧為國民經(jīng)濟的大動脈！從火車的發(fā)明到現(xiàn)在已走過了207年，這個對推動世界工業(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，都是為了滿足社會需要而問世的。18世紀初，隨著社會生產(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，英國人瓦特發(fā)明了蒸汽機。這種機

2、器比馬的力氣可大多了，它一問世就引起了人們的關注。 在那時，一些具有改革創(chuàng)新激情的人萌發(fā)了將蒸汽機裝在車上，以代替人力或者畜力來拖動車輛。這個設想首先在軍事上得到了應用。那時，歐洲各國的軍隊為了滿足作戰(zhàn)需要，把大炮的口徑和射程做得越來越大。這就導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跟隨部隊轉戰(zhàn)。法國一位名叫居尼奧的炮兵軍官，針對這一問題研制成了用蒸汽機推動的“蒸汽車”來拉炮，從而開辟了以機器為動力的現(xiàn)代車輛發(fā)展的道路，也為火車的誕生打下了基礎。這種將蒸汽機裝在車子上的機械車是怎樣推動車輛行駛的呢？我們從它的外形上可以看到，蒸汽機有一個大鍋爐，裝在車架的前端。在鍋爐下面燒著煤

3、火，用來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，而活塞通過連桿和曲軸與前輪連在一起，于是隨著曲軸的轉動，車輪就跟著轉起來，這就是蒸汽機車行走的基本原理。此后不久，這種冒著黑煙、喘著粗氣的車子先后在英國和德國出現(xiàn)了。英國人于1804年制成了蒸汽機車。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車廂，等等。這種蒸汽車已經(jīng)頗有點近代車的氣派了。但提醒大家注意的是，當時這種蒸汽機車是在公路上行駛的，因為那時世界上還沒有鐵路。世界上

4、第一臺行駛于軌道上的蒸汽機車是“新城堡號”蒸汽機車。它是由英國一位出身貧寒、到處漂泊的發(fā)明家理查德特里維西克設計制造的。1804年2月29日，這臺機車（自重5噸）首次在南威爾士的麥瑟爾提德維爾到阿巴臺之間的軌道上作運行試驗，車速為每小時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蒸汽機車的光輝行程。圖1 世界上第一臺蒸汽機車“新城堡號”1825年9月27日，史蒂文生親自駕駛自己設計制造的“動力”1號機車，拉著550名乘客，從達靈頓出發(fā)，以24千米/時的速度駛向斯托克頓，這就是人類歷史上第一列用蒸汽機車牽引，在鐵路上行駛的旅客列車。1830年以后，蒸汽機車的動輪由兩

5、對或三對發(fā)展至四、五、六對，熱效率、牽引力和功率都有了較大提高。自動車鉤的誕生。自火車發(fā)明至19世紀初，每年都有大量鐵路員工在火車運行過程中傷亡，其中1/3的人是在爬到兩車之間掛車鉤時傷亡的。美國人伊利漢密爾頓詹內發(fā)明了火車車廂自動掛鉤裝置（詹氏車鉤），并于1887年被美國鐵路系統(tǒng)采用，自動車鉤的使用減少了人員的傷亡，提高了車輛摘掛效率?？諝庾詣又苿訖C的問世。早期的火車進站后為了能夠停住，司機只將機器關掉，拉響車上的錫制號笛，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。后來一個20出頭叫喬治威斯汀豪斯的年輕人，從一篇介紹風鉆的文章中受到啟發(fā)，很快研究出一臺空氣制動閥（最早的空氣制動

6、用三通閥），把它安裝在一列火車上進行試驗，取得巨大成功?；疖囇b上這一新型的空氣自動制動機后，便可以在很短的距離內停車或進行調速了。1881年中國工人采用礦場起重鍋爐和豎井架的槽鐵等舊材料，試制成功了一臺0-3-0型的蒸汽機車。這就是中國歷史上制造的第一臺機車。圖2 中國自造的第一臺0-3-0型的蒸汽機車在舊中國，鐵路上運行的蒸汽機車和客、貨車輛幾乎都是外國貨，五花八門，所以被人戲稱為“萬國車輛博物館”。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，鐵道部青島四方機廠研制出我國首臺蒸汽機車，機車重92.07噸，車長22.6米，構造速度80公里/小時。該機車因為在8月1日前夕誕生

7、，而被鐵道部命名為“解放”型“八一號”，是中國在上世紀五十年代和六十年代鐵路運輸?shù)闹餍驼羝麢C車。圖3 新中國自造的第一臺“解放”型蒸汽機車以后逐步發(fā)展出解放型和建設型，勝利型和人民型，F(xiàn)D型和前進型等6種主型蒸汽機車。圖4 解放后我國大量生產(chǎn)使用的前進型蒸汽機車蒸汽機車的優(yōu)點是結構比較簡單，制造成本低，使用年限長，駕駛和維修技術較易掌握，對燃料的要求不高。但蒸汽機車的主要缺點是熱效率太低，總效率一般只有5-9，使機車的功率和速度進一步提高受到了限制。其次是煤水的消耗量大，沿線需要設置許多供煤和給水設施；在運輸中產(chǎn)生的大量煤煙污染環(huán)境；機車乘務員的勞動條件差。隨著鐵路運量的增加和行車速度的提高，

8、蒸汽機車已不適應現(xiàn)代運輸?shù)囊蟆?866年，德國人奧托首先制成了一種燃燒煤氣的新型發(fā)動機。這種發(fā)動機和蒸汽機在汽缸外面的鍋爐里燃燒燃料不同，它是在汽缸內點燃煤氣的，然后利用氣體的壓力推動活塞，從而使曲軸旋轉。因此，就給它起了個形象的名字，叫做“內燃機”。后來又發(fā)明了燃燒柴油的內燃機，內燃機的出現(xiàn)，為火車的進一步發(fā)展帶來了生機。有的人可能認為內燃機車和汽車都是使用的內燃機，兩者的結構原理應是相同的。其實，它們是不完全一樣的。汽車是利用內燃機產(chǎn)生的動力直接推動車輪轉動，而內燃機車則是先通過內燃機帶動發(fā)電機產(chǎn)生電能，再用電能使電動機旋轉，從而驅動機車前進。所以，通常也將內燃機車稱做“電傳動內燃機車”

9、。圖5 我國生產(chǎn)的東風8CJ重載內燃機車內燃機車與蒸汽機車相比，它的熱效率高，一般可以達到20一30。內燃機車加足一次燃料后，持續(xù)工作時間長，機車利用效率高，特別適用于在缺水或水質不良地區(qū)運行，便于多機牽引，乘務員的勞動條件較好。但其缺點是機車構造復雜，制造、維修和運營費用都較大，對環(huán)境有較大的污染。一些發(fā)達的資本主義國家如美、英、法、德、日本等，已經(jīng)在50年代和60年代就停止生產(chǎn)蒸汽機車，并于60年代和70年代停止使用這種機車。1988年12月，大同機車廠生產(chǎn)的我國最后一臺蒸汽機車出廠，從此結束了我國鐵路干線蒸汽機車的制造歷史。在我國大量替代蒸汽機車的首先是內燃機車。電力機車的發(fā)明是同地鐵的

10、發(fā)展緊密相連的。1863年，英國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。那時，還沒有發(fā)明電力機車，所以地鐵也用的是燒煤的蒸汽機車。這種蒸汽機車在行駛時，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展。到1883年，倫敦已建成了32千米的環(huán)形線地鐵。1890年，德國和美國先后制成了性能優(yōu)良靠外來電力行走的電力機車。法國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車的地鐵。當時，為了迎接1900年萬國博覽會在巴黎舉辦，便加速施

11、工。結果，在博覽會舉辦時，巴黎地鐵如期通車。這是世界上最早使用電力機車的地鐵。與巴黎幾乎同時，德國也在柏林開挖地鐵，并于 1900年竣工，同樣使用了電力機車。電力機車是從鐵路上方的接觸網(wǎng)獲取電能產(chǎn)生牽引動力的機車，所以電力機車是非自帶能源的機車。它的熱效率比蒸汽機車高一倍以上。它起動快、速度高、善于爬坡；可以制成大功率機車，運輸能力大、運營費用低；電力機車不用水，不污染空氣、乘務員的工作環(huán)境好，運行噪音小，便于多機牽引。但電氣化鐵路需要建設一套完整的供電系統(tǒng)，在基建投資上要比采用蒸汽機車或內燃機車大得多。從世界各國鐵路牽引動力的發(fā)展來看，電力機車被公認為最有發(fā)展前途的一種機車，它在運營上有良好

12、的經(jīng)濟效果。圖6 我國生產(chǎn)的韶山7型電力機車提高列車速度是鐵路賴以生存和適應社會發(fā)展的唯一出路。為此，從本世紀初至50年代，德、法、日本等國都開展了大量的有關高速列車的理論研究和試驗工作。1903年10月27日，德國用電動車首創(chuàng)了試驗速度達210公里小時的歷史紀錄；1955年3月28日，法國用二臺電力機車牽引三輛客車試驗速度達到了331公里小時，刷新了世界高速鐵路的記錄。鐵路高速技術，至60年代已進入實用階段，80年代又取得了一系列新成就、新突破，使鐵路進入了第二個新時代。 鐵路速度的分檔一般定為：時速100120公里稱為常速；時速120160公里稱為中速；時速 160200公里稱為準高速或快

13、速；時速200400公里稱為高速，時速400公里以上稱為特高速。對于高速的水平，隨著技術進步而逐步提高。西歐把新建時速達到250300公里、舊線改造時速達到200公里的稱為高速鐵路；1985年聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會在日內瓦簽署的國際鐵路干線協(xié)議規(guī)定：新建客運列車專用型高速鐵路時速為300公里，新建客貨運列車混用型高速鐵路時速為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營，時速達到210公里，突破了保持多年的鐵路運行速度的世界紀錄，從東京至大阪只需運行3小時10分鐘（后來又縮短到2小時56分）。由于其運行速度比原有鐵路提高一倍，票價較飛機便宜，從而吸引了大

14、量旅客，使東京至名古屋間的飛機航班不得不因此而停運。這是世界上鐵路與航空競爭中首次取勝的實例。繼東海道新干線之后，又陸續(xù)建成山陽、東北、上越等新干線。目前日本高速鐵路的營業(yè)里程已達1831.5公里，并計劃再修建5000公里高速鐵路，成為日本陸地交通運輸網(wǎng)的支柱。高速鐵路的運營成績和取得的巨大經(jīng)濟、社會效益，扭轉了過去雖然通過理論研究和試驗證明鐵路具有大幅度提高速度的潛力，但受到安全、造價等認識的困擾，長期給人們以可望不可及之感，糾正了人們對鐵路已不適應經(jīng)濟快速發(fā)展、工作節(jié)奏快和高流動社會需要的錯覺，給各國鐵路帶來了新的生機。之后，法國在1981年建成了他的第一條高速鐵路（TGV 東南線），列車

15、時速達到270公里；后來又建成了TGV大西洋線，時速達到300公里；1990年5月13日試驗的最高速度已達515.3公里小時。法國的高速鐵路后來居上，在一些技術、經(jīng)濟指標上超過日本而居世界領先地位。中國高鐵起步于2005年，年，走完國際上年高速鐵路發(fā)展歷程，目前中國的高鐵已躍居世界一流。高鐵的關鍵技術主要有：動力系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、自動運行控制、車廂技術系統(tǒng)四個核心技術。在各種技術突破中，最關鍵的是我們在高鐵系統(tǒng)理論、高速列車制造和高速列車控制技術三方面取得的突破。動車組就是把帶動力的動力車與非動力車按照我們預定的參數(shù)組合在一起，因此可以概括的講：動車組是沒有機車的，多輛自帶動力（電動機）固定編組

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

17、，外形細長，載重量大，運行速度遠高于汽車，目前已超過了飛機的起飛速度。而且列車是在固定軌道上高速運行，當復線上兩列相對運行的列車交會及列車通過隧道所引起的空氣動力問題，如果處理不當，將影響行車安全和旅客的舒適性，并制約列車運行速度的提高。因此高速動車的空氣動力學研究同樣要進行風洞等多項空氣動力學試驗。圖8 動車組車廂飛機是在稀薄氣體中的運動，高速列車是在稠密氣體中的運動。飛機不必考慮外噪音，高速列車要考慮隧道風對列車、兩列高速車交會時吸引力帶來的危險性的影響，還要考慮列車風對附近人和建筑物的影響等等。所以某些空氣動力學要求比飛機還要高。列車空氣動力學研究的目的主要是減小氣動阻力，改善操縱穩(wěn)定性，提高安全舒適性及減小其對環(huán)境的影響。列車空氣動力學的研究內容可以歸納如下幾個方面。（1）研究作用在列車上的空氣動力和力矩，及其對列車性能的影響。（2）研究列車運行時，自然風對列車性能的影響及列車風對人和建（構）筑物的影響。（3）研究列車通過隧道和列車會車時的壓力波特性。（4）研究列車氣動噪聲和氣候條件及其對車廂內人員舒適性的影響。列車空氣動力學的研究方法主要有模型模擬試驗（風洞、動模型）、數(shù)值模擬計算、實車路試三種。目前我國運行的高速動車組在運