火车的发展历程

火车的发展历程

梁 政

我们进行远距离旅行，往往会乘坐火车，车上有座位、床铺、餐桌、洗手间等，简直就是一座流动的旅馆。坐在平稳的车厢里遥望车外的青山绿水、田园景色，令人心旷神怡。除此之外，火车还担负着运送工农业生产和国防建设物资的重任，真不愧为国民经济的大动脉！从火车的发明到现在已走过了207年，这个对推动世界工业化革命发挥了巨大作用的火车是怎样发生、发展、变化的呢？现在就让我们一起去回顾这一段闪烁着人类智慧的光辉历史吧。

火车和所有其他的发明一样，都是为了满足社会需要而问世的。18世纪初，随着社会生产力的发展，人们急需一种比马车装得多、跑得快的新型车辆。在这种情况下，英国人瓦特发明了蒸汽机。这种机器比马的力气可大多了，它一问世就引起了人们的关注。

在那时，一些具有改革创新激情的人萌发了将蒸汽机装在车上，以代替人力或者畜力来拖动车辆。这个设想首先在军事上得到了应用。那时，欧洲各国的军队为了满足作战需要，把大炮的口径和射程做得越来越大。这就导致了炮的重量不断增加，用人推马拉的办法很难保证大炮能及时跟随部队转战。法国一位名叫居尼奥的炮兵军官，针对这一问题研制成了用蒸汽机推动的“蒸汽车”来拉炮，从而开辟了以机器为动力的现代车辆发展的道路，也为火车的诞生打下了基础。

这种将蒸汽机装在车子上的机械车是怎样推动车辆行驶的呢？我们从它的外形上可以看到，蒸汽机有一个大锅炉，装在车架的前端。在锅炉下面烧着煤火，用来将锅炉里面的水加热成蒸汽。由锅炉上的一根管子将蒸汽引入车子前轮上方的汽缸里，蒸汽的力气很大，便推着汽缸里的活塞向前移动，而活塞通过连杆和曲轴与前轮连在一起，于是随着曲轴的转动，车轮就跟着转起来，这就是蒸汽机车行走的基本原理。

此后不久，这种冒着黑烟、喘着粗气的车子先后在英国和德国出现了。英国人于1804年制成了蒸汽机车。不过，它的模样和先前不大一样了：有的将锅炉移到车子的中间，并罩上罩子，两头还装上几排座位；有的把锅炉移到车后部，而在前面坐人的地方装了一个车厢，等等。这种蒸汽车已经颇有点近代车的气派了。但提醒大家注意的是，当时这种蒸汽机车是在公路上行驶的，因为那时世界上还没有铁路。

世界上第一台行驶于轨道上的蒸汽机车是“新城堡号”蒸汽机车。它是由英国一位出身贫寒、到处漂泊的发明家理查德〃特里维西克设计制造的。1804年2月29日，这台机车（自重5吨）首次在南威尔士的麦瑟尔提德维尔到阿巴台之间的轨道上作运行试验，车速为每小时8公里，只能牵引十几吨重，比马车好不了多少。但它却开辟了世界铁路史上第一台蒸汽机车的光辉行程。

图1 世界上第一台蒸汽机车“新城堡号”

1825年9月27日，史蒂文生亲自驾驶自己设计制造的“动

力”1号机车，拉着550名乘客，从达灵顿出发，以24千米/时的速度驶向斯托克顿，这就是人类历史上第一列用蒸汽机车牵引，在铁路上行驶的旅客列车。

1830年以后，蒸汽机车的动轮由两对或三对发展至四、五、六对，热效率、牵引力和功率都有了较大提高。

自动车钩的诞生。自火车发明至19世纪初，每年都有大量铁路员工在火车运行过程中伤亡，其中1/3的人是在爬到两车之间挂车钩时伤亡的。美国人伊利〃汉密尔顿〃詹内发明了火车车厢自动挂钩装臵（詹氏车钩），并于1887年被美国铁路系统采用，自动车钩的使用减少了人员的伤亡，提高了车辆摘挂效率。

空气自动制动机的问世。早期的火车进站后为了能够停住，司机只将机器关掉，拉响车上的锡制号笛，于是，男性旅客从速度较慢的

车厢上跳下，大家齐力把车停住。后来一个20出头叫乔治〃威斯汀豪斯的年轻人，从一篇介绍风钻的文章中受到启发，很快研究出一台空气制动阀（最早的空气制动用三通阀），把它安装在一列火车上进行试验，取得巨大成功。火车装上这一新型的空气自动制动机后，便可以在很短的距离内停车或进行调速了。

1881年中国工人采用矿场起重锅炉和竖井架的槽铁等旧材料，试制成功了一台0-3-0型的蒸汽机车。这就是中国历史上制造的第一台机车。

图2 中国自造的第一台0-3-0型的蒸汽机车

在旧中国，铁路上运行的蒸汽机车和客、货车辆几乎都是外国货，五花八门，所以被人戏称为“万国车辆博物馆”。解放后党和政府十分重视铁路装备的自主研发。1952年7月26日，铁道部青岛四方

机厂研制出我国首台蒸汽机车，机车重92.07吨，车长22.6米，构造速度80公里/小时。该机车因为在8月1日前夕诞生，而被铁道部命名为“解放”型“八一号”，是中国在上世纪五十年代和六十年代铁路运输的主型蒸汽机车。

图3 新中国自造的第一台“解放”型蒸汽机车

以后逐步发展出解放型和建设型，胜利型和人民型， FD型和前进型等6种主型蒸汽机车。

图4 解放后我国大量生产使用的前进型蒸汽机车

蒸汽机车的优点是结构比较简单，制造成本低，使用年限长，驾驶和维修技术较易掌握，对燃料的要求不高。但蒸汽机车的主要缺点是热效率太低，总效率一般只有5-9％，使机车的功率和速度进一步提高受到了限制。其次是煤水的消耗量大，沿线需要设臵许多供煤和给水设施；在运输中产生的大量煤烟污染环境；机车乘务员的劳动条件差。随着铁路运量的增加和行车速度的提高，蒸汽机车已不适应现代运输的要求。

1866年，德国人奥托首先制成了一种燃烧煤气的新型发动机。这种发动机和蒸汽机在汽缸外面的锅炉里燃烧燃料不同，它是在汽缸内点燃煤气的，然后利用气体的压力推动活塞，从而使曲轴旋转。因

此，就给它起了个形象的名字，叫做“内燃机”。后来又发明了燃烧柴油的内燃机，内燃机的出现，为火车的进一步发展带来了生机。

有的人可能认为内燃机车和汽车都是使用的内燃机，两者的结构原理应是相同的。其实，它们是不完全一样的。汽车是利用内燃机产生的动力直接推动车轮转动，而内燃机车则是先通过内燃机带动发电机产生电能，再用电能使电动机旋转，从而驱动机车前进。所以，通常也将内燃机车称做“电传动内燃机车”。

图5 我国生产的东风8CJ重载内燃机车

内燃机车与蒸汽机车相比，它的热效率高，一般可以达到20一30％。内燃机车加足一次燃料后，持续工作时间长，机车利用效率高，特别适用于在缺水或水质不良地区运行，便于多机牵引，乘务员的劳动条件较好。但其缺点是机车构造复杂，制造、维修和运营费用都较大，对环境有较大的污染。

一些发达的资本主义国家如美、英、法、德、日本等，已经在50年代和60年代就停止生产蒸汽机车，并于60年代和70年代停止使用这种机车。1988年12月，大同机车厂生产的我国最后一台蒸汽机车出厂，从此结束了我国铁路干线蒸汽机车的制造历史。在我国大量替代蒸汽机车的首先是内燃机车。

电力机车的发明是同地铁的发展紧密相连的。1863年，英国的地铁工程首先完成了从伦敦的福灵斯顿站到毕晓普站的6千米地下铁路的建设。那时，还没有发明电力机车，所以地铁也用的是烧煤的蒸汽机车。这种蒸汽机车在行驶时，搞得地铁隧道里烟雾弥漫，不仅熏黑了车站和车厢，乘客们也满身烟尘。尽管如此，伦敦市民还是愿意乘地铁。他们认为，地铁方便，速度快。因此，伦敦的地铁利用率很高，并促使地铁线路不断扩展。到1883年，伦敦已建成了32千米的环形线地铁。1890年，德国和美国先后制成了性能优良靠外来电力行走的电力机车。法国巴黎由于也受城市交通问题所困扰，便立即投入修建使用电力机车的地铁。当时，为了迎接1900年万国博览会在巴黎举办，便加速施工。结果，在博览会举办时，巴黎地铁如期通车。这是世界上最早使用电力机车的地铁。与巴黎几乎同时，德国也在柏林开挖地铁，并于 1900年竣工，同样使用了电力机车。

电力机车是从铁路上方的接触网获取电能产生牵引动力的机车，所以电力机车是非自带能源的机车。它的热效率比蒸汽机车高一倍以上。它起动快、速度高、善于爬坡；可以制成大功率机车，运输能力大、运营费用低；电力机车不用水，不污染空气、乘务员的工作环境

好，运行噪音小，便于多机牵引。但电气化铁路需要建设一套完整的供电系统，在基建投资上要比采用蒸汽机车或内燃机车大得多。从世界各国铁路牵引动力的发展来看，电力机车被公认为最有发展前途的一种机车，它在运营上有良好的经济效果。

图6 我国生产的韶山7型电力机车

提高列车速度是铁路赖以生存和适应社会发展的唯一出路。为此，从本世纪初至50年代，德、法、日本等国都开展了大量的有关高速列车的理论研究和试验工作。1903年10月27日，德国用电动车首创了试验速度达210公里／小时的历史纪录；1955年3月28日，法国用二台电力机车牵引三辆客车试验速度达到了331公里／小时，刷新了世界高速铁路的记录。铁路高速技术，至60年代已进入实用阶段，80年代又取得了一系列新成就、新突破，使铁路进入了

铁路速度的分档一般定为：时速100～120公里称为常速；时速120～160公里称为中速；时速 160～200公里称为准高速或快速；时速200～400公里称为高速，时速400公里以上称为特高速。对于

1964年10月1日，世界上第一条高速铁路—日本的东海道新干线正式投入运营，时速达到210公里，突破了保持多年的铁路运行速度的世界纪录，从东京至大阪只需运行3小时10分钟（后来又缩短到2小时56分）。由于其运行速度比原有铁路提高一倍，票价较飞机便宜，从而吸引了大量旅客，使东京至名古屋间的飞机航班不得不因此而停运。这是世界上铁路与航空竞争中首次取胜的实例。继东海道新干线之后，又陆续建成山阳、东北、上越等新干线。目前日本高速铁路的营业里程已达1831.5公里，并计划再修建5000公里高速铁路，成为日本陆地交通运输网的支柱。高速铁路的运营成绩和取得的巨大经济、社会效益，扭转了过去虽然通过理论研究和试验证明铁路具有大幅度提高速度的潜力，但受到安全、造价等认识的困扰，长期给人们以可望不可及之感，纠正了人们对铁路已不适应经济快速发展、工作节奏快和高流动社会需要的错觉，给各国铁路带来了新的生机。之后，法国在1981年建成了他的第一条高速铁路（TGV 东

南线），列车时速达到270公里；后来又建成了TGV大西洋线，时速达到300公里；1990年5月13日试验的最高速度已达515.3公里／小时。法国的高速铁路后来居上，在一些技术、经济指标上超过日本而居世界领先地位。

中国高铁起步于2005年，５年，走完国际上４０年高速铁路发展历程，目前中国的高铁已跃居世界一流。高铁的关键技术主要有：动力系统、制动系统、自动运行控制、车厢技术系统四个核心技术。在各种技术突破中，最关键的是我们在高铁系统理论、高速列车制造和高速列车控制技术三方面取得的突破。

动车组就是把带动力的动力车与非动力车按照我们预定的参数组合在一起，因此可以概括的讲：动车组是没有机车的，多辆自带动力（电动机）固定编组的，能够两端同时驾驶的，配备现代化服务设施的旅客列车单元。动车组因为有较多的电动机，并分散在多个车厢的车轴上，所以动力轴对路轨黏着力的要求较低，每轴的载重较少，动力效率高，爬坡能力强，运行速度快。还有再生制动（制动时让电动机变成发电机，再生的电力返回电源）能力良好，这对於停站较多的近郊通勤铁路、地下铁路（停站多，制动调速多），这优点则更加突出。“火车跑得快，全靠车头带”。这句顺口溜对今日之高速客运

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列车已经不再适用了。

图7 运行中的“和谐号”动车组

随着列车运行速度的提高，列车的空气动力问题日益突出。虽然列车和汽车都是在地面上运行的交通工具，但列车和汽车不同，列车由动车和多节呈长方体的车厢串联组成，外形细长，载重量大，运行速度远高于汽车，目前已超过了飞机的起飞速度。而且列车是在固定轨道上高速运行，当复线上两列相对运行的列车交会及列车通过隧道所引起的空气动力问题，如果处理不当，将影响行车安全和旅客的舒适性，并制约列车运行速度的提高。因此高速动车的空气动力学研究同样要进行风洞等多项空气动力学试验。

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图8 动车组车厢

飞机是在稀薄气体中的运动，高速列车是在稠密气体中的运动。飞机不必考虑外噪音，高速列车要考虑隧道风对列车、两列高速车交会时吸引力带来的危险性的影响，还要考虑列车风对附近人和建筑物的影响等等。所以某些空气动力学要求比飞机还要高。

列车空气动力学研究的目的主要是减小气动阻力，改善操纵稳定性，提高安全舒适性及减小其对环境的影响。列车空气动力学的研究内容可以归纳如下几个方面。

（1）研究作用在列车上的空气动力和力矩，及其对列车性能的影响。

（2）研究列车运行时，自然风对列车性能的影响及列车风对人和建（构）筑物的影响。

（3）研究列车通过隧道和列车会车时的压力波特性。

（4）研究列车气动噪声和气候条件及其对车厢内人员舒适性的影响。

列车空气动力学的研究方法主要有模型模拟试验（风洞、动模型）、数值模拟计算、实车路试三种。

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目前我国运行的高速动车组在运营速度、安全可靠性、乘座舒适性、节能环保等技术指标，以及全寿命周期成本等经济性指标方面，已经达到和超过世界先进水平。

我们知道飞机起飞时的速度是３００千米左右，而我们的动车组的运营时速已经超过了350千米，完全称得上为“贴地飞行”。

纵观火车发展变化的207年，从蒸汽机车时代—内燃机车时代—电力机车时代—动车组时代。它的每一次变革都是由社会生产力需求所推动，随着科技发展的加快，社会发展的速度也在加快，人们对交通工具的安全、高速、舒适的要求也愈发强烈，火车的发展史还将继续书写，目标还是咱老百姓那个让人期待的：“人便其行、货畅其流”。

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