蒸汽機車中的另類，複式蒸汽機車

1、 前言

一提到蒸汽機車，很多人應該眼前會自動浮現出一種畫面，黑色的車身，紅色的動輪，白色的蒸汽，帶有節奏感的走形聲，可以說蒸汽機車不光代表著一個時代，也是鐵路發展的一個見證。不過我國蒸汽機車的外形基本都是最普通的蒸汽機車設計，例如前進、建設、人民或者解放等等，這些機車屬於蒸汽機車中最普遍的型號。

不過在蒸汽機車150年的發展歷程中，也有一些其他形式的蒸汽機車出現，這種機車都已經被埋沒在了時代的浪潮中，也很少有人知曉，那麼從本篇文章開始，將分為幾個章節分別給大家介紹一些特殊構造形式的蒸汽機車。

2、 蒸汽機車的構造分類

那麼蒸汽機車到底分成了多少種形式呢，按照傳動方式，我們可以分為連杆傳動式和齒輪傳動式和電傳動式，其中連杆傳動式還可以分為外缸和內缸兩種；按照機車的外部結構以及軸列式，可以分成，雙缸式（例如我國的前進、解放等），三缸式（例如著名的野鴨號），複式（例如賓鐵S1、Q1等），馬萊式（大男孩、挑戰者），加來特式（例如東非59級），費爾立式（又分單式和雙端式）以及麥耶式。

由於雙缸式以及三缸式的蒸汽機車大家基本是耳熟能詳了，那麼本篇文章將從不常見的複式蒸汽機車開始介紹。

3、 複式蒸汽機車

複式蒸汽機車可以看做是將一台蒸汽機車的動輪部分分解成兩組並通過剛性車架安裝在一起的一種多氣缸驅動的機車，和馬萊式蒸汽機車不同，這種複式蒸汽機車並沒有鉸接式連接結構。這種機車的概念首次由法國在1863年提出並研發使用，只不過真正將這種機車發揚光大的是美國的鮑德溫機車工廠在30年開發的一系列產品，在當時鮑德溫是北美最大的蒸汽機車製造商，而這種複式蒸汽機車是由其首席工程師拉爾夫·P·詹森設計的。當複式蒸汽機車在美國開始推廣之後，為了區別馬萊式蒸汽機車，對這兩種機車的定義做了重新的調整。

1、 普通雙缸蒸汽機車的存在問題

大家都是知道，蒸汽機車是通過機車兩側的氣缸里的高壓蒸汽來推動連杆驅動主動輪轉動，再通過連杆系統帶動從動輪轉動以達到牽引力車的目的，但是機車在高速運行的時候，由於連杆甩動會產生巨大的慣性力，導致機車在運行途中會周期性的上下顛簸，普遍的解決方式都是在動輪連杆的連結點對稱部位配置配重塊來平衡，但是對於重型機車來說這種平衡力也是微乎其微的，這種由於連杆甩動導致機車上下顛簸的效應被稱為"錘擊"，如果恰好錘擊效應達到了一個共振點，那麼無論是對機車的懸掛系統還是軌道都會產生很大的負荷，嚴重的時候甚至能將動輪帶離鋼軌。也就是說錘擊效應對於高速機車或者重型機車的發展都是一種不利影響。

2、 解決方案

在歐洲，首先提出了利用安裝內缸分攤錘擊效應或者採用鉸接式機車來客服這個問題，儘管在當時人們認為機車的運行時速超過80km/h還可以穩定運行是不可能的事情。而在美國方面，大多數鐵路公司不太接受帶有內缸的機車，因為美國鐵路需求的不是那種可以高速運行的蒸汽機車，而是牽引力更強的重型機車，不過隨著機車的輸出功率越來越高，帶有內缸的蒸汽機車產生的錘擊效應也越來越嚴重，和歐洲的輕型高速蒸汽機車不同，這種錘擊效應甚至讓安裝了內缸的重型蒸汽機車具備了一定的破壞力。針對這種情況拉爾夫·P·詹森認為，只有回歸傳統的雙缸4—8—4的軸列式才會減輕錘擊帶來的破壞性，但是現有的雙缸蒸汽機車又已經達到了性能的極限，他深信，如果要突破這種瓶頸，一定要對機車的動力部分以及氣缸做出更大的改進。

早在1863年，法國的儒勒·皮埃特為法國北部鐵路公司設計一種軸列式為0-6-6-0的水櫃式蒸汽機車，這是複式蒸汽機車最早的雛形，但是由於機車的剛性連接導致了過長的軸距讓這台機車並沒有得到太好的推廣。不過，後來美國艾可機車工廠提出了一種鉸接式連接的概念，用柔性結構將兩組動輪連接的新結構，這在當時是一種創新（也就是馬萊式蒸汽機車的雛形），只不過技術的限制又讓這種蒸汽機車推遲了很多年才正式生產，一直到1936年艾可公司第一次將這種鉸接式設計融合在了挑戰者蒸汽機車上。

複式蒸汽機車和馬萊式蒸汽機車從外表看沒什麼太大的區別，只不過和馬萊式的鉸接式關節不同，複式蒸汽機車是將多組氣缸和動輪安裝在一個剛性的車架上，例如將4-8-4的軸列式分解成4-4-4-4，4對動輪分為兩組，每一組由2台氣缸通過連杆驅動，由於2組連杆分攤了蒸汽機車的輸出功率，這樣可以減輕錘擊效應，另外氣缸和連杆以及動輪之間的聯結構件所承擔的負荷也會更小。不過剛性的車架帶來一個更大的問題就是機車的軸距變得很長，在對於一些小半徑曲線的山區鐵路來說，這種複式蒸汽機車明顯不合適。

3、 複式蒸汽機車的經典型號

（1） 巴爾的摩和俄亥俄鐵路公司（B&O）N-1型蒸汽機車5600號車（機車命名喬治·H·愛默生）

該機車是美國正式投入運營的第一台複式蒸汽機車，也是B&O配屬過的唯一一台複式蒸汽機車，該公司在1932-1933年期間拒絕了鮑德溫機車工廠關於複式蒸汽機車的設計，但是隨後為了提升治下鐵路的牽引效力，該公司的管理層又從新聯繫了鮑德溫機車工廠，在後者的幫助下，該公司在自家的機車車間內製造了這台N-1型蒸汽機車並取名為喬治·H·愛默生。機車在1937年5月完成，為了解決複式蒸汽機車軸距加長的問題，設計師將機車的第二組動輪反向安裝，第二組氣缸安裝在了機車燃燒室旁，這樣4對動輪之間的軸距可以和普通的雙缸蒸汽機車一樣，但是在實際運行中發現這種設計並不理想，由於氣缸占用了燃燒室的位置，導致無論是燃燒室還是氣缸都受到了尺寸上的影響，另外燃燒室的粉塵以及高熱對氣缸工作也不利，最終後側氣缸由於高溫和粉塵過早的出現了磨損，機車在1943年就退役了，B&O表示對複式蒸汽機車不再有任何興趣。

機車的參數如下：

製造廠商：B&O克萊爾山車間

製造日期：1937年5月

產量：1台

軸列式：4-4-4-4

軌距：1435mm

導輪直徑：914mm

動輪直徑：1930mm

從輪直徑：1067mm

可通過最小曲線半徑：正常運行：134.62m 慢速：97.42m

機車全長：35.67m

黏著重量：108t

機車全重：334.1t

攜帶燃料：煤21t 攜帶水：83000L

燃燒室面積：7.48㎡

鍋爐壓力：2.41mPa

輸出功率：3936馬力

牽引力：289.1kN

退役年限：1943年，報廢：1950年10月

（2） PRR（賓鐵）S1型蒸汽機車

該機車是美國第二台複式蒸汽機車，該機車是由賓鐵公司位於阿爾圖納的車間製造的，其設計旨在滿足機車在平直軌道上能以160km/h的速度牽引1090噸的列車運行，為了達到這個性能，機車最低輸出功率要求在4000馬力以上，鮑德溫機車工廠表示可以滿足賓鐵公司的要求並設計出了有史以來最大的客運蒸汽機車。該機車全長42.74m，軸列式6-4-4-6，機車全重480t。不過該機車太大了，賓鐵公司治下大多數線路都無法承受機車的質量，因此該機車僅在伊利諾州芝加哥市到俄亥俄州克雷斯特萊思之間的446公里區間運行。1940年12月該機車正式服役，該機車實際運行所表現的性能讓人滿意，輸出功率強勁，速度平穩且不會出現掉速現象。但是機車經常出現空轉和抖動，這讓機車的進一步設計改進帶來了很大的麻煩。機車的缺陷被簡單記錄下來並被列入了原型車缺陷項，最終機車在1946年退役，S1系列的研發項目也停產，這台機車由於巨大的尺寸獲得了一個外號——大引擎。關於這台機車的詳細資料，後期我會單獨以一篇文章進行介紹。

（3） PRR（賓鐵）T1型蒸汽機車

S1型並不能代表鮑德溫機車工廠對複式蒸汽機車的追求，接下來出現的T1型蒸汽機車才是該工廠技術的最好體現，1940年7月賓鐵公司首先訂購了兩台原型車，編號分別是6110和6111號，機車先後在1942年4月和5月交付。經過試運行之後發現，該機車性能強勁，但是空轉的現象依然存在。

1945年2月，由於戰事的緩和美國國內對機車生產的限制放寬，賓鐵公司立刻簽訂了訂購50台樣車的訂單合同，這是一個很冒險的決定，因為原型車中遇到的空轉問題還沒有解決，另外關於可靠性測試也沒有進行，另外為了和S1型區分，T1型從新規劃了外形。

當樣車投入測試後，問題很快就出現了，機車在啟動或者達到一定的速度點之後會出現劇烈的空轉，更嚴重的是，高速運行下的空轉會損壞氣門齒輪組件。另外由於外形的原型，很多零部件想要直接維修並不容易，需要打開機車的外殼才能進行維修或者替換。這種複雜性問題直接降低了機車可用性和可靠性，雖然說有些經驗老到司機可以避免空轉的發生，但是事實證明，T1型蒸汽機車不能算是成功的產品。

而且在接下來的一段時間內，關於機車的問題就一直存在，另外對於機車的爭議也沒有停過，不過賓鐵公司很快就不在乎這些問題了，因為在T1交付之後的幾個月，賓鐵公司購置了大量的內燃機車以淘汰老舊的蒸汽機車，並在接下來的2年內逐漸取代了現有的客運蒸汽機車，這也導致了T1型蒸汽機車的退役。關於T1型蒸汽機車的詳細資料以後會以單獨的文章進行介紹。

（4） PRR（賓鐵）Q1型蒸汽機車

在研發S1和T1型客運機車的同時，賓鐵公司還希望將複式蒸汽機車投入到貨運業務中，Q1型蒸汽機車則是貨運版的一個型號，該機車是在1942年5月交付的，軸列式採用了非常特別的4-6-4-4，和前文介紹的N-1型蒸汽機車一樣，該機車的第二組動輪反向安裝，氣缸安裝在了燃燒室下方。機車的動輪直徑達到了1956mm（後經驗證發現，過大的動輪直徑不適合貨運），另外氣缸也採用了和S1、T1一樣的氣缸。這樣反而限制了機車的性能，另外第二組氣缸安裝在了燃燒室附近，高溫和粉塵對氣缸造成了很大的影響。最終這台編號為6130的Q1型蒸汽機車在1946年退役。另外補充一點，Q1型蒸汽機車是世界上第二大蒸汽機車，該機車的輸出功率達到了恐怖的7320馬力，比現在了很多內燃機車都要高出接近1倍。

（5） PRR（賓鐵）Q2型蒸汽機車

有人要問了，Q1型蒸汽機車是世界上第二大蒸汽機車，那麼第一大蒸汽機車是哪一台呢，就是我們接下來要介紹的這款Q2型蒸汽機車，這台機車是在1944年年底問世，不過和Q1不同的是，Q2型機車認識到了Q1型機車的缺陷和教訓，將第二組動輪正置，這樣氣缸就不會受到高溫和粉塵的影響，Q2型蒸汽機車是有史以來世界上最大的非鉸接式蒸汽機車，也是輸出功率最強的蒸汽機車，這台機車的輸出功率達到了7987馬力。和Q1不同，Q2的軸列式換成了4-4-6-4，另外對Q1的一些問題也進行了改進，該機車的牽引力是Q1的兩倍。另外在投入運行之後，Q2型蒸汽機車的性能瞬間甩開了所有的現役機車。另外綜合了S1、T1以及Q1一系列的問題之後，Q2型蒸汽機在運行中沒有遇到任何問題，機車的運行非常平穩，這台機車被認為是最成功的複式蒸汽機車，阿爾圖納車間製造了26台。另外該機車還有一個創新，這是世界上第一台安裝了防空轉系統的蒸汽機車，事實證明該系統可以有效的防止兩組動輪同時空轉的問題，另外降低了單組動輪出現空轉的幾率。不過這樣的額外設備增加了大修時的複雜程度。

雖然說Q2型蒸汽機車非常成功，只可惜生不逢時，1951年，Q2型蒸汽機車的牽引區段全面內燃化，和Q2型同在一個區段的J1型蒸汽機車首先被淘汰，雖然Q2型機車依然還在運行，但是退役也只是時間問題。

關於Q1和Q2型蒸汽機車，後面我會對其進行詳細的介紹。

（6） 法國151A型複式蒸汽機車

在美國複式蒸汽機車蓬勃發展的同時，遠在大洋彼岸的法國在1932年下線了一款複式蒸汽機車，該機車在巴黎-里昂-馬賽公司運營，軸列式2-4-6-2，一共購置了10台，機車主要在公司治下8‰的坡道上牽引重載貨運列車。和美國的複式機車不同，法國的這款複式機車兩組動輪之間還有內部連杆相連，表面看該機車的軸列式是2-4-6-2，但是通過內部連杆的連接作用，該機車實際上和2-10-2的軸列式蒸汽機車沒有任何區別。1933年12月19日，機車進行了首測，機車以74km/h連續牽引列車運行了60km，機車在過載情況下輸出功率3000馬力。後來投入運營之後，機車可以牽引1247t的列車在8‰的坡道上以50km/h的速度運行，後來該線路電氣化改造，1956年退役並報廢。

4、 結束語

時至今日，沒有任何一台複式蒸汽機車被成功的保存下來，這是非常可惜的。有意思的是，關於這種蒸汽機車性能問題的爭議卻一直沒有停下來，很多人認為即使在技術先進的今天，想要完全避免複式蒸汽機車的空轉問題也是不可能的。不過他們達成了一個共識，複式蒸汽機車的出現確實解決了當時蒸汽機車發展的一個瓶頸。目前有一個名為T1 Trust的非營利組織正打算製造一台複式蒸汽機車，該機車還原賓鐵T1型蒸汽機車，車號5550，該組織旨在完成當年T1一些缺陷的改進並能夠讓該機車具備更優秀的性能特點，該項目預計完成時間是2030年。

PS：文章主要內容來源，維基英文百科

其他參考：《賓鐵力量》，《機車配置文件24》（非出版個人資料），《美國複式蒸汽機車》等