问题

有什么办法可以让蒸汽火车活过来呢?

回答
想要让一列老旧的蒸汽火车重新焕发生机,这可不是一件简单的事情,它更像是一次与时光的对话,需要耐心、技术,还有对历史的热爱。这不仅仅是把引擎发动起来,而是要让它在岁月的沉淀后,再次发出那熟悉的汽笛声,吐出那标志性的白烟,带着它曾经承载的记忆,在轨道上缓缓前行。

首先,你需要找到一辆“休眠”的蒸汽火车。这些火车可能静静地躺在某个废弃的车站、博物馆的角落,或者被遗忘在某个偏僻的仓库里。找到它们是第一步,也常常是最具挑战性的一步,因为你需要了解哪些地方可能还保存着这些宝贝,并且要获得它们的“所有权”,这其中可能涉及各种许可和手续。

当你终于把它“领”回家后,真正的挑战才刚刚开始。这就像给一位年迈的病人做一次全面的体检和手术。

1. 全面的“身体检查”:

结构完整性: 首先要检查车身、车架、转向架等结构是否有严重的锈蚀、变形或者断裂。钢材会随着时间而老化,特别是在潮湿的环境下。每一个铆钉、每一块钢板都需要仔细检查,确保它还能承受蒸汽的压力和列车的运行。
锅炉: 蒸汽火车的心脏就是锅炉。这是一个高压容器,工作时会承受巨大的压力和高温。锅炉的安全至关重要。需要检查锅炉的钢板是否有腐蚀、龟裂,焊缝是否完好,所有安全阀、水位计、压力表等是否齐全且功能正常。这通常需要专业的检测机构进行无损检测,比如超声波探伤,来评估锅炉的真实状况。如果锅炉有任何安全隐患,就必须更换或者进行彻底的修复,这可是个大工程,成本也非常高。
发动机部分: 蒸汽机是蒸汽火车“动起来”的关键。你需要检查汽缸、活塞、连杆、滑阀等所有运动部件。它们是否磨损严重?密封是否完好?所有的轴承是否需要更换?这些精密部件的修复和调整,需要非常有经验的机械师,他们需要了解蒸汽机的每一个工作原理,知道如何让这些古老的零件再次默契配合。
“血液循环”系统: 蒸汽火车就像一个复杂的管道网络。你需要检查所有的蒸汽管道、给水管道、润滑管道。它们是否有堵塞、泄漏?阀门是否能正常开关?所有这些都需要逐一排查和清理。
“神经系统”: 控制蒸汽火车运行的还有一系列的杆、连杆和手柄。这些控制机构是否灵活?连接是否牢固?它们直接关系到司机的操作和火车的响应。

2. 精密的“手术”与“康复”:

修复与更换: 在检查出问题后,就需要动手进行修复。有些零件可能只是需要清理、打磨、重新紧固,但很多时候,由于年代久远,原有的零件已经无法修复,就必须寻找替代品或者根据原始图纸重新制造。重新制造零件是一个非常耗时且昂贵的过程,它需要精确的测量、专业的机床和熟练的工匠。
锅炉的“重生”: 如果锅炉需要修复,那通常会涉及到拆卸、除锈、补焊、更换部分钢板,然后进行水压试验,以确保它能在工作压力下安全运行。这个过程极其严谨,稍有不慎就可能酿成大祸。
发动机的“调教”: 蒸汽机的修复不仅仅是把零件装回去,更重要的是“调教”。司炉和司机需要根据火车的具体状况,调整进气量、排气量、燃油(煤)的燃烧情况,以及各个运动部件的润滑,才能让它以最高效、最安全的方式运行。
细节的打磨: 除了核心的机械部分,你还需要关注火车的其他方面。比如,车辆的连接器(车钩),刹车系统,车灯,驾驶室的仪表和控制面板,甚至车轮和车轴。这些细节都需要被仔细检查和修复。
燃油与水源: 蒸汽火车需要煤(或者其他燃料)和水才能工作。你需要考虑如何为它提供优质的煤,以及如何保证充足的水源。现代的蒸汽火车可能需要特殊的燃料供应商。

3. 点燃“生命之火”:

“点火”仪式: 当所有的修复工作都基本完成后,就可以开始“点火”了。这是一个非常谨慎的过程,需要有人在锅炉旁时刻关注着水温和压力,缓慢地升高温度,让蒸汽逐渐产生。这个过程可能需要几个小时,直到锅炉达到工作压力。
第一次“呼吸”: 当蒸汽压力达到一定程度时,就可以尝试让蒸汽机“呼吸”了。司机会慢慢打开滑阀,让蒸汽进入汽缸,推动活塞。当第一个气缸开始工作,发出低沉的“噗噗”声时,就已经有了生命的迹象。
试运行: 接着就是小心翼翼的试运行。先在原地低速运转,感受蒸汽机的运行状态,听听是否有异常的噪音。然后,在确保安全的情况下,让它在轨道上缓慢前行一段距离,观察它的加速、减速、转向和刹车性能。

4. 持续的“生命维持”:

定期维护: 蒸汽火车不像内燃机车那样可以长期运行而不需太多关注。每一次运行后,都需要进行彻底的清洁、检查和润滑。锅炉需要定期除垢,所有的运动部件都需要得到细致的呵护。
人员的培养: 能够操作和维护蒸汽火车的人才越来越少。所以,培养经验丰富的司炉和司机也非常重要。这需要长时间的实践和学习。
安全规范: 现代的铁路运行都有非常严格的安全标准。让一辆蒸汽火车重新投入使用,需要满足一系列的安全认证和法规要求。

让一辆蒸汽火车“活过来”,这不仅仅是一项工程,更是一项文化传承。它需要的不仅仅是技术,更是一种执着和对过往时代的深情回望。当那沉睡的钢铁巨兽再次咆哮,吐纳白烟,它承载的不仅仅是乘客,更是历史的温度和工业文明的浪漫。这是一种将历史变成活生生体验的魔术,而完成这个魔术的,是无数双手和一颗不曾熄灭的热情之心。

网友意见

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预先提示:图片较多,手机党慎入。

蒸汽机车进入正线运转,在技术上并不存在特别多的难题。电气化区间可能会造成接触网老化速度加快,但是并不会造成结露/挂冰。目前在正线上运营蒸汽机车比较多的国家有英国,南非,美国等。国内目前运行的蒸汽机车基本上都是属于调车/支线小运转,正线基本上已经没有了,不过很多国铁站点依然有让蒸汽机车维持运转的能力。

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先说下国外的情况:

北美:

Class 2/3级的小型铁路公司保留蒸汽机车运转的非常多,例如当年从集通铁路购买QJ级的Iowa Interstate (衣阿华州际) 等,Class 1级的官方运转目前只有Union Pacific (联合太平洋)

图 1. Union Pacific FEF-3 Class No. 844 (i)

英国:

英国铁路私营化之后,部分难以盈利的/技术规格老化的区间被出售给私人变成遗产铁路(Heitage Railway),这些私营的线路里保留了不少当年英国国铁退役的蒸汽机车,也有从国外买进来的,比如从中国买进来的KD6。目前大部分进入正线的长途蒸汽机车牵引的运转都是由大英铁路博物馆负责协调/维护的。

自从1960年起,英国铁路系统不再引入蒸汽机车,但是94年一个由车迷发起的基金会历时14年重新造了台新的蒸汽机车(图2)。

图 2. British Railways A1 Class 60163 "Tornado" (ii)


图 3. British Railways Standard Class 7 70013 "Oliver Cromwell" (iii)


如果题主考虑的是让蒸汽机车进入国铁正线运转的话,应当要先解决这几个问题:
1. 线路标准(例如曲线半径和限界)
2. 机车交路(如何保证机车的可用性和可靠性?如果一个比较长的交路的话调度可能是个问题)
3. 联控设备 (机车信号,以及列尾装置)
4. 机务设施(蒸汽机维修保养和内燃/电力没有可比性)

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1. 单独讨论限界的话,大部分区间都是可以对蒸汽机车比较友好的;然而因为蒸汽机车排气对于背压要求比较高,长大隧道和低净空区间对于长期性运转并不合适。另外因为机车走行部受车架限制大,某些新建机务段可能并不具有容纳蒸汽机车的能力;蒸汽机车整备只能在侧线进行,然而这存在一个未知的安全风险,以及效率也是个问题。
2. 机车交路一直是蒸汽机车的软肋,但是客货分离后蒸汽走既有线的调度问题可能还好解决,但是这时候续航又是个问题;国内基本上都是小运转就和续航本身的关系非常大。英国/南非等是有既有设施未淘汰,北美的做法是加挂一节煤水车(实际上主要是装水)。后者可能对于国内之后的正线蒸汽机车运转更具有参考性。以及蒸汽机车本身不能经常熄炉,不然对于锅炉寿命影响非常大,长期的燃料费用也是非常可观的¥¥¥。
3. 联控和列尾…只能指望甲方push乙方工程师了,理论上难度并不是很大,然而蒸汽机车制动机和内燃/电力不一样:压缩机做功来源是蒸汽,另外蒸汽司机本身的操作已经很多了,如何确保不添堵又是一个问题。
4. 主要的问题在于架修厂和转向设备(人字线/回车盘),蒸汽机车理论上可以后退,但是在运转中是非常避讳的一件事,因为瞭望条件不够;另外因为结构本身的问题,蒸汽机车的完全检修需要把机车吊起来(更换轮对之类的)。不少蒸汽机车都到了大修的年龄,以至于需要非常彻底的维修才能保证安全。到达寿命的部件需要被替换,以及性能劣化的部件需要补强,在缺乏大规模生产的情况下成本非常高。(尤其是轮对等铸造件需要非常精密;另外机车的踏面制造难度也是非常高。)

另外 @懒洋洋 提到的滑动轴承的问题实际上是限于解放时期的工业生产能力,大部分机车使用滑动轴承是为了避免过于复杂的维护;实际上满铁的部分机车(SL7/SL8型)都是滚动轴承,在沈局一直用到80年代末期,现在被博物馆收藏了。

其实维护的问题非常早就出现了,尤其是英国;为了省人工和成本干脆就让一批机车干脆进厂重建一次,所以有不少打着重建(Rebuilt)旗号,但是各个性能指标和旧型差距非常大的机车。

不差钱的土豪选择这么干:

图 4, 图 5 . 等待大修中的Union Pacific Big Boy 4014 (iv, v)

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可能的实现方案

保留现有的机车队伍可能是一个临时的低成本解决方案,然而保养起来的困难程度很可能导致后续经营不了了之...因为成本和人力都吃不消。

如果参照英国人的套路重建一批QJ/JS也是可以,一个是因为很多机车构造年龄比较低(QJ/JS都是80年代末期停产),另外一个是保有量非常大。但是为了经济性/环保法规要求方面考虑,应该重新改造锅炉。具体的提升应该包括而不限于:燃烧方式(波特炉改造在QJ上进行过试验,但是没有投入后续生产),锅炉压力,过热器,乏汽装置等...这样一个是可以降低运营成本,另外也可以针对目前或者未来的铁路系统进行某些功能上的预留。另外煤水车应该优先考虑设计成两节以上来维持比较长的续航距离。以及较大的空间在某些程度上也允许进行机供化改造。北美的部分机车为了维持经济性允许通过消防水管进行上水的工作,然而在缺乏上水设备的地区,多节(2-3节)煤水车可以减少不必要的技术停车从而在某种程度上提高运行可靠性和燃料经济性。


图 6. 运转中的Union Pacific FEF-3 Class No. 844,注意煤水车后面附加的6轴水车。即使原配水车可以装载89吨水,但是在干旱缺水的大盆地地区依然不是足够可靠的。

凝汽式煤水车也可以考虑,但是某些情况下可能会损失牵引效率。凝汽式设计也可能带来某些不必要的复杂装置,满铁在41年曾经对机车进行过凝汽式改造,实验续航能达到1600公里,但是并没有继续量产。目前还在少量使用的只剩下南非铁路25型凝汽式蒸汽机车/SAR Class 25。

要解决燃料的问题应该从燃烧本身进行考虑。锅炉的设计应该以考虑多种燃料,但是以固体燃料为主以适应国内目前多煤少油的环境。可能的方法包括但不限于流化床和煤气化改造,但是流化床燃烧对于燃料的适应性更合适,;另外由于整个过程在火箱内完成,相对来说更加节省燃料。但是缺点在于对于背压要求高,以及需要考虑脱硫的问题。即使是使用秸秆类的生物质燃料,硫含量占干重的平均值也在0.38%左右。目前可行的方案可能是直接使用碳酸钙进行脱硫,但是缺点在于可能会提高灰分。对于煤气化的好处来说,首先是不需要除渣(没有灰份);其次是可以直接附加内燃机进行机供化改造(从锅炉引入低参数蒸汽也是可行的方案,但是因为没有成品可能会有安全性/可靠性/实用性上的问题)。

但是实际上考虑到和现有的使用场景对应的话,重新测绘或者使用RM/SL 7/SL 8/KF型的图纸进行建造可能是更合适的方案。重载电气化铁路的下基本上很难用蒸汽机车牵引货运列车,国内以前已有的几种客运/混合型机车可以具有更高的运行速度(110-130 km/h),改造锅炉等结构件,达到可靠性要求之后,应该可以适应既有线的运行-调度机制。


暂时的结论

如果能把蒸汽机车引入正线牵引的话,应该在达到整备/维修条件下,同时具有修理厂。但是考虑到蒸汽机车存量少,维修大的糟糕现状,修理厂基本上也应该具有制造蒸汽机车的能力。远期的话应该参照和借鉴60-80年代国外最后一代设计的经验和教训和国内的运转经验重新做一批图纸,在可能的条件下维持小批量,但是可持续性的几种型号的生产。



引用来源:

i. Union Pacific Steam. (n.d.). Retrieved December 20, 2017, from up.com/aboutup/special_

ii. “LNER Peppercorn Class A1 60163 Tornado.” Wikipedia, Wikimedia Foundation, 17 Dec. 2017, LNER Peppercorn Class A1 60163 Tornado.

iii. 由D Rawlings - 自己的作品,CC BY 2.5,File:OliverCromwell.JPG - Wikimedia Commons

vi. UP: Steam Update: Refurbishing an Articulated Locomotive Requires Plenty of Flexibility, up.com/aboutup/communit.

v. UP: Steam Update: With Disassembly Complete, Big Boy Fabrication Underway, up.com/aboutup/communit.

vi. 04_15_09_162xp_-_Flickr_-_drewj1946.jpg: Drew Jacksich from San Jose, CA, The Republic of California derivative work: Bruce1ee CC BY-SA 2.0,File:Union Pacific 844, Painted Rocks, NV, 2009 (crop).jpg

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