Catechism of the locomotive Matthias N. Forney and Georg Kosak 929 downloads.pdf

古腾堡计划电子书：《机车教义》

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书名：《机车教义》
作者：马蒂亚斯·N·福尼、乔治·科萨克
发布日期：2025年6月25日 [电子书编号#76379]
语言：英语
最初出版地：布里奇波特：F.凯皮出版社，1874年
更多信息及格式：www.gutenberg.org/ebooks/76379
致谢：彼得·贝克尔、哈里·拉梅以及https://www.pgdp.net上的在线分布式校对团队（本文件是由互联网档案馆提供的图片制作而成的）

*** 古腾堡计划电子书《机车教义》开始部分 ***

请参阅本文末尾的转录说明。大多数插图可通过点击或在新窗口/标签页中打开来放大查看。

图版二：美国机车的纵截面图。由新泽西州帕特森市的格兰特机车厂提供。比例尺：3/8英寸=1英尺。

图版三：
美国机车结构图。
由新泽西州帕特森的格兰特机车厂提供。
比例尺：3/8英寸=1英尺。

机车结构概要

作者：马修·N·福尼，机械工程师。
收到2.50美元款项后，将通过邮局寄送，邮资已预付。
弗雷德里克·凯皮，科学书籍出版商，地址：康涅狄格州布里奇波特市州街38号。

根据国会法案，由《铁路公报》于1874年提交，存档于华盛顿的国会图书馆。

前言

书籍与个人一样，也有其历史背景；因此在介绍它们时，有必要详细阐述其起源与发展历程。本书的诞生便是如此：《铁路公报》的出版商获得了乔治·科萨克所著的《机车构造与运行指南》一书。由于当时尚未有该书的英文译本，该报的编辑们决定将其翻译过来，并根据美国在机车蒸汽机制造与管理方面的实际情况进行改编，然后发表在自己的期刊上。于是他们完成了翻译工作，并将译文交由作者根据原书意图进行修改和调整。然而，在作者开始修改之前，他就已经开始撰写关于机车的入门性著作。在修改科萨克先生著作的第一部分内容时，发现其中涉及的内容仅限于作者自己初步规划中的极小一部分。因此，他决定放弃“改编”科萨克著作的初衷，转而重新撰写，打造一本全新的书。不过，就书中的核心理念、部分结构以及许多有价值的资料而言，作者必须承认自己借鉴了科萨克先生的成果。在少数情况下，译文中的某些表述是直接引用原文的，没有加上引号，但会在脚注中注明出处。在处理其他几本书籍时也采用了类似的方法，这样做是为了避免将段落和句子拆分成零散的部分并使用大量引号。

在撰写《机车指南》时，参考并使用了以下书籍：廷德尔教授所著的《热作为运动的一种形式》；巴尔弗·斯图尔特所著的《能量守恒》；D.K.克拉克所著的《铁路机械》；泽拉·科尔伯恩所著的《机车引擎论》；W.J.M.兰金所著的《蒸汽引擎论》；以及《指示器》。

鲍辛格教授所著的《机车实验》；查尔斯·T·波特所著的《理查兹蒸汽指示器》；J.布罗西乌斯与R.科赫合著的《机车驾驶员培训手册》；A.莫兰所著的《力学》；小J.P.库克所著的《新化学》；C.怀伊·威廉姆斯所著的《煤炭燃烧与烟雾防治》；罗伯特·威尔逊所著的《蒸汽锅炉原理》；美国铁路机械师协会的报告；威廉·S.奥钦克洛斯所著的《联动阀的工作原理》，以及约瑟夫·W.豪博士所著的《紧急情况及其处理方法》。

对于这本书的标题，或许有必要作出说明：在几乎所有人的印象中，“教义问答”一词都与早期的宗教与神学教育相关联，因此将“机车教义问答”这样的名称用在本书上，难免会让人觉得荒谬而非科学。科萨克先生的书在决定重写之前就已经使用了这个标题，后来也认为没有必要再更改它。对于那些对此感到好笑的人，可以参考伯恩先生所著的优秀著作《蒸汽机教义问答》作为例证；如果他们查阅韦氏词典中“教义问答”的定义，就会发现其含义是“一种包含某一学科或艺术领域基本原理的入门书籍，尤其多用于宗教领域，以问答形式呈现，有时还会附有注释、解释及参考资料”，而这正是本书的目的所在。

对于那些习惯于阅读书籍和进行学习的人来说，这种教义问答式的表达方式可能显得繁琐笨拙，但对于那些尚未养成良好学习习惯的人来说，它却有着明显的优势。因为通过提问，能够首先让读者清晰地了解所要探讨的主题，这样一来，后续的解释或指导就更容易被理解，而如果没有提出这样的问题，理解起来就会困难得多。

作者感谢D.B.格兰特先生，因为他提供了许多插图，这些插图正是本书中所展示的机车细节图的基础；同时也要感谢那些为全页插图提供机车图纸的机车制造商们。此外，作者还得到了机械工程师理查德·H.布埃尔、哈德逊河铁路公司的机械师威廉·布坎南、欣克利机车厂的厂长弗兰克·D.柴尔德，以及伊利诺伊中央铁路公司机械部门副主管E.T.杰弗里的宝贵帮助。

撰写本书的目的是为人们提供关于现代机车引擎的原理、结构及工作方式的清晰易懂的说明。这一主题在现有的同类书籍中都未能得到简洁而充分的阐述。如果作者能够让普通读者也能理解他所写的内容，那么他的目标就已然实现。
纽约百老汇73号。

目录

页码
前言 iii
引言 ix
第一部分：蒸汽机 1
第二部分：空气与蒸汽的作用力 8
第三部分：功、能量以及热的机械当量 22
第四部分：滑阀 30
第五部分：蒸汽的膨胀 47
第六部分：机车引擎的总体结构 62
第七部分：机车锅炉 71
第八部分：锅炉的附属装置 115
第九部分：节流阀与蒸汽管道 155
第十部分：气缸、活塞、导杆及连杆 164
第十一部分：阀门机构 181
第十二部分：传动装置 268
第十三部分：粘着力与牵引力 319
第十四部分：机车内部的干扰力 328
第十五部分：其他内容 335
第十六部分：螺纹、螺栓与螺母 341
第十七部分：给水装置 349
第十八部分：摩擦与润滑 358
第十九部分：燃烧过程 365
第二十部分：列车的阻力 406

XXI. 机车的比例 412
XXII. 不同类型的机车 427
XXIII. 列车连续制动系统 442
XXIV. 机车的性能与运营成本 448
XXV. 水箱与转车台 451
XXVI. 机车的检查 461
XXVII. 机车的运行 478
XXVIII. 机车的事故 509
XXIX. 事故与人身伤害 533
XXX. 机车司机的责任与资格 544
机械师、机车司机、消防员等所需书籍清单 550
插图 551

附录：
I. 蒸汽性质表 585
II. 双曲对数表 590
III. 不同类型燃料的性质表 594
IV. 列车阻力表 596
索引 598

引言。

《机车问答手册》旨在为各类读者服务，其中包括各种铁路管理人员与员工，如机车司机、司炉，以及在铁路工厂中从事机车及其他铁路机械设备制造工作的各类技工。除此之外，还有许多业余工程师、学生，以及那些直接或间接对铁路感兴趣的人士；更有不少人对各类信息都抱有强烈的求知欲。显然，要让这本书适合所有目标读者群，唯一的办法就是将其写得尽可能通俗易懂，让普通读者也能轻松理解。因此，本书采用了作者所能使用的最清晰的语言来表述内容，所涉及的主题也以最简单明了的方式呈现，尽量避免使用复杂的科学或专业术语。唯一偏离这一原则的地方在于，为了节省空间，书中使用了代数符号来表示算术运算。这样做是为了便于表达，同时因为人们认为这些符号即便对于完全不懂代数的人而言也容易理解。对于那些不懂代数的人，这里有如下解释：
假设需要将两个数字相加，比如1,872和468。如果用常规的算术方法计算，结果如下：
1,872
468
2,340
显然，这样的书写方式会占用好几行空间。而如果我们用代数方式来表示这个计算，只需这样写即可。

将两个数字放在一起，并在它们之间加上“+”号，这个符号称为加号，它表示要将这两个数相加，例如：1,872 + 468。为了表示两数相加后的结果，会在两个数字之后、它们与结果之间加上“=”号，这个符号称为等号，例如：1,872 + 468 = 2,340。其含义为：1,872加上468等于2,340。使用加号和等号的好处在于能够节省书写时间以及印刷空间；一旦人们习惯了它们的使用，就能一目了然地看出各种运算的结果，这一点将在后面进一步说明。与加号表示“相加”类似，减号则表示“减去”，例如：1,872 - 468 = 1,404，这相当于“1,872减去468等于1,404”。乘号表示“乘以”，例如：1,872 × 468 = 876,096，也就是说，1,872乘以468等于876,096。除号则表示“除以”，例如：1,872 ÷ 468 = 4，其含义为：1,872除以468等于4。

同样的运算也可以通过在股息下方画一条线，再将除数写在该线下方来表示，即：
1,872
= 4.
468

这些符号可以以多种方式组合使用。例如，如果我们想先将1,872与468相加，然后再将所得的和除以117，那么为了表示这一运算过程，就需要如下书写：
1872
468
117)2340(20
234
0

用代数方式表示则是：
1872 + 468 ÷ 117 = 20

如果想要在上述结果20的基础上再加上124，运算过程如下：
1872
468
117)2340( 20
234 124
0 144

这种运算也可以这样表示：
1872 + 468
+ 124 = 144.
117

如果我们想将商20乘以124，只需在124前面加上×号即可，即：
1872 + 468
× 124 = 2480.
117

减法或除法的符号也可以以同样的方式使用。

有了这些解释，相信只要具备最基本的四则运算知识，任何人都能理解后续页面中的所有数学内容。此外，对于用机械图来表示机器及其他结构的方法，或许也需要稍作说明。

A B

C D

如果我们想要表示某个物体，比如苹果的外形，就可以像A所示那样绘制它的图样。而如果想展示苹果的内部结构，也就是种子和果核，就可以将苹果切成两半，然后像C所示那样进行表示，这种图样就被称为苹果的剖面图或截面图。如果按照从上方俯视的角度来表示苹果的形状，就像B所示那样，那么这种图样就被称为顶视图或平面图。

显然，我们也可能希望看到苹果中种子的排列情况，也就是当苹果沿着A图中的a-b线被切开时的样子，如图D所示。因此，存在两种类型的剖面图：一种是以垂直方向切割物体而得到的，称为垂直剖面图；另一种则是以水平方向切割物体而得到的，称为水平剖面图，如图D所示。

同样，当我们观察火车头或其他物体时，引擎的形态会因我们所处的位置而有所不同。如果我们站在火车头的侧面，就能看到引擎的那一部分，因此表示侧面的图样就被称为侧视图或侧立面图。而如果我们站在火车头的前方，所看到的火车头形状则被称为前视图或前立面图；如果我们站在火车头的后方，所看到的则是后视图或后立面图。图I为侧视图，图II为剖面图，图III为顶视图或平面图；标题页上的插图为火车头的前视图，图71则为火车头的后视图。如果绘制的图样是假设物体被倒置后、从上方观察时的样子，那么它就被称为反转型平面图。

[1] 在图III中，火车头的锅炉已被移除。

显然，对于几乎任何物体，尤其是机器，都可以制作出许多不同的剖面图。例如，我们可以假设火车头被沿纵向垂直切开，就像图II所示那样，这种图样就被称为纵剖面图。火车头也可以被横向切开，如图40所示，这种图样则被称为横剖面图。当然，对于像火车头这样的机器，也可以在许多不同的位置进行横剖面图的绘制——比如可以像图40那样从烟囱处切开，或者像图42那样从更后面的锅炉处切开。通常，当以圆柱形物体的轴线为切面来绘制剖面图时……

对于烟囱或锅炉之类的物体，其截面会通过其中心线来显示。不过，如果从图纸或雕版上无法看出这一点，就必须说明应从何处进行切割——例如，苹果的D截面位于图A中的a-b线上，而C截面则位于c-d线上。在绘制截面图时，那些需要被切开的部位通常会用等间距的平行对角线来标示，正如苹果的C和D截面所示。有时，截面也会以实心黑色表面来表示，如图II、III以及图66中泵的雕版所示。那些位于其他物体后面的物体，则常常用虚线来表示，以此表明它们的位置。因此，苹果的种子就用A点来标示。在机械类图纸中，人们还习惯于对所描绘的物体进行大幅度的简化处理，通过移除或拆分某些部分来使结构更加清晰。需要记住的是，这类图纸的目的并非要呈现物体在肉眼看来时的样子，而是让人们的头脑能够理解其结构与工作原理。因此，在这类图纸中，所有的透视效果都被忽略了。若要解释其中的缘由，将会涉及太多内容，所以读者只能接受这一结论而不必寻求证明。

机车教义问答。

第一部分：蒸汽机
问题1：普通蒸汽机所使用的动力源是什么？
答案：蒸汽的膨胀力。
问题2：这种蒸汽的膨胀力是如何被利用的？

图1：
比例尺：3/8英寸=1英尺。
A. 气缸。
B. 活塞。
R. 活塞杆。
D. 前端气缸盖。
C. 后端气缸盖。

答案：这种膨胀力是通过将蒸汽引入气缸（图1中的A）来发挥作用的。气缸内装有活塞B，该活塞可以密封地从气缸的一端移动到另一端。如果蒸汽从C处进入气缸，就会推动活塞B移动到气缸的另一端。当活塞到达该端后，若让蒸汽排出，并通过开口向气缸内注入新的蒸汽，这一过程就会重复进行。

d，这会再次将活塞推回原位。通过交替地在一端引入蒸汽、在另一端排出蒸汽，活塞就会产生往复运动；这种运动通过一根称为活塞杆的杆件传递到气缸外部，该活塞杆能够通过气缸盖上的开口实现气密连接。

[2] 在所有普通机车中，气缸的布置方式是：活塞杆作用的那一端为C端，位于后方；另一端D则位于前方。因此，气缸的两端分别被称作前端和后端。

图2。

比例：3/8英寸=1英尺。
A. 气缸。
B. 活塞。
R. 活塞杆。
c和d. 蒸汽通道。
g. 排气口。
V. 滑动阀。
H. 排气腔。
f.f. 阀座。
I. 蒸汽室。
M. 阀杆。
r.r. 摇臂。
F.F. 飞轮。
s. 摇臂轴。
G. 偏心轮。
K. 偏心轮皮带。
L. 偏心杆。
E. 连接杆。
P. 曲柄。
N. 曲柄销。

图3。

图4。

c和d：蒸汽接口。
g：排气接口。

图5。
比例尺：3/8英寸=1英尺。

问题3：活塞的这种往复运动是如何转化为旋转运动的？
答案：通过将活塞杆R的末端（见图2）用另一根称为连接杆的杆E与曲柄P相连，而曲柄则固定在旋转轴S上。显然，当活塞B沿着箭头R所示方向移动时，曲柄就会沿着箭头N所示方向旋转。然而，当曲柄到达图5中虚线所示的位置时，无论向哪个方向推动活塞，都无法再使曲柄和转轴产生旋转运动。当曲柄处于实线所示的相反位置时，也会出现同样的情况。这两个位置被称为曲柄的死点。

问题4：普通蒸汽机的曲柄是如何越过死点的？
答案：固定式蒸汽机通常配备有一个大型且沉重的轮子，即飞轮（见图2中的FF），该飞轮固定在转轴S上。当曲柄从一个死点移动到另一个死点时，飞轮会从曲柄那里获得足够的动量，从而帮助曲柄越过这些死点。

问题5：蒸汽是如何进入和排出气缸的？
答案：蒸汽通过图2中所示的c、d两个通道进入气缸，这两个通道被称为蒸汽通道，它们嵌入在气缸内部。这些通道的末端是一个光滑的平面ff，称为阀座。阀座上的开口则被称为蒸汽口。在两个蒸汽口之间还有一个开口或腔体g，称为排气口。

这些端口与外界空气相连。如图4所示，这些端口的形状为长而窄，图4为其平面图。在这些端口上装有一个称为滑阀的阀门V，该阀门通常由铸铁制成，其底部有一个腔体H。通过将滑阀前后移动，就可以交替地遮盖或露出两个蒸汽端口。阀门及阀座被置于一个由铸铁制成的箱体内，该箱体在图2中标记为II，被称为蒸汽箱；蒸汽通过管道J从锅炉进入该蒸汽箱。当阀门处于图2所示的位置时，前端的蒸汽端口处于开放状态，蒸汽便能进入气缸的前端，从而推动活塞向末端移动。当活塞到达末端后，若将阀门移至图3所示的位置，后端的蒸汽端口就会打开，蒸汽便能进入气缸的那一端。同时，前端的蒸汽端口c以及排气端口的开口都会被滑阀中的腔体所遮盖，这样，进入气缸前端的蒸汽就可以通过蒸汽端口c排出，进而流入外界空气中。通过这种方式，通过交替前后移动阀门，蒸汽可以依次从一个端口进入，从另一个端口排出，反之亦然。

图6。

G. 偏心装置。
K. K. 偏心带。
L. 偏心杆。

问题6：如何控制滑阀的移动，以便在适当的时间让蒸汽进入和排出？

答案：这是通过所谓的偏心轮来实现的。偏心轮是一个圆形盘状物G（见图6），其轴线并不位于中心位置。偏心轮的外侧被一个金属环KK包裹着，该金属环由两半组成，被称为偏心轮皮带。偏心轮通过螺丝或键与轴相连，从而随轴一起旋转，并在偏心轮皮带内部转动。在偏心轮皮带上还连接着一根杆子L，称为偏心轮杆。从图6可以看出，当偏心轮在皮带内部旋转时，它会带动杆子L做往复运动。偏心轮G、皮带K以及杆子L在图2中有所展示。在描述它们的工作原理，或者更确切地说，它们与阀门V之间的连接关系之前，有必要先了解：通常情况下，阀座位于气缸的顶部，而在这种位置下很难将偏心轮杆与阀门连接起来。因此，为了方便起见，人们会在气缸与发动机的主轴之间设置一个称为摇臂的部件rr。这个摇臂有两个臂，这两个臂都固定在轴s上，并且会像虚线所示那样围绕该轴做振动运动。偏心轮杆L通过销钉与摇臂的下臂相连，而阀门则通过一根称为阀杆或阀门杆的杆子M与摇臂的上臂相连。显然，当轴S和偏心轮G旋转时，就会使摇臂产生往复或振动运动，这种运动会通过阀杆传递给阀门；只要将偏心轮固定在轴上的适当位置，使其相对于曲轴和活塞处于正确位置，就能让阀门在恰当的时间实现蒸汽的进出，从而完成气缸内的气体交换。

第二部分：空气与蒸汽的力量
问题7：什么是空气压力？
答案：空气压力是指空气的重量对与其接触的每一个点所施加的压力。地球表面被一层厚度约为50英里的空气层所包围，和其它物质一样，空气也有重量，因此会对其接触的任何物体施加压力。
问题8：如何证明空气有重量？
答案：可以通过测量装满空气的烧瓶的重量，以及将空气抽出后的烧瓶重量来进行验证。在空气被抽出的情况下，烧瓶的重量会明显小于装满空气时的重量，这表明原来在烧瓶中的空气增加了它的重量。
问题9：为什么我们感觉不到这种压力？
答案：因为空气从四面八方包围着我们，各个方向的压强大小相等，所以这些压强会相互抵消，处于平衡状态。但如果打破这种平衡，比如从一个一端封闭的管子中抽出空气，空气就会附着在舌头上；或者在正常情况下，厚皮革不会粘附在任何物体上，但若将其彻底浸湿并紧紧压在光滑的石头表面，把下面的空气挤出，那么正如大多数学生所知道的那样，只要在皮革上系上一根绳子，就可以把石头抬起来。又或者，如果从一个一端插入液体的管子中抽出空气，液体就会被压入管子中。这些现象都是由于大气压力作用的结果：在第一种情况下，压力使人的舌头贴在管口上；在第二种情况下，压力使皮革贴在石头上；在最后一种情况下，空气的重量作用于液体表面，使其进入管子中的真空区域。

图7。
比例尺：1/4。

问题10：大气压的数值是多少？如何测量它？
答案：通常是通过单位面积上所受的压力来测量的，地球表面的这一数值为15磅。[3] 例如，如果……

如图7所示，有一个圆柱体A，其上装有一个密封的活塞B，该活塞的面积为1平方英寸。如果我们通过管道C将活塞上方的空气排出，空气就会对活塞的下表面施加压力。如果不需要额外的力量来克服活塞在圆柱体内的摩擦力，那么这种气压就足以抬起15磅重的物体。不过，随着人们离开地球表面越来越远，气压会发生变化：在山上或热气球中，上方的空气层变得更薄，因此其重量和压力都会减小；而在深矿井中，空气层则更厚，压力也就更大。[3]通常情况下，人们认为标准大气压为每平方英寸15磅，但实际上平均大气压应为14.7磅。

问题11：什么是蒸汽？
答案：蒸汽是水在受热作用下变成气体后的形态。在任何温度下，水的表面都会产生水蒸气，这些水蒸气在一年中的各个季节都会形成云朵。不过，这种水变蒸气的过程仅在低温时才会发生在水的表面。但如果我们将水在容器中加热到212华氏度，那么位于容器加热表面上的水分子就会变成蒸汽，并以气泡的形式上升至表面，这就是我们所说的沸腾现象。不过，不能认为从水壶或蒸汽机排气管中冒出的可见雾状物就是真正的蒸汽——那些其实是蒸汽与冷空气接触后凝结而成的小水滴。真正的蒸汽是无形的，我们可以在水壶口或蒸汽机排气管附近观察到这一点，因为此时确实没有蒸汽逸出。

问题12：如果在敞口容器中加热水，会发生什么？
答案：水温会持续上升，蒸发速度也会逐渐加快。最终，水蒸气气泡会不断产生并上升到表面，此时沸腾现象就开始了。一旦开始沸腾，水温就会停止上升，保持不变，直到所有水都蒸发掉为止。唯一的不同在于，如果提供的热量充足，沸腾过程会很快；而如果热量不足，则沸腾过程会很缓慢。开始沸腾的温度点被称为沸点。

问题13：沸点取决于什么？

答案：主要取决于水面的压力，但在一定程度上也与水的纯度有关。因此，在普通大气压下水在212度时沸腾，而在海拔较高的地方，由于空气密度较低，水沸腾的温度会远远低于低地。同样，在被手的热量抽走了空气的玻璃管中，水在92度时就会沸腾。

问题14：在敞口容器中，从沸腾的水中逸出的蒸汽的压力是多少？
答案：它恰好等于水沸腾时所在环境的大气压力。通常情况下，这一数值为15磅/平方英寸，对应的沸点为212度；但如果我们身处大气压力仅为10磅/平方英寸的山区，那么水的沸点将为193.3度，此时逸出的蒸汽压力也与大气压力相同，即10磅/平方英寸。相反，如果我们在大气压力为20磅/平方英寸的矿井中，水需要被加热到228度才会沸腾，此时逸出的蒸汽压力则为20磅/平方英寸。

问题15：如果在像带盖茶壶或蒸汽锅炉这样的封闭容器中煮水，会发生什么？
答案：蒸汽会上升并充满水面上方的空间，如果无法逸出，其压力就会上升。随着压力的增加，水和蒸汽的温度也会上升，而且只要继续加热，或者直到蒸汽能够逸出或容器爆炸，这种上升趋势就会持续下去。随着蒸汽压力的增加，沸点也会升高。

问题16：是否存在与蒸汽和水的温度相对应的压力？
答案：存在。当蒸汽与水接触时，每个温度都有固定的压力值，如果不同时对水进行加热或冷却，这个压力是不会发生变化的。水的温度越高，相应的蒸汽压力就越大。例如，212度时的水产生的蒸汽压力等于大气压力；240度时，蒸汽压力为25磅/平方英寸，比大气压力高10磅/平方英寸；281度时为50磅/平方英寸；328度时则为100磅/平方英寸。由于这种压力与温度之间的关系是固定的，只要知道其中一个数值，就能推断出另一个数值。不过，这仅适用于蒸汽与水接触的情况。

称为饱和蒸汽。如果将其与水分离，就可以将其加热到更高的温度，此时就被称为过热蒸汽。
问题17：如何测量蒸汽的压力？
答案：与测量大气压力相同——即通过作用在每平方英寸表面上的力来测定。例如，若将蒸汽引入图8中活塞B下方的圆柱体A中，该活塞的表面积为一平方英寸。假设如前所述，无需额外动力即可克服其在圆柱体内的摩擦力，那么当这些蒸汽所产生的压力刚好能与大气压力相平衡时，其压力即为15磅/平方英寸。如果除了要克服大气压力外，还能举起15磅重的物体，那么其每平方英寸的压力则为30磅/平方英寸。当将大气压力与蒸汽压力相加时，所得数值称为绝对蒸汽压力。不过，在普通发动机中，蒸汽始终必须克服大气压力，因此只有超过大气压力的那部分压力才是有实际作用的。例如，尽管图8中活塞下方的蒸汽的绝对压力为30磅/平方英寸，但它实际上只能举起15磅重的物体，因为它首先必须克服活塞另一侧空气的压力。因此，大多数固定式发动机及机车所使用的蒸汽压力，都是以超过大气压力的数值来表示的。也就是说，如果蒸汽只能举起15磅重的物体，那么它的压力就是15磅/平方英寸；如果能举起50磅重的物体，其压力则为50磅/平方英寸，以此类推。大气压力则不予考虑，所有用于机车的蒸汽压力表也都是按照这种方式标定的。因此，今后在讨论蒸汽压力时，除非另有说明，否则所指的都是有效压力而非绝对压力。

图8。
比例尺：1/4。

问题18：蒸汽膨胀指的是什么？

答案：在所有气体中，各个粒子之间都会存在斥力，因此无论气体的量有多少，它总会填满其所处的容器。蒸汽也具有这种性质，当被置于某个容器中时，其中的粒子会试图彼此分离，从而对容器的各面施加力。我们把这种力称为蒸汽压力。为说明这一点，假设图8中的圆柱体A内装有压力为30磅/平方英寸的蒸汽，且该圆柱体只被填充了一半。如果此时切断蒸汽供应，圆柱体内的蒸汽将会膨胀并推动活塞向上移动，不过这种推力会逐渐减弱，其具体原理我们将在后面解释。

问题19：什么是蒸汽的体积？
答案：指的是蒸汽所占的空间。

问题20：蒸汽的体积与压力之间有什么关系？
答案：如果温度保持不变，那么蒸汽的体积与压力成反比；也就是说，当一个量增加时，另一个量就会以相同的比例减少。假设将压力为30磅/平方英寸的蒸汽引入图8中的圆柱体A中，然后通过关闭阀门C来切断蒸汽供应，让圆柱体内的蒸汽膨胀到原来体积的两倍，此时蒸汽压力将为15磅/平方英寸；如果蒸汽膨胀到原来体积的三倍，其压力则仅为原来的三分之一，即10磅/平方英寸。这种计算蒸汽膨胀后压力的方法仅适用于绝对压力，而不适用于有效压力。要确定蒸汽膨胀后的有效压力，只需用绝对压力进行计算，再从结果中减去大气压力即可。如果在此之后再次将活塞向下推，使蒸汽压缩回原来的空间，只要没有热量损失，其压力仍将保持在30磅/平方英寸。

问题21：对于具有特定冲程的圆柱体，我们如何大致确定在某个特定截断点处蒸汽膨胀后的压力？
[4] 活塞的冲程是指它在圆柱体内的移动距离，在普通发动机中，这一距离始终是曲轴中心到曲柄销中心距离的两倍。
[5] 当用于向圆柱体内输送蒸汽的阀门被关闭时，就意味着蒸汽已被截断。

答案：将汽缸中蒸汽在切断前的每平方英寸绝对压力，乘以从行程开始到切断点的距离，再将乘积除以整个行程长度。例如，若某汽缸的活塞行程为24英寸，在8英寸处切断蒸汽，且汽缸内的绝对压力为90磅/平方英寸，则计算如下：

90 × 8 ÷ 24 = 30磅/平方英寸，即为最终压力。如果在10英寸、12英寸和15英寸处切断蒸汽，最终压力则分别为37½磅/平方英寸、50磅/平方英寸和56¼磅/平方英寸。要得到有效压力，需从该数值中减去大气压力。

问题22：蒸汽的体积与生成它的水的体积之间有什么比例关系？

答案：在大气压力（15磅/平方英寸）下，1立方英寸的水可以产生1,610立方英寸的蒸汽。在两倍的大气压力，即30磅/平方英寸下，产生的蒸汽体积略多于其一半，约为838立方英寸；在四倍的大气压力，即60磅/平方英寸下，产生的蒸汽体积为437立方英寸，约为大气压力下的四分之一稍多一点。

问题23：为什么在高压下蒸汽的体积并非严格与压力成反比？

答案：如前所述，随着压力的增加，水的沸点也会升高，因此在这样的压力下产生的蒸汽温度也高于低压下的蒸汽温度。由于所有气体都会因受热而膨胀，所以高压下的蒸汽体积会略大于与压力成反比时的体积，这是由于高温导致的膨胀作用。举例来说，如果将1立方英寸的水转化为大气压力下的蒸汽，其体积将为水的1,610倍，温度为212华氏度。如果将相同量的水转化为两倍大气压力下的蒸汽，其体积将为水的838倍，温度则为250.4华氏度。如果蒸汽体积真的与压力严格成反比，那么在两倍大气压力下，1立方英寸的水只能产生805立方英寸的蒸汽；但由于该压力下的沸点高出38.4华氏度，所以实际产生的蒸汽体积会更多。

由于沸点升高，蒸汽的热量增加，使其体积从33立方英寸扩大。
[6] 更精确地说，如果将大气压力定为15磅/平方英寸，那么沸点为213.1华氏度。
附录中的表格列出了在绝对压力高达300磅/平方英寸时的饱和蒸汽的压力、温度和体积。
问题24：蒸汽的冷凝指的是什么？
答案：所谓蒸汽的冷凝，就是通过冷却蒸汽或使其失去部分热量，使其重新变为水。已经证明，要产生特定压力下的蒸汽，必须将水的温度提升到一定程度。如果反过来，让蒸汽失去部分热量，那么部分蒸汽就会立即重新变为水，即发生冷凝，而剩余蒸汽的压力则会随着热量的流失而相应降低。当大气压力下的温度低于212华氏度时，所有的蒸汽都会被冷凝。由于蒸汽在发动机中能够做的有用功取决于其压力，而压力又与温度有关，因此任何热量的损失都会降低其有效功率。正因如此，应尽可能避免蒸汽机中的热量浪费。
问题25：在普通蒸汽机中，蒸汽的热量是如何被浪费或损失的？
答案：热量通过三种方式被浪费：第一是传导；第二是对流；第三是辐射。
问题26：这三种现象分别指的是什么？
答案：1. 所谓传导，是指当我们把一根两三英尺长的金属棒的一端放入火中加热时所出现的现象。热量会逐渐从金属棒的一个原子传递到另一个原子，最终，离火最远的那一端会变得非常热，以至于无法触碰。这时就可以说热量是通过金属棒传导过去的。同样地，锅炉、管道、气缸以及发动机其他部件的金属表面也会在一侧被加热，热量随后会传递到这些部件的外部。
2. 这些部件周围的空气会被加热，由于这些加热后的空气比冷空气轻，它们会上升，然后又被未加热的空气取代。这样，热量就通过空气被带走了，这种现象就被称为对流。

3. 如果将一块铁板放在普通火炉前方三到四英尺处，让它暴露在火源的热辐射下，很快它就会变得非常热，以至于无法用手触碰。如果将手放在铁板与火源之间，会发现只有手部接触火源的那侧会变热，这说明铁板与火源之间的空气温度远不及铁板本身的温度，因此热量并非通过该处的空气传递给铁板，而是由火源的辐射直接传递的。这种现象被称为辐射。任何发热物体都会出现同样的现象，比如用于室内供暖的蒸汽管道、蒸汽锅炉或发动机的汽缸。

问题27：不同物质的导热能力和辐射能力是否存在差异？
答案：是的，差异很大。只要将木头和铁棒的一端放入火中，就能看出它们导热能力的差异——木头会被烧尽，而离火源几英寸远的铁棒却不会明显变热；而由于棉花和羊毛的导热能力不同，我们夏天穿棉质衣服，冬天则穿羊毛衣，因为棉质衣服能让身体散发的热量散发出去，而羊毛则能很大程度上阻止热量流失。出于同样的原因，街上的栗子摊主会用毯子把栗子包起来以保持其温度，也就是让热量留在里面；而在夏天，人们则用同样的方法包裹冰块以保持其低温，也就是防止空气中的热量进入冰块内部。羊毛作为极差的导热材料，能够阻止热量从内向外传递，反之亦然。正因如此，蒸汽锅炉、管道和汽缸几乎总是被木头覆盖，有时还会用毛毡覆盖。要了解不同物质的辐射能力差异，可以取一个大型温度计并将其加热至沸水温度，然后将其置于冰点温度的房间中。此时，温度计会通过两种方式散热——一是通过加热周围的空气，即对流散热，二是通过辐射散热。为了仅研究辐射散热这一过程，我们可以假设该房间是真空环境。首先在温度计的感温泡上涂一层薄薄的抛光银，测量其每分钟辐射出的热量，然后再在其表面涂上灯黑，再次进行相同测试。

进行实验——也就是说，将处于沸点的温度计放入处于冰点状态的真空室中让其冷却一分钟——会发现，如果温度计表面涂有灯黑，那么在一分钟内其温度下降的幅度会比涂有银时大得多。这表明，覆盖有灯黑的表面的热量辐射量远远大于经过抛光的银表面。一般来说，经过抛光的金属所辐射的热量要远少于未经抛光的表面。[7] 正因如此，同时也出于装饰目的，机车及其他锅炉和气缸通常都会被覆以俄罗斯铁或抛光黄铜。
[7] 上述实验的描述摘自巴尔弗·斯图尔特所著的优秀小册子《基础物理学教程》；作者经常参考这本书以及同一作者所写的《热学基础论》。

第三部分：功、能量与热的机械当量
问题28：所有的蒸汽机都是用来做什么的？
答案：它们用于产生运动，而这种运动会遇到一定的阻力。例如，如果用蒸汽机将谷物从火车车厢运到仓库顶部，它就必须克服谷物的重量所带来的阻力；如果用它来锯木头，就必须让锯子运转，而此时又会受到木头纤维的阻力；机车则必须推动列车前进，而这一过程会遇到空气阻力、轴颈的摩擦力以及车轮在轨道上的滚动阻力。如果在斜坡上使用机车，除了上述摩擦力外，还必须克服机车自身重量以及随着列车上升而逐渐增加的列车重量所带来的阻力。当发动机产生需要克服阻力的运动时，我们就说它正在做“功”。
问题29：这种功可以准确测量吗？
答案：可以；但为了进行测量，我们首先必须确立某种精确的标准或度量单位。比如，我们会说一根铁棒有若干英寸长，或者一条道路有若干英里长。同样地，在谈论时间时，我们会用秒、分钟、小时、天或年来表示。因此，要想以严格科学的方式估算或测量“功”，就必须要确定某种精确的标准或单位。在这个国家以及英国，人们所采用的单位是提升一磅物体一英尺所需的力量，称为“英尺-磅”。如果我们把一磅物体提升两英尺，那么所做的功就是2英尺-磅；如果提升三英尺，则是3英尺-磅，以此类推。同样，如果把两磅重的物体提升一英尺，所做的功也是2英尺-磅；如果提升两英尺，那么做的功就是4英尺-磅，依此类推。为了确定所做的功的数值，我们必须将所产生的运动量乘以相应的系数。

（以英尺为单位）乘以阻力（以磅为单位），所得结果即为以英尺-磅为单位的功。
问题30：在打桩机将1,200磅的重量提升24英尺的过程中，会做多少英尺-磅的功？
答案：1,200 × 24 = 28,800英尺-磅。
问题31：当这个重量被提升时，用于提升它的力会消失吗？
答案：不会；因为该重量在下落时，凭借其下落过程中获得的动量，仍能够做等量的功。这种在下落过程中获得的做功能力被称为能量。虽然当重量被提升到机器顶部时没有产生运动的动力，但显然此时可以发生一些在它静止在地面上时无法实现的动作。当它静止不动地悬挂在那里时没有能量，但它具备做功的能力，我们可以用“潜在能量”来表示这种运动能力。一旦让该重量开始下落，它下落的距离越远，速度就越高，其潜在能量也就转化为实际能量。
[8] 动量并非一个非常精确的术语，但在这里使用是因为它通常能表达我们想要表达的意思。
[9] 泰恩德尔所著《将热视为一种运动形式》。
问题32：如何解释诸如汽车转弯时车轴发热、刹车时刹车片发热、锤击铁棒时铁棒发热以及切割金属时刀具发热等现象？
答案：所有这些现象都是因为运动的实际能量转化成了热能，这一点已经通过许多聪明且严谨的研究人员的实验得到了反复验证。
问题33：当打桩机的重物下落时，它的能量也会转化成热能吗？
答案：一部分能量用于将打桩所针对的材料压缩，以及克服地球对打桩机的摩擦力，这些过程都会产生热量；另一部分能量则是在重物撞击打桩头时转化成热能的。
问题34：所有的能量都能转化成热能，而热能也能转化成能量吗？

答案：是的。科学已经非常清楚地证明了它们是可以相互转化的。

问题35：是否已经确定1英尺-磅的功相当于多少热量？

答案：是的；通过极其精确的实验可以得知，要将1磅液态水的温度升高1华氏度，所需的热量相当于772英尺-磅的功。需要记住的是，这只是热量的理论换算值，而燃料燃烧所产生的热量中，只有极小一部分能够转化为功。

[10] 温度计有多种刻度。以发明者命名的华氏温标是该国通常使用的温标。

问题36：既然热量可以转化为功，功也可以转化为热量，那么发动机气缸中的蒸汽热量转化为功以及反向过程，能否得到解释呢？

图9：1/8英寸=1英尺。

答案：可以。以图9中的圆柱体为例，为使实验条件尽可能简单，假设该圆柱体处于真空环境中。现在让饱和蒸汽进入活塞下方，使得圆柱体被蒸汽填满一半，此时绝对压力为100磅。如果我们允许……

蒸汽会膨胀到原来的两倍体积，从而在无需做功的情况下推动活塞上升。接着，再在面积为1平方英寸的活塞上施加50磅的负载进行实验，会发现，在抬起重物之后，蒸汽的温度明显低于之前那种无需做功即可膨胀的实验中的温度，这表明有一部分热量是通过做功从蒸汽中提取出来的，换言之，这些热量被转化成了功。如果让蒸汽膨胀并抬起重物之后再把活塞压下去，使活塞下的蒸汽重新压缩到原来的体积，就会发现其温度与之前相同，因为压缩过程中所做的功又转化成了热能。在这些实验中，我们假设活塞不存在摩擦，也没有因辐射或传导而造成的热量损失。在用于压缩空气的机器中也能观察到同样的现象：压缩过程中空气的温度会升高到很高，因此需要用冷水循环来冷却这些机器的缸体。

问题37：热量转化为功这一现象，与问题27中所解释的不同物质的导热性和辐射性之间存在着怎样的实际关联？

答案：热量只是另一种形式的能量，也就是“做功的能力”。这意味着，通过传导或辐射造成的热量损失，会同样程度甚至更严重地降低这种做功能力，因此应当尽一切努力，用那些几乎不导热也不辐射热量的材料来包裹发动机的各个部件，以防止热量流失。同时还要避免冷空气与这些部件接触，除了用于维持燃烧之外——燃烧的原理将在后面解释——冷空气也应远离锅炉的加热表面。

问题38：什么是蒸发潜热？

答案：所谓蒸发潜热，指的是水或其他液体在蒸发过程中似乎消失了的那部分热量。实际上，无论在何种压力下将一定量的水转化为蒸汽，不仅需要将其加热到与蒸汽相同的温度，即沸点，而且在达到该温度后还需要继续添加热量，才能维持沸腾过程。尽管向水中加入了这些热量，但生成的蒸汽温度仍然不会高于沸水的温度，这说明有大量的热量被吸收了，而这些热量的去向就是……

也就是说，水被转化成了气体或蒸汽。如果我们取一磅温度为212华氏度的沸水，将其与一磅温度为32华氏度的冰冷水混合，那么最终得到的就是两磅温度为122华氏度的水的混合物。现在，如果在大气压力下将一磅水转化为蒸汽，这些蒸汽就能把6.37磅的冰冷水加热到122华氏度，这表明，在大气压力下，一磅蒸汽所含的热量是一磅相同温度下水的六倍多。当其他液体蒸发，或者冰或其他固体转化为液体时，也会出现类似的热量“消失”的现象。

问题39：这些现象该如何解释？

答案：虽然目前还不完全清楚导致这些现象的确切原因，但可以肯定的是，当任何物质从固态变为液态，或从液态变为气态时，“大部分热量都用于克服分子间的凝聚力。”我们知道，固体中的分子之间结合得非常紧密，因此需要根据物质的性质来施加不同的力才能将它们分开。我们可以认为，热量被转化成了另一种形式的能量，这种能量能够抵抗分子间的吸引力，因此也就不再具有使温度计中的水银膨胀的能力了。当液体转化为气体时也会出现类似的现象：在液态时，分子可以自由移动，彼此之间的吸引力很小甚至没有；而变成气体后，分子之间则会产生排斥力。此时热量就被转化成了排斥力所对应的能量，因此实际上已不再是热能，自然也不会影响温度计的读数。我们可以通过这样的例子来说明这一点：利用蒸汽产生的热量可以将打桩机的重物提升起来，虽然如前所述热量被转化成了势能，但如果在重物上安装温度计，我们仍然会发现它的温度并没有比提升之前更高。如果能有足够灵敏的仪器来检测重物在下落过程中温度的瞬时变化，我们会发现，在重物获得最大动量、即将撞击下方物体之前的那一瞬间，其温度并不会上升。

尽管在那一瞬间，其势能会转化为动能。然而，如果重物撞击的是不可变形的物体，那么它的动能会立即重新转化为热能，而温度计就能检测到这种热能。所谓蒸发潜热的现象似乎与上述情况非常相似——当水从液态变为气态时，热量会转化为能量，而如前所述，这种能量不会对温度计中的水银产生任何影响。

[11] 巴尔弗勒·斯图尔特论能量守恒。

问题40：什么是蒸汽的总热量？
答案：“蒸汽的总热量”是指将水从某一特定温度提升到给定压力下的沸点所需的热量，以及在一给定压力下使一磅水蒸发时所释放的热量（即蒸发潜热）之和。因此，在标准大气压（14.7磅/平方英寸）下，一磅水的蒸发潜热为966.1单位；而将水从0摄氏度提升到沸点则需要212单位的热量；所以，从0开始计算的标准大气压下蒸汽的总热量为1,178.1单位。在100磅/平方英寸的绝对压力下，蒸发潜热为885.5单位，显热为327.9单位；因此，从0开始计算的总热量为1,213.4单位。

第四部分：滑阀
问题41：在控制蒸汽进入和离开普通发动机的气缸时，滑阀必须满足哪些基本条件？
答案：1. 它必须一次只允许蒸汽进入气缸的一端；2. 蒸汽从一端进入后，它必须能尽快让蒸汽从另一端排出；3. 它必须遮住蒸汽通道，防止蒸汽从蒸汽室泄漏到排气口。

图10：比例尺为3/16英寸=1英寸。
问题42：最早使用的滑阀是什么样的？
答案：即图10中所展示的那种。这种滑阀只要稍有移动，就会打开一个蒸汽通道以让蒸汽进入，同时使另一个通道与排气口相连。通过切割一块……

将普通书写纸裁成与阀门结构相同的形状，然后将其沿直线移动，这样就能清楚地看到阀门的动作了。

图版一：美国机车。由新泽西州帕特森的格兰特机车厂制造。比例尺为1/8英寸=1英尺。

问题43：该阀门是如何控制蒸汽的进入与排出的？
答案：为了解释清楚这一点，需要一系列图表。不过在查看这些图表之前，首先需要说明的是，偏心轮的运动方式其实与小曲柄的运动方式完全相同。实际上，偏心轮就是一种曲柄，只不过其曲柄销的直径被大幅放大而已。在图11至图25中，偏心轮会被表示为小曲柄，而其他大部分部件则仅用其中心线及关键点来表示，以此使图表尽可能简单。这些示意图所采用的参数为：气缸直径为16英寸，冲程为24英寸，连杆长度为7英尺。蒸汽进口的直径为1又1/4英寸，排气口的直径为2又1/2英寸，而位于两者之间的金属构件——即所谓的“桥状结构”——的宽度为1又1/8英寸。偏心轮能产生3英寸的横向位移，这一数值被称为其“偏移量”。在图11中，活塞处于运动起始位置。

回程阶段。此时阀门位于阀面的中心位置，而偏心轴则处于半行程状态。如果曲柄向N方向有丝毫移动，就会使偏心轴移动足够大的距离，从而使前方的蒸汽端口通向蒸汽，后方的端口则通向排气。在图12中，活塞已移动了4英寸的行程；此时阀门已部分打开前方的蒸汽端口，而后方的端口则通向排气。在图13中，活塞又移动了8英寸的行程，此时两个端口都完全打开——前方的端口通向蒸汽，后方的端口通向排气。在图14中，活塞移动了12英寸，即处于半行程状态，此时阀门也移动到了该方向上的最大位置。在图15中，活塞又移动了16英寸，阀门开始回程。在图16中，活塞移动了20英寸，此时阀门几乎已经关闭了通向蒸汽的前方端口以及通向排气的后方端口。在图17中，前进行程结束，两个端口都被阀门关闭。图18、19、20、21、22和23展示了活塞与阀门在回程阶段的状况，其位置与前进行程时的情况相对应。

图11。

图12。

图13。

图14。

图15。

图16。

图17。

比例：1/4英寸=1英尺。

图24。

图23。

图22。

图21。

图20。

图19。

图18。

比例尺：1/4英寸=1英尺。

问题44：还有其他方法可以通过图形来表示阀门的运动吗？
答案：有，那就是所谓的运动曲线。不过，这些曲线很难被清晰地解释，而且由于它们纯属虚拟概念，其本质与作用也难以理解。因此，需要仔细阅读以下说明：
首先，假设图25中的直线ff代表阀门阀面，c和d代表蒸汽入口，g代表排气口，这些线条的绘制比例比前面的图要大。接下来，我们把阀门H画在图11所示的位置，此时活塞处于行程的起始点。为了展示活塞已移动4英寸后的状态，即图12所示的位置，我们会画一条位于ff线下方4英寸且与其平行的直线4-20，然后把代表c、d、g三个接口边缘的线条向下延伸。在水平线4-20上，我们会标出阀门在相同位置时相对于接口c的边缘i、r、i′、r。

如图12所示。接着，我们再画一条水平线，位于ff点下方8到16英寸处，且与ff平行；在这条线上标出图13所示的阀门位置。同样地，我们还会在ff点下方分别画出12、16、20和24英寸处的线条，并在每条线上标出图14、15、16和17所示的阀门位置。最下方的24-0线与ff点之间的距离，就代表了活塞的行程，即24英寸。现在，如果我们从ff线上的阀门边缘h开始，画一条曲线hijklmn，使其经过下方各条平行线上的对应阀门边缘，那么这条曲线就能显示出活塞在每个行程点上阀门相对于蒸汽口c的位置。为便于说明，假设我们画出间距为1英寸、且与ff平行的1-23、2-22、3-21以及4-20这些线条，它们分别代表活塞从行程起点开始移动1英寸、2英寸和3英寸后的位置；这些线条与曲线相交的点，就是活塞移动相应距离时阀门边缘的位置。实际上，这条曲线能够表示活塞在这段行程中的任意位置上阀门的状况。还可以画出5-19、6-18等其他水平线，以表示行程中其余每一英寸的位置。这条曲线hijklmn，也就是所谓的运动曲线，能够显示整个行程过程中阀门边缘的位置以及蒸汽口开口的宽度。由此可以看出，阀门会随着活塞的移动而同时打开蒸汽口c；当活塞移动1英寸时，蒸汽口c已半开；在活塞移动4.5英寸时，蒸汽口完全打开；而在活塞移动19.5英寸时，阀门才开始关闭，直到行程结束才完全关闭。[12] 如果将阀门的纸模剪下来并放在图中各个标记的位置上，或许有助于读者更好地理解阀门的运动情况以及这些运动曲线的特点。

图25。

1/16英寸=1英寸。

类似的运动曲线，如h′ i′ j′ k′ l′ m′ n′（见图25），可用于表示阀门其他边缘的位置，以及回程时的位置。后者以虚线显示。如果我们沿着代表控制气缸后端排气过程的阀门边缘h′的运动曲线h′ i′ j′ k′ l′ m′ n′来观察，就会发现端口d的开启与关闭与端口c的开启与关闭是同步的——端口c用于将蒸汽引入气缸前端，而端口d则负责排气。在整个行程结束之前，这两个端口都保持开启状态。因此，通过这些图表，我们可以得知在行程的任何时刻阀门使端口打开的程度，而且这一数值一目了然。借助这样的运动曲线，就能更精确地分析滑阀的运动情况。

问题45：如图10所示、并通过图25中的运动曲线体现出来的那些阀门缺陷有哪些？
答案：活塞在行程结束之前仍允许蒸汽自由进入，这会对机械造成损害，因为蒸汽会与活塞及其连接部件的动量一起作用，从而在工作部件上产生过大的应力。此外，蒸汽无法在膨胀的情况下从气缸中排出，导致其大量有用能量丧失。蒸汽不能从气缸的一端排出，直到从另一端再次进入，而排气过程需要一定时间，因此在所有废气被排出之前，气缸内始终存在一定的背压。实际上，阀门机构的缺陷常常会导致蒸汽的进出延迟，直到活塞开始运动之后才会发生。

[13] D. K. Clark所著《铁路机械》

问题46：如何克服这些缺陷呢？
答案：可以将偏心轮向轴的前方移动，从而使阀门的动作提前相同的时间，这样蒸汽的进出就会发生在活塞行程结束之前。这样一来，蒸汽就能在更合适的时机进入气缸并发挥作用。

用于缓冲活塞的动量，同时为排气蒸汽在回程之前有足够时间排出提供条件。
问题47：什么是“导程”？
答案：“导程”指的是活塞开始运动时蒸汽通道的开口宽度。在阀门的蒸汽侧，这一数值被称为外导程；在排气侧则称为内导程。在图26中，蒸汽通道的开口h即为外导程，而h′则为内导程。

图26。

比例尺：3/16英寸 = 1英寸。

问题48：什么是阀门的行程？
答案：所谓阀门行程，指的是阀门来回移动的距离，或者换句话说，就是它的冲程。如果摇杆的两臂长度相同，那么阀门的行程就等于偏心轮的位移距离。在之前的示例中，我们选用了偏心轮的位移距离为3英寸，这一数值也就是阀门的行程。

图27。
比例尺：3/16英寸 = 1英寸。

问题49：如何利用滑阀让蒸汽实现膨胀做功？
答案：方法是让阀门产生所谓的“重叠现象”。也就是说，当阀门处于阀座中心位置时，让阀门的边缘与蒸汽通道的边缘相互重叠，如图27所示。如果这种重叠发生在阀门的外部，就称为外部重叠；如果发生在内部，则称为内部重叠。当阀门存在这种重叠现象时，那些覆盖在蒸汽通道上的阀面部分由于宽度大于通道本身，因此在移动经过这些通道时会花费一些时间。在这段时间内，蒸汽会被封闭在气缸的末端，因为此时蒸汽既无法与蒸汽室相连，也无法与排气口相连。图26中的运动曲线清楚地展示了这一过程。在这种情况下，阀门的预行程为1/4英寸。在4½……

当活塞行程达到几英寸时，阀门已移动到该方向上的最大位置，此时蒸汽通道的开口宽度也达到最大值。从这一点开始，阀门会开始关闭蒸汽通道；当活塞行程再增加14½英寸时，蒸汽通道就会被完全封闭，蒸汽也就被切断。通道将保持关闭状态，直到活塞行程达到21¾英寸为止。从运动曲线r s t u v w x可以看出，此时通道c会打开，蒸汽得以排出，或者用专业术语来说，就是蒸汽被释放出来。从蒸汽被切断到被释放的这段时间内，蒸汽会在气缸内进行膨胀作用。

[14] 阀门工作面是指与阀座相接触的阀门表面。

问题50：阀门的重叠量[15]与膨胀程度之间有什么关系？
[15] 这里所说的重叠量，指的是外部重叠量。

答案：在相同的活塞行程下，重叠量越大，蒸汽进入的时间就越短，因此蒸汽有更多的时间和空间来进行膨胀。

问题51：内部重叠量会产生什么影响？
答案：它会延迟蒸汽的释放。如图26所示，该阀门的内部重叠量为1/8英寸。从运动曲线r s t u v w x可以看出，蒸汽是在活塞回程至21¾英寸处被释放的。如果不存在内部重叠量，那么点线y、x所代表的就是阀门的排气边缘，此时蒸汽的释放时间会更早，即在21英寸处。正因如此，对于那些高速运转的发动机，其阀门通常不会设置内部重叠量，因为这会导致蒸汽没有足够的时间排出。实际上，在某些情况下，人们会在阀门上设置所谓的“内部间隙”；也就是说，如图29所示，当阀门处于阀门工作面的中间位置时，它并不会完全覆盖蒸汽通道。这种设计的效果与内部重叠量的效果正好相反，即它会使蒸汽更早被释放。

图29。
比例尺：3/16英寸=1英寸。

问题52：在进气量保持不变的情况下，改变阀门的移动距离会产生什么影响？
答案：增加阀门的移动距离会延长进气时间，同时缩短膨胀时间；而减少其移动距离则会缩短进气时间，进而增加膨胀程度。图28中的运动曲线展示了这一现象——该图中使用的阀门和进气口与图26中的相同，但阀门的移动距离为5英寸而非3英寸。阀门的提前量也保持不变。从运动曲线h i j k l m n可以看出，蒸汽的进入范围仅达到活塞行程的20½英寸处，与图26相比，膨胀时间也相应缩短。通过比较图26和图28还可以发现，当阀门移动距离较短时，进气口的开口程度不如移动距离较大时的情况。不过，实际上可以通过将进气口设计得足够长来解决这一问题，这样即使开口较小，其面积仍足以让足够的蒸汽进入气缸。众所周知，只要进气口的开口面积小于气缸的总面积，就足以确保蒸汽能够顺利进入气缸。

图28。

1/16英寸的刻度相当于1英寸。

问题53：提前角和滞后角如何影响排气过程？
答案：随着外部提前角和滞后角的增大，蒸汽会在冲程的更早阶段释放；同时，由于提前角和滞后角的存在，排气口也会更早关闭，也就是所谓的压缩过程会提前开始。如图25所示，在冲程开始时两个排气口都是完全关闭的；而在图26中，由于存在提前角和滞后角，冲程开始时排气口d几乎是完全打开的。通过观察表示阀门排气边缘位置的曲线r s t u v w x，可以发现活塞尚未完成整个冲程——即还有大约3½英寸的距离需要移动时，蒸汽就已经从排气口c释放出来了。在图25中，排气口c直到冲程开始时才打开，且会一直保持开放状态直到冲程结束；而在图26中，排气口c在回程18英寸处就关闭了，压缩过程也随之开始，这一点可以从虚线曲线中看出。

问题54：连杆的作用如何影响阀门相对于活塞的运动？
答案：连杆会延迟活塞回程时曲轴的运动速度，同时加快其前进时的运动速度。这一点可以通过图14来最好地解释——在该图中，活塞位于气缸中央，即处于回程的中间位置。如果我们用一对长度等于连杆长度的尺子，以轴心f为圆心画出一个弧线ab，该弧线穿过代表曲柄销运动路径的圆的下半部分，那么我们会发现交点a的位置在垂直线cd的下方，这意味着在活塞完成回程的前半段运动时，曲柄销实际上还没有转动四分之一圈。再参考图21，此时活塞同样处于冲程的中间位置但正在向前运动，如果我们以轴心为圆心再画出一个弧线ba并与曲柄销的运动路径相交，就会发现当活塞完成前进冲程的前半段时，曲柄销已经转动了超过四分之一圈。由于连杆存在的这种角度差，所以在活塞回程时曲柄销位于活塞后方，而在活塞前进时则位于其前方。阀门则由偏心轮驱动，而偏心轮又由连杆驱动。

曲轴与摇杆若存在任何不规则现象，这些情况自然会影响到阀门。参考图26可知，阀门关闭的时刻在回程时为14½英寸处，而在进程时则为12英寸处。在进程与回程的阀门开启时刻也存在类似的不均匀性。不过，对于那些以相对较低速度运转的固定式发动机来说，这并不是非常关键的问题；但如果有必要的话，可以通过让阀门的某一端具有更大的提前量或滞后量，或者让其中一个蒸汽通道比另一个更宽，从而使进程与回程的阀门开启时间保持一致。而用于驱动机车滑阀的机构，则为我们提供了调整阀门运动与活塞运动之间关系的手段，进而实现进程与回程阀门开启时间的均衡。具体的实现方法将在后文详细说明。

第五部分：蒸汽的膨胀。
图30。
比例尺：2/3英寸=1英尺。

图31。

比例尺：1/4英寸=1英寸。

问题55：如何通过实验确定活塞在往复运动过程中各点的蒸汽压力？
答案：可以使用专门为此设计的仪器——指示器。其工作原理可以这样解释：假设我们有一个小气缸和活塞T（见图30，放大后的示意图见图31），该活塞通过管道U与气缸A的一端相连。当蒸汽进入气缸A后，会通过管道U流入小气缸T。在小活塞上还装有一个螺旋弹簧ss（见图31），当活塞上升时弹簧被压缩，而活塞下降时则弹簧伸长。在活塞杆V的顶部，还固定着一支铅笔W。在铅笔后面假想有一块卡片abcd，这块卡片可以水平滑动，并始终与铅笔尖保持接触。在活塞T上方和下方只有大气压的情况下，弹簧既不会被压缩也不会被伸长，此时活塞会处于图31所示的位置。如果现在将卡片水平移动，铅笔就会画出一条线g-h，这条线被称为大气压线。接下来假设弹簧的弹性使得活塞上方或下方每有10磅/平方英寸的压力，弹簧就会伸长或压缩1/4英寸；换句话说，活塞上的每1磅/平方英寸的压力会使活塞移动1/40英寸。如果在活塞下方制造出真空状态，那么活塞就会被上方的大气压压下15/40英寸，即3/8英寸。当活塞被压下后，如果我们再次让卡片与铅笔尖保持接触并水平移动，它就会画出另一条线e-f，这条线被称为真空压线。假设我们已经画出了这两条线，且活塞与卡片的方位如图30和图31所示，那么我们还可以通过杠杆L、M、N来让卡片做往复运动——该杠杆以M为支点，另一端通过一根短连杆与活塞杆相连。显然，只要将杠杆的上端L与一根连杆Lc连接到卡片上，活塞B的运动就会带动卡片前后移动，而且卡片的运动与活塞B的运动是同步的，只不过行程较短而已。我们假设卡片的行程等于图31中大气压线和真空压线的长度，即g-h和e-f的长度。现在，如果活塞处于图30所示的起始位置，而我们将具有85磅/平方英寸有效压力（相当于100磅绝对压力）的蒸汽引入气缸A，这些蒸汽会通过管道U进入小气缸T，从而推动活塞向上移动85/40英寸，即2¹/₈英寸。

如图32所示，该位置位于大气压线之上，即真空压线以上100/40英寸或2½英寸处。此时铅笔会在卡片上画出一条垂直线gi（在图32中以虚线表示）。假设蒸汽在活塞行程的8英寸范围内持续进入气缸，之后被切断。当图30中的活塞B移动了这一距离——即其行程的三分之一时，卡片也会移动其行程的三分之一，此时它与铅笔的位置关系如图33所示。由于在卡片移动这段距离期间气缸内的蒸汽绝对压力始终保持在100磅，因此铅笔会画出一条水平线ij。此时蒸汽供应被切断并开始膨胀，其压力随之降低。当发动机活塞处于行程的一半位置时，卡片也处于相同位置，此时蒸汽的膨胀范围将从8英寸增加到12英寸。根据第20题的解答规则，此时的蒸汽绝对压力为66²/³磅，弹簧会将指示活塞向下压，从而使铅笔处于图34所示的位置，即大气压线以上66²/³×40/100英寸处。与此同时，铅笔会画出曲线jk。当活塞移动16英寸时，蒸汽的体积会变为原来的两倍，其绝对压力则为50磅，因此铅笔会位于大气压线以上50×40/100英寸，即1¼英寸处，如图35所示，同时铅笔会继续绘制曲线jk直至l点。当活塞移动20英寸时，蒸汽的绝对压力为40磅；而在整个行程结束时则为33²/³磅。此时铅笔会完成曲线jklmn的绘制，如图36和37所示。这条曲线被称为膨胀曲线，其形状正是数学家们所说的双曲线。如果蒸汽被完全排出，指示活塞就会下降，带动铅笔降至大气压线位置，此时就会画出图38中的垂直线nh。在回程过程中，当主气缸A中的蒸汽被排尽后，铅笔会画出图38中的大气压线gh，从而表明活塞下方已没有蒸汽压力。这样的图表被称为指示图。[16]实际上，还有许多因素会影响这种图表的结果，比如冷凝现象、做功情况以及阀门装置的不完善等，但在此暂不考虑这些因素。[16]实际中用于显示蒸汽机气缸内蒸汽作用情况的指示器，在结构上与我们所描述的有所不同，不过两者的工作原理是相同的。接下来我们将介绍目前最常用的理查德式指示器的结构。

图32。

图33。

图34。

图35。

图36。

图37。

图38。

比例尺：1/4英寸=1英寸。

问题56：如何根据这样的图表确定活塞行程中任意位置的蒸汽压力？
答案：通过测量膨胀曲线（图38）上该位置到真空线或大气压线的垂直距离，例如8j、12k、16l、20m。由于每平方英寸一磅的压力会使指示器活塞上方或下方的弹簧伸长或压缩1/40英寸，因此如果在图38中绘制出以1/40英寸为刻度的标尺，那么其中某一刻度就代表每平方英寸一磅的压力，这一数值是相对于大气压线或真空线垂直测量的结果。如果用相同的刻度数来标记真空线的话……

由于活塞的行程以英寸为单位（见图39），我们可以从这些点画出垂直线，然后通过比较这些线的长度与刻度S来确定压力。例如，线8j的长度为100/40英寸，这说明在活塞行程为8英寸时，蒸汽的绝对压力为100磅/平方英寸；线12k的长度为66²⁄₃/40英寸，这说明在活塞行程为12英寸时，蒸汽压力为66²⁄₃磅/平方英寸。在活塞行程为16、20和24英寸时，垂直线的长度分别为50、40和33²⁄₃/40英寸，因此此时对应的蒸汽压力分别为相应的数值。同样的测量也可以在活塞行程的其他位置进行，比如2、6、10英寸处等。当然，如果从真空线开始测量，得到的就是蒸汽的绝对压力，也就是相对于真空的压力；而如果从大气压线开始测量，则得到的是有效压力，即相对于大气压的压力。[17] 指示弹簧的张力大小会根据需要指示的蒸汽压力而有所变化。

图39。
比例尺：1/4英寸=1英寸。

问题57：如何确定蒸汽在完成整个膨胀行程过程中的平均压力？
答案：可通过以下方法近似计算：首先，将真空线（见图39）分成任意数量的等份，比如六份。从4、8、12、16和20这些分点——它们分别对应着行程的不同距离——画出垂直线，这样就能将指示图分成六个部分。显然，在蒸汽完成整个行程的过程中，压力始终为100磅绝对压力。当活塞从8英寸移动到12英寸时，压力会从100磅下降到66²/³磅；因此在10英寸处，其值几乎就相当于该阶段的平均压力。而从12英寸到16英寸、16英寸到20英寸以及20英寸到24英寸期间，平均压力则分别约为57.1磅、44.4磅和36.3磅。现在，将每个行程等份段中间的压力值相加，再除以分段数，即可得到整个行程过程中的平均绝对压力。而要得到平均有效压力，则需进一步计算。

从计算结果中减去大气压力。在上述情况下，计算过程如下：
100磅、100磅、80磅、57.1、44.4、36.3、6)、417.8、69.6，即为平均绝对压力；15、54.6，则为平均有效压力。

当利用蒸汽进行膨胀作功时，计算平均压力的一种更精确的方法——也是通常采用的方法——是将活塞的行程长度（以英寸为单位）除以蒸汽停止作用的距离（同样以英寸为单位），所得商值即为膨胀比。然后从附录中的对数表中查出该膨胀比的双曲对数，再加上1，再将这个数值除以膨胀比，最后将得到的商值乘以蒸汽进入气缸时的平均绝对压力。这样就能得到整个行程过程中的平均绝对压力。而要得到平均有效压力，则需再减去大气压力。

上述示例的计算过程如下：
24 ÷ 8 = 3，即膨胀比。
1.0986 + 1 = 2.0986，
2.0986 × 100 = 69.95，即为平均绝对压力；
69.95 – 15 = 54.95，即为平均有效压力。

在计算利用蒸汽进行膨胀作功时的平均压力时，需要使用附录中的双曲对数表。

问题58：利用蒸汽进行膨胀作功有哪些优点？
答案：首先，完成相同的工作量时所需的蒸汽量大大减少；其次，由于活塞以及发动机中其他往复运动或旋转部件的快速运动所产生的应力与冲击也显著降低。

在冲程的后半段，蒸汽会膨胀，因此压力会降低。
问题59：如何通过利用蒸汽的膨胀作用来节省蒸汽？
答案：利用蒸汽的膨胀作用时，所需的蒸汽量更少：
1. 因为当高压蒸汽被引入气缸并允许其膨胀至相对较低的压强时，它以低于整个冲程平均压强的压力排出。如果使用与平均压力相同的蒸汽来完成整个冲程，那么它对活塞施加的力将与高压蒸汽膨胀时所施加的力完全相同，但后一种情况下，当活塞到达冲程末端时的压力——即所谓的最终压力——会远远低于前者。蒸汽的压力代表着能量，也就是做功的能力；因此，如果让蒸汽在未做功的情况下以较高的压力排出，那就是能源的浪费。为说明这一点，我们仍采用问题57中用于计算平均压力的相同条件。在那种情况下，蒸汽的平均绝对压力为69.95磅/平方英寸，而当蒸汽排出时，其压力仅为33²⁄₃磅/平方英寸。因此，如果在整个冲程中使用平均压力的蒸汽，那么它排出时的压力将为69.95磅，是膨胀后蒸汽压力的两倍多，不过两种情况下所做的功是一样的。
2. 这种方式还有另一个附带优势：低压蒸汽可以从气缸中更快地排出，相比高压蒸汽而言，气缸出口处的阻力或所谓的背压也会更小，从而有利于活塞的运动。
3. 要完全解释为何利用蒸汽的膨胀作用能带来最大的节能效果，就需要涉及一些较为复杂的科学原理，而这些原理在此处并不适合详细阐述。不过，借助附录中的“蒸汽性质表”[18]，可以通过一些简单的计算来说明这一现象，从而让人清楚地看到利用蒸汽膨胀作用所带来的节能效果。
[18] 该表格摘自科尔伯恩的《机车引擎论》。
在进行计算时，仍将使用之前示例中的相同数据和参数，即直径为16英寸的气缸。

活塞直径为24英寸，行程也为24英寸，蒸汽的绝对压力为100磅/平方英寸，当活塞移动8英寸时蒸汽流就会停止。我们进一步假设，所使用的蒸汽是由60度的水产生的，然后计算每次活塞运动时所需蒸汽所含的热量总量。直径为16英寸的活塞的面积为201平方英寸；由于蒸汽会在活塞移动8英寸的过程中持续进入活塞腔，因此所需蒸汽的体积为201立方英寸乘以8，即1608立方英寸。1立方英尺等于1728立方英寸，因此1608立方英寸相当于1608/1728=0.927立方英尺。根据表格数据，100磅/平方英寸压力的蒸汽重量为0.2307磅/立方英尺，所以上述0.927立方英尺的蒸汽重量为0.2307×0.927=0.2146磅，这就是100磅/平方英寸压力的1608立方英寸蒸汽的重量。根据表格，100磅/平方英寸压力的蒸汽的过零点温度为1213.4度。正如在回答第40题时所解释的那样，要在100磅/平方英寸的压力下使水沸腾，首先需要将水加热到327.9度，然后再额外加热885.5度才能将其转化为蒸汽。在回答第35题时也提到，1磅水温度上升1度所对应的热量就是热量的计量单位。如果有一磅初始温度为0度的冷水，那么要将其转化为100磅/平方英寸压力的蒸汽，就需要1213.4个单位的能量。但由于用于产生蒸汽的水的初始温度为60度，因此需要从1213.4中减去这个数值：1213.4-60=1153.4，这就是由60度的水产生的100磅/平方英寸压力的1磅蒸汽所包含的热量单位。[19]在回答第40题时使用的示例中，蒸汽的压力为100磅有效压力，而此处则为绝对压力。如果1磅蒸汽含有1153.4个单位的热量，那么0.2146磅的蒸汽所含的热量则为1153.4×0.2146=247.51个单位。

= 以0.2146磅或1608立方英寸的蒸汽来表示的热量单位，该蒸汽的绝对压力为100磅。
在回答第57题时已经得出，在活塞行程8英寸处截断、压力为100磅的蒸汽，其平均压力为每平方英寸69.95磅。忽略这一微小的差异后，可将其视为70磅/平方英寸。如果让这种压力的蒸汽在整个活塞行程中持续作用，那么所需蒸汽量为4,824立方英寸。通过类似上述的计算可以得知，要从60度的水中产生这么多压力为70磅的蒸汽，需要527单位的热量，这一数值是使用在活塞剩余行程中膨胀的100磅压力蒸汽来完成相同工作所需热量的两倍多。实际上，由于高压蒸汽膨胀时会在气缸内因辐射和冷凝等原因损失更多热量，所以实际差异并没有这么大。但即便考虑到所有这些损失和浪费因素，利用蒸汽膨胀做功仍然能带来巨大的优势。

第60题：什么是“减压蒸汽”？
答案：所谓减压蒸汽，指的是蒸汽从锅炉输送到气缸过程中压力所发生的下降，这种压力下降是由于蒸汽管道或阀门的开口变小所导致的。[20]
[20] 兰金。

第61题：通过部分关闭进入气缸的阀门来降低蒸汽压力，会产生怎样的经济效应？
答案：无论通过何种方式降低蒸汽压力，为了完成相同的功，都需要让蒸汽在更长的时间内进入气缸，因而膨胀程度也会降低。为说明这一效应，我们先估算出在上述情况下使活塞承受70磅压力所需的总热量。假设锅炉中的蒸汽压力为100磅绝对压力，经过减压后变为70磅，然后在整个活塞行程中进入气缸。如前文所述，需要4,824立方英寸的蒸汽才能填满气缸。而3,376.8立方英寸、压力为100磅的蒸汽，若被压缩至70磅压力，也能产生4,824立方英寸的蒸汽。因此，要生成3,376.8立方英寸的100磅压力蒸汽，所需的总热量即为……

60摄氏度时水的绝对压力为519.9单位。因此，在我们所选的示例中，若要完成相同的功，使用在行程的三分之一处切断的高压蒸汽、使用全程工作的低压锅炉蒸汽，以及使用全程工作的拉制蒸汽，分别需要247.5、527和519.9单位的热量。

问题62：我们在多大程度上可以利用蒸汽的膨胀特性来实现节能与高效？

答案：从理论上讲，利用蒸汽时的节能效果会随着膨胀程度和压力的增加而提高。下表清楚地展示了这一点：第一列给出了活塞的行程长度，即蒸汽进入直径为16英寸、行程为24英寸的汽缸的时间段；第二列给出了为在所述第一列所示位置切断蒸汽时能产生70磅/平方英寸的平均压力，所需注入汽缸的蒸汽压力；第三列给出了每种情况下生成所需蒸汽所需的总热量；最后一列则显示了由于不同的膨胀程度以及70磅/平方英寸的平均压力所带来的节能百分比。

利用蒸汽膨胀特性的效果如下：

| 行程比例 | 蒸汽初始压力（磅/平方英寸） | 总热量节省量（单位：磅） |
|----------|---------------------------|------------------------|
| 全程工作 | 70 | 527 |
| 行程的4/5 | 72.5 | 408.7 | 22½% |
| 行程的1/2 | 82.7 | 309.5 | 41¼% |
| 行程的1/3 | 100 | 247.5 | 53% |
| 行程的1/4 | 117.4 | 215.9 | 58% |
| 行程的1/6 | 150.5 | 186.5 | 64½% |
| 行程的1/8 | 181.8 | 165.8 | 68½% |
| 行程的1/12| 241.4 | 144.8 | 72½% |

从该表可以看出，从理论上讲，如果在行程的4/5处切断蒸汽，并使用72.5磅/平方英寸压力的蒸汽，可节省22½%的热量；如果在行程的1/2处切断蒸汽并使用82.7磅/平方英寸压力的蒸汽，则可节省41¼%的热量。

在蒸汽压力为117.4磅的情况下进行四分之一次的冲程，可节省58%的热量；而在冲程的十二分之一处让蒸汽压力升至241.4磅，并使其体积膨胀12倍，则可节省72.5%的热量。如前所述，以上便是利用蒸汽膨胀所带来的理论优势。不过，在实现如此高的膨胀程度时存在诸多实际困难。前面已经解释过，如果在冲程早期就切断蒸汽供应并提高膨胀程度，那么蒸汽的压力以及温度也必须随之上升。更高的压力会增加爆炸的风险，因此需要更坚固、成本更高的锅炉和机械设备。当蒸汽温度过高时，气缸、活塞和阀门的金属会变得过热而软化，此时它们之间的摩擦会导致相互磨损或划伤。同时，高温还会破坏与蒸汽接触的润滑油。此外，使用火车上用于控制滑阀的普通机械装置，也无法在冲程的非常早期就引入或切断蒸汽。关于这一难题，我们将在后面进一步详细说明。

第六部分：机车引擎的总体结构
问题63：普通机车引擎的主要组成部分有哪些？
答案：用于产生蒸汽的锅炉，以及一对高压蒸汽引擎。这些部件都安装在一个合适的框架上，同时还有适合在由两根铁轨或钢轨构成的轨道上行驶的轮子。
问题64：高压引擎的动力是如何传递给机车的？
答案：通过将引擎与轮子相连，从而使轮子产生旋转运动。
问题65：当轮子旋转时会发生什么？
答案：要么轮子会在轨道上打滑，要么根据轮子的转动方向，机车会向前或向后移动。
问题66：什么因素决定轮子是会打滑还是机车能够移动？
答案：就是轮子与轨道之间的摩擦力，或者称粘着力。如果这种粘着力大于阻碍机车移动的阻力，那么机车就能克服阻力而前进；但如果阻力大于摩擦力，轮子就会打滑。
问题67：轮子的摩擦力或粘着力大小取决于什么？
答案：主要取决于轮子所承受的重量，但在一定程度上也取决于铁轨的状况。在正常情况下，机车轮子的粘着力与其所承载的重量成正比。
问题68：为什么机车要使用两个气缸？
答案：因为如果只使用一个气缸，一旦引擎停在某个死点位置，就很难或根本无法启动引擎。

问题69：使用两个气缸是如何克服这一难题的？
答案：将两个曲柄连接到同一根轴上，且使它们相互垂直。这样，当其中一个曲柄处于死点位置时，另一个曲柄则处于蒸汽能够对它施加最大作用力的位置。

问题70：普通机车上的曲柄是如何制造的？
答案：这些曲柄是与驱动机车的车轮一起铸造而成的，因此这类车轮被称为驱动轮。在这个国家，这类车轮的中间部分始终由铸铁制成，外部则包裹着锻铁或钢制的轮辋，再将其固定在机车的轴上。机车发动机的轴被称为主驱动轴，而连接在轴上的车轮则称为主驱动轮。

问题71：机车的气缸和驱动轮通常是如何布置的？
答案：气缸A以及I、II、III号部件位于机车的前端，而主驱动轴B则位于它们后方足够远的位置，这样才能让连杆C与曲柄上的销D相连。在这个国家，现在的曲柄普遍安装在车轮的外侧，因此气缸必须相距足够远（如图40和III图所示），以便连杆能够与曲柄销相连。因此，气缸被安置在框架H、H之外（III图中的框架则在车轮内部），而且现在的气缸几乎都是水平的，不过在旧式发动机中，气缸往往呈倾斜状态。I图是普通美国八轮机车的侧视图，II图是纵向剖面图，III图是平面图，而图40则是穿过气缸和烟箱的横向剖面图。

图40。

1/4英寸的刻度相当于1英尺。

问题72：较小的轮子EE叫什么？它们的作用是什么？
答案：它们被称为转向轮，用于承受机车前端的气缸及其他部件的重量，同时还能引导并稳定机车，其具体作用将在后文详细说明。

问题73：为什么机车需要多于一对的驱动轮？
答案：因为如果将使机车车轮与轨道之间产生足够摩擦力以拉动重物所需的所有重量都集中在一对轮子上，那么这个重量将会过大，从而导致铁轨被压坏。因此，这些重量通常由两对轮子来分担，有时也会用三对、四对甚至更多对轮子来承担。

问题74：第二对驱动轮通常位于何处？
答案：这类轮子被称为后驱动轮或从动驱动轮，在我国常用的机车类型中，它们位于主驱动轮的后面，距离足够远，以便在两个轴之间为锅炉G留出足够的空间，如图I、II和III所示。

问题75：如何确保轴、气缸等部件保持正确的相对位置？
答案：通过纵向框架H、H、H、H来固定轴的位置，这些框架既与气缸相连，也通过I、I处的螺栓固定在锅炉上，如图I所示。

问题76：如何让机车发动机能够向前或向后运转？
答案：每个气缸都有两个偏心装置J、J，如图III所示（图II中也有所展示）。其中一个偏心装置固定在与轴相连的位置上，从而控制阀门的动作，使发动机朝一个方向运转；另一个偏心装置则使发动机朝相反方向运转。这两个偏心杆的末端连接着一种称为连杆L的部件，如图II和III所示，其作用是便于快速地将偏心杆与摇臂K连接或断开。连杆则通过一套杠杆系统来操控，该系统包括升降轴M、臂N、N以及反向杠杆O、O，如图II所示。这些装置的工作原理将在后文进一步详细说明。

问题77：机车锅炉的主要部件或“器官”有哪些？
答案：1. 火炉室，也称为火箱G（见图II），其周围被水包围。2. 圆柱形部分PP（见图I和图II），一端与火箱相连，另一端则与被称为烟箱的腔室Q相连。3. 管道或烟道a a′（见图II及图40），它们将火箱与烟箱连接起来，穿过锅炉的圆柱形部分，且这些管道周围也被水包围。4. 烟囱RR。

问题78：这些部件或“器官”各自的功能是什么？由什么构成？
答案：火箱G为燃烧燃料提供空间，它由锅炉钢板制成的内壳和外壳组成，两者之间的空间充满水；还有由铸铁条构成的格栅bb（见图II），格栅上的缝隙可用于让空气进入以助燃料燃烧，燃料则放置在格栅上；还有一个名为炉门的C，用于向格栅中添加燃料；在格栅下方还有一个用于收集灰烬的容器dd，因此被称为灰斗，该灰斗配有适当的风门n′、n′，用以控制空气的进出。圆柱形部分PP，有时也被称为锅炉的腰部，其中储存了大部分需要加热的水。通常，机车上有100到200根这样的管道，其直径约为2英寸，长度约为11英尺。这些管道将烟雾及燃烧产物从火箱输送到烟箱。由于管道直径较小，烟雾会被分成许多小股，从而增大其与散热表面的接触面积，进而将热量传递给水。烟囱的作用一方面是将通过管道的烟雾排出到空气中，另一方面则是产生强大的气流，这对于燃料的快速燃烧至关重要，同时也有助于收集并熄灭火焰产生的火花。

问题79：机车锅炉中的气流是如何产生的？
答案：通过将废气蒸汽通过管道e、e（见图40）从汽缸引导至烟箱，再让这些蒸汽从图II中标记为排气喷嘴的f、f处的开口排出到烟囱中。这样在烟囱中产生的强大蒸汽流就能形成气流。

真空装置可将烟雾以强大的力量吸入烟箱，然后再将其排出烟囱，释放到空气中。
问题80：在火车行驶过程中，所需的水和燃料是如何输送的？
答案：水储存在一个呈U形结构的水箱中，这样其两个分支或侧面之间就有空间用来存放燃料。这个水箱装在轮子上，构成一个独立于火车的单独车辆，被称为水车；其结构将在后面的章节中详细说明。
问题81：火车各主要部件的尺寸是多少？
答案：火车的构造、大小和性能差异很大，但在这个国家最常用的类型——也是前面示例中所采用的类型，以及《问答手册》后续章节中将要介绍的类型——拥有4个驱动轮和4个从动轮，工作状态下的重量约为60,000磅。其各主要部件的尺寸如下：驱动轮的直径约为5英尺，而从动轮的直径则在26到30英寸之间。驱动轮中心之间的纵向距离通常为7英尺，而从动轮中心之间的距离则为5英尺9英寸。从后部驱动轮中心到前部从动轮中心的距离，即轮距，为21英尺8英寸。每个驱动轮的重量约为10,000磅，而每个从动轮的重量约为5,000磅。气缸的直径为16英寸，活塞的行程为24英寸，连接杆的长度则为其两端销轴中心之间的距离，为7英尺。气缸中心在轨道上的间距约为6英尺。烟箱的内部长度为5英尺，宽度为2英尺11英寸；锅炉的圆柱部分在最窄处的直径为4英尺。烟箱周围的储水空间宽度约为3英寸。共有140根烟管，其外部直径为2英寸，长度为11英尺。烟囱内部的直径为16英寸，从铁轨顶部算起的高度为14英尺3英寸。水车可以携带约1,800加仑的水以及约8,000磅的煤。装满货物后，水车的重量约为40,000磅，因此火车加上水车的总重量为100,000磅。

以下是标在图版I、II、III以及图40上的字母所对应的部件列表。

A、A：气缸。
B：主驱动轴。
C、C：主连接杆。
D、D：主曲柄销。
E、E：转向轮。
F：从动轮的轴。
G：火箱。
H、H、H：框架。
I、I：框架夹具。
J、J：偏心装置。
K、K：摇臂。
L、L：连杆。
M：提升轴。
N、N：提升臂。
O、O：倒车杆。
P、P：锅炉的气缸部分。
Q：烟箱。
R、R：烟囱。
S：导流装置或集烟装置。
T：前灯。
U：铃铛。
V：沙箱。
W：哨子。
X：圆顶。
Y、Y：驾驶室或操作间。
Z：后从动轮的曲柄销。
A′：泵的空气室。
B′、B′：主驱动轮。
C′、C′、C′：供气管道。
D′：前端平台。
E′：缓冲木板。
F′、F′：后驱动轮。
G′：连接销。
H′：摩擦片。
I′：止回阀。
K′、K′：踏板。
L′：放气阀。
M′：泥浆桶。
N′、N′：驱动弹簧。
P′：泵。
R′：活门或格栅。
S′：蒸汽压力表。
T′、T′：进气管道。
U′、U′：前部偏心杆。
V′、V′：后部偏心杆。
X′：提升轴弹簧。
Y′、Y′：减震器。
Z′：推杆。
a、a′：管道。
b、b：格栅。
b、d

第七部分：机车锅炉
问题82：在相同时间内，机车锅炉产生的蒸汽量与固定式发动机及船舶用发动机锅炉产生的蒸汽量相比如何？
答案：相对于其尺寸而言，机车发动机锅炉在相同时间内必须产生比其他类型发动机锅炉更多的蒸汽（或许蒸汽消防车上的锅炉除外），因为机车锅炉所占空间及其重量都受到限制。
问题83：如何提高机车锅炉的产汽能力，使其超过船舶用锅炉和固定式锅炉的产汽能力？
答案：通过让强气流从炉膛中穿过，然后让烟雾和热空气经过许多被水包围的小管子。这样一来，烟雾和热空气会被分成许多小股气流，这些气流会接触到管子的内壁以及周围的水，从而将热量传递给它们。
问题84：如何解释排出的蒸汽如何在烟囱中形成气流？
答案：排出的蒸汽从一个或两个收缩状的开口或排气喷嘴中排出（见图版II中的f，也见于图40[21]），这些喷嘴直接指向烟囱或烟道的中心。排出的蒸汽以极高的速度喷出，并在上升过程中膨胀，从而填满管道p以及烟道RR。它的作用类似于一个被强力推入烟囱的活塞，会将上方的空气向上推动；由于空气颗粒之间的摩擦作用，它还会带动周围的空气一起上升，最终所有空气都会逸散到空气中，从而在燃烧室内留下部分真空。此时，外界的大气压力会迫使空气从燃烧室内的各个开口进入，以填补那些已被排出的空气。而唯一的进气途径就是那些小管子。

燃烧产生的气体可以自由地从火箱中排出，而外部空气则只能通过炉栅以及正在燃烧的燃料才能进入火箱。只要废气从蒸汽管中排出并上升至烟囱，就会持续有空气从炉栅中流入。因此，在一定范围内，所需的蒸汽量越大，产生的蒸汽量也就越多；因为发动机所使用的所有蒸汽在排出时都会带动空气进入，从而促使火焰燃烧并产生更多蒸汽。[22] 有时每个气缸会使用一个蒸汽出口，如图II、III和图40所示；而在其他情况下，每个气缸的废气则通过同一个出口排出。[21] “蒸汽出口”这一术语也常被用来指代机车上的这些部件。[22] 出自《科尔伯恩的机车工程学》。

问题85：为使普通列车以正常速度行驶，需要蒸发多少水来产生所需的蒸汽？
答案：对于一台重量为60,000磅、气缸直径为16英寸、行程为24英寸的普通“美国式”机车而言，每小时需要蒸发6,000到12,000磅的水。[23] 所谓“美国式”机车，指的是如图I所示的那种具有四个驱动轮和一个四轮车架的机车，此后我们将继续使用这一术语。

问题86：在通常情况下，一磅煤能蒸发多少水？
答案：一磅煤所能转化为蒸汽的水量会因煤的质量以及锅炉的结构和状况而有很大差异，但普通机车的平均效率约为每磅煤可蒸发6到8磅水。因此，为了产生普通发动机所需的蒸汽量，每小时需要燃烧500到2,000磅的煤。

问题87：要燃烧这么多煤，需要多大的炉栅面积？
答案：最大燃烧速率大约为每平方英尺炉栅表面每小时可燃烧125磅煤，因此要燃烧2,000磅煤，就需要约16平方英尺的炉栅面积。

问题88：对于给定尺寸的炉栅，需要多大的加热表面积？
答案：通常情况下，每平方英尺炉栅需要约50平方英尺的加热表面积。不过，其实并没有固定的标准。

所给出的格栅或加热表面的比例数值，其实并非绝对精确的，因为实践证明这些数值在实际情况中也能起到良好的作用。不过可以肯定的是，在其他条件相同的情况下，锅炉的体积越大，其加热表面相对于所需产生的蒸汽量而言也就越大，这样一来，它的燃料消耗效率就会越高；换言之，每磅煤所能蒸发的水量也会更多。

问题89：为什么为了获得足够的加热表面积，必须使用直径较小的管子或烟道？

答案：因为在长度相同的情况下，直径较小的管子所具有的表面积要远远大于直径较大的管子。例如，直径为2英寸、长度为11英尺的管子，其表面积为829平方英寸；而直径为4英寸的管子，其表面积为1,658平方英寸，是前者的两倍。不过，直径为4英寸的管子所占的空间却是前者 的四倍，因为它的高度和宽度都是前者的两倍。因此，按所占空间比例计算，直径为2英寸的管子的表面积是直径为4英寸的管子的两倍。如果将直径为2英寸的管子与直径为8英寸的管子进行比较，会发现前者按尺寸比例计算的表面积是后者的四倍。由于机车锅炉的尺寸和重量都受到限制，因此为了在有限的空间内获得足够的加热表面积，就必须使用直径较小的管子。

此外，直径较小的管子还有另一个优点：它们可以用较薄的材质制成，却仍能具备与那些由较厚金属制成的大管子相同的抗内压或外压的能力。薄管子的优势在于，其中的热量能够更快地传递到外部的水中，这在机车锅炉这种燃烧速度极快的设备中非常重要。

之所以通常不使用直径小于2英寸的管子，是因为这类管子容易被灰烬及未燃尽的燃料堵塞。

问题90：机车的火箱是如何构造的？

答案：火箱通常是一个矩形结构（见图41和42中的G），宽度约为3英尺，而以我们作为示例的机车尺寸来看，其内部长度约为5英尺或5.5英尺。这个箱子由铁、钢或铜等金属板构成，除了正面之外，这些金属板的厚度在5/16英寸到3/8英寸之间。这个箱子就被称为火箱。

火箱的内壳被另一层外壳所包围，如图42所示，这两层外壳均由铁板或钢板制成，其厚度与构成内壳的板材大致相同。这层外壳被称为火箱的外壳。如前所述，它的尺寸远远大于内壳，因此在内外壳之间存在着一个宽度在2½到4½英寸之间的空间，这个空间被称为水室。

该空间的宽度取决于轨道之间的距离，也就是所谓的轨距。上述尺寸是针对4英尺8½英寸轨距而言的。

内壳的顶部称为顶板，它是平的，而外壳则是弧形的，如图42所示。在内壳的前板上装有管道a a′、a a′。正因如此，顶板的厚度通常会比其他板材更大，一般在3/8到3/4英寸之间。在火箱每个角落处，两块板材相接的地方，如图41和42所示，会被弯成直角，另一块板材则通过直径为5/8到3/4英寸的铆钉固定在第一块板材上。

火箱的内壳与外壳通过一根锻铁棒或环（如图41和42中的A F所示）连接在一起，这根棒或环完全环绕着内壳，从而封闭了两者之间的水室。这根棒经过弯曲和焊接处理后能够环绕火箱底部，并通过铆钉固定在两层外壳上。水室中的水可以与锅炉中的其他水自由流动；因此，火箱各层的平面部分会承受蒸汽的巨大压力，这种压力有可能导致外壳破裂、内壳塌陷。仅靠这些平面结构是无法抵抗这种压力的，但由于作用在火箱上的应力方向相反，且当表面积相等时应力大小也相等，所以人们会在板材上每隔一定距离——通常为3½到4½英寸——拧入直径为3/4到1英寸的拉杆，以此将两个火箱牢牢固定在一起。这些拉杆的末端也会通过铆接或锤击的方式加以加固，以提高其固定效果。由于锅炉的膨胀收缩以及其他应力作用，这些拉杆经常会断裂；如果它们是由实心金属棒制成的，那么不拆开锅炉就无法确定其是否仍然处于良好状态。

这些部件应当由最优质的锻铁、黄铜或铜制成，而且应该是管状的，即中间要有孔。这样，当部件出现断裂时，水就会从裂缝处流入孔中，从而通过漏水现象显示出缺陷与危险。由于这个原因，实际存在的危险性要比通常认为的要大得多；在拆解锅炉时，常常会发现大量固定螺栓已经断裂。

图41。比例尺：1/4英寸=1英尺。

图42。

比例：1/4英寸=1英尺。

问题91：如何计算锅炉平面上、各支撑螺栓之间的应力？
答案：将相邻支撑螺栓之间的面积（以英寸为单位）乘以压力即可。因为每颗支撑螺栓都必须承受其所在板件上的压力。如图43所示，螺栓s必须承受其周围螺栓v、t、w、u之间那部分板件的一半所受的压力，或者承受边长等于这些螺栓中心间距（4英寸）的正方形abcd所受的压力。在压力为每平方英寸100磅的情况下，每颗螺栓所承受的力为：4×4×100=1,600磅。

图43：比例尺为1½英寸=1英尺。
拉杆所承受的应力绝不能超过其断裂强度的八分之一或十分之一。
问题92：拉杆为何常常会在未断裂的情况下失效？
答案：可能是由于拉杆或连接板上的螺纹被撕裂或损坏，但更常见的原因是孔与孔之间的连接板发生拉伸。在巨大压力作用下，尤其是当这些连接板被加热到很高温度时，它们会向外膨胀，从而使各个方向的孔径变大，最终导致拉杆被拔出，而螺纹则不会受到太大损伤。

问题93：如何加强平顶结构或顶板呢？
答案：有时会使用与侧部结构相同的固定螺栓来加强它，这些螺栓穿过内壳和外壳；[25]但通常情况下，顶板是通过一系列铁条来加固的，这些铁条被称为“顶梁”，它们被放置在顶板的边缘处，且具有相当的厚度，通过T形铆钉或螺栓牢牢固定在顶板上。因此，只有通过弯曲这些强度极高的铁条，才能使顶板被压碎。这些铁条通常横向布置，贯穿整个火箱的长度，但有时也会纵向布置。如图42所示，这些铁条仅在两端与火箱接触，而且通常带有凸起部分，这些凸起部分可以抵在侧板的边缘上。在用于固定铆钉的螺栓或铆钉穿过的位置，会在钢板与铁条之间放置厚度为3/4到1又1/2英寸的铁环或垫圈。这样可以让水在铁条下方流动，从而防止顶板被烧毁或过热——因为如果水无法流经顶板下方的话，顶板就很容易过热。[26]此外，这些顶梁还通过支撑件与外壳及穹顶相连。[25]这种加固顶板的方法在巴尔的摩与俄亥俄铁路以及雷丁铁路中被广泛采用，现在在欧洲也极为常见。[26]出自《科尔伯恩的机车工程学》。

图41中的开口c位于后端，是用来插入燃料的通道。

问题94：炉栅是如何构造的？
答案：炉栅一般由铸铁条制成，对于燃烧煤炭而言，这些铁条的排列方式使得可以通过移动铁条来搅动火焰。而用于燃烧无烟煤时，炉栅则由锻铁管制成，水会在这些管子中流动，从而防止炉栅过热。

问题95：如何防止灰烬和未燃尽的煤炭从炉栅掉落到轨道上？
答案：可以在炉栅下方安装一个铁制容器或灰斗（如图41中的d′d′所示），该容器可以将炉栅完全与外界空气隔开。这样做有两个好处：首先，当发动机停止运转时，防止空气进入火箱非常重要，因此灰斗会被设计成紧密贴合火箱的结构；其次，还可以通过合适的门或风门来控制空气的流通。

它们被安置在前面、后面，有时也在侧面；根据需要，这些装置可以打开或关闭，以便让空气进入或排出。
问题96：机车的管道或烟道是如何排列的？
答案：这些管道被固定在火箱前端所用的管板上的精确钻孔中（见图41和42中的a、a点），同时也固定在构成锅炉圆柱形部分前端的板材上的类似钻孔中（见图41中的a′、a′点）。这样，它们就实现了火箱与烟箱之间的连接。各管道之间保持的距离为5/8英寸到7/8英寸之间。确定管道孔的位置时，是以某根管道的中心点（见图44中的o点）为圆心，画一个半径为该管道直径与所需间距之和的圆，然后将这个圆分成六等份，即k、r、s、l、g和p。每个分点以及圆的中心点o都是某根管道的中心。从这些中心点画出线条后，就可以发现相邻管道之间的距离都是相同的。通过以其他管道的中心点为圆心并同样进行分割，就可以确定其余管道的位置。当然，这种排列方式可以无限延续下去。如果如图45所示，在划分图44中的第一个圆时不是从垂直线的交点开始，而是从水平线hi开始，那么管道的排列方式就会有所不同。在前一种情况下，管道呈垂直排列；而在后一种情况下则呈水平排列。从图中以及箭头所示可以看出，当管道呈垂直排列时，水能够更顺畅地向上流动。

图44。比例尺1/4。

图45。比例尺为1/4。

问题97：在管板中，这些管子是如何固定并实现防水效果的？

图46。比例尺为1/4。

图47。

答案：这些管子被插入预先钻好的孔中，其两端会突出管板约四分之一英寸。随后，如图46所示，会用一个锥形塞子将管子撑开，使其能够适配该孔。还有一种称为“管子扩张器”的工具，如图47所示，它实际上也是一种扩张塞子，由多个部分a、b、c、d、e、f、g、h组成，这些部分通过弹簧扣s连接在一起，正如插图所示。当这些部分被拉紧后，就会将其插入管子的开口处；然后再将锥形塞子pp插入这些部分中央留下的开口中，从而实现管子的扩张。通过这种方式，a b c d这条棱线就能在管板的内边缘处使管子膨胀，形成一定的凸起或波纹，如图所示。

见图48。同时，工具上的jkl结构会使管子的外缘略微膨胀，如图48中的ff所示。通过重复这一过程，并每次稍微转动膨胀装置，就能让管子达到完全不漏水的状态。虽然还有其他类型的管子膨胀装置，但所描述的这种被称为普罗瑟膨胀装置的类型应用最为广泛。在许多情况下，用该工具将管子膨胀之后，还会使用一种称为“拇指工具”的装置来进一步翻转管子的外缘，见图49——其名称很可能是因为其形状类似人的拇指。将工具上的弯曲部分a放在管子的末端f上，然后通过反复敲击该工具的末端，即可使管子外缘发生翻转，其效果如插图所示。目前，机车管道的外侧也经常使用黑色阴影标记所示的铜制套管，据说使用这些套管能更轻松地保持接口的密封性。如图48所示，通过翻转管子的外缘，不仅可以保护铜制套管，而且由于管子需要作为支撑结构来承受蒸汽压力，这样一来，接口也就具备了抵抗此类应力所需的强度。

图48。比例尺：1/4。

图49。

问题98：如何计算锅炉圆柱部分的应力？
答案：将直径（以英寸为单位）乘以长度（以英寸为单位），再将所得乘积乘以每平方英寸的蒸汽压力。例如，对于一个直径为48英寸、长度为10英尺、压力为100磅/平方英寸的锅炉，其应力计算值为48×120×100=576,000磅。

问题99：为什么要用电阻而不是周长来乘以长度，从而计算圆柱部分的应力？
答案：之所以用直径而非周长来相乘，是因为在锅炉内表面上的压力中，只有一部分力量会在某一点上导致锅炉壳体破裂。以图50所示的锅炉截面为例，如果有一个力沿着ab方向作用在b点上，该力会分解为两个分量：一个沿be方向作用，试图沿着cd线将锅炉撕裂；另一个沿fb方向作用，试图沿着hg线将锅炉撕裂。锅炉内部的所有压力都是如此，不过那些恰好垂直于断裂线cd的力除外，这类力也分为两个分量，但其中只有一个分量会导致锅炉在某一点处破裂。因此，只有周长上的一部分压力才会试图在特定位置使锅炉破裂，而这一部分的压力相当于作用在宽度等于直径而非周长的表面上的压力。

图50。

图51。
对于那些不熟悉所谓“力平衡”原理的人来说，理解这一点可能会有些困难，因此我们将尝试用另一种方式来解释它。为此，我们假设有一个锅炉，如图51所示，它被分成两半，并通过法兰在A点和B点处连接在一起。显然，如果我们在法兰内侧施加沿C和D方向的压力，这种压力并不会导致螺栓A和B被拉断。不过，如果我们把千斤顶丝杠放入锅炉内部并如所示地向外推动法兰，而不会使螺栓受到拉伸应力，那么锅炉确实可能会出现一些变形。由此可见，沿C和D方向作用的力并不会导致螺栓被拉断。

在a点和b点，只有那些与ab线成直角作用的力，如e、f和g，才会对法兰产生应力。如果我们假设有一个锅炉，如图52所示，其ab线段为锅炉的直径，而c和d两个半部分则几乎被某种物质填满——比如木材或水泥——并且这些物质被紧密地填充在锅炉外壳与半部分之间，使得蒸汽无法进入其中，那么就很清楚，当蒸汽进入f区域时，作用在螺栓a和b上的力，实际上就是蒸汽对那些暴露在蒸汽中的木材或水泥表面所施加的压力，而这些表面的宽度恰好等于锅炉的直径。不过，如果这种物质具有弹性，比如印度橡胶，那么蒸汽的作用效果就会不同。如果它是弹性的，且f表面的压力使其向g和h方向扩展，从而在这些方向上产生压力，那么正如之前所说明的，它不会对螺栓a和b施加拉力使其分离，而是有可能导致锅炉在垂直于ab线的方向上破裂。因此，锅炉的侧壁必须具备足够的强度，以抵抗这种试图将其撕裂的力。如果锅炉由厚度为3/8英寸的铁制成，那么每侧的横截面积将为45平方英寸，总体积则为90平方英寸，这样才能承受这种应力，也就是说，每平方英寸需要承受6,400磅的应力。这一规则的正确性可以通过数学方法来证明，但在此处就不赘述了。不过，其实验结果已经证明了它的正确性。

图52。

问题100：优质锅炉钢板能够承受的应力是多少每平方英寸？其安全承受的应力范围又是多少？
答案：轧制铁制锅炉钢板的抗拉强度存在很大差异，但优质钢板的抗拉强度平均约为50,000磅/平方英寸，前提是应力作用方向与铁材的晶粒或纤维方向一致；若应力作用方向与晶粒方向垂直，则抗拉强度约为此值的10%。不过实验表明，当对铁棒或其他材料施加拉伸应力时，其伸长量会与棒的长度以及所受应力大小成正比。如果该应力不超过使棒材断裂所需应力的五分之一，那么在应力消除后，棒材就能恢复到原来的长度，或者从拉伸状态收缩回来。

任何材料在不会发生永久性拉伸的情况下所能承受的最大应力，被称为其弹性极限。只要不超过这一极限，无论施加多大的应力或载荷，铁都不会出现明显的永久性伸长或变形。然而，一旦超过弹性极限，金属就会发生永久性伸长，而且随着不断施加应力，这种伸长会越来越严重，最终导致金属断裂。同时，由于反复受到超过弹性极限的应力作用，金属的性质也会发生变化，它会变得更为脆弱，难以抵抗突然的应力，最终会断裂。因此，让铁或其他任何材料承受超过其弹性极限的应力都是不安全的。对于铁制锅炉板而言，其弹性极限大约为其断裂强度，也就是所谓的极限强度的五分之一。不过需要记住的是，蒸汽压力往往并非锅炉必须承受的最大力，尤其是对于机车锅炉来说，突然或不均匀的膨胀与收缩可能比蒸汽压力更具破坏性。

[27] 使材料被拉开的力称为拉伸应力，而使其被压紧的力则称为压缩应力。

[28] 需要说明的是，在通过轧制工艺制造铁的过程中，铁会在穿过轧辊的过程中被拉成纤维状。

问题101：锅炉的钢板是如何固定在一起的？
答案：使用铆钉。铆钉一端有头部，当其处于红热状态时会被插入钢板边缘预先钻好的孔中。放入孔后，可以通过手工锤击或专用机器在铆钉的另一端形成头部。在专用机器中，铆钉被置于固定模具和活动模具之间，带有头部的那一端靠在固定模具上，然后通过蒸汽或液压压力将活动模具用力压向铆钉的另一端，从而使铆钉末端呈现出与模具形状和尺寸相匹配的形态。如此强大的压力会使铆钉紧紧填满两个孔，从而完全填满它们；而用手工敲打铆钉的话，则无法达到如此大的、均匀的压力，因此孔也填不满。

图53。

问题102：与实心板相比，铆接接缝的强度如何？
答案：铆接接缝的强度在很大程度上取决于铆钉的排列方式与比例。但即便采用最佳的设计与施工方案，这类接缝的强度仍会低于实心板，因为为了开设铆钉孔，必须切除部分板材，而这会从三个方面削弱板材的强度：1. 减少了用于抵抗应力的材料量；2. 削弱了铆钉孔之间的板材部分；3. 打乱了应力分布的均匀性。从图53所示的仅用一排铆钉连接的普通接缝就可以看出第一种削弱因素的存在。该接缝由两块宽度为7½英寸、厚度为3/8英寸的板材构成，这些板材通过四个直径为11/16英寸、中心间距为17/8英寸的铆钉固定在一起。板材的截面可通过小数进行计算[29]。

因此，其面积为0.375 × 7.5 = 2.81平方英寸。为形成每个孔，需要切除宽度为11/16英寸、厚度为3/8英寸的金属部分；整块板材的横截面积则为0.375 × 0.6875 × 4 = 1.03平方英寸。因此，由于这些孔的存在，板材的横截面积将减少2.81 – 1.03 = 1.78平方英寸。换句话说，在虚线a b处，该区域的横截面积仅相当于实心板材的约63％。[29]在后续计算中，为方便起见，所有尺寸均被转换为小数形式。

强度下降的第二个原因是板材在钻孔和冲孔过程中所受到的损伤。尽管已经进行了大量实验来确定冲孔对板材强度的具体影响程度，但相关数据并不十分精确。可以肯定的是，在许多情况下，锅炉板中孔洞之间的金属部分的强度会因冲孔而降低10%到30%。不过，较软且具有延展性的金属所受的损伤可能比那些较硬且易碎的金属要小。某些类型的钢板尤其容易因冲孔而受损。此外，冲头本身的状况以及所使用的模具比例也会对金属产生很大影响。

强度下降的第三个原因是：如果在任何材质的板材上钻一个或多个孔，然后对该板材施加拉伸应力，那么这种应力不会均匀地分布在孔洞之间的区域，而是会在最靠近孔洞的金属部位达到最大值。这可以通过图54所示的印度橡胶带来说明——在该橡胶带上切出一个圆形孔以代表铆钉孔。如果在橡胶带上画两条平行线AB，然后对其施加拉力，那么当橡胶带被拉伸时，这两条线就不会保持平行状态，而是会在靠近孔洞的位置分开，如图55所示，这说明靠近孔洞的橡胶纤维所承受的应力最大。当铁板被拉伸时也会出现类似的情况，裂缝往往从孔洞附近开始，随后整个板材就会像被分解成碎片一样断裂。

图54。图55。

问题103：如图53所示的锅炉接缝可能以何种方式断裂？
答案：它可能有三种不同的断裂方式：
1. 在a-b线上的铆钉孔之间，钢板发生撕裂。
2. 铆钉被剪断。
3. 如图56所示，铆钉前方的钢板发生挤压而断裂。

图56。

问题104：如何计算这三个位置处锅炉接缝的强度？
答案：通过铆钉孔的强度可通过计算铆钉孔之间金属部分的面积（以平方英寸为单位），再乘以金属在打孔后的极限强度来得到。在图53中，每个铆钉孔之间的金属板面积为1.78平方英寸。如前所述，优质锅炉用钢板在其纤维方向上的抗拉强度约为50,000磅/平方英寸，[30]但打孔后金属部分的强度大概只有原来的80%，而钻孔后的金属部分强度则比实心钢板低10%。因此，在计算带孔接缝的强度时，应将孔隙间金属的极限强度视为40,000磅/平方英寸。如此一来，该接缝的强度计算结果为：1.78 × 40,000 = 71,200磅。
[30] 锅炉用钢板的结构应确保最大应力作用在其强度最高的方向上，即与金属纤维平行的方向。

实验还表明，铆钉抵抗剪切力的强度与优质锅炉板抵抗撕裂的强度大致相同，约为每平方英寸50,000磅。因此，铆钉的强度可通过将单个铆钉的面积乘以铆钉的数量，再将所得数值乘以金属抵抗剪切力的强度来计算。对于图53而言，其计算公式为：11/16英寸直径的铆钉的面积为0.3712×4×50,000=74,240磅，这一数值略高于带有孔洞的板材的强度。实验还发现，板材抵抗铆钉带来的压碎应力的强度约为每平方英寸90,000磅。可以证明，图53中用于抵抗铆钉压碎应力的区域面积，可通过将铆钉的直径乘以板材的厚度来得到。该接缝部分的强度计算公式为：孔洞直径×0.6875×0.375×4×90,000=92,812磅。实心板材的强度则等于其横截面积乘以50,000磅，即7.5×0.375×50,000=140,625磅。因此，该接缝的最终强度为：带有铆钉孔的板材（抵抗撕裂）的强度为71,200磅；铆钉本身（抵抗剪切）的强度为72,240磅；铆钉两侧的板材（抵抗压碎）的强度为92,812磅；实心板材（抵抗撕裂）的强度为140,625磅。由此可见，采用单排铆钉固定于带孔板材上的接缝中，最薄弱部分的强度仅略高于板材强度的一半（50.6%），而接缝中最薄弱的部分正是那些位于孔洞之间的板材。图57。

图58。

图59。

图60。

问题105：如何提高这种单铆接式锅炉接缝的强度？
答案：提高此类接缝强度最明显的方法就是将铆钉间隔得更开，也就是所谓的增加铆钉之间的距离。

在孔与孔之间留出更多金属，从而增强接缝最薄弱的部位。但若如此操作，据说很难使接缝保持防水性，因为板材在铆钉处容易发生分离。另一种增强强度的方法是钻孔来制作铆钉孔。如前所述，钻孔与冲孔所形成的金属部分在强度上存在10%到20%的差异。为铆钉钻孔还有另一个优点：冲孔时需要分别对每块板材进行加工，即便再小心熟练，也难以让孔完全对齐。有些孔会相互重叠，如图57所示，这样一来，当铆钉安装后，其形状就会类似图58所示。此时，那些填充在相互对齐的孔中的铆钉就会承受过大的应力。例如，如果如图59所示有五个铆钉孔，只有中间的孔是对齐的，那么其他孔中的铆钉就会呈现图58所示的形状，因此，图59中准确匹配孔位的中心铆钉c就必须承担其他四个铆钉所带来的应力，直到它们被“拉紧”。在这种并不罕见的情况下，铆钉c很有可能会被剪断，或者导致板材出现裂纹，正如相邻铆钉之间的不规则线条a b所示。显然，像图58那样的铆钉无法像图53所示那种更完美匹配的铆钉那样将板材牢牢固定在一起，因此，由匹配不良的铆钉造成的板材间泄漏风险要高于那些能完美填充孔洞的铆钉；所以，匹配不良的铆钉必须放置得更靠近一些。的确，用铆接机安装的铆钉能够比手工安装的铆钉更完美地填补孔洞中的误差。但即便如此，即使它们能像图60所示那样填满孔洞，其抗剪切强度仍不如孔洞之间更完美匹配时的情况，也无法如此有效地将板材固定在一起。在钻孔时，可以先在第一块板材上钻好孔，然后再在第二块板材上对应位置钻孔，这样两块板材上的孔就能完全对齐。这样一来，铆钉就能更精准地嵌入，因此可以将其间距拉大，同时仍能保持板材的紧密连接，从而在接缝最薄弱的部位留下更多金属。研究表明，直径为11/16英寸的铆钉具有18,560磅的抗剪切强度。因此，如此设置间距并无优势。

铆钉之间的中心间距应大于1¹³⁄₁₆英寸，因为如此间距下的钻孔之间剩余的金属强度会略高于铆钉本身。因此，如果铆钉间距更大，则必须增加其直径。不过，铆钉直径也存在一个极限值，超过该值后继续增大直径并不能带来更多优势：因为直径增大时，用于抵抗剪切力的截面面积会按直径的平方比例增加，而用于抵抗压碎力的金属截面面积则仅按直径的比例增加。通过比较直径为1/2英寸和1英寸的铆钉即可看出这一点——前者の截面面积为0.1963平方英寸，后者为0.7854平方英寸，是前者的四倍。而用于抵抗压碎力的截面面积仅随直径增加而增加，即后者的这一数值是前者的两倍。因此，如果继续增大铆钉的直径，很快就会达到这样一种状态：钢板抵抗压碎力的能力反而低于铆钉抵抗剪切力的能力。能够同时有效抵抗这两种应力的铆钉直径会随着钢板厚度的不同而变化；对于厚度为3/8英寸的钢板，直径为7/8英寸的铆钉可提供30,065磅的剪切阻力，而其正前方的钢板则能提供29,530磅的压碎阻力。因此，7/8英寸的铆钉是用于3/8英寸厚度钢板时的最大合适尺寸。如果我们把铆钉的间距调整到使得钻孔之间剩余金属的强度与铆钉相当，那么就能得到用单排铆钉所能实现的最高强度连接结构。此时，铆钉边缘之间的距离应为1³⁄₄英寸，而中心到中心的距离则为2⁵⁄₈英寸，如图61所示。下表展示了由四颗铆钉以及两块宽度为10¹⁄₂英寸且带有钻孔的钢板所构成的连接结构的强度数据：
- 钢板通过铆钉孔产生的撕裂力：118,125磅
- 铆钉本身的剪切力：120,260磅
- 铆钉正前方的钢板的压碎力：118,125磅
- 实心钢板的撕裂力：196,875磅

[31] 为使每种情况下铆钉之间的间距均为偶数，示例中不得不选用与之前不同的钢板宽度。

图61。
由此可以看出，使用钻孔板制成的接缝的强度为实心板强度的60％；而与那些孔径较小且铆钉间距较近的接缝相比，其强度则高出约18½％。需要指出的是，采用钻孔方式制作接缝之所以具有更强的性能，主要是因为这种加工方式能够实现更高的精度，从而允许使用更大且间距更远的铆钉。如果使用一些专为提高铆钉孔加工精度而设计的新型机器，那么上述部分优势或许也可以通过这类加工方式实现。不过，铆钉之间的最大间距仍需通过实际测试而非理论计算来确定。可以肯定的是，只要加工过程足够精确且细致，铆钉的间距完全可以大于常规做法中的间距，同时仍能保持接缝的紧密性。

问题106：还有哪些方法可以制造出比前述方法更坚固的锅炉接缝？
答案：在这个国家，人们会使用两排铆钉，此外还会使用所谓的“包边条”，这种接缝可以采用单排铆钉或双排铆钉来固定。

图62。

问题107：当使用两排铆钉时，这些铆钉是如何排列的？

答案：如图62所示，这些铆钉通常被紧挨着排列在一起，这种做法被称为链式铆接。显然，这样的排列并不会提升接缝的强度，因为如前所述，接缝最薄弱的部位就是穿过铆钉孔的板材部分，而增加另一排铆钉并不能增强这一部分的强度——因为有两排铆钉时，板材仍然可能从铆钉孔处断裂，与只有一排铆钉时并无区别。

图63：一种更好的排列方式是如图63所示，将铆钉交替地排列在两排中。这种排列方式的铆钉被称为交错式或之字形排列。为了使接缝具有最大的强度，首先需要确定在保持接缝防水性能的前提下，铆钉孔之间允许的最大距离。假设该距离为1⁵⁄₁₆英寸，且板材厚度为3⁄₈英寸，那么要使截面面积达到相同值的铆钉直径应为……

此时需要计算出相应的强度值。根据前述数据可知，对于经过钻孔处理的钢板而言，这些孔之间的金属部分的抗拉强度为22,148磅；而直径为3/4英寸的铆钉的抗拉强度则为22,085磅。在图63中的线段ab上，也就是第一排铆钉的位置，我们先画一个孔c。以该孔的中心为圆心，画出一个半径为1⅓/4英寸的圆弧de，这个半径等于两孔之间的距离1⅞/8英寸与孔径的一半3/8英寸之和。从该圆弧与线段ab的交点d开始，再以相同的半径画出另一条圆弧，那么df点就是线段ab上第二个铆钉孔的中心。这样就可以绘制出铆钉了，再以该铆钉的中心为圆心，用同样的半径画出另一条圆弧dg。如果在两条圆弧之间再画一个与它们都相切的铆钉孔h，那么三个孔的排列方式就会使得c、f两个孔之间的金属厚度与它们与h孔之间的金属厚度相等。换句话说，线段cf上的钢板的强度与线段chf上的钢板强度相同。因此，线段ab上的钢板强度也与锯齿形线段chf上的钢板强度相同。由此可得出，这种接合方式的强度如下：
通过铆钉孔的钢板（撕裂强度）：110,742磅；
铆钉本身（剪切强度）：110,425磅；
铆钉周围的钢板（挤压强度）：126,562磅；
实心钢板（撕裂强度）：158,205磅。

[32] 目前，对于直径为3/8英寸的钢板来说，即使孔与孔之间的距离更大，也能成功应用这种接合方式。

显然，这种接合方式中最薄弱的部位的强度仍为钢板强度的70%，这一数值比使用冲孔铆钉的单排铆接结构的强度高出38%。如果使用直径为7/8英寸的铆钉，并将它们之间的间距设为1⅓/4英寸，那么这种接合方式的强度则如下：
通过铆钉孔的钢板（撕裂强度）：147,656磅；
铆钉本身（剪切强度）：150,325磅；
铆钉周围的钢板（挤压强度）：147,656磅；
实心钢板（撕裂强度）：205,078磅。

这种情况下，这种接合方式的强度为实心钢板强度的72%，比普通冲孔铆接结构的强度高出42¼%。

孔洞。需要注意的是，强度的提升是由于使用了比常规做法中更大的铆钉，且这些铆钉的间距也更宽；而要实现这一点，就必须依靠最优质、最精确的加工工艺。

图64。

问题108：采用包边条或覆盖条来处理锅炉接缝时，其构造形式是怎样的？

答案：图64中的板材(a、b)像普通接缝那样相互重叠。接着，另一块宽度约为九英寸的板材(c)被放置在接缝内侧，并被弯曲以适应这两块板材的重叠部分。铆钉r，无论是双排还是单排，都会穿过这三块板材；此外，在覆盖板c的边缘还另有两排铆钉。显然，接缝的强度在一定程度上会因为覆盖板边缘的铆钉而得到提升。不过，如果这些铆钉之间的距离过近，那么板材a和b由于外部铆钉的作用而产生的强度，就会低于接缝本身由于外部及中间铆钉共同作用而产生的强度。例如，若采用如图53所示的单排铆钉接缝，其强度仅略高于实心板材强度的一半；若再添加如图64所示的覆盖板，并且让覆盖板边缘的铆钉间距与中间接缝中的铆钉间距相同，那么显然板材仍然容易通过外部铆钉孔而断裂，就像没有添加覆盖板之前一样。但如果外部两层板材上的铆钉孔间距为原来的两倍，即3¾英寸，那么接缝要想通过外部铆钉孔断裂，就必须先剪断铆钉，因为此时孔之间的板材强度要高于铆钉的强度。但在铆钉被剪断之前，中间接缝必然会先失效。因此，这种接缝的强度等于中间接缝与外部接缝中最弱点的强度之和。不过，外部铆钉孔之间板材的强度也必须达到这一数值，否则该位置将成为接缝的最薄弱点，故障也会发生在这里。外部接缝中的铆钉间距应至少是中间接缝中铆钉间距的两倍。这样，用于抵抗剪切力的铆钉数量就会增加50%，因此，如图53所示、加上覆盖板后的接缝强度将为：通过外部铆钉孔的板材所承受的拉力为91,880磅；外部与中间排铆钉所承受的剪切力为111,360磅；铆钉前方板材所承受的压应力为139,218磅；实心板材所承受的拉力则为140,625磅。因此，带有冲孔且添加了覆盖板的普通单排铆钉接缝，其强度相当于实心板材强度的65.3%，或者说比没有覆盖板的接缝强29%。

盖板。不过，由于是在间距较大的位置打孔，因此对盖板的损伤程度可能没有在间距较近且靠近边缘的位置打孔时那么严重，所以其强度实际上比我们预估的要高一些。
不同类型接缝的相对强度，以实心板强度的百分比表示如下：
与实心板相比的强度百分比：
单铆钉接缝，冲孔方式，11/16个铆钉，50.6%；
单铆钉接缝，钻孔方式，7/8个铆钉，60%；
双铆钉接缝，钻孔后呈之字形，3/4个铆钉，70%；
双铆钉接缝，钻孔后呈之字形，7/8个铆钉，72%；
单铆钉接缝，冲孔后加装盖板，65.3%。

问题109：还有其他类型的锅炉接缝吗？
答案：在欧洲，有一种称为对接接缝的连接方式被一定程度上使用。在这种接缝中，两块钢板的端部相互贴合，一侧或两侧还会装有盖板。不过，这种接缝方式在我国并未使用，因此就不作详细介绍了。

问题110：如何使锅炉的接缝做到防水？
答案：通过所谓的填缝处理来实现。也就是说，使用一种类似凿子的钝工具，将其末端抵在钢板c、d的边缘上，然后用锤子敲击将钢板固定下来，这一过程类似于船舶接缝的密封处理。在用这种方式固定钢板边缘之前，需要先用电凿将边缘切割或修整干净。但在实际操作中，工人往往因粗心大意而让电凿在钢板边缘下方留下凹槽，从而削弱了原本最需要强度的部位。此外，如果使用重锤且操作不当，还可能导致钢板被挤开，如图65所示。

图65。

问题111：如何加强锅炉的平端？
答案：通过使用图41中所示的U形、R形支撑件来实现，这些支撑件被固定在端板上以及锅炉的外壳上。其一端连接到被称为“鸟脚”的成型部件上，而这些部件则通过铆钉固定在锅炉的端板上；另一端则设有一个宽大的底座，该底座通过铆钉固定在锅炉的外壳上。在制造锅炉时，必须特别注意这些支撑件的形状、比例和布置方式；在发动机运行期间也需定期检查它们，因为它们很容易被忽视或建造不当，从而因腐蚀或持续承受的应力而变弱甚至断裂。在设计和确定这些支撑件的比例时，往往存在很大的疏漏，尤其是在它们与锅炉外壳的连接部分。

问题112：用于加强锅炉端部的支撑件应如何设计其比例？
答案：各个部分都应具有相同的强度。例如，如果用直径为1英寸的圆铁棒来制作支撑件，那么其横截面积将为0.7854平方英寸。用于制造这些支撑件的铁材必须具备足够的强度，即需要至少50,000磅/平方英寸的横向应力才能将其沿长度方向撕裂。因此，直径为1英寸的铁棒至少需要39,270磅的力才能被拉断。所有其他部分也应能够承受同样的应力。

例如，常见到的是使用我们所描述的那种尺寸的支撑杆，甚至直径更大的支撑杆，它们通过两个直径为5/8英寸的铆钉固定在锅炉板上。在支撑杆的另一端也常常采用类似的固定方式。这两个铆钉的横截面积远远小于支撑杆的横截面积，而且作用在它们身上的应力角度使得它们很容易断裂。正因如此，再加上铆钉在敲击过程中其强度也会下降，因此铆钉的横截面积应至少是构成支撑杆的金属棒的兩倍。用于插入铆钉的孔周围的金属部分也必须经过精心设计，其任意一点的横截面积至少应为金属棒横截面积的1.5倍。用于将金属棒固定在锅炉板上的铆钉的横截面积则应略大于金属棒横截面积的一半。也就是说，对于直径为1英寸的金属棒，其铆钉的直径不应小于3/4英寸。当使用扁平型支撑杆时，经常会看到宽度为3英寸、直径为1英寸的孔被加工在靠近末端的位置，这样一来，铆钉要么会拉断金属棒的末端，要么会在该位置使其横向断裂，而此时所需的应力远低于支撑杆本身所能承受的应力。支撑杆的末端必须足够加厚，这样才能具备足够的强度来承受与金属棒相同的应力。虽然这些预防措施看似并不重要，不幸的是人们也常常这样认为，但实际上，正是这些细节决定了每辆火车上的司机、司炉以及周围人员的生命安全。

问题113：火车锅炉通常要携带多少水？
答案：锅炉中的水量必须足以完全覆盖所有暴露在火焰中的部件，否则这些部件将会被加热到极高的温度，从而导致其强度大幅下降或遭受永久性损伤。为确保所有受热表面始终被水覆盖，通常会将水位保持在距锅炉顶板4到8英寸的高度。

问题114：水中方应留出多大的空间用于产生蒸汽？
答案：对此并没有确切的标准。不过，一般来说，蒸汽空间越大越好。为了增加蒸汽生成的空间，我国的火车锅炉通常采用所谓的“车顶式”结构，如图41所示，也就是外部壳体呈这种形状。

位于火箱上方的锅炉顶部，其高度比圆柱形部分高出4到12英寸，甚至18英寸。

问题115：什么是蒸汽穹顶？它的作用是什么？
答案：蒸汽穹顶如图41所示，是由锅炉钢板制成的圆柱形结构，安装在锅炉的顶部。它的作用是扩大蒸汽空间，并形成一个位置远高于水面的储气室，这样就可以从该处获取用于气缸的蒸汽。之所以要从远高于水面的位置取蒸汽，是因为在沸腾过程中会有大量水花或水珠被喷出并混入蒸汽中。此时，蒸汽被称为湿蒸汽；而当其中几乎不含未蒸发的水时，则称为干蒸汽。经验表明，湿蒸汽的效率远低于干蒸汽。此外，如果大量水随蒸汽一起进入气缸，还可能对气缸、活塞或其他机械部件造成损坏，因为水从气缸中排出的速度很慢，来不及在活塞完成冲程之前排出，从而导致气缸盖被击碎，或者气缸本身或活塞受损。从高处取蒸汽的原因是，那里的水花比靠近水面的地方要少，而且最热、也是最干的蒸汽会上升到蒸汽空间的最高处。

问题116：蒸汽穹顶通常安装在哪里？
答案：在这个国家，它通常安装在火箱上方；而在欧洲，则通常安装在更靠前的位置，大约在锅炉的中心或靠近管子前端的地方。在这个国家，有些发动机上会安装两个蒸汽穹顶，一个在火箱上方，另一个在靠近前端的位置。

问题117：蒸汽是如何从蒸汽穹顶输送到气缸中的？
答案：通过一根名为“干管”的管道，如图41所示，这条管道从蒸汽穹顶的顶部延伸到前部的管板。在管板的前侧以及烟箱内部，还有两根弯曲的管道，如图41所示（也在图40中显示），它们被称为蒸汽管，一端连接在干管上，另一端则连接在气缸上。位于蒸汽穹顶内的干管的垂直部分有时被称为节流管，通常由铸铁制成；其水平部分则由锻铁制成，而蒸汽管则同样由铸铁制成。

问题118：如何防止机车锅炉通过辐射和対流散失热量？
答案：在锅炉及炉顶上覆盖约7/8英寸厚的木板，这种材料导热性较差；再在木板外部包裹上俄罗斯铁，其光滑的表面同样不易散热。

问题119：烟箱的作用是什么？
答案：烟箱实际上是一个用于暂时储存烟气的容器，以便在烟气进入烟囱之前对其进行收集；它还为蒸汽管和排气管提供了良好的保护环境，使这些管道处于热空气和烟气的包围之中，从而避免因辐射而散失热量。烟箱的前端通常由铸铁制成，中间有一扇大门，便于进入内部。

问题120：机车的烟囱或排烟管是如何构造的？
答案：目前使用的烟囱结构种类繁多。对于燃烧烟煤和木材的情况，烟囱通常由一根中央管道以及一个锥形铸铁板组成，该锥形铸铁板被称为火花导向器，其作用就是引导随烟气上升的火花和灰烬，防止它们在仍处于高温状态时逸散到空气中。此外，还会设置金属网，作为一种筛子，既能将火花和灰烬困住，又能让烟气顺利排出。还有一个专门的腔室，用于在灰烬逸出之前将其熄灭。而对于燃烧无烟煤的情况，则通常使用没有火花导向器或金属网的简单直管。

问题121：建造烟囱时通常采用怎样的尺寸比例和材料？
答案：图41中的中央管道R的直径通常与机车气缸的直径相同，或者稍小一两英寸。至于其他尺寸则没有固定标准，不过烟囱顶部距离轨道的高度通常在14到15英尺之间。烟囱的外壁一般由铁皮制成，而其上部则有时会采用铸铁，以便更好地抵御火花和灰烬的侵蚀。

其强度甚至超过铁板。在气候极为潮湿炎热的地方，为防止腐蚀，烟囱的外壁有时会用铜制成，因为腐蚀会对那些地区的所有铁结构造成严重破坏。这种金属网是由直径为1/10到1/30英寸的铁丝或钢丝制成的，每英寸有3到4个网孔。

问题122：图41中的管道N是用来做什么的？
答案：它用于将蒸汽箱底部产生的废气以及部分烟雾从蒸汽逸出的地方引导至烟囱的底部。在几乎所有的欧洲式发动机中，废气都是从蒸汽箱顶部、即烟囱开口的正下方排出的。不过，要让所有管道中的气流保持均匀往往很困难。通过使用被称为“内管”或“衬管”的管道P，就可以更好地实现气流的均匀分布——因为一部分烟雾从蒸汽箱顶部排出，另一部分则从底部排出。这种管道通常由两部分组成，这两部分可以像望远镜一样相互滑动，从而调整上端距离蒸汽箱顶部的距离以及下端距离蒸汽箱底部的距离。如果上部管道中的气流速度大于下部管道，或者反之，则可以通过上下移动衬管来调节或平衡气流。有时，这种管道会在两端之间设置一些开口以及覆盖在这些开口上的导流装置，出于显而易见的原因，这种管道就被称为“带导流装置的衬管”。关于这些管道的比例以及它们所产生的效果，目前还无法给出确切的理论解释，只能依靠实际经验来判断。不过，我们确实需要更多关于它们的准确信息。

第八部分：锅炉附件
问题123：如何向锅炉中补充水，以替代那些已转化为蒸汽的水？
答案：通常是通过动力泵在蒸汽压力作用下将水强制送入锅炉，不过现在也经常使用一种名为喷射器的装置。
问题124：这种动力泵的结构是怎样的？其工作原理又是怎样的？
答案：如图66所示，用于机车及其他蒸汽机上的普通单作用动力泵由泵筒AA组成，该泵筒为铸铁或黄铜制成的圆筒，内部有一个紧密贴合的活塞BB，即泵柱塞。这个活塞实际上就是一根圆形杆，它通过所谓的填料箱C来实现气密性密封，其结构将在后文详细说明。活塞的往复运动通常由发动机的活塞杆驱动，有时也会通过连接在曲轴销上的小曲柄或轴上的偏心轮来驱动。泵筒通过吸水管D与水箱相连，通过进水管EE与锅炉内的水空间相连。在吸水管D上有一个称为吸水阀的阀门F，它向上开启；在进水管E下方则有一个称为压力阀的阀门G。这些阀门均为圆柱形，由黄铜制成，它们安装在黄铜阀座g、g上，从而实现气密性密封。这些阀门位于被称为阀笼的导向装置k、k之中，其结构在剖面图67和平面图68中有更清晰的展示。当活塞从泵筒中抽出时，会在其后形成真空状态，此时阀门G处的压力会使其关闭；而水箱中的水在大气压的作用下会进入吸水管，打开阀门F，从而填满泵筒。当活塞再次被推回时，它对泵筒A内水的压力会使阀门F关闭，同时打开压力阀G，水便通过进水管流入锅炉。这样做是为了确保锅炉中的水不会……

水流会回流到泵中；同时，为防止在进水管或泵出现故障时锅炉内的水和蒸汽全部逸出，在进水管与锅炉之间还安装了另一个阀门，即图66中的H阀，它属于止回阀。这种阀门的结构与压力阀和吸力阀类似，其外壳由铸铁或黄铜制成。所有这些阀门都配有阀芯，这些阀芯不仅起到控制作用，还能防止阀门从阀座上上升超过一定距离。这个距离被称为阀门的升程，而泵能否正常工作在很大程度上取决于阀门的升程大小，通常为3/16英寸到1/2英寸之间。

图66。
图67。图68。

在压力阀G的上方有一个称为气室J的腔体。当水被注入该腔体后，一旦水位上升至管道E的开口处，水面上方的空气cd就会被困在这个腔体中。由于这种空气具有弹性，它会随着水压的变化而压缩或膨胀，从而形成一种缓冲层，减轻泵和管道因泵柱塞快速运动而产生的冲击力。

另一个气室KK有时会被设置在吸水阀F的下方。其作用也是提供缓冲层，以减轻因阀门F关闭时水中止流动而在吸水管中产生的冲击力。当泵柱塞被抽出时，水会通过阀门F流入泵筒AA中的真空区域，从而使吸水管中的水也开始流动。一旦柱塞返回，阀门F就会关闭，水的流动也会立即停止，从而在管道D中产生一定的冲击力。当气室KK中的水位上升至线段ab之上时，该线段上方的空气就会被限制在管道L周围的空隙中。这些空气同样会形成缓冲层，作用与上文所述的顶部气室J类似。不过，人们认为底部气室的优势更多是理论上的，而非实际效果显著。

问题125：如何拆解泵并检查各个阀门？
答案：只需卸下螺栓e、e，就可以取下顶部气室；再卸下螺栓f、f，就能取下底部气室，进而取出各种阀门及相关部件。而单向阀H则可以通过卸下固定阀座h以及阀门和其相关部件的螺栓l、l来取出。

问题126：如何判断泵是否正在将水输送到锅炉中？
答案：为此，可以在顶部气室上安装一个称为测试阀的装置，其位置如虚线圆圈m所示。[33]打开这个测试阀后，如果泵正在工作，那么在泵柱塞回程时就会有一股强大的水流从该装置中喷出。如果泵没有在工作的话，就不会有这样的水流出现。

如果强制将水注入锅炉的装置出现故障，或者工作不正常，那么从调节阀流出的水流量就会很小，这样一来，活塞的往复运动也就无法通过调节阀流出的水来准确体现出来。[33] 有时，调节阀会安装在进水管上。

另一个小型阀门通常安装在下部的空气室或进水管上，其作用是在寒冷天气或发动机停止运转时让水从泵中流出，从而防止泵体冻结。

问题127：为什么需要能够调节由泵注入锅炉的水量？
答案：因为当发动机负荷较大时，比如需要将重物拖上斜坡，此时产生的蒸汽以及所需的水量都会比负荷较小时更多。因此必须向锅炉中注入更多的水，以补充以蒸汽形式被消耗掉的水。如果注入的水量超过实际需求，水就会上升并填满蒸汽空间，其中一部分水会未经蒸发就进入气缸。而如果注入锅炉的水量过少，加热表面就无法得到充分覆盖，那些暴露在火焰中的部分就有可能过热而受损。

问题128：如何调节由泵注入锅炉的水量？
答案：可以通过进气管上的调节阀来实现，该调节阀可由机车操作员控制，从而决定向泵中供应多少水。此外，水箱上也有阀门，可用于调节水的供应量。

问题129：泵通常安装在机车的哪个部位？
答案：泵通常安装在气缸后面的框架上，由活塞杆驱动，具体原理将在后文详细说明。不过，有时泵也会安装在框架内部，即车轮之间，由轴上的偏心轮驱动；还有时则安装在车轮外侧、机车尾部附近，由连接在曲柄销上的短曲柄驱动。

问题130：在寒冷天气中，有哪些措施可以防止泵中的水结冰？

答案：与锅炉蒸汽空间相连的管道被连接到每根吸水管上，通过打开这些管道上的阀门，蒸汽就可以进入吸水管中，从而加热管中的水。将这种热水送入泵中后，泵内的水就能保持温暖，进而避免水结冰。

问题131：什么是“喷射器”？
答案：它是一种装置，利用来自锅炉的蒸汽流，迫使水以连续的形式逆着自身压力被注入同一锅炉中。

问题132：喷射器的作用是什么？其主要部件有哪些？
答案：所有的喷射器都有一些共同的部件。以最简单的结构为例，即固定喷嘴式喷射器，其结构示意图见图69（此处省略了所有详细结构说明）。来自锅炉的蒸汽通过管道A进入接收管C，在此处与通过管道B进入的水混合。在混合管D中，水使蒸汽凝结，形成一股水流，这股水流会穿过溢流空间FF，然后进入输送管H，再经过止回阀I回到锅炉中。当水从D流向H的过程中经过溢流空间F时，如果供给蒸汽的水量过多，部分水会从溢流喷嘴G流出；而如果水量过少，则空气会从G处被吸入，并随水一起进入锅炉。从图69可以看出，蒸汽在C处从锅炉进入，与水在D处混合，之后两者一起通过H返回锅炉，这一结构正好对应了喷射器各部件的功能。

问题133：如何解释喷射器的运作原理？
答案：在相同压力和条件下，从压力下逸出的蒸汽的速度远高于水。从集管中逸出的蒸汽与混合管中的给水结合，使这些水的速度超过其直接从锅炉的水空间中逸出时的速度。这些水能够进入锅炉的动力来自于其重量与蒸汽赋予的速度的乘积，因此它们能够克服锅炉内的压力。这可以用木制槌球来说明：这种球会浮在水面上，需要很大的力才能使其下沉；但如果将其猛力投入水中，它会在浮力克服其动量或能量之前沉到相当深的程度。而如果使用非常轻的空心木球或橡胶球，无论以多大的力将其投入水中，它都不会下沉，因为任何物体的总能量都与其重量乘以其速度的平方成正比，所以即使以与实心球相同的速度抛掷空心球，它的能量仍然会远远低于实心球。如前所述，在给定压力下，蒸汽从出口逸出的速度远高于水。但由于蒸汽的重量很轻，其重量与速度的乘积所对应的总能量相对较小。在喷射器中，部分高速蒸汽的能量被传递给了较重的水，因为这些水并非像在锅炉中那样以大量形式接触蒸汽，而是以少量形式存在且容易逸出，因此它们逐渐获得与逸出蒸汽相同的速度。与此同时，蒸汽也会发生凝结，这样就形成了具有高速度的重质物质，其能量足以克服锅炉内的压力。如果蒸汽不发生凝结，那么就只会有一种质量较轻但速度很高的物质，而正如前面所解释的，这样的物质所具有的实际能量很小，因此无法克服锅炉内的压力。

问题134：这是否涉及某种类似永动机的原理，或者是不消耗能量就能做功的原理？
答案：不，蒸汽以蒸汽的形式逸出，然后以体积缩小了1,000倍的形态返回锅炉；即便它带走了相当于自身重量20倍的新鲜给水，锅炉内的压力依然会下降。

或者，锅炉中必须具备足够的有效压力，才能完成将水注入锅炉所需的工作。
问题135：这种喷射器能否输送热水？
答案：如前所述，当进水的温度过高而无法使蒸汽凝结时，该装置就无法正常工作。而且，当进水温度最低时，喷出的水量最大。低压下的蒸汽比高压下的蒸汽更容易凝结，因为其含有的热量较少。因此，用较热的进水可以更有效地使低压蒸汽凝结，而非高压蒸汽。使用这种喷射器时，只要在蒸汽能够被凝结的范围内，锅炉的压力越低，进水温度就可以越高。
问题136：像所描述的那种“固定喷嘴”式喷射器，能否用作机车上的锅炉供水装置？
答案：它在某一特定的蒸汽压力下可以正常工作——这一压力通常是该装置在设计时所适配的压力，在该压力下它的性能非常好；但在其他任何更高或更低的压力下，它都无法正常工作，而且其供水量也很难有所调整。
问题137：要使喷射器能在不同压力下工作，需要什么条件？
答案：该装置必须能够调节连接接收管与混合管之间的水通道的尺寸。通常是通过将混合管和接收管设计成锥形，并通过移动混合管使其靠近或远离接收管，从而缩小或扩大水流通道的尺寸来实现这一功能。每当锅炉中的蒸汽压力发生变化时，都需进行这样的调整。如果像某些类型的喷射器那样依靠手动进行调整，那么当蒸汽压力频繁变化时，就需要持续不断地进行操作。
问题138：如何实现无需持续操作就能进行压力调节呢？
答案：在图70所示的自调节式喷射器中，可以利用溢流出来的水来推动混合管靠近接收管，同时利用同一位置的水流将混合管拉离接收管，从而实现自动调节。具体原理如下：该装置的壳体G有两个入口，一个用于蒸汽，另一个用于水，两者之间由隔板FF隔开。蒸汽进入接收管A，其流量则由位于管端的锥形塞来控制。

杆B由手柄H驱动。在连接管C的上端，即其膨胀成钟形口的位置，有一个可在壳体内滑动的活塞NN。连接管C的下端则由输送管D的上端引导，而输送管D本身是固定的。溢流口位于O处。该装置的运作原理如下：当阀塞B被拉开时，进入接收管A的蒸汽会从其下端逸出。这些蒸汽与NN区域内的水混合后发生冷凝，随后与进水一起流入输送管D，再进入锅炉。如果有过多水进入连接管，部分水会从溢流口O流出；这些水会填满活塞NN下方的空间，从而迫使连接管向上移动靠近接收管，进而缩小两者之间的间隙，减少供水量。反之，如果该空间中的水量过少，装置就会从溢流口O吸收水，使活塞NN下降，扩大该间隙，从而增加供水量。这一自调节原理使得该装置无论锅炉内的蒸汽压力如何变化，都能持续高效地工作。

图70。

问题139：如何启动这种喷射器？
答案：上述仪器 merupakan最新型号的自动调节喷射器，由Wm. Sellers & Co.公司制造，其制造商将其称为“1876型喷射器”。该喷射器的启动与停止可通过操纵杠杆H来实现。杠杆H会带动导杆J上的十字头I移动；同时，通过杆L上的止动装置T和Q来控制启动阀K的开启与关闭。在图70中，该仪器处于关闭状态，而启动阀K则是打开的。杆B上装有两个阀门，一个较小的阀门W，另一个较大的阀门X。在较大阀门X稍远的位置处有一个止动装置或环状物。当杠杆H被拉回至该止动装置与阀门K接触时，阀门W就会从其位置上升，蒸汽便会从锥形调节塞中心的微小通道中逸出。这些蒸汽足以将水提升起来，水随后会经过D、阀门K，最终从P处排出。在水被提升之后，再将杠杆H拉回至其极限位置，此时较大的阀门X也会随之上升，而杠杆H上的凸耳则会与……相接触。

当杆L处于停止状态时，阀门K是关闭的。此时喷射流已经形成，水被输送到锅炉中。当杠杆H移动到图70所示的位置时，锁扣V会落入杆J上的凹槽中；而当杠杆继续向前移动时，该锁扣会卡在凹槽上，从而使杠杆保持在最大流量与最小流量之间的任意所需位置。

问题140：除了该仪器本身之外，还需要哪些配件才能使其正常工作？
答案：应在通往注入器的蒸汽管上安装一个球阀，仅在需要拆卸注入器且蒸汽压力较高或天气寒冷时才关闭该阀门，以避免蒸汽在管道中凝结。在注入器工作的整个过程中，该阀门应保持完全打开状态。

问题141：注入器应放置在发动机的哪个位置？
答案：应放置在右侧，高度要足够高，以便在注入器下方形成一个空气室；同时，其位置也应高于水箱满水时的水面。

问题142：要使该仪器保持正常工作状态，需要什么条件？
答案：持续使用比偶尔使用更好。如果在同一台发动机上安装两个注入器，分别位于两侧，那么在发动机运行时使用位于运转侧的那个注入器，而在发动机停止运转时则使用另一侧的注入器。所有的管道连接都必须牢固，以防止空气泄漏。通往仪器的蒸汽管道应来自锅炉中能够提供干蒸汽的部分，而且排气管也不能出现收缩现象。插图中所展示的仪器是1876年由费城威廉·塞勒斯公司制造的注入器。除此之外，现在还有麦克氏注入器以及其他几种类型的注入器被使用。

图71。
比例尺：³⁄₈英寸=1英尺。

图71中各部件的代号说明：
A，炉门。
B，驱动轮。
C，驱动轴。
D，吸管。
E，灰斗减震装置。
F，上下机车用的踏步。
G，上下机车用的扶手。
H，I，驾驶室。
J，J，驾驶室前的门。
K，K，驾驶室前的窗户。
L，蒸汽压力表。
M，弹簧秤。
N，蒸汽压力表操纵杆。
O′ O，节流杆。
P，水位计。
Q，牛脂罐支架。
R，压力表旋塞的滴水管。
T′ T，用于操作进水旋塞的杆。
T′，进水旋塞的调节器。
U V，倒车杆。
W，汽笛。
X，排气旋塞。
Z，Z，框架。
a，a，加热器旋塞。
a a′，加热管。
b，鼓风旋塞。
c，c，用于给主阀门加油的油杯。
d，用于打开沙箱内阀门的把手。
e，e，用于打开Pet旋塞的把手。
f，用于打开气缸旋塞的把手。
g，汽笛操纵杆。
h′，汽笛把手。
h，连接汽笛把手与汽笛操纵杆的杆。
j，左手侧进水旋塞的把手。
m m，用于摇晃炉栅的杠杆。
n，用于打开前部灰斗减震装置的摇柄。
o，o，安全链。
p，用于将压力表旋塞中的水排出的管道。
s，s，s，s，压力表旋塞。
w，用于打开排气旋塞的把手。

问题143：如何知道锅炉内的水位？

答案：有两种装置可用于观察锅炉内水面的高度。它们分别是：1. 压力表或检视阀；2. 玻璃水位计。

图72，比例尺为1/4。

每台机车都配备有四个或更多的检视阀，这些阀门通常安装在锅炉的后端，这样便于观察和操作。图71展示了这些阀门，该图显示的是机车的后端，后续将会频繁引用此图。图72则以更大的比例展示了锅炉端板的截面图，这些阀门也与锅炉内部相连。

锅炉中的阀门相互间距离为三到四英寸。两个上方的阀门位于发动机运转时水面的上方，而两个下方的阀门则位于水面下方；这样，上方的阀门与蒸汽空间相连，下方的阀门则与水相连接。当这些阀门打开时，如果水位处于正常范围，那么蒸汽会从上方的阀门排出，水则从下方的阀门流出。如果首先打开与蒸汽空间相连的阀门，该阀门内通常会充满冷凝水，因此需要将其保持开启状态一段时间，直到这些水被排出为止。如果上方的阀门持续有水流出，那就说明锅炉内的水量过多；相反，如果打开下方的阀门时有蒸汽排出，那就意味着锅炉内的水量过少，此时加热表面可能会在缺乏水覆盖的情况下直接暴露在高温下，从而导致过热，甚至被烧毁，进而变得过于脆弱，无法承受蒸汽压力带来的负荷。这种情况下，锅炉顶部的盖板很可能会被蒸汽的压力压垮，或者锅炉本身也可能发生爆炸。即便没有……

一旦发生事故，锅炉将面临极大的危险。图73所示即为这种情况。比例尺：3英寸=1英尺。如果水位过低，锅炉过热就有可能造成永久性伤害。在图71中的阀门s、s、s、s下方，有一个倾斜的圆筒R，称为滴水管，其上设有开口，用于承接从阀门中流出的水和蒸汽。这些水随后通过管道p被排出。图71中的水位计P在图73中以剖面图形式展示，它由一根直立的玻璃管a、a组成，该玻璃管的直径为半英寸到四分之三英寸，长度为12到15英寸，厚度约为八分之一英寸。玻璃管的两端通过黄铜弯头b、c与锅炉内的蒸汽和水相连。这些弯头与锅炉相连的开口处装有阀门或塞子d、e，这些阀门可通过螺丝和手柄f、g来操作。当玻璃管与弯头连接时，橡胶圈会将其密封，防止蒸汽和水泄漏，而这些橡胶圈则通过压紧螺母h、i固定在玻璃管上。弯头上还装有阀门d、e，这样一旦玻璃管破裂，就可以立即关闭蒸汽和水，避免它们从弯头处泄漏出去。下方的弯头上还有一个排气阀k，可用于将积聚在玻璃管或弯头中的沉淀物或污垢吹出。当上下弯头上的阀门打开时，蒸汽会从上方的阀门进入玻璃管，而水则从下方的阀门进入，此时水在玻璃管中的位置会与锅炉内部的水面保持一致，也就是说，锅炉内水的位置可以通过玻璃管清晰地看到。由于锅炉内水位的不断变化，玻璃管中的水柱也不会保持静止，而是会随着锅炉的运转而上下波动。但如果玻璃管与锅炉之间的通道被封闭，那么玻璃管中的水就会停止流动，此时水位计也就失去了作用。为防止水中的泥沙或污垢堵塞玻璃管，必须经常将其清理干净。为此，需先关闭下方的阀门e，然后打开排气阀k以及蒸汽阀d。玻璃管中水柱上方的蒸汽压力会将水从排气阀中挤出，从而将泥沙和污垢一同带出。 [34] 为方便起见，这些玻璃管有时会被设置成倾斜状态，如图71所示。

如果玻璃管因任何原因破裂，首先应关闭水阀e，然后再关闭蒸汽阀d，这样可以防止从破裂的玻璃管中泄漏出的热水和蒸汽烫伤操作发动机的人。拧下螺母h和i后，就可以轻松取出旧的玻璃管，并用新的玻璃管取而代之。[35]在安装新玻璃管时，要注意不要将密封螺母拧得过紧，只需使其能够使橡胶圈紧密地包裹住玻璃管即可。如果拧得太紧，就会对玻璃管造成压力，从而导致其因受热膨胀或遇冷收缩而破裂。
[35]发动机上应始终备有备用玻璃管，以便在正在使用的玻璃管出现故障时及时更换。

图74。
比例：1½英寸=1英尺。

图75。比例尺：1½英寸=1英尺。

问题144：如何防止锅炉中的蒸汽压力超过某一限定值？
答案：通过所谓的安全阀来实现。这些安全阀由圆形开口组成，如图74所示，直径约为3英寸，通常安装在锅炉顶部的穹顶上，[36] 并由阀门b覆盖。该阀门可以通过杠杆cc′和弹簧d来压下，如图74所示；或者仅依靠弹簧来压下，如图76所示。通常会在锅炉顶部安装两个这样的阀门，这样一旦其中一个出现故障，另一个就能在蒸汽压力超过锅炉所能承受的安全值时让蒸汽排出。在机车锅炉中，这一安全压力通常为100到130磅/平方英寸。
[36] 其中一个安全阀如图41所示。

问题145：如何确定作用在安全阀上的压力大小？
答案：该压力是通过将阀门开口的面积（以平方英寸为单位）乘以锅炉所能承受的最大蒸汽压力（以磅/平方英寸为单位）来确定的。例如，如果安全阀的开口直径为3英寸，那么其面积为7平方英寸。如果锅炉所能承受的最大蒸汽压力为100磅/平方英寸，那么就需要有相当于7×100=700磅的压力来压下这个阀门。如果压力是由杠杆产生的，如图74所示，[37] 那么就需要将安全阀的总重量乘以杠杆的短臂长度（即支点e与负载f中心之间的距离A），再除以杠杆的总长度B。在图74中，杠杆的短臂长度为3½英寸，总长度为35英寸；因此，如果要使阀门受到700磅的压力，那么杠杆末端的压力则为：
700 × 3½ ÷ 35 = 70磅。
[37] 为了节省空间，插图中的杠杆被简化成了缺了一部分的形状。

因此，弹簧d必须以70磅的拉力向下拉动杠杆的末端。当弹簧的压力直接作用于阀门上时，如图76所示，此时弹簧的拉力必须恰好等于作用在阀门上的压力。这种拉力是通过拧紧螺母c、c来产生的。弹簧d会在图74中为安全阀杠杆的末端提供所需的压力，它被安置在两个圆柱体g和h之间，这两个圆柱体可以像望远镜的镜片那样相互滑动。这种结构被称为弹簧平衡装置。弹簧d连接在两个圆柱体的两端，使其相互靠近。上方的圆柱体g通过一根杆i与杠杆c′的扁平端相连，该杠杆上有一个孔，用于容纳这根杆；杆的另一端则拧入上方圆柱体g中。这根杆有时可以通过螺母j来调节长度，从而改变弹簧的拉力。通过调整杆的长度，就可以增加或减少弹簧的拉力。图74中所显示的弹簧平衡装置的下方圆柱体则连接在一根杠杆m上，而这根杠杆又固定在蒸汽压力表k的背面。图75更清楚地展示了这一点，图中不仅显示了压力表的背面，还有以m为支点的杠杆lm。弹簧平衡装置则连接在k处的杠杆上：向下拉动杠杆会增大弹簧的拉力，而向上抬起则会使拉力减小。杠杆可以通过锁扣n和棘轮rr保持在任意所需的位置。这种装置被广泛应用于格兰特机车厂以及鲍德温机车厂生产的发动机上，它能够立即增加或减少作用在阀门上的压力，而这在发动机未运转时往往是非常必要的。图71展示了弹簧平衡装置，用字母M表示，而杠杆则用N表示。除非蒸汽的压力超过阀门顶部的压力，否则阀门自然不会打开。由于安全阀或其某些部件有可能出现腐蚀或其他故障，从而导致其无法正常工作，因此有必要定期打开阀门，以确保其处于良好工作状态。为此，需要将作用在阀门上的压力降低到低于锅炉内的压力，而使用上述的弹簧平衡装置就能很方便地实现这一目的。弹簧平衡装置的下方圆柱体上有时还会装有一个指针t，如图74所示，该指针从圆柱体g上的槽中伸出，通过圆柱体外侧的刻度标示出弹簧的压力量。如果希望安全阀……

当蒸汽压力达到100磅/平方英寸或其它特定数值时，弹簧平衡装置会受到拉力作用，从而在安全阀顶部产生与蒸汽压力相等的压力。
[38]

在安装安全阀时，必须考虑到杠杆及阀门本身的重量。同时，必须采取相应措施，确保蒸汽压力不会超过锅炉所能承受的安全范围。通常的做法是，如图74所示，让其中一个安全阀配有杠杆，而另一个则如图76所示不配备杠杆。后者的阀门往往会被覆盖、密封或锁住，从而使其无法被机车操作员控制。安全阀通常安装在图74和76所示的锥形座中，以确保完全密封；此外，阀门下方还有翼片或导向装置，其结构如图74和76中的A视图所示。这些导向装置的作用是使阀门始终处于相对于阀座的正确位置上。

图76。比例尺为1/8。

一旦阀门下方的蒸汽压力超过其上方弹簧的压力，阀门就会被顶起，蒸汽便会逸出，直到锅炉内的压力得到释放。不过可以看出，虽然承受蒸汽压力的阀门表面面积与阀门的开口面积相等，但一旦阀门从阀座上抬起，蒸汽就会从边缘四处逸出，此时实际作用的面积会更大。

阀体表面会承受着逸出蒸汽的压力。因此，当阀门打开后，蒸汽就会不断逸出，直到压力降至阀门最初打开时的几磅以下。图76所示的阀门便利用了这一原理，这种阀门被称为“理查森阀”，目前被广泛使用。该阀门的顶部直径较大，这样就能让更大的表面积暴露在逸出的蒸汽中。此外，阀门边缘和阀座周围还有凹槽，据称这些凹槽能够使蒸汽产生某种反射作用，从而使阀门保持开启状态的时间更长。

图78. 图77.

问题146：锅炉内的蒸汽压力是如何显示的？

答案：通过一种名为蒸汽压力表的仪器来测量。这类仪器有多种型号，但都可以分为两类，且它们的工作原理都基于相同的两类原理之一。在第一类仪器中，蒸汽的压力作用于某种隔膜或板状物上，如图77所示，该图为这种压力表的截面图；a b是一块带有圆形波纹的金属板，其结构在图78的截面图中以及阴影部分也有显示，图78则为去掉了部分表盘后的正面视图。蒸汽从管道c和小开口d进入，填充到金属板或隔膜后面的腔室e中。由于金属板上的波纹使其具有足够的弹性，因此当蒸汽对其施加压力时，它就会被向外推。如果金属板是平的，显然它不会对蒸汽压力产生任何反应，或者只能产生极微小的变形。在隔膜外部的中心位置有一个销钉或凸耳f，它与金属板相抵。这个凸耳连接着一个弯曲的杠杆或“曲柄”g h k，其支点位于h处。在杠杆的外端k处，有一根杆子l，如图77和78所示，这根杆子的下端则与一个齿轮部件n的短臂m相连，该齿轮部件的支点位于o处。这个齿轮部件与一个小齿轮p相啮合，而小齿轮p则连接在一根轴上，轴上装有指针，如图78所示。显然，如果隔膜a b被向外推，它就会带动弯曲的杠杆k h g，而杠杆的运动又会通过杆子l传递给齿轮部件n，进而使小齿轮p旋转，从而带动指针移动。我们在这里选取的是这类压力表中的其中一种型号。不同制造商生产的压力表中，用于将隔膜的运动传递给指针的机械结构各不相同，隔膜的形式也有所不同。在某些情况下，隔膜是由金属板制成的；而在其他情况下，则会使用螺旋弹簧，并用印度橡胶将其包裹起来以确保其不会被蒸汽渗透。图77和78所示的蒸汽压力表，就是纽约的M. B. Edson公司所生产的型号。[39] 曲柄是一种带有弯头的杠杆。

图79。

图80。

在图79所示的另一种类型的压力表中，蒸汽作用于一根弯曲的金属管abc，该金属管的横截面通常为扁平形或椭圆形。可能并非所有读者都知道：如果一根呈U形或C形等弯曲状的管子内部受到液体或气体的压力作用，那么这种压力会试图使管子变直。这是因为当管子内部受到压力时，其椭圆形或扁平形的横截面会试图改变形状，从而趋近于圆形。如图80所示，AB代表该管子的横截面，而abcd则代表位于由管子弯曲曲线中心O所引出的两条半径Oa和Ob之间的那段管子的纵向截面。如果在AB所在处施加压力，那么这段管子就会试图变成圆形CD的形状，在纵向截面上则表现为虚线a′b′d′c′。如果再通过a′c′和b′d′画出径向线，就会发现它们相交于点O′，而非管子原始曲线的中心O。可以看出，随着管子截面越来越接近圆形，位于曲线外的ab部分会远离中心，而另一侧cd则会更靠近中心。根据径向线的指示，要使情况如此，要么让管子的外部变长、内部变短，以符合aO和bO这两条径向线，要么让管子变直，从而使径向线变为a′O′和b′O′的位置。蒸汽压力表中弯曲管子变直的现象，常常被归因于曲线内外面积的差异。作者也曾持有这种观点，直到有人指出了支撑这一观点的推理错误。在图79所示的压力表中（此时表盘已被移除），管子的一端c在d处与一个杠杆相连，该杠杆的另一端则有一个带齿的部分e。管子的另一端a则在f处与杠杆相连。因此，d点就构成了杠杆的支点。显然，当蒸汽压力迫使弯曲管子的两端分开时，杠杆和带齿的部分也会随之运动。带齿的部分会与指针轴rr上的小齿轮啮合，从而在表盘上显示出管子内的压力大小。指针轴则通过位于g处的管道与锅炉相连。这类蒸汽压力表还有多种不同的设计形式，但它们的工作原理基本上都是相同的。图71中的M点标出了蒸汽压力表在发动机上的安装位置。

问题147：为什么连接蒸汽压力表与锅炉的管道要像图71所示那样弯曲？
答案：为防止热蒸汽接触到金属板或金属管，因为已知蒸汽的热量会影响它们的弹性。使用弯曲的管道后，来自锅炉的蒸汽会在此处凝结并充满弯曲部分，这样当蒸汽压力作用于水面时，就会迫使水沿着管道的另一段上升并进入压力表。该管道上还装有一个阀门，以便在压力表出现故障或需要在锅炉内仍有蒸汽的情况下将其拆下时能够切断蒸汽供应。

问题148：如何测试蒸汽压力表的精度？
答案：当压力表工作正常时，其指针会随着锅炉内压力的变化而顺畅移动；如果切断通往压力表的蒸汽，指针应始终回到0的位置。不过，要确定其示数的准确性，还需用汞柱来进行测试。这种装置由一根长长的垂直管子组成，管子底部是一个装有汞的封闭容器。将压力表安装在该容器的顶部，然后向容器中的汞上方以及压力表内注入水或油。每平方英寸1磅的压力会使汞柱上升2.04英寸，因此只要在管子上标出相应间隔的刻度，就可以用这些刻度来表示压力值（以每平方英寸磅数计）。如此，50磅的压力会使汞柱上升102英寸，而100磅的压力则会使汞柱上升204英寸。因此，当汞柱达到这些位置或其他特定位置时，如果压力表准确的话，就应该显示出相应的压力值。普通的蒸汽压力表很容易出现故障，所以需要经常进行测试，以确认其示数是否正确。

问题149：什么是蒸汽汽笛？它有什么用途？
答案：蒸汽汽笛如图71中的W所示，图81则以更大比例展示了它的结构。它实际上是一个倒置的金属杯或钟状物A，通常由黄铜制成。这个杯子的下边缘正好位于一个环形开口a a的上方，蒸汽从该开口排出后会撞击杯子或钟状物的边缘，从而发出声音。声音的音调高低取决于汽笛的尺寸和结构。那个环形开口a a是由盖板a a构成的，该盖板几乎完全覆盖了杯子B的开口部分，而杯子B则与……相连。

阀杆c。后者被拧入圆顶的顶部D处。与锅炉蒸汽空间之间的通道通过阀门b来控制其开启或关闭状态，该阀门安装在一个轴d上，而这个轴则延伸在阀杆c的内部。这个轴并未完全填满阀杆c中的开口，因此当阀门b打开时，进入的蒸汽会上升并通过孔e、e、e流出，进入容器B，再从环形开口a、a中排出。阀门通过杠杆E来操控，其支点位于f处。该杠杆的末端g通过杆h与驾驶室相连；此外，还可以通过图71所示的适当手柄或杠杆h′、h′来打开阀门，这样机车司机或司炉就可以随时发出信号，通知列车员有火车即将到达车站，或是提醒人们远离铁轨。

图81。比例尺：1½英寸=1英尺。

问题150：如何排空并清洁机车锅炉？

答案：在火箱底部附近，无论是前方还是后方，有时也在侧面，会安装一两个大型阀门，称为排气阀，见图71中的X。打开这些阀门后，锅炉中的水就会被排出，同时许多松动的泥沙也会随水一起被带出。图71中的阀门X可以通过手柄w来打开，该手柄通过一根杆与阀门相连。为了清除那些未能完全被冲走的泥沙和水垢，在火箱底部附近的角落里还设有所谓的清泥孔或手孔。这些孔呈椭圆形，长度约为4.5英寸，宽度约为2.5英寸，由两块金属板覆盖——一块位于锅炉内部，另一块位于外部，两者通过螺栓固定在一起。有时还会在前部管板的底部设置另一个手孔。当锅炉中的水被排空后，就会打开这些手孔，尽可能将其中的污物刮除。随后插入软管，用强力水流冲洗，这样几乎所有的松动污物都会被冲走，从而使锅炉保持相对清洁。当水质非常恶劣时，则会使用图41中所显示的所谓泥浆桶M。大量的泥沙和污物会沉积在这个桶中，只需取下桶底的铸铁盖即可轻松将其取出。该盖子上也设有一个排气阀，如图所示。

问题151：机车锅炉上还有哪些其他附件？

答案：还有两个阀门，即图71中的a、a，它们被称为加热阀，通过管道与进水管DD相连，从而向进水管中输送蒸汽，防止水结冰。此外还有一个阀门b，称为鼓风阀，它通过管道b、b与烟囱相连。蒸汽通过这条管道以喷射的形式从烟囱排出，从而在发动机停止运转时形成气流。这种装置被称为鼓风机，用于在发动机静止时为火炉提供空气。其作用原理与从烟囱排出的废气类似，只不过这里的蒸汽是连续喷射出来的，而不是像从气缸两端交替排出时那样呈“阵阵”状。T′是一个手柄，它通过杆子T′T与管道D中的进水阀相连（该阀门在图中未显示）。通过这个手柄可以打开或关闭进水阀，进而控制泵向锅炉中输送的水量。

由此实现调节。J是发动机另一侧的把手，用于调节该侧泵的运转情况。e、e也是把手，它们通过连杆与泵上的阀门相连。这样就可以打开或关闭这些阀门，从而判断泵是否正在工作。A是炉门，它由锁扣固定；锁扣上有一根链条Q，通过这根链条可以方便地打开或关闭炉门。炉门上还有一个带有六个孔的圆形装置，用于向炉内引入空气。这些孔可以通过插图中所显示的旋转圆盘来打开或关闭。

图82。比例：3/4英寸=1英尺。

图83：比例尺为3/4英寸=1英尺。
图84：比例尺为3/4英寸=1英尺。

问题152：这些格栅是如何构造的？
答案：如前所述，它们通常由铸铁条制成，[40]如图82和83所示，这些铸铁条被称为格栅条。图82为平面图，图83则为某种类型格栅的横截面图。这类格栅中的铸铁条通常是成对铸造的，有时也会将三根或更多根铸在一起。如图83所示，其顶部宽度大于底部边缘宽度，这样灰烬就能轻易掉落，同时也有利于空气从下方进入。其顶部宽度通常在3/4英寸到1又1/2英寸之间，底部边缘宽度约为3/4英寸。铸铁条之间的间隙宽度则在1/2英寸到1又1/4英寸之间。在燃烧木材时，这些铸铁条会放置得相对较近且固定不动；而在燃烧烟煤时，则会设计成可以移动的，以便搅动火焰，这与普通炉子或火栅中的设计类似。在图中，我们看到那些标记为A、A的铸铁条是成对铸造的，且横向布置在火箱内。它们的两端带有类似轴颈的结构b、b，这些轴颈则置于两个称为承重杆的支撑件B、B之上，承重杆上还有相应的凹槽，用于固定格栅条的末端。格栅条的下方还有臂状结构C、C，如图83所示，这些臂状结构上还连接有金属条D、D。

通过来回移动这条杆，格栅条就会产生摇动动作，如图84所示。显然，这样一来，格栅表面的火焰就会受到干扰或震动。杆DD是由图71中所示的杠杆mm来驱动的。为了增加杠杆的长度，还会使用一个在图71中未显示的延长件；不过该延长件在使用后会取下，以免妨碍消防员的工作。带有可移动杆的格栅被称为摇动式格栅。这类格栅有多种类型，要一一描述的话需要更多篇幅，此处不便详述。[40]在欧洲以及我国的部分地区，这类格栅是由锻铁制成的。

用于燃烧无烟煤时，则会使用所谓的水冷格栅。这种格栅由外径为2英寸的锻铁管组成，这些管子被固定在火箱的前后板之间，并从前端开始向上倾斜，这样水就可以持续流过这些管子，使其保持冷却状态，从而避免被高温烧毁。

问题153：当有必要将火从火箱中取出时，应如何操作？
答案：在燃烧烟煤的发动机中，有称为活门EE的装置，见图82、83和84，其作用就是实现这一目的。该活门部分依靠与格栅条上的轴颈d,d类似的部件来支撑，从而可以转动；同时还有连接在轴F,F上的臂e,e来固定活门，防止其掉落。这个轴则由火箱外的杠杆ff来操控。当臂处于图83所示的位置时，活门会保持在当前位置；而当臂像图84那样转动时，活门就会下降，这样就可以从G处的开口处取出正在燃烧的煤炭。此外，通过抬起图84中的灰斗挡板H，还可以将煤炭扫到专用的轨道上或坑中。有时，活门上还会设置孔洞，以便让空气进入其上的燃料处。

用于燃烧无烟煤的格栅通常在这些管子之间设有大约四根实心的锻铁杆。这些杆可以被抽出，这样火焰就会通过管子抽走后留下的开口落入灰斗中。

问题154：灰斗的挡板是如何操作的？

答案：它们通过带有两个手柄的适当杆件和杠杆相连，如图71所示，通过抬升或降下这些手柄，即可打开或关闭阻尼器。

第九部分：节流阀与蒸汽管道
问题155：蒸汽是如何进入气缸的？如何调节或切断对气缸的蒸汽供应？
答案：通过图41中的阀门h，即节流阀来控制。该阀门通常安装在管道I的末端，靠近圆顶的顶部。有时，节流阀也会被安装在干管前端的位置n，如图41所示。在几年前，这类阀门还是普通的滑阀，其结构与蒸汽接口类似，但尺寸较小。当阀门处于关闭状态时，下方没有蒸汽，此时阀门所承受的压力最大，因此很难将其打开。由于在机车启动时需要能够轻松调节进入气缸的蒸汽量，这类阀门存在缺陷，于是人们便采用了图41中所展示的那种结构，图85则以更大比例展示了节流阀及管道的纵向截面。这种阀门被称为双活塞阀，它由两个圆形盘片a和b组成，这两个盘片分别覆盖着管道I末端的两个对应开口。如图85所示，当这些盘片被抬起时，蒸汽会从它们的边缘流入，如箭头所示。可以看到，锅炉中的蒸汽压力会作用在盘片a的上表面，同时也会作用在盘片b的下表面。这两种压力相互抵消，从而使系统保持平衡。如果两个盘片的尺寸相同，那么它们所承受的压力也会完全一致；但由于它们是通过所谓的沉头接头紧密地固定在各自的位置上，因此它们的直径必须略大于其所覆盖的开口尺寸。所以，要让下方的盘片b进入管道I的末端h并覆盖下方的开口，唯一的可行方法就是通过上方的开口a。正因如此，下方的盘片必须做得更小一些。

上方的阀门所承受的压力与其尺寸成正比，因此该压力始终会促使阀门关闭。由于在蒸汽供应停止后，节流阀必须保持关闭状态，且绝不能意外打开，所以所描述的这种结构正好满足了这一要求——它既能让阀门较为容易地开启，又能确保在蒸汽供应停止后阀门仍保持关闭状态。

图85。比例尺：3/4英寸=1英尺。

图86。比例：3/4英寸=1英尺。

问题156：阀门是如何开启和关闭的？
答案：通过一个称为节流杆的杠杆O′O来控制，见图85、86[41]和71。该杠杆通过一根称为节流杆的连杆d与曲柄i相连，曲柄的另一端则带动连杆c，而节流阀就安装在连杆c上。连杆d穿过锅炉后端的密封填料箱f来发挥作用。节流杆的末端连接着两个连杆g，见图86，这两个连杆通过销钉固定在柱子h上。这些连杆会产生轻微的振动，从而使固定节流杆O′O与连杆d的销钉k能够沿直线移动，这对于确保连杆d在填料箱f中正常工作是必要的。节流杆上还有一个锁扣l，它与弯曲的齿条n相啮合，从而可将杠杆和阀门保持在任意所需位置。这个锁扣由触发装置m来操控。还有其他各种装置用于固定节流杆，使其保持在任何所需的位置。
[41] 图86为平面图，显示了阀门和杠杆的顶部结构。

问题157：蒸汽管道是如何构造的？

答案。如对问题155的回答中所解释的，蒸汽在通过节流阀后，会进入图41中的节流管I以及干管mm。在干管的前端，还连接着一根管道n（见图40和41），该管道分为两个分支，形状类似字母T的顶部，因此被称为T形管。图40中的蒸汽管o、o一端与T形管的两个分支相连，另一端则与汽缸相连。[42] [42] 在图40中，右侧为蒸汽管o、o的截面图，左侧则为排气管e、e的截面图。

图87。比例尺：1½英寸=1英尺。

图88。比例尺：1½英寸=1英尺。

这些管道位于烟箱内，因此会经历极大的温度变化，从而在受热时膨胀、遇冷时收缩。这样一来，管道的膨胀与收缩就会不断对连接处造成影响。

很难做到完全密封。实际上，也不可能以极高的精度来制造锅炉、汽缸以及管道，因此管道连接处需要具备一定的调节性和灵活性。例如，如果图40中汽缸上的开口X距离发动机汽缸过近或过远，就不得不将管道O的末端向右或向左移动，以便与X相连。如果蒸汽管上端的连接处采用如图87中b处所示的平面式连接方式，那么就不可能在不破坏连接且不导致泄漏的情况下将蒸汽管的下端向右或向左移动。正因如此，这些管道才采用所谓的球形接头进行连接，即如图88所示，其中一根管道的末端被加工成球体的一部分，而另一根管道的末端则形成与之相配的凹面结构。众所周知，球体无论处于何种位置都能与对应的凹腔相吻合，比如橡子与其壳的契合，或是髋关节和肩关节中的骨头结构。因此，当管道通过这种球形接头连接时，其下端可以向任意方向移动几英寸，只要再将各部分用螺栓固定牢靠，就能保持密封性。即便在固定之后，这种结构仍具有足够的灵活性，能够应对管道因热胀冷缩而产生的各种位移，从而避免泄漏。

[43] 点线部分表示如果管道是实心而非中空的话，球体的形状将会是怎样的。

不过，还有另一个问题。虽然借助球形接头，图40中的管道下端O O可以水平方向上自由移动，但如果管道过长或过短，显然这样的接头就无法让管道上下移动。而像图87所示的平面式连接方式，则可以让管道上下移动而不发生泄漏。例如，如果蒸汽管短了1/8英寸，就可以将其向下拉相应长度，然后再拧紧上端的接头，依然能够保持密封。为了使蒸汽管的连接处既能上下移动又能横向移动，人们就在管道之间加入了一个环状结构，如图89所示。该环的一侧为球形，另一侧为平面，这样管道既可以围绕球形部分转动，也可以在环的平面上上下或左右移动。这样一来，管道就能在各个方向上灵活移动，从而适应因热胀冷缩带来的各种位移，以及组装部件时可能需要的各种动作。

有时，蒸汽管道仅一端的接头会以这种方式制造，而另一端则通过简单的球形接头连接。

图89。比例：1½英寸=1英尺。

在设计这类接头时，其形状应如图88所示，以中心点c为圆心、半径为cd来绘制，这样接头的表面就会成为球面的一部分。如果像有时那样以两个中心点来绘制，那么接头的表面显然不会是球面的一部分，因而也就无法具备所需的灵活性。接头的表面会被仔细加工成合适的形状，然后通过用砂纸和油进行打磨处理来确保其气密性，之后再用螺栓g、g（见图89）将管道固定在一起，同时在管道上安装法兰f、f。

问题158：排气管是如何制造的？

图90。比例尺：1½英寸=1英尺。

答案：它们由铸铁制成。当使用两个喷嘴时，通常会将它们一起铸造，如图90所示。当仅使用一个喷嘴时，该管道的形状类似倒写的字母“⅄”，如图91所示，这样就能覆盖与气缸相连的两个开口。这些管道的顶部装有环状或衬套结构a，它们通过固定螺丝b固定，因此可以轻松拆卸并更换为开口大小不同的同类部件。如果排气喷嘴的开口较小，则为了将气缸内的蒸汽全部排出，蒸汽必须以更高的速度排出；而如果排气孔的开口较大，则无需如此高的速度。因此，如果缩小排气孔的尺寸，抽气强度会增强，但同时气缸内的背压（将在后文解释）也会上升。所以必须非常谨慎地调整排气孔的尺寸，使其刚好足够产生所需的抽气效果，同时又尽可能保持较大的尺寸以降低背压。基于这些原因，……

有时会使用可变排气的装置。在这种装置中，排气口的大小可以随意调节，从而根据发动机的工作状况进行相应调整。虽然曾经使用过多种此类装置，但现在几乎都被那种结构更简单的装置所取代——后者在发动机工作时无法实现排气量的变化。

图91。比例：1½英寸=1英尺。

第十部分：汽缸、活塞、导向杆及连接杆
问题159：汽缸是如何构造的？
答案：汽缸由硬质铸铁制成，其上直接铸有进汽口、排汽口以及阀座。铸铁的硬度越高，汽缸就越能承受活塞和阀门的磨损，但同时其硬度也必须足够低，以便在铸造完成后能够将内部加工成完美的圆柱形，同时将两端削平、钻出螺栓孔，并将阀座打磨光滑。图92显示了汽缸与蒸汽箱中心的纵向截面；图94则是在去掉蒸汽箱盖和阀门后的同一部件的平面图。图95的左侧为图92中汽缸中心线cd的横向截面，右侧则为图94中蒸汽管Gh的截面。三种视图中的相同字母表示相同的部件。
如前所述，该国机车上的汽缸现在普遍安装在车轮的外侧。为了将汽缸牢固地固定在一起以及与锅炉相连，它们会被固定在所谓的床板或床体结构上，即图94和图95中的DD部分，该结构位于汽缸之间。有些制造商会将这个床体结构作为单独的零件制造，然后通过图95中所示的虚线l、m位置将汽缸用螺栓固定在床体上；而另一些制造商则将床体结构的一半与每个汽缸一起铸造，然后再在图中的i、j位置——也就是发动机的中心处——将它们用螺栓固定在一起。该床体结构还通过法兰E、E与烟箱相连。汽缸则通过图95中的螺栓m和k与车架F固定在一起。在汽缸被加工成圆柱形且两端被削平之后，就会在两端安装端盖A和B，如图92和图94所示，这些端盖上还有防漏装置。这些端盖则通过螺栓和螺母a、a、a固定在法兰C、C上。
问题160：蒸汽是如何进入和离开汽缸的？

答案：每个气缸内都铸有两条管道或通道，一条为GG′，见图95，用于将蒸汽引入蒸汽室；另一条为HH′，用于将蒸汽从气缸中排出。GG′被称为蒸汽通道，而HH′则被称为排气通道。蒸汽通道的一端有一个圆形开口G，见图94和95，蒸汽管o（见图40和95）就连接在烟雾箱内的这个开口处。另一端则分成两条支路G′、G′，见图94，每条支路的末端都有一个开口g、g′，位于蒸汽室内。这样，蒸汽就可以从蒸汽室的两端进入，并自由地流进各个蒸汽接口。通过这种方式制造的气缸，发动机两侧的气缸是完全相同的；用行业术语来说，就是“没有左右之分”，因此一个气缸就可以用于发动机的任意一侧。这种制造气缸的方法已被该国许多知名制造商采用，但并非普遍使用。

图92：比例尺为3/4英寸=1英尺。

图93。

图94。比例：3/4英寸=1英尺。

图95。比例尺：3/4英寸=1英尺。

问题161：蒸汽箱是如何构造的？
答案：它通常由两个铸件组成，其中一个如图92和94所示，是一个上下开口的方形铸铁箱。该铸铁箱放置在气缸铸件的顶部，并通过密封接头与后者相连。在其上方还有一个铸铁盖KK。蒸汽箱和盖子则通过螺栓pp固定在一起，这些螺栓拧入气缸铸件中，顶部还有螺母。

问题162：如何确保滑阀在阀座上能够实现密封？
答案：首先将滑阀表面打磨光滑，然后再进行锉磨处理，直到两个接触面的整个表面都能紧密贴合。图92中的阀杆v则通过蒸汽箱上的填料函来实现密封。

问题163：如何为阀门和活塞添加润滑油？
答案：润滑油通常是通过图92中的阀门c引入蒸汽箱的，这个阀门被称为润滑油阀。润滑油从这里流到阀门上，再通过相应的孔道和通道到达阀面，最终通过蒸汽通道进入气缸和活塞。为了更加方便，有时也会在驾驶室内部设置类似的润滑油阀c，它们通过管道与蒸汽箱相连。当停止向蒸汽箱和气缸供应蒸汽时，可以通过向润滑油阀中倒入润滑油或融化的牛脂来为阀门和活塞加注润滑油。当活塞在没有蒸汽的情况下在气缸内运动时，它们会产生一定的摩擦。

由于处于真空状态，因此当油被倒入油阀中时，它会被人吸入蒸汽箱中；换言之，是上方空气的压力将其压入其中。图71中的Q是一个安装在锅炉上的支架，用于放置装有油或牛脂的容器，这些油或牛脂在锅炉的热量作用下会熔化或保持液态。

问题164：如何保护汽缸和蒸汽箱，以尽可能防止蒸汽中的热量散失？
答案：汽缸的侧面覆盖有木板，如图95所示，这种木板被称为汽缸衬层；而木板的外侧则覆盖着俄罗斯铁或黄铜，这被称为汽缸外壳。汽缸的两端则装有由铸铁、黄铜或金属板制成的轻质金属盖，即汽缸盖。蒸汽箱也以类似的方式加以保护，使其被木制覆盖层或密闭空气所包围。有时也会使用粗毛毡来达到这一目的。除了汽缸衬层之外，其他覆盖层并未在插图中显示出来。

问题165：图92和95中位于汽缸两端的C、C阀门是用来做什么的？
答案：它们用于排出积聚在汽缸中的水。当发动机不工作时，汽缸和蒸汽管道都会冷却下来，因此当首次向其中注入蒸汽时，大量蒸汽会凝结，直到汽缸变热为止。此外，蒸汽还会带着水从锅炉中一起进入汽缸。这时，锅炉就处于“注水状态”。这些水以及因蒸汽凝结产生的水会积聚在汽缸底部，不会通过排气管排出，直到活塞上升至接近汽缸顶部的位置，使得水填满活塞与汽缸盖之间的整个空间。如前所述，此时水会以极慢的速度排出，而活塞及其他机械部件的动量则可能足以将汽缸盖撞坏，甚至使汽缸本身破裂。因此，被称为汽缸阀的C、C阀门被安装在汽缸的底部，这样当它们打开时，汽缸中的水就会通过这些阀门排出。所以在发动机启动时，或是任何有可能有水积聚在汽缸中的情况下，这些阀门都会保持打开状态。

问题166：这些阀门是如何开启和关闭的？
答案：一根横跨框架的轴RR，如图92和94所示，其两端各有一个臂RS，如图92所示。这两个臂通过杆ST连接在一起。

带有圆柱形阀门的把手。该轴还有一根垂直臂RU，其上端通过一根杆与驾驶室相连。杆的末端有一个合适的把手f，见图71，机车司机可通过该把手随时打开或关闭阀门。

问题167：活塞杆是如何固定在活塞上的？
答案：活塞杆插入活塞头中的直孔或渐缩孔中，然后通过键kk进行固定，如图96和图97所示[44]；或者通过活塞前侧的螺母进行固定。
[44] 图96为去掉从动板的活塞的端面视图；图97为沿中心线的剖面图。
图96。图97。
比例尺：1½英寸=1英尺。

问题168：活塞的结构是怎样的？

答案：活塞由两块铸铁件B和C组成，见图97。其中，B被称为活塞头或十字头，活塞杆D就固定在它上面；另一部分C则被称为从动盘，通过称为从动螺栓的c、c将之与活塞头固定在一起。活塞头内侧有凸耳或突起d、d、d，见图96，从动盘就是通过这些凸耳被固定住的，因此这些凸耳之间会留下空隙。

问题169：如何让活塞在气缸中实现密封？

答案：依靠两个环A、A，见图96和97，它们被称为填料环。这些环的直径与气缸的直径相同或略大一些。在它们的圆周上某一点处将其切开，这样就可以通过位于环内部的称为填料弹簧的a、a来使它们分开或膨胀。这些弹簧则通过称为填料螺栓和填料螺母的b、b被压紧，这样一来，当填料环磨损时，它们就能膨胀并完全填满气缸。一个环的切口位置会与另一个环的开口位置相对，或者说是让两者断开连接。这样做是为了防止从某个环的切口处泄漏出来的蒸汽穿过活塞到达另一侧。这些填料环通常由黄铜制成，其上还有沟槽c、c，见图97，这些沟槽里填充着一种称为巴比特合金的材料。选择这种材料是因为它比纯黄铜更不容易刮伤气缸表面。还有一个由铸铁制成的环l l，其宽度与两个黄铜环相同，它被放置在两个黄铜环的内部，用于为弹簧提供支撑，从而将弹簧的压力均匀地分配到各个填料环上。这个铁环也在某一点处被切开。

问题170：如何让活塞杆在气缸盖中实现密封？

答案：依靠所谓的填料箱。填料箱是一个圆柱形腔室r r，见图92，其直径比活塞杆大约1½英寸，因此在活塞杆周围留出了约3/4英寸宽的空间。这个空间内填充着麻绳或其他纤维材料，即填料，这些填料浸透了油或融化的牛脂。这个填料被一个称为压盖的空心圆柱体s s压缩，压盖的内侧与活塞杆相接，外侧则与填料箱相接。压盖是通过安装在压盖上的法兰u上的螺母t、t被压入填料箱中的。这样，填料就在填料箱中被压缩，并紧紧压在活塞杆上。

活塞杆被加工得极为光滑、圆润且笔直，它紧贴着填料箱的侧壁，这样蒸汽就无法从活塞杆周围泄漏出去。在气缸盖以及与活塞杆接触的部位，通常会安装一个黄铜环或“衬套”，因为黄铜比铸铁更能承受活塞杆带来的摩擦力；当这些衬套磨损后，可以将其取下并更换新的。

[45] 如今，机车用活塞杆一般都是由钢制成的。

问题171：为什么活塞杆的末端要安装在导轨中？
答案：因为如果活塞杆和活塞要在气缸内实现密封，那么它们就必须沿直线运动。参考图2可知，当有压力作用于活塞B并通过连杆E传递到曲柄销N时，除了在死点位置外，该压力会根据活塞的运动方向而产生向上的或向下的作用力。如果没有相应的装置来防止这种情况，这种压力就会使活塞杆弯曲。因此，活塞杆的末端会被连接到所谓的十字头L上，如图92和94所示，而十字头则安装在导轨M、M之中。十字头由铸铁制成，其两侧各有一个滑块N、N，如图93和94所示，这些滑块分别位于一对导轨杆M、M之间，如图93的剖面图所示。[46] 这些导轨杆经过精确的加工处理，确保其保持笔直且光滑，其一端固定在气缸盖上，另一端则固定在称为导轨架的支撑件O上，该导轨架固定在图94中的框架F处，通常还与锅炉相连。这些导轨会被精心调整，使其与气缸的轴线完全平行，这样十字头就能沿着与活塞杆直线运动时完全相同的路径滑动。这样一来，由于连杆的倾斜所产生的所有应力都会由导轨来承担，从而减轻活塞杆的负担，确保其能够沿直线运动。
[46] 图93是图92中n点处导轨的横截面图。

问题172：活塞和连杆是如何连接到十字头上的？
答案：活塞杆的末端插入十字头中的锥形孔中，然后通过键w将其固定，如图92和94所示。而连杆则连接到被称为腕销的销轴Q上，该销轴是与十字头一起铸造而成的。

问题173：如何减少滑块的磨损并对其进行补偿？
答案：有时，滑块上会装有称为“衬块”的黄铜部件，如图93中的N、N所示，这些衬块被放置在滑块与导轨之间。当这些衬块磨损严重时，可以将其拆下并更换新的；或者，在它们与十字头之间插入薄金属片——即“衬垫”，这样就能使两者分开，从而填满滑块之间的间隙。不过，现在越来越多的滑块不再配备这类衬块，而是在其上铸造或钻出凹槽，再填充巴比特合金或玻璃轴承，后者被认为具有很好的耐磨性。导轨的两端则通过螺栓固定在称为“导轨块”的部件上，当导轨和滑块磨损后，可以通过打磨这些导轨块来使导轨彼此更靠近。有时也会在导轨块与导轨之间放置衬垫，必要时可将其拆除以使导轨更靠近。

问题174：上下导轨的磨损程度是否相同？
答案：不相同。在普通发动机中，上导轨的磨损最为严重，因为当发动机向前运转时，滑块的压力始终作用在上导轨上；而当发动机向后运转时，压力则作用在下导轨上。这一点可以通过查看从11到24的系列图来理解。在活塞的向下行程中，如11至17图所示，连杆的力会试图将十字头向上推；而在向上行程中，如18至24图所示，连杆则将十字头向同一方向拉。如果曲轴反向转动，这种作用力就会反转，十字头就会交替受到向上和向下的拉力，此时下导轨的磨损就会最为严重。由于几乎所有的机车都是向前行驶的，因此上导轨的磨损通常最为严重。

问题175：如何为滑块润滑？
答案：在图92、93和94中，n、o所示的油杯被安装在上导轨的中部附近。这些油杯通常配有储油装置，能够持续向滑块输送润滑油，从而使滑块得到持续且均匀的润滑。

问题176：如何利用活塞杆驱动泵？
答案：泵柱塞连接到图92和93中W所示的突起上，该突起被称为“泵耳”，它铸在十字头的某个滑块上。这样，柱塞就能随着活塞的往复运动而同步运动。

问题177：连杆是如何制造的？

答案：它们是由锻铁制成的扁平棒状物。连接十字头与驱动轮的杆子被称为主连接杆，而将多个驱动轮相互连接的杆子则被称为联结杆。[47]图98展示了主连接杆的侧视图和剖面图；在侧视图中显示的是B端，在剖面图中则显示了该杆的两端。它一端与A处的摇臂销相连，另一端则与B处的曲柄销相连。图99展示了联结杆的类似视图。为节省版面空间，这些杆子的中间部分被省略掉了。通常，主连接杆在靠近曲柄销的G处会比另一端更宽，因为该部位最容易断裂。而联结杆则要么为直形，要么在中间部分稍宽一些。

[47]这类杆子也常被称为侧杆或平行杆，但“联结杆”这一名称更为恰当。

图98

图99
比例：3/4英寸=1英尺

问题178：如何防止这些杆子因杆孔内的销子磨损而变得松动？

答案：杆子的两端装有所谓的黄铜轴承，[48]即c、d、e、f这些部件。这些黄铜轴承是成对使用的。

从两侧夹住销轴。这些销轴由呈⊃形状的夹具固定，这些夹具被称为“带子”，并通过螺栓固定在杆上。当黄铜轴承磨损后，人们会将其从带子中取出，然后磨掉它们相互接触表面的部分，这样就能让它们更靠近彼此，从而缩小用于安装销轴或轴颈的孔径。为防止这些轴承在带子中松动，人们会在带子和杆上安装锥形或楔形的键，这些键会压在黄铜部件上。通过压紧这些键，就能使黄铜轴承更加紧密地贴合在一起，进而缩小轴颈所在孔的尺寸，使杆能够更牢固地固定在销轴上。有时，还会在键与黄铜部件之间放置一块硬钢板，该钢板在插图中被以深色阴影标出，其作用是防止键压坏柔软的黄铜表面。由于这些键很容易松动甚至脱落，因此要么用插图中所显示的螺丝和螺母来固定它们，要么用杆上的固定螺丝来固定。由带子、键和黄铜部件构成的整个结构被称为“短端结构”。

[48] 轴销或主轴上承受摩擦的部分被称为轴颈，而与轴颈相接触的表面则被称为轴承。

问题179：曲柄销的轴颈是如何润滑的？
答案：通过在轴颈上方的带子上安装油杯来实现润滑，这些油杯与导杆上使用的油杯类似，但连接杆的插图中并未展示。有时，人们还会在带子的下方安装所谓的“油箱”——即装满油的金属容器，杆的快速运动会使油在容器内剧烈流动，进而通过带子上的孔流入轴颈处。为防止油从连接杆的轴颈周围泄漏，图99中的n、n位置处的黄铜部件通常会被设计成能够包裹住曲柄销的外端，这样不仅能防止油外漏，还能阻挡灰尘进入。这些黄铜部件通常还会衬有巴比特合金或其他某种软金属，因为这类材料不易因轴颈的摩擦而产生过热现象。

问题180：连接杆是否总是采用短端结构？
答案：并非如此；有时候它们的两端是整体成型的，也就是说没有带子或键。此时，用于安装曲柄销的孔处会有黄铜环或衬套，这些部件能够紧密地固定在相应位置。

这些孔用于在销上形成轴承。当这些环出现磨损时，就需要将其更换掉，再装上新的环。
问题181：什么是“运动损失”？
答案：它指的是机械的磨损现象，这种磨损会导致某些部件无法正常运动。例如，如果主连杆的轴承出现磨损，活塞在能够带动曲柄销移动之前，必须先移动与每端磨损量相等的距离。因此，运动损失也可以被称为部件的松动现象。当我们说消除运动损失时，意思就是让原本松动的部件变得紧密。

第十一部分：气门装置
问题182：什么是机车的气门装置？
答案：气门装置指的是由偏心轮、连杆、摇杆等部件构成的系统，通过这些部件来驱动气门并控制其动作。
问题183：在机车运行过程中，气门装置需要具备哪些功能？
答案：它必须能够使机车既能向前行驶也能向后行驶，同时还能快速且准确地改变车轮的转动方向。此外，它还应能让驾驶员在活塞行程的整个阶段或几乎整个阶段都将蒸汽引入气缸，从而充分利用发动机的动力；而在需要较少动力的情况下，则可以通过调整阀门的开闭时机来更经济地利用蒸汽，目前是通过改变阀门的移动距离来实现这一功能的。
问题184：气门装置是如何设计来让发动机能够向前或向后运转的？
答案：如问题76的回答中所解释的，每个气缸都配有两个偏心轮。这两个偏心轮的设置方式是：每对中的其中一个会让机车向一个方向行驶，而另一个则让机车向相反方向行驶。
问题185：为了使一个偏心轮让发动机向前运转，另一个则让其向后运转，每个气缸的偏心轮应如何设置？
答案：这可以通过图100来最好地说明。在该图中，活塞P处于向后的行程起点，气门V已处于合适的开启位置，即将打开前端的蒸汽入口。显然，为了完成活塞的向后行程，必须打开前端入口以便蒸汽进入气缸前端，因此气门必须按照箭头a所示的方向移动。为此，摇杆r的上臂必须朝同一方向移动，而下臂则必须朝相反方向移动。

如箭头e所示。如果曲柄需要按照箭头N所示的方向移动，那么偏心轮的中心必须位于轴心的上方，这样才能使摇臂按照箭头e所示的方向移动。然而，如果曲柄需要朝相反方向移动，即如图101中箭头N所示，那么显然阀门仍需向与之前相同的方向移动，这样才能打开前方的蒸汽口，让蒸汽进入并推动活塞后退。但如果曲柄按照图101中箭头N所示的方向转动，那么偏心轮的中心就必须位于轴心的下方，这样才能使下方的摇臂按照箭头e所示的方向移动，同时阀门则按箭头a所示的方向移动。由此可见，在活塞行程开始时，用于正向运动的偏心轮中心与用于反向运动的偏心轮中心必须分别位于轴心的上方和下方，如图101所示。

图100。

图101。

图102。
比例：3/8英寸=1英尺。

问题186：为什么偏心轮的中心不会位于轴线的相对位置上？
答案：因为在活塞开始做往复运动之前，必须先将阀门从其中间位置移动与阀口开启量相等的距离，蒸汽才能进入。如果使用如图10所示的阀门——即没有阀口开启量的那种阀门——那么偏心轮的中心就可以与曲柄成直角，或者用机械术语来说，是与曲柄“垂直”的，就像图11所示那样，而且两者可以完全处于相对位置，因为这种阀门一旦从阀面中间位置开始移动，就会立即开始进汽。然而，如果是如图27所示的阀门，显然在它能够通过任一阀口进汽之前，必须先将其从阀面中间位置移动与阀口开启量L相等的距离。因此，偏心轮不能位于所谓的“半行程点”，而必须位于比中间位置更靠前的位置，以便使阀门移动与阀口开启量相等的距离；如果还要给阀门额外的提前量，那么这个提前量就等于阀口开启量与上述距离之和。在图100和图101中，fg是一条在活塞运动开始时与曲柄垂直的竖直线。可以看出，每个偏心轮的中心都位于这条线的前方足够远的位置，从而为阀门提供所需的提前量。当活塞到达气缸的后端时，两个偏心轮会处于图102所示的位置，在该位置下，下方的偏心轮会带动阀门转动，使曲柄朝N方向移动，而上方的偏心轮则使其反向转动。可以看出，在活塞处于该行程末端时，两个偏心轮仍然位于半行程点的前方。
[49] 当活塞处于行程末端时，这一位置应与曲柄垂直。

图103。
比例：3/4英寸=1英尺。

问题187：如何将任一偏心轮的转动传递给阀门？
答案：每对偏心杆的末端通过一个连杆a b连接在一起，如图103所示。该连杆上有一个弯曲的槽a b，滑块B可以精确地嵌入其中，并能在两端之间自由滑动。该滑块通过销轴c与下方的摇臂相连，而销轴则可在滑块内自由移动。偏心杆C和D则通过销轴及关节结构与连杆的末端e和f相连。显然，当连杆处于图103所示的位置时，通常用于驱动发动机前进的上方偏心杆的转动会传递给摇臂，进而带动阀门；而当连杆处于图105所示的位置时，阀门则会被下方的或用于驱动发动机后退的偏心杆B带动而移动。为了使发动机反向运转，只需设置用于升降连杆的装置即可。这一装置就是图103中的轴A，它被称为升降轴，该轴有两个水平臂E——每个连杆对应一个水平臂——以及一个垂直臂F。连杆则通过称为连杆吊架的杆件g h悬挂在水平臂的末端，这些连杆吊架同时与连杆以及……相连。

上方的臂由销轴固定，从而使吊架能够自由振动。下方的销轴则连接在一块名为“连杆鞍座”的板上，该板通过螺栓固定在连杆上。提升轴的垂直臂通过一根名为“反向杆”的杆件与杠杆O相连；驾驶室内的那块板则被称为“反向杠杆”，其结构将在后文说明。该杠杆由机车驱动装置驱动，当其上端向前移动时，连杆会下降，而摇杆和阀门则会随着前向偏心轮的运动而动作；如果反向杠杆向后移动，则连杆会上升，此时后向偏心轮会带动阀门运动。如此一来，阀门装置就会进入前进或后退状态，也就是所谓的正向档或反向档。
[50] 图中仅展示了其中一种结构。

图104。

图105。

比例尺：3/8英寸=1英尺。

图106。

图107。

比例：3/8英寸=1英尺。

问题188：连杆的运动如何改变阀门的运动？
答案：通过抬高或降低连杆，使得连杆块和摇臂销位于偏心杆的上方或下方一定距离处。在图104中，是上方偏心杆的运动带动了摇臂销和阀门；而在图105中，则是下方或后方的偏心杆的运动带动了它们。不过，如果像图106所示那样抬高连杆，使连杆块和摇臂销位于上方或前方偏心杆的下方，那么传递给摇臂和阀门的运动就会同时受到上方偏心杆和下方偏心杆的影响。只要摇臂销位于连杆的中心上方，其运动就会……

阀门会控制上杆或前杆的大部分运动，此时发动机将向前运转。但当摇臂销位于连杆中心下方时，其运动就会更多地受到后侧偏心杆的影响，此时发动机则会向后运转。连杆的运动相当复杂，难以清晰理解；如果我们像在图11至24中展示偏心轴运动那样，用活塞整个行程中的多个连续位置来表示连杆的运动，或许就能更清楚地理解它了。因此，我们假设连杆处于所谓的“全前进档”状态，如图103和104所示。在图108中，连杆处于活塞行程开始时的位置；在图109中，它处于活塞移动了四英寸时的位置；在图110中，活塞移动了八英寸时；在图111中，活塞移动了十二英寸时；而在图112、113和114中，活塞分别移动了十六英寸、二十英寸和二十四英寸时。图114至119展示了活塞回程过程中连杆的连续位置。为了更清楚地显示连杆的不同位置，我们在图120中以更大的比例标出了连杆中心线的连续位置，这些位置可以反映出连杆对摇臂施加的运动。为了标识这些位置，图120中的中心线被标记为+和-0、4、8等编号，这些编号与图108至119中的相应编号相对应。

图108。

图109。

图110。

图111。

图112。

图113。

图119。

图118。

图117。

图116。

图115。

图114。

比例：3/8英寸=1英尺。

图120。

1/16英寸的刻度等于1英寸。

图121。

1/16英寸的刻度等于1英寸。

图122。

1/16英寸=1英寸。因此，-0 -0这条线表示连杆在冲程开始时的中心位置，如图108所示。而图109中所显示的-4 -4这条线，则对应活塞移动了4英寸后的位置。-8 -8、-12 -12、-16 -16、-20 -20、24 24、+4 +4等线条，分别代表了从图108到图119中连杆中心的连续位置。虚线h a和h b则代表了摇臂在连杆作用下的两个极端位置。可以看出，当连杆处于所示位置时，它会将偏心轮的全部行程传递给摇臂销，进而传递给阀门。现在假设连杆如图106所示被抬高，此时摇臂销的位置正好位于偏心杆末端与连杆中心之间的一半处。这种状态被称为半档位。在图121中，以与全档位相同的方式，展示了连杆中心线与摇臂在不同半档位状态下的位置。由此可知，当连杆处于该位置时，它传递给摇臂销及阀门的移动距离a b为3.5英寸，而非5英寸。在图107中，连杆被抬高，使得摇臂销位于其正中央，即偏心轮之间的中间位置。这种状态被称为中档位。图122以与全档位和半档位相同的方式，展示了连杆中心线在此状态下的连续位置。可以看出，中档位时摇臂的移动距离仅为2.5英寸。这些图表表明，当摇臂销与偏心杆相对时，阀门会接收到偏心轮的全部行程；而随着摇臂销逐渐靠近连杆中心，偏心轮传递的运动量会逐渐减小。因此，即便偏心轮的行程为5英寸，且阀门的闭合行程为7/8英寸、开启提前量为1/8英寸，我们仍可以通过升降连杆来改变阀门的移动距离，使其在2.5英寸到5英寸之间变化，而提升或降低连杆的操作则是通过反向杠杆来实现的。

问题189：这种移动距离的变化会对阀门的运作以及蒸汽进入和离开气缸的过程产生什么影响？
答案：其效果几乎与增加或减少偏心轮的行程所产生的效果相同，这一点已在问题52的答案中解释过。为了更清楚地展示这一效果，我们在图123中用运动曲线[51]展示了连杆在全档位、半档位和中档位状态下对阀门产生的作用力。

前述图表中，全速档的曲线用粗线绘制；半速档的曲线用较细的线绘制，而中速档的曲线则用点线绘制。从这些曲线可以看出，当阀门处于全速档时，蒸汽阀在活塞行程的2英寸处完全打开，而在21英寸处蒸汽被切断。当阀门处于半速档时，蒸汽阀从未完全打开，蒸汽在活塞行程的17.5英寸处被切断。而当阀门处于中速档时，蒸汽阀的最大开启程度也不超过一定的限度，蒸汽则在活塞行程的4英寸处被切断。[51] 这些曲线的性质已在对第44个问题的回答中作出说明。

当然，活塞也可以处于我们所展示的那些位置之间的任何中间位置。通常，反向杠杆的设计使得蒸汽会在活塞行程的6英寸、8英寸、10英寸、12英寸、15英寸、18英寸和20英寸处被切断。

问题190：在常规的活塞运动方式下，蒸汽进入量的最大值和最小值分别是多少？
答案：当活塞的行程为24英寸，移动距离为5英寸，重叠量为7/8英寸时，蒸汽可以在活塞行程的21英寸处，即87.5%的行程时间内进入气缸，而蒸汽则在大约4英寸处，即16⅔%的行程时间内被切断。不过，当活塞处于中速档时，其运动曲线会变成一条直线，此时在活塞到达行程末端之前进入的蒸汽量与之后进入的蒸汽量相等，因此无法让机车在这种状态下运行。实际上，如果蒸汽在活塞行程的6英寸之前就被切断，也就是在行程的1/4处被切断，那么就无法利用活塞的运动来产生有用的功。即便如此，蒸汽阀的开口程度也太小，进入气缸的蒸汽压力也会大大降低。

问题191：用于表示阀门运动的曲线是如何绘制的？
答案：由于活塞的运动极为复杂，因此很难根据活塞的运动来绘制出相应的曲线。所以，那些没有机械制图知识的人很可能无法理解下面关于绘制方法的描述，我们会尽量把这种方法解释得尽可能清楚。

图123。

比例尺：3/16英寸 = 1英寸。
图124。
比例尺：3/4英寸 = 1英尺。
首先，需要将图124中摇臂轴A、提升轴B的中心点S确定在正确的位置上。如果阀门的重叠量为7/8英寸，而提前量为1/8英寸，那么当活塞处于气缸前端以及回程开始时，下摇臂销的中心点应位于其中间位置前方1英寸处。因此，我们会在该位置标记出摇臂销的中心点a。如果以轴的中心点为圆心，画一个直径等于偏心轮偏移量的圆，那么这个圆就代表了偏心轮中心点的运动轨迹。接下来，以轴的中心点到下摇臂销中心点a的距离作为半径，再以摇臂销在行程开始时的位置为圆心，与该圆相交于两点c和d，这两个交点则分别代表正向偏心轮和反向偏心轮中心点的位置。确定了这些位置后，以这些中心点为圆心，以偏心轮中心点到连接杆与连杆的销轴中心的距离为半径，画出弧线f和g。显然，在行程开始时，连杆上各销轴的中心点……

每个点都必须位于这些弧线之中。不过，连杆是由吊架悬挂的，而该吊架会围绕提升臂的末端进行摆动；对于任何一个切割点而言，提升臂的末端都是固定的。因此，连杆的悬挂点必须始终位于以提升臂上销轴的中心为圆心、半径等于吊架长度所画的弧线JK上。这样一来，连杆上就有三个点，每个点都必须位于上述弧线之中，而这些弧线则决定了连杆的位置。最简单的做法是将连杆L画在一张硬纸板上，然后通过销轴S和T的中心剪掉纸张的背面PQ，再剪出一个三角形区域U，其顶点则对应于悬挂点O的位置。将这张纸放在图纸上并移动它，使得三个中心点S、T和O分别位于图124中的弧线FG和JK上。此时，这张纸就代表了相应运动位置的连杆形状。在弧线FG上标出连杆销轴的中心点，然后以这些点为圆心，用绘制弧线时所用的长度作为半径，再画出另外两条相交的弧线V和W，它们相交的点D就是可以用来确定连杆中心线的中心点，其半径LD等于偏心轮中心到连杆中心的距离。这样就能得到连杆中心线的第一个位置——O-O。由于摇杆销轴必须始终位于连杆的中心，显然，连杆中心线与摇杆销轴摆动轨迹所在弧线相交的点，就是摇杆销轴的中心位置。确定了这一点之后，阀门的定位也就很容易确定了。[52]通常情况下，这个半径就是连杆的半径，但在某些情况下，为了绘制连杆，可能会采用更大或更小的半径。在接下来的解释中，我们假设是按照这个半径来绘制连杆的，或者是以轴心为圆心来绘制的。当然，如果使用的是更大或更小的半径，那就需要相应地做出调整。

图125。

比例尺：3/4英寸=1英尺。

若要表示活塞移动了四英寸之后的轨迹上其他点处的连接位置，首先需要确定曲柄的位置。为此，必须考虑到连杆角度所导致的不规则性，这一点已在之前的解答中说明过。

问题54：首先以轴的中心为圆心，画一个直径等于活塞行程的圆CD，该圆便代表了曲柄销的运动轨迹。同时，还应以轴的中心和气缸的中心为端点，画一条水平的中心线EF。这条线与曲柄销运动轨迹的交点o，就是曲柄销在行程起始时的位置。如果从该点沿中心线量取一段长度等于连杆长度的距离oo，那么这个点就代表了曲柄销在行程起始时的位置，进而可以据此确定曲柄销在每英寸行程中的相应位置。

以活塞已移动了四英寸后的位置作为圆心，以连杆的长度为半径，若与曲柄销的运动轨迹相交于点-4，则该交点就代表了曲柄销在活塞移动四英寸时的位置。点o到点-4的距离相当于整个圆周的44度。由于偏心轮与轴相连，其转动角度自然与曲柄相同，因此，要确定曲柄移动一定距离时偏心轮的位置，只需将其转动与曲柄相同的角度即可。这可以通过将偏心轮处于初始位置时的半径延长，直到它们与曲柄销的运动轨迹相交于点c′和d′来实现。从这两个交点再量取与曲柄移动距离相等的距离c′c″和d′d″，然后从点c″、d″分别画出半径，这两条半径与偏心轮运动轨迹的交点c″d″，就代表了曲柄位于点-4时偏心轮中心的位置。确定了偏心轮的位置后，就可以像之前那样绘制连杆了，即以点c″和d″为圆心，以偏心杆的长度为半径画出弧线f″和g″。接着利用纸模板确定这些弧线上连杆销中心的位置并加以标记，再以偏心杆的长度为半径画出两条相交的弧线v″和w″，它们的交点即为连杆的中心，以此为起点可画出中心线-4-4。这样就能得到活塞在另一位置时摇臂销的位置。用类似的方法，可以确定活塞在任意位置时摇臂销的位置，进而轻松确定阀门的 위치，并将其标注在运动曲线图上，正如问题44的答案中所描述的那样。当然，阀门会从中间位置移动与摇臂销相同距离的距离，只是方向相反而已。为了绘制……

在运动曲线图中，阀门的定位应与摇臂销的定位保持相同的关系，而摇臂销的位置则由连杆的中心线与摇臂销摆动轨迹的交点决定。为了绘制运动曲线，需要确定活塞在不同行程点处的阀门位置，并将这些位置标在表示相应活塞位置的横线上，然后再通过这些点手工或借助模板来绘制曲线。确定的点越多，曲线的精度就越高。因此，最好为活塞每英寸的行程都标出阀门的准确位置，而且这些位置也应按实际尺寸绘制，不过在附图中所展示的显然无法做到这一点。

[53] 为了使图形符合要求的尺寸范围，该图中的连接杆长度被设定为5½英尺，而非之前的7英尺。

[54] 当摇臂的两臂长度相同时——通常都是如此——就会出现这种情况。不过偶尔也会出现两臂长度不同的情况。

问题192：还有其他绘制这些运动曲线的方法吗？
答案：有。人们可以用铅笔制作出模拟阀门机构工作原理的模型，让阀门产生往复运动，从而在与其运动轨迹相同的表面上绘出曲线。作者曾在一种应用于机车上的装置中采用过这种方法。其工作原理可以这样理解：假设图123所示的运动曲线图中的蒸汽口和排气口被画在板ABCD上（见图126），但它们并非像图123那样处于垂直状态，而是呈水平状态；这块板则固定在十字头L上，因此它会随着十字头及活塞一起前后移动。一根小轴F固定在安装在导轨上的适当支架j上，这根轴有两个臂，即G和E，一个垂直，另一个水平，且两者长度相等。垂直臂G的上端通过一根短连接杆H或其他合适的方式与阀杆或摇臂相连，这样阀杆的运动会传递到该臂和轴上。当然，水平轴的末端就会呈现出与阀杆及阀门在水平方向上的运动完全相同的垂直运动。

由于一个部件的移动是沿直线进行的，而另一个部件则是沿圆弧移动的，因此会存在极其微小的误差。现在，如果将一支铅笔P固定在水平臂E的末端，并使其尖端恰好指向阀门蒸汽边缘h的位置，如图123所示，那么显然，当活塞和滑块移动了四英寸时，铅笔也会向下移动，从而画出从h到i的那一段运动曲线；当活塞移动了八英寸时，曲线则会延伸到j点；而在活塞移动12、16、20和24英寸时，曲线则分别延伸到k、l、m和n点。在回程过程中，自然也会形成一条对应的曲线n→o→h。利用这种仪器，就可以为连杆的任意位置绘制出曲线，这些曲线能够展示阀门在整个行程中的精确运动情况，同时也能反映出因比例不当、结构缺陷、部件间的摩擦损失以及其他原因所导致的各种问题。

图126：比例尺为3/4英寸=1英尺。

不过，在使用这种仪器时，将滑块固定在十字头的内侧是不切实际的，因此必须将其固定在十字头的外侧。水平臂E应由薄钢制成，以便形成弹簧结构。其末端有一个小突起，上面有一个直径为3/16英寸的孔。该孔上有螺纹，普通硬质绘图铅笔就可以拧入其中。由于弹簧的作用，除非有人将铅笔压在滑块上，否则铅笔不会与滑块接触。接着，将机车放在光滑的轨道上，启动蒸汽并让机车以极慢的速度行驶，这样，走在旁边的人就可以将铅笔压在滑块表面——滑块表面应铺有绘图纸。通过观察……

当笔尖到达行程的末端时，就可以将铅笔压在纸上，并在整个行程过程中保持接触状态；一旦运动曲线绘制完成，便立即松开铅笔。之后可以将连接件移至另一位置，这样就可以绘制出任意数量的曲线，而这些曲线将是分析阀门运动情况的最准确手段。[55]“凸起部分”这一术语指的是任何部件的尺寸增大或厚度增加的现象。

在实际操作中，最好在绘制完曲线并将纸张从模板上取下之后，再绘制表示气口边缘的线条。不过，必须在发动机上标出一条中心线，以便以此为基准来确定气口的位置。具体做法是先将阀门置于中间位置，然后用轴端预先安装的螺母将轴F固定在该位置。固定好后，拆下连杆H，通过活塞的一次往复运动，就可以用铅笔P画出中心线。有了这条中心线，就可以轻松地确定气口边缘的位置，并在将纸张从发动机上取下后将其绘制在纸上。

问题193：对于给定的行程距离，是否可以通过一条运动曲线来显示阀门各边缘相对于气口的位置？还是像图28所示那样，需要为阀门的每个边缘都绘制这样的曲线？

答案：只需一条运动曲线即可表示阀门在整个行程过程中的任意位置。只要记住，如图28所示，每条运动曲线其实都是相似的，唯一的不同在于气口相对于这些曲线的位置不同。因此，只需通过线条来表示气口与其他曲线的相对位置，就能用一条曲线完整地展示阀门的运动过程。为便于说明，假设已使用前文所述的工具绘制出了运动曲线h i j k l m n o p以及中心线a b（见图127）。这条长度与活塞行程相等的中心线应被划分为若干段，然后在这些分点处画出与a b垂直的线条ff、23 1、22 2等。如果想要显示阀门前端蒸汽边缘相对于相应蒸汽口的位置，就需要画一条与ff垂直的线条t，以表示行程开始时该阀门边缘的位置。由于无法精确确定该位置……

在冲程开始时，蒸汽边缘位于运动曲线上，且与该曲线相切[56]，因此必须将其标在中心线ab上。如果我们记住：如图27所示，当阀门处于中间位置时，其重叠量为7/8英寸；而在冲程开始时则有1/16英寸的提前量，那么如图28所示，此时阀门已从中间位置移动了15/16英寸。因此，直线t必须画在距离ab为15/16英寸的位置上，以体现它相对于运动曲线的正确位置；由于存在1/16英寸的提前量，蒸汽口的蒸汽边缘hh′也必须画在距离t相同的位置上。接着可以再画一条直线mm′，用来表示前部蒸汽口的宽度cc′。通过这些线条，就可以像图28那样清晰地显示出阀门相对于前部蒸汽口cc′的运动情况以及蒸汽的进入情况。

[56] 当一条曲线与另一条曲线或一条直线仅相触而不相交时，就说这条曲线与该曲线或直线相切。

如果现在我们想要表示阀门后部蒸汽边缘相对于其蒸汽口的运动情况及相对位置，只需假设直线t代表该蒸汽边缘，而曲线hijklmnoh则代表它的运动轨迹，然后按照正确的关系画出后部蒸汽口即可。如图27所示，当阀门处于中间位置时，蒸汽口的外缘距离阀门的蒸汽边缘q为7/8英寸，这一距离恰好等于其重叠量。由于图127中的中心线ab代表了阀门边缘的中间位置，因此只需画一条距离ab为7/8英寸的直线nn′，这一距离与图28中蒸汽口外缘距离q的距离相同，以此来表示图127中的蒸汽口外缘；再画一条距离nn′等于蒸汽口宽度的直线bb′，以此来表示其内缘。在直线024下方的直线q则代表阀门在冲程开始时的边缘。与蒸汽口d相关的曲线则可以像图28中的虚线df一样，显示出阀门相对于该蒸汽口的运动情况。

图127。

1/16英寸的刻度相当于1英寸。

如果想要表示阀门中排气边缘h′的运动情况，如图28所示，只需将图127中的直线t视为该边缘，然后按照图28中该边缘与h′之间的关系来绘制端口d即可。在图127中，这一点是通过虚线cc′和ee′来表示的。

如果读者能按照图27所示的方式剪出一个阀门的纸模，并将各个边缘h、i、h′和q依次与图127中的直线t对应起来，那么示意图就会更加清晰。例如，如果将纸模置于直线t的右侧，使得边缘h与t相对应，那么就可以看出端口c与图28中的位置关系是一致的。如果将阀门置于左侧，使得边缘q与t相对应，那么端口d的位置也会与图28中的位置一致。如果让边缘i和h′与t相对应，那么图127中的虚线所代表的端口就相当于图28中的端口c和d。

只要记住图127中的中心线ab代表了阀门处于图27所示的中间位置时各边缘的位置，同时端口必须位于同一侧，并且与中心线的距离要等于它们与正在运动的阀门边缘的距离，就可以确定端口相对于运动曲线中心线的位置。因此，如果想要表示蒸汽边缘h相对于其端口c的运动情况，那么在运动图中，端口c的边缘应与中心线的距离等于阀门处于中间位置时h与该中心线的距离，这个距离自然就等于阀门的重叠量。如果想要表示排气边缘h′相对于蒸汽端口d的运动情况，那么在图中，端口d的内边缘应与中心线ab保持相同的距离，这一距离等于阀门边缘h′到端口内边缘的距离，也就是阀门的内部重叠量。排气端口也可以用同样的方法来表示，但由于所使用的比例尺非常小，这样做可能会使示意图变得混乱，因此这里没有将其包含在内。当然，如果以实际大小来绘制这类示意图，就能更清晰地展示阀门的运动情况，而目前的插图则无法做到这一点。

在绘制示意图时，表示各接口的线条应使用不同颜色，以便于区分。这样的图表能够显示阀门相对于各接口的位置，以及蒸汽在整个行程中的分布情况。只需将曲线与相应的线条对应起来，就能确定阀门在进汽或排气过程中相对于各个接口的位置。例如，如果我们想了解阀门如何控制蒸汽的进入，通过查看图127可以发现：在回程开始时，阀门有1/16英寸的提前动作；当行程达到1又3/4英寸时，如运动曲线与线mm′的交点所示，接口c已完全打开；当行程达到9英寸时，阀门达到最大回程距离，随后在15又1/2英寸时开始关闭接口，并在21英寸时完全关闭。再将运动曲线与线nn′和bb′对应起来，可以看到：在前进行程开始时，如线q在n′处所示，阀门仍有1/16英寸的提前动作；当行程达到1又3/8英寸时，蒸汽接口已完全打开；在16又1/4英寸时开始关闭，21英寸时完全关闭。再通过曲线与线ee′和cc′对应，可以看到：在活塞完成前进行程之前，前端接口就开始向排气方向打开；当活塞还有大约1英寸的移动距离时，该接口几乎立即完全打开；直到活塞移动了19又1/2英寸后才开始关闭，23英寸时完全关闭。最后，通过曲线与线dd′和gg′对应，可以观察到前进行程中几乎相同的规律。实际上，通过这样的图表，就可以非常精确地研究和分析阀门的整个运动过程；而正如前文所述，由连杆驱动的滑阀其运动方式极为复杂，没有这样的图表就几乎无法准确了解其运动规律。

问题194：能否绘制出能够反映阀门在不同行程距离下运动的示意图？
答案：可以。只需为每种不同的行程距离分别绘制运动曲线，这些曲线就能显示出阀门在该行程距离下的运动情况。图128就是如此，它是一系列来自机车的运动曲线的简化版本。通过这张图表，就可以从最高点到底部来观察由连杆驱动的滑阀的运动情况。

可行的截断点。为便于参考，这些曲线已标上编号。

图128。

比例：3/16英寸 = 1英寸。
由曲线1所示，阀门的最小移动距离略小于2½英寸，此时蒸汽阀的开口宽度约为5/16英寸；在向后的运动过程中，蒸汽在8英寸处被切断，而在向前的运动过程中则在6¾英寸处被切断。在向后的运动过程中，蒸汽在17英寸时释放，而在向前的运动过程中则在16⅝英寸时释放。当阀门以最大行程工作时，如曲线8所示，其移动距离为5英寸：在向后的运动过程中，蒸汽阀的开口宽度为3英寸；在向前的运动过程中则为2¼英寸。蒸汽在20¾英寸和20½英寸处被切断，而在每次运动的23⅛英寸处则开始释放蒸汽。下表列出了图中每条运动曲线的最大开口宽度、蒸汽切断点、释放点以及提前量。该表是根据第191题中所述的仪器所绘制的运动曲线制成的，所用机车已运行了大约18个月，因此其阀门装置已经出现相当程度的磨损，这一点从阀门运动方向改变时曲线两侧的平坦度即可看出。这种平坦度是由于阀门装置中的机械损耗造成的——当阀门运动方向改变以及各部件从一侧的轴承移动到另一侧的轴承时，铅笔会暂时保持不动。因此，这些曲线和表格展示的并非理论上完美的阀门装置的工作情况，而是实际使用中的状况，其中包含了普通机车所固有的各种缺陷。可以看出，该仪器不仅能显示阀门装置应有的工作状态，还能反映其实际工作状况，并揭示出所有的缺陷。

| 曲线编号 | 阀门编号 | 向后运动时的开口宽度（英寸） | 向后运动时的切断点（英寸） | 向后运动时的释放点（英寸） | 向前运动时的开口宽度（英寸） | 向前运动时的切断点（英寸） | 向前运动时的释放点（英寸） | 提前量（英寸） |
|----------|----------|---------------------------|----------------------------|----------------------------|---------------------------|----------------------------|---------------------------|--------------|
| 1 | 2½ | 11/32 | 5/16 | 8 | 6¾ | 17 | 16⅝ | 9/32 |
| 2 | 2½ | 7/16 | 13/32 | 9½ | 9½ | 18⅝ | 18⅝ | 1/4 |
| 3 | 2¾ | 9/16 | 1/2 | 12 | 11¾ | 19¾ | 19⅙ | 7/32 |
| 4 | 3⅝ | 11/16 | 41/64 | 14 | 14 | 20Ⅺ | 20⅙ | 3/16 |
| 5 | 3½ | 7/8 | 27/32 | 16½ | 16½ | 21Ⅺ | 21½ | 5/32 |
| 6 | 4 | 1⅝ | 13/32 | 18¼ | 18⅛ | 22⅞ | 22¼ | 1/8 |
| 7 | 4½ | 1¼ | 1¼ | 19⅝ | 19½ | 22⅜ | 22¾ | 3/32 |
| 8 | 5 | 1¼ | 1¼ | 20⅝ | 20½ | 23⅞ | 23⅞ | 1/16 |

问题195：图128中所示的阀门机构的主要尺寸有哪些？
答案：偏心轮的偏移量为5英寸，蒸汽进口的宽度为1又1/4英寸，排气口的宽度为2又3/4英寸。阀门的外部重叠量为7/8英寸，内部重叠量为1/16英寸；在最大行程时，阀门的领先量为1/16英寸。

问题196：阀门打开蒸汽进口的距离与其通过连杆驱动时的行程之间有什么关系？
答案：如问题52的答案所述，阀门为让蒸汽进入而打开的蒸汽进口宽度会随着阀门的行程而减小。这一点从运动曲线以及上表中可以清楚地看出：当阀门仅移动2又1/2英寸时，回程时蒸汽进口的开口宽度仅为11/32英寸，前进时则为5/16英寸；当阀门移动2又5/8英寸时，开口宽度分别为7/16英寸和13/32英寸；当阀门移动4英寸时，开口宽度分别为1又1/8英寸和1又3/32英寸；当阀门移动4又1/4英寸时，蒸汽进口会被完全打开。而当阀门移动4又1/2英寸或5英寸时，从运动图中可以看出，蒸汽进口不仅会被完全打开，而且阀门还会超出其内边缘继续移动。

问题197：连杆会对蒸汽切断点产生什么影响？
答案：通过连杆改变阀门的行程，其效果与使用不同偏移量的偏心轮类似——即偏心轮的偏移量越大，蒸汽进入的时间就越长，而蒸汽排出的时间则越短。这一点从运动图和表格中都可以清楚地看出。以第一条曲线为例，当阀门行程为2又1/2英寸时，回程时蒸汽在8英寸处被切断，前进时则在6又3/4英寸处被切断；而当阀门行程为5英寸时，回程中有20又5/8英寸的时间蒸汽可以进入，前进时有20又1/2英寸的时间蒸汽可以进入。

问题198：连杆会对蒸汽的排出时间产生什么影响？
答案：随着行程的增加，蒸汽的排出时间也会相应推迟。例如，当阀门行程为2又1/2英寸时，回程中活塞移动17英寸时蒸汽开始排出，前进时则在16又5/8英寸时开始排出；而当阀门行程为5英寸时，蒸汽的排出时间则要推迟到行程的23又1/8英寸处。通过观察运动图和表格，可以很清楚地了解排出时间与行程之间的关系。

问题199：普通的连杆运动会对阀门的领先量产生什么影响？

答案：如表格所示，随着行程距离的缩短，该数值会增大；同时，图表上下两侧曲线的倾斜程度也会影响该数值。

图129。
图130。

图131。比例：3/4英寸=1英尺。

问题200：铅块数量发生变化的原因是什么？
答案：这一现象可以通过图129来最好地解释。该图展示了一个带有极短偏心杆的连杆结构。如果将连杆的起始点设在轴S的中心，且偏心带环绕的是轴而非偏心件本身，那么这些偏心带的末端c和d将会分别沿着与连杆中心线xy平行的弧线ab运动，此时显然可以提升或降低连杆，而无需移动摇臂销。但由于偏心带是连接在偏心件上的（如虚线所示），当偏心杆上升或下降时，它们会从偏心件的中心s和t出发画出弧线ce和gh，而非从轴的中心出发。因此，当连杆上升时，上侧杆的末端会沿着弧线ce移动，如图130所示，连杆的顶部会离开轴一定距离，这个距离等于以轴的中心为起点画的弧线ab与以偏心杆的中心为起点画的弧线ef之间的间距。当连杆从高位降回中间位置时，也会发生类似的情况：下侧杆的末端d会沿着弧线fg移动，从而使整个连杆离开轴的距离等于以轴的中心为起点画的弧线与以偏心件中心为起点画的弧线之间的间距。

当偏心轮的位置如图131所示发生反转时，连杆会向轴心移动，从而导致阀门另一侧的间隙增大。为便于直观展示这一现象，我们在示意图中使用了非常短的偏心杆。从这些图示可以明显看出：随着偏心杆长度的缩短，以及偏心杆与连杆连接点之间的距离增大，间隙的差异也会随之增加。同样显而易见的是，如果增大偏心轮的偏移量，也就是增大偏心轮中心S、S到轴心S的距离，那么在满负荷和中等负荷状态下的间隙变化也会加剧。

问题201：什么是气缸中的蒸汽分配？
答案：它指的是根据活塞的行程或曲轴的旋转情况，控制蒸汽进入和离开气缸的过程。

问题202：滑阀和连杆运动所实现的蒸汽分配过程中，有哪些主要阶段或要素？
答案：它们包括：
1. 预进气阶段，即活塞尚未完成其行程时，蒸汽就已进入气缸；
2. 活塞开始行程后的进气阶段；
3. 蒸汽在气缸内的膨胀过程；
4. 活塞尚未完成行程时的预排气阶段；
5. 活塞回程过程中的排气阶段；
6. 活塞完成回程之前对蒸汽的压缩，也就是提前关闭排气阀。

问题203：什么是活塞间隙？
答案：它是指活塞处于行程末端时，活塞与气缸盖之间的空间。如果活塞在每次行程结束时都接触到气缸盖，就会产生冲击力，从而损坏这些部件。由于无法制造出绝对精确的机械装置，因此必须在活塞与气缸盖之间留出一定的间隙，通常为1/2到1/4英寸宽，这样即便活塞杆、连杆、机架或其他部件存在轻微误差，它们也不会相互碰撞。

问题204：为什么要在活塞移动方向上气缸的末端打开蒸汽阀并让蒸汽进入？

后者是否已经完成其冲程？
答案：因为为了确保蒸汽能够有效发挥作用，必须在冲程开始时就让气缸内达到最高压力。如果直到活塞开始运动后才打开蒸汽阀，那么就需要花费相当长的时间来将蒸汽注入气缸内的空隙中。[57]此外，尤其是在发动机以高转速运转时，依靠普通连杆机构驱动的滑阀无法足够快速地打开蒸汽阀，从而使锅炉中的高压蒸汽及时填满活塞退后后留下的空间，除非阀门在活塞到达冲程终点之前就开始打开。
[57]蒸汽通道是从蒸汽室通往气缸的管道，有时也被称为蒸汽阀口，但使用“蒸汽通道”这一术语是为了将其与阀门座上的开口区分开来，后者才更恰当地称为蒸汽阀口。

提前引入蒸汽的另一个好处是，它能使发动机在高速运转时依然平稳工作，从而大大减少各运动部件的磨损。当活塞接近冲程终点时，预先引入的蒸汽会形成一种弹性缓冲层，有助于吸收此时往复运动部件所具有的动量。这些部件的动量所产生的压力自然取决于它们的重量以及运转速度，且会随着速度的平方而增加。因此，预行程应随速度的增加而增大，在高转速下达到最大值。正如前文所述，普通的连杆机构完全可以满足这一要求。

问题205：蒸汽进入气缸的条件是什么？
答案：首先，这取决于节流阀的开启情况，以及从锅炉到气缸的管道和通道的尺寸。其次，还取决于阀门控制下的蒸汽阀口的开启时间和程度。

问题206：在蒸汽进入气缸的过程中，气缸内的蒸汽压力应为何值？
答案：为了最大限度地发挥蒸汽的作用，应在整个蒸汽进入过程中都让气缸内的蒸汽保持锅炉的最高压力。如果节流阀或蒸汽阀口的开启程度不足，就无法让蒸汽顺利流入气缸。

当锅炉压力达到最大值时，蒸汽被称为“拉丝状”蒸汽，而如第59题的回答中所解释的那样，此时若大量使用这种蒸汽，其诸多优势就会丧失。

问题207：为何在进汽过程中难以让蒸汽以锅炉的最大压力进入气缸并保持该压力？

答案：因为必须减小滑阀的移动距离，以便在活塞开始行程后不久就切断蒸汽供应。当滑阀的移动距离减小时，阀门开口的宽度也会相应减小，这样一来，开口面积就不足以让蒸汽快速流入气缸，从而无法使气缸内的压力维持在锅炉的最大值，尤其是在发动机高速运转时。根据第216页的表格以及图128中的运动曲线可以看出，当蒸汽在活塞行程的1/4到1/2处被切断时，用于进汽的阀门开口宽度仅为1/4到1/2英寸。从曲线中还可以看出，活塞开始行程后不久，阀门就会达到最大移动距离，而蒸汽通道的开口宽度也会达到最大值；此后阀门开口会逐渐关闭，因此在蒸汽完全被切断之前，开口面积已经小到不足以让蒸汽快速流动，从而无法在发动机高速运转时保持气缸内的蒸汽压力在锅炉的最大值。

问题208：有哪些方法可以克服这一难题，从而在阀门提前切断蒸汽供应的情况下仍能让蒸汽以锅炉的最大压力进入气缸？

答案：首先，蒸汽通道的长度会被设计为宽度的10到12倍，这样即使开口较窄，其面积也会相对较大。其次，通过给阀门设置预行程，不仅能在活塞开始行程时让间隙空间和蒸汽通道内充满蒸汽，还能使阀门开口达到与预行程相等的宽度。如前所述，在普通的连杆机构中，随着进汽行程和时间的缩短，预行程会增大，因此阀门开口的总距离越小，其在行程开始时的开口宽度就越大。由于机车在高速行驶时通常会提前切断蒸汽供应，因此通过连杆机构的调整来增加预行程实际上是一种优势而非劣势。不过，虽然通过这种方式往往能使气缸在行程开始时的蒸汽压力达到或接近锅炉内的压力，但要一直维持这一压力则几乎是不可能的。

在蒸汽供应被突然切断、发动机处于高速运转状态的整个过程中，为避免这一问题，人们设计了所谓的艾伦阀，如图132所示。该阀门有一个通道或辅助端口aa，它贯穿排气腔，并在阀体表面有两个开口b和b′。当阀门开始在c处吸入蒸汽时，如图133所示，它同时也会让e处的开口b′暴露出来，蒸汽便可以通过b′、aa、b这条通道进入位于b处的蒸汽入口。这样一来，就有了两个用于吸入蒸汽的开口。随着阀门的进一步移动，辅助端口中的开口b会关闭，但此时蒸汽入口已经足够开放，可以容纳所有所需的蒸汽。当阀门的移动距离及关闭点都很短时，这种阀门的效果非常好——它的蒸汽导入通道宽度是普通阀门的两倍。这种改进型的阀门在欧洲得到了广泛使用；不过尽管它是美国的发明，却并未在这个国家得到与其优点相称的重视。

图132。

图133。
比例尺：3/16英寸=1英寸。

问题209：什么是蒸汽提前释放？
答案：指的是在活塞完成其行程之前就让蒸汽释放出来。如果将蒸汽的释放推迟到活塞到达气缸末端之后，那么无论使用滑阀还是连杆机构，都来不及也无法使气口打开足够大的程度，从而使蒸汽在活塞开始回程之前从气缸中排出。如果没有蒸汽提前释放，活塞上就会产生或多或少的背压。

问题210：蒸汽提前释放的程度取决于什么？

答案：首先，如对第51题的回答中所解释的，这与内部重叠量有关；其次，与阀门的外部重叠量以及偏心轴的领先量有关；第三，与阀门的行程有关。内部重叠量越小，外部重叠量及偏心轴的领先量就越大；而阀门的行程越短，阀门关闭的时间就越早。这种提前关闭的时间取决于活塞的速度、需要排出的蒸汽量以及膨胀程度。从图128中的运动曲线可以看出，连杆式机构的显著特点就是：当连杆接近中间位置或阀门行程减小时，阀门会提前关闭。由于发动机在高速运转时连杆通常处于该位置附近，因此可以看出，从这方面来看，连杆式机构也非常适合用于驱动机车的滑阀。

问题211：什么决定了阀门关闭的时间？

答案：与提前关闭类似，阀门关闭的时间也取决于内部重叠量、外部重叠量以及偏心轴的领先量，还有阀门的行程。增加内部重叠量会导致阀门比没有内部重叠量时更早关闭，从而缩短阀门关闭的时间，同时也会减小阀口开口的面积。这一点可以从图128中看出来——在该图中，阀门的领先量为1/16英寸。表示阀口边缘的虚线位于中心线ab之外1/16英寸处。而如果没有内部重叠量，那么阀口边缘就会与直线ab重合。可以看到，第一条运动曲线在活塞向前移动15.5英寸时穿过虚线gg′，这一点正是阀口开始关闭、排气过程结束以及压缩过程开始的时刻。如果不存在内部重叠量，那么直线gg′就会与ab处于同一位置，此时运动曲线要等到活塞移动16英寸时才会穿过这条直线，这说明阀门关闭的时间会被延长，压缩过程也会推迟。由于阀口开口的宽度由运动曲线到代表阀口边缘的直线gg′右侧的距离决定，因此显然，如果没有内部重叠量，阀口边缘所在的位置就会与ab相同，这样一来，运动曲线与这条直线之间的距离就会更大，这意味着在没有内部重叠量的情况下，阀口的开口幅度会更大。

内间隙。从进气口到排气口的开口宽度实际上总是会减少一个等于内间隙的数值。在行程相同的情况下，增加外间隙和提前量会缩短排气时间，但对进气口到排气口的开口宽度没有影响。在行程相同的情况下，增加行程则会延长排气时间，同时也会增大进气口到排气口的开口宽度。

问题212：什么因素决定了压缩时间？
答案：由于压缩开始于排气结束之时，或者说是当进气口被关闭时，因此它同样受那些因素的控制。由于这两个过程是同时发生的，所以任何能够缩短排气时间的因素，必然也会延长压缩时间。

问题213：间隙空间和蒸汽通道对受限蒸汽的压缩有什么影响？
答案：参考图128中的运动曲线可以看出，进气口会在活塞到达行程末端之前就被阀门的排气边缘关闭，从而开始压缩过程。这样一来，活塞在进气口关闭后必须移动的那一部分气缸内，就充满了大气压或略高于该压力的蒸汽。这些蒸汽被限制在气缸内，会随着活塞的移动而被压缩。如果活塞到达行程末端时气缸与活塞之间没有间隙，那么要么气缸会爆炸，要么阀门会上升，让压缩后的蒸汽流回蒸汽箱中。不过，间隙空间和蒸汽通道为这些蒸汽提供了足够的空间，使得它们能够在不会导致气缸爆炸或蒸汽箱中有蒸汽时使滑阀上升的情况下被压缩。由于在每个行程开始时，间隙空间和蒸汽通道都必须充满高压蒸汽，因此这些蒸汽要么来自锅炉中的高压蒸汽，要么是由进气口关闭时仍留在气缸内的低压蒸汽经过压缩而得到的。通过后一种方式，虽然背压会增加，但可以节省一定量的蒸汽。还需要注意的是，压缩蒸汽的总热量会随着其压力的升高而增加，而当其压力接近锅炉中的蒸汽压力时，其温度也必然会升高到接近大气压的水平。

为使蒸汽温度更接近锅炉内的温度，必须施加一定的压力。蒸汽在压缩过程中所经历的温度变化，会影响到与蒸汽接触的金属表面；因此，那些主要存在间隙空间的气缸端部，其温度必然会高于仅发生膨胀的那部分区域。这一点非常重要，因为来自锅炉的新鲜蒸汽首先接触到这些空间，由于这些表面早已被压缩蒸汽的高温加热过，所以从新鲜蒸汽中吸收的热量就会减少，进而导致气缸内沉积的水分也相应减少。[59]
[58] “过热蒸汽”指的是直接从锅炉中取出、尚未在气缸中使用或用于做功的蒸汽。
[59] 摘自《铁路公报》第三卷中鲍辛格关于机车的实验研究。

由此可见，压缩的作用在于在蒸汽进入气缸之前，先让压缩后的蒸汽填满各个间隙空间和蒸汽通道。如前所述，这一过程是以牺牲气缸内的背压为代价的。需要记住的是，除了因热量损失、摩擦等因素而浪费的能量外，用于压缩蒸汽的所有能量都会在膨胀过程中重新传递给活塞。被压缩的蒸汽还起到了弹性缓冲的作用，能够支撑活塞——就像在没有压缩的情况下，在冲程结束前进入气缸的蒸汽所起的作用一样。因此，压缩有助于节省原本需要在冲程结束前注入的过热蒸汽量，这些蒸汽原本是用来填充间隙空间和蒸汽通道以及作为活塞的“缓冲层”的。如前所述，活塞及其他部件的动量取决于它们的重量以及工作速度，而动量与速度的平方成正比，由此可见，压缩程度应随速度的提高而迅速增加，在高速度下达到最大值。由于通过连杆机构的动作，排气口会提前关闭，而且当连杆接近中间位置时，其领先距离会迅速增大，与此同时压缩程度也会相应增加，可见连杆机构能够很好地满足这些要求。
被压缩蒸汽的压力自然取决于压缩过程的持续时间以及气缸的尺寸。

需留出足够的间隙。因为压缩程度可能会过高，从而导致锅炉压力上升，进而使阀门从阀座上脱离并被迫重新回到蒸汽腔中，因此必须注意两者之间的比例关系，以避免蒸汽被过度压缩。

问题214：如何通过实验来确定蒸汽在气缸中的分布对其作用的影响？
答案：如问题55的回答中所解释的，可以使用一种名为蒸汽指示器的仪器来实现这一目的。

图134。图135。

比例：3英寸=1英尺。

问题215：这种仪器的结构是怎样的？
答案：目前常用的指示器是理查兹指示器，其外部结构如图134所示，剖面图则见图135。该指示器由一个圆柱体B组成，活塞C精确地安装在该圆柱体内，且能够在其中自由移动。活塞杆周围环绕着一个螺旋弹簧D，弹簧的下端固定在活塞顶部，上端则固定在圆柱体盖子上。当蒸汽进入活塞下方时，会推动活塞在圆柱体内向上移动，从而使弹簧被压缩；如果活塞下方为真空状态，上方的空气则会将活塞向下压，使弹簧伸长。这种情况仅出现在冷凝式发动机上使用该指示器时。当然，活塞被蒸汽压力推动上升的距离取决于压力大小以及弹簧的张力；因此，如果在活塞杆上安装一支铅笔，使其能够在前方的移动卡片上留下痕迹，就可以绘制出反映蒸汽压力的图表，这一点在问题55的答案中已有说明。不过，这样做存在一些实际困难。如果直接将铅笔固定在指示器的活塞杆上，为了使图表上的刻度足够清晰，活塞和铅笔需要移动的距离实在过大，以至于部件的动量会使其移动的距离超过蒸汽压力所能导致的移动距离。此外，活塞或仪器的移动距离也使得无法同时显示压力变化与活塞的位置；活塞必须在压力变化发生时持续移动，因此图表上显示的压力变化会比实际发生的要晚或更缓慢。[60]为了解决这些及其他问题，我们所展示的指示器中，活塞杆在h点处与杠杆FG的短臂相连，而长臂的末端则连接着一块带有铅笔J的部件FI。这样一来，活塞传递给铅笔的位移仅为原来的四分之一，因此运动部件的动量相对较小。如果直接将铅笔固定在杠杆的末端，它显然会沿圆形轨迹移动，这会导致图表出现误差。为避免这种情况，铅笔被固定在所谓的“平行运动装置”上。该装置由一根连接杆FI构成，它将两根杠杆FG和IH的末端连接起来。由于铅笔固定在连接杆FI的中心位置，因此在这种结构下，铅笔会沿直线移动。当然，所有的杠杆及部件都设计得尽可能轻便。

尽可能如此，这样它们的重量就不会对指示活塞的运动产生太大影响。
[60] 查尔斯·T·波特所著的《理查兹蒸汽指示器》。

绘制有图表的纸或卡片被绕在黄铜圆筒AA上。该圆筒通过一根结实的绳索ab来驱动其旋转，而这根绳索则缠绕在圆筒底部的滑轮b上。绳索连接着一个杠杆，其结构与图30所示类似，该杠杆会随着发动机活塞的往复运动而动作。当然，绳索只能使圆筒单向转动，因此人们在圆筒内部放置了一个类似钟表发条的螺旋弹簧，以便在绳索松弛时将圆筒拉回原位。这样一来，每当活塞往复运动一次，纸制圆筒或鼓就会随之旋转一定角度，并与活塞同步移动。之所以使用这种圆筒而非平板卡片，是因为使用平板卡片会带来诸多实际困难。不过，纸在圆筒上的运动方式，相对于铅笔而言，与平板卡片的运动方式是完全相同的。

图136a。
图136a展示了将指示器安装在机车上的方法。从图中可以看出，该指示器被放置在蒸汽箱的中央位置，并通过3/4英寸的管道与气缸的两端相连。在所示的装置中，指示器的两侧各有一个球阀，这样就可以让指示器与气缸的任意一端相连，或者完全切断与两端的连接。不过，更好的方案是在水平管道与通往指示器的垂直管道相连接的部位安装一个三通阀，因为三通阀的通道比球阀的通道更为直接。用于驱动指示器鼓转动的杠杆以及实验时极为重要的底座的布置方式，也能从图中轻松理解。

无需进一步解释。一些工程师认为，指示器应尽可能安装在气缸的两端附近。不过，也有人认为，只要管道、阀门及其连接部件的尺寸足够大，不会妨碍蒸汽的流动，那么采用图136a所示的方法就不会产生明显的误差。

问题216：如果通过连杆运动来分配蒸汽，以使气缸获得最佳的作功效果，那么指示图应该是什么样的？

答案：它应该类似于图136b所示的样式。在该图中，垂直线表示冲程的英寸数，左侧的刻度则表示蒸汽压力，单位为磅/平方英寸。如问题55的答案中所解释的那样，图中还标出了大气压和真空度的数值。不同分配阶段的起始点分别用字母a、b、c、d、e和f表示，这些字母的顺序恰好对应各个阶段的先后顺序：a为进气前阶段；b为进气阶段；c为膨胀阶段；d为排气前阶段；e为排气阶段；f为压缩阶段。为便于描述，图中各线条可被赋予如下名称：从a到b的线为进气线；从b到c的线为蒸汽线；从c到d的线为膨胀曲线；从d到e的线为排气线；从e到f的线为背压线；从f到a的线为压缩曲线。

图136b。
该图展示了由一种阀门所产生的蒸汽分布情况，该阀门的外部重叠量为7/8英寸，内部重叠量为1/16英寸，其动作原理如图103所示。偏心轮的位移量为5英寸，蒸汽进口的宽度为1又1/4英寸，排气口的宽度为2又3/4英寸。图中所示的阀门在行程的1/3处即8英寸处就会停止动作。在活塞还有1/2英寸的距离才能到达行程终点时，蒸汽开始进入阀门；当然，阀门在行程开始时才会开启，膨胀阶段在8英寸处开始，预释放阶段在18又1/2英寸处开始，完全释放则在行程终点，而压缩阶段则发生在回程的17又1/2英寸处。该阀门应在全行程状态下以无提前量的方式工作，也就是所谓的“线对线”状态[61]。当蒸汽在行程的8英寸处被切断时，阀门的实际移动距离为2又5/8英寸，提前量为3/16英寸。锅炉内的蒸汽压力应比大气压高100磅。当然，如果阀门在行程的不同位置停止动作，蒸汽的分配时间会有所变化；但从上述图表中可以了解良好蒸汽分配机制的主要特点。

[61] 也就是说，在冲程开始时，阀门的蒸汽边缘与阀口的蒸汽边缘处于同一位置。首先，进汽前的蒸汽压力应迅速上升，这样在冲程开始时气缸内就会充满锅炉的压力。此时，进汽压力线会从a上升到b，而b点所对应的压力值即为气缸内的最大压力。在进汽过程中，气缸内的压力应保持在这一水平，因此进汽压力线应呈水平直线，如图136b所示。当膨胀开始后，压力会下降，这一点已在第55题的解答中说明过。膨胀过程中的压力曲线应接近双曲线形态，但如果由于辐射或其他原因导致大量热量损失，实际曲线将会明显低于理论曲线。如果气缸得到良好保护且使用的是干蒸汽，那么在膨胀初期，压力曲线会略低于双曲线，而在膨胀后期则会上升至双曲线之上。这是因为高压高温的蒸汽进入气缸后会对气缸进行加热，所以当压力因膨胀而降低时，气缸内部分冷凝的水会再次被热量蒸发。从预排气点d到冲程结束点e，排气压力应迅速下降，这样活塞回程时气缸后方就不会有压力存在。要解释排气压力的理论曲线形式需要涉及非常复杂的讨论，此处不便展开。对于我们的目的而言，只需注意：预排气阶段必须让气缸内的所有蒸汽在活塞到达冲程终点之前全部排出，这样才能使活塞回程时的背压尽可能低。不过，只有在相对较低的速度下，机车气缸内的蒸汽才能在预排气阶段及时排出，从而使背压降至大气压水平。如前所述，为了增强火焰中的吸力，机车上的排气口面积必须适当缩小，这样一来，当发动机以高速运转时，蒸汽就无法快速排出，背压也就无法降至大气压水平。当然，活塞所承受的每一磅背压都会造成能量损失，也会减少发动机的做功量；但这是为产生所需动力而不得不做出的牺牲。

蒸汽。在研究蒸汽的分布时，应尽一切努力将背压降至尽可能低的水平，同时确保有足够的蒸汽供应，因此背压曲线应尽可能与大气压曲线保持一致。压缩曲线则应为双曲线形，从压缩开始阶段便呈现这种形态。在计算压缩和膨胀过程时，必须考虑到间隙空间以及蒸汽通道的影响。在如图92所示的汽缸中，这些空间的容积大约相当于汽缸长度为2英寸时的容积。因此，当在行程的8英寸处切断蒸汽供应时，原本足以填满直径16英寸、长度8英寸的汽缸的蒸汽量，现在只能填满直径相同但长度为10英寸的汽缸。压缩过程也是如此。在上面的例子中，由于活塞还需移动6.5英寸才能完成整个行程，所以活塞前方有足够多的蒸汽来填满直径为8.5英寸的汽缸。当然，随着活塞的移动，这些蒸汽会被压缩；如果压缩开始时的压力与大气压相同，那么当活塞仅需移动6英寸时，其压力将为大气压以上0.9磅；而当活塞分别只需移动5、4、3、2和1英寸时，其有效压力分别为3.2、6.2、10.5、16.9和27.5磅。当开始预充蒸汽时，压力将上升至48.7磅。如果背压高于大气压，那么压缩程度自然也会相应增加。此外，如果没有间隙空间或间隙空间极小，那么在每个行程结束时，压缩压力都会超过锅炉内的压力。由于普通往复运动的一个特点就是：当进气时间缩短时，压缩时间就会延长；而当蒸汽在行程的三分之一或四分之一处就被切断时，压缩程度会变得极为严重。

问题217：由指示器绘制的图表与图136b中所展示的理论曲线相比，有哪些不同之处？
答案：这类图表的精确度较低；也就是说，其边缘不会像图136b那样清晰锐利，而是会像图137那样呈现出不同程度的圆润，而且曲线和直线的形状也会与图136b中所示的精确数学公式有所差异。绘制图表时，发动机的工作速度越高，其与理论曲线的偏差就越大。

图137。

问题218：如果进汽量不足，会在指示图中如何体现出来？
答案：进汽量过少会导致冲程开始时蒸汽的压力下降；在高速运转时，蒸汽阀没有足够的时间或足够的开度来弥补冲程开始后的蒸汽需求。此时，图中的b点会变得非常圆润，如图138所示。当蒸汽在冲程的较大阶段才进入气缸时，就会出现这种情况，因为此时连杆的运动滞后程度会比在接近中间位置时更大。如果蒸汽供应过早终止，那么进汽过程中气缸内的压力会远低于锅炉压力，并且在冲程开始后还会迅速下降，如图138所示。

图138。

问题219：如果进汽口在进汽时的开口过小，那么图表会呈现什么形态？
答案：其效果与进汽量不足或预进汽时间过短时产生的效果非常相似；也就是说，气缸内的压力会远低于锅炉内的压力，并且在进汽过程中会迅速下降，如图138所示。

问题220：指示图中的膨胀曲线能反映出哪些缺陷？
答案：如果气缸没有得到妥善保护，且热量通过辐射大量散失，那么在膨胀过程中压力会迅速下降，此时膨胀曲线会低于图136b中所示的理论曲线。相反，如果指示曲线明显高于理论曲线，则可能是阀门存在泄漏。由于蒸汽既可能从进汽口泄漏到排汽系统中，也可能从蒸汽室泄漏到进汽口中，因此阀门不严密可能会在指示图上产生完全相反的效果。不过，通常可以通过其他方法很容易地检测出阀门的泄漏情况，因此没有必要使用指示图来检测这一故障。不过还是需要加以注意。

如果阀门不能保持密封状态，那么该指示器就不可能显示出任何数值的结果。
问题221：关于指示图中的排气管线，应注意什么？
答案：最需要关注的是，在冲程结束时压力是否已降至尽可能低的水平。因为在高转速下，将蒸汽从气缸中排出通常要比将其引入气缸困难得多。如前所述，当机车高速行驶时，烟囱中的气流几乎使得蒸汽无法被排放到大气压力水平。如果蒸汽在冲程中过晚释放，那么就没有足够的时间，也没有足够的排气口开口度，使得被困在气缸中的蒸汽能够在冲程结束前逸出。这种情况会在回程开始时的图中表现为背压线与大气压线之间的间距，如图138所示。
问题222：关于背压线，应注意什么？
答案：最重要的是，背压线应尽可能接近大气压线。因为所有的背压不仅会降低发动机的效率，还会造成能量浪费。排气口面积过大也会增加背压，但总体而言，背压更多是由排气口的面积决定的，而非其他因素。因此，应尽一切努力使排气口尽可能大，同时确保锅炉能够产生所需的蒸汽量。当两个气缸共用一个排气口时，往往会出现一个气缸的蒸汽排出去后“倒灌”到另一个气缸中的情况，从而产生额外的背压。这会在背压线上表现为上升或“凸起”的现象，如图138所示。
问题223：是否可以通过计算来确定所需的压缩程度？
答案：可以；但这涉及到较为复杂的数学原理，此处不便详细阐述。不过，可以给出一些原因，以便让读者更清楚地理解这一概念；如果读者具备足够的数学知识，还可以进一步深入研究这一主题。

图140。

首先，众所周知，蒸汽机气缸中活塞的运动并非匀速的——从冲程开始到中间阶段，活塞的速度逐渐增加；而从中间阶段到冲程的末端，速度则逐渐减小。其原因是曲轴在整个旋转过程中以恒定速度转动，但在曲轴转动相同的角度时，活塞在冲程起始处的移动距离要小于中间阶段。图140展示了这一现象：A代表气缸，B代表活塞，a、b、c、d则代表曲轴的运动轨迹。当曲轴从a移动到1点，即旋转了1/12圈时，活塞会移动1又3/8英寸，这一距离相当于从a移动到1′点的距离，或者等于从1点向中心线ac作垂线后该垂线与a点之间的距离。当曲轴继续从1点移动到2点，即再旋转1/12圈时，活塞会从1′点移动到2′点，移动距离为4又3/8英寸，也就是比曲轴旋转前1/12圈时的移动距离多出2又3/4英寸。在曲轴旋转的第三段1/12圈时间内，活塞会从2′点移动到3′点，移动距离为6英寸。由此可见，在曲轴每旋转一段距离期间，活塞的移动距离都会持续增加，直到曲轴旋转四分之一圈为止。之后，活塞的速度开始下降，直至冲程结束。如前所述，活塞及其他往复运动部件所储存的动量或能量会受到连杆角度的影响，但此处暂不考虑这一因素。显然，如果活塞及其他往复运动部件在经过某个位置后……

在冲程的中点，活塞后方的压力大于曲轴所受的阻力，因此曲轴的运动速度会加快，进而带动发动机和列车运转。然而，如果活塞在到达冲程终点时仍具有动量，那么它显然无法为曲轴的旋转提供动力，这些动量只能通过作用于曲轴销以及轴箱来释放。这样的压力不仅不会使曲轴旋转，反而会使曲轴更难转动。因此，活塞及其他往复运动部件在死点处的动量会对曲轴的运动产生阻碍，而非起到助力作用。另外可以发现，当曲轴稍微偏离死点后，作用在活塞上的压力所产生的力非常小，几乎无法使曲轴旋转。实际上，活塞越接近冲程终点，曲轴销与轴之间的摩擦力相对于促使曲轴旋转的有效作用力所占的比例就越大。计算表明，在死点两侧约3度的范围内，压力对曲轴销的作用实际上会减缓发动机的运转速度。如果活塞在到达冲程终点时还带有未被消耗的动量，而这些能量又通过作用于曲轴而释放出来，那不仅会造成能量浪费，还会因减缓曲轴运动而造成双重浪费。不过，如果这些能量能够被用来压缩蒸汽，填满那些间隙空间，那么不仅可以避免上述的阻碍效应，活塞及其他部件中的能量还能转化为蒸汽压力，从而在下一个冲程中转化为有用的功。当然，要立即停止活塞的运动是不可能的，因此从开始压缩到活塞到达冲程终点期间，其动量会逐渐被吸收。由于运动物体的能量等于其重量乘以速度的平方，显然要克服这一现象，就需要根据不同的速度采用不同的压缩程度，同时还要根据运动部件的重量进行调整。在机车上实现如此精确的调整是不现实的，而且连杆机构也无法让我们如此精确地改变压缩程度。不过，这一解释说明了随着速度增加而提高压缩程度的必要性，幸运的是，连杆机构的特性使得我们能够轻松做到这一点。

图139。

问题224：是什么原因导致了图139所示的图表形态？
答案：这是由于过度压缩所造成的，这种压缩使得气缸内的压力在蒸汽开始进入之前就上升到了高于锅炉压力的水平。一旦阀门打开，气缸中的部分蒸汽会流回蒸汽箱，从而导致压力下降，如图所示。

问题225：我们如何判断蒸汽在气缸中的分布是否最为理想？如果存在故障，又该如何发现？
答案：指示器可以显示蒸汽在气缸中的作用情况，而利用问题192中提到的仪器绘制的运动曲线则可以显示阀门的精确运动轨迹。通过将指示器图表与运动曲线进行比较，就可以发现彼此之间的缺陷。[62]
[62] 参见查尔斯·T·波特在伦敦所著的关于理查兹改进型蒸汽机指示器的描述及其使用方法。

问题226：通过改变连杆运动的各部分比例，能在多大程度上改变阀门的运动？
答案：通过改变连杆运动各部件的比例及其组合方式，阀门的运动可以有几乎无限多的变化可能。不过，这些变化仍受控制偏心件运动的规律限制，因此无法超出一定范围影响阀门的运动。无论是对各部件的比例还是排列方式进行何种调整，都必然会对阀门的运动产生某种影响。除了已经讨论过的阀门本身的比例外，偏心件的位移、连杆及连接杆的长度、连杆与连接杆的连接点、悬挂点、提升轴的位置、摇臂的长度以及摇臂的位置等，都会影响蒸汽的分布。所有这些不同比例的组合方式显然几乎是无限的，因此在此无法对它们进行详尽讨论。

问题227：在设计连杆机构时，有哪些最重要的注意事项？
答案：连杆机构的比例设计应满足以下要求：
首先，对于气缸的每一端、每一个切断点，进气提前量和进气周期都应保持一致；如果可能的话，前进档和后退档也应如此。
其次，在突然切断蒸汽时，进气和排气的开口宽度应尽可能大。
第三，排气或预释放动作应尽早发生，并持续足够长的时间，以将背压降至最低。

问题228：如何使进气提前量和进气周期保持一致？
答案：要让所有切断点的进气周期完全相同是不可能的，无论是前进档还是后退档都是如此。因此，通常会忽略后退档的情况，因为在这种状态下发动机几乎不会工作。即便在前进档中，也无法让气缸两端的进气周期以及每个切断点的进气周期完全一致，所以通常会让前进半档时的进气周期保持一致，因为此时连杆的活动最为频繁。通过调整相关位置，可以最大程度地改变气缸前后端的进气周期之间的差异。

连杆的悬挂点也会影响蒸汽的分布情况。可以通过上下或水平移动该点来调整悬挂位置。通常，连杆的悬挂点位于偏心杆连接点之间的中间位置，且距离连杆槽中心线1/4到3/4英寸处。如果将悬挂点设在中心线上方约3英寸处，可以获得更均匀的蒸汽分布，但这样一来，连杆的长度就必须非常短，从而在连杆运动时承受巨大的应力；而这种弊端通常被认为远远大于更均匀分布所带来的好处。悬挂连杆上端的点还会影响蒸汽从前后两侧进入气缸的量。当然，随着提升臂的上升或下降，这一点也会发生变化。在设计阀门机构时，通常会使用全尺寸模型进行测试，以此了解所有部件的实际运动情况。确定提升轴的最佳位置及其臂长最有效的方法是：先将连杆置于全开位置，然后水平移动连杆悬挂点的位置，使得蒸汽从前后两侧进入的量相等，最后记下这个位置。接着，再对半开位置以及最小切断位置重复同样的操作。如果能够将提升轴及其臂长的设置调整为使臂端经过这三个已确定的点，那么气缸两端的蒸汽进入量就会几乎相等。不过，通常很难让轴和臂完全符合这些条件，因此只能尽可能接近理想状态。需要指出的是，提升轴应尽量放低，以避免与偏心杆发生干涉。在某些情况下，提升轴会被悬挂在锅炉上，这样外侧的偏心杆就可以从提升轴的末端上方通过，从而使提升轴的位置可以比其他情况下更低。

问题229：在连杆的运动过程中，哪些部分对蒸汽的分布影响最大？
答案：阀门的开度以及偏心杆的偏移量。这些参数的变化对蒸汽分布的影响，与使用单个偏心杆时的影响类似，这一点已在问题49、50和52的答案中有所说明。

图141。

问题230：在相同冲程长度下，增加偏心件的位移会对进气过程产生什么影响？
答案：如前所述，其效果是延长进气周期，换句话说就是使进气在冲程的更晚阶段结束；同时还会增大蒸汽阀的开口宽度，或是增加阀门相对于阀口的移动距离。当采用连杆机构时，这些因素会对进气过程产生重要影响。

问题231：所谓偏心件的角提前量是指什么？
答案：它是指当曲柄处于死点或中心位置时，通过轴心与偏心件中心所画的直线ef与垂直线ab之间的夹角。在图141中，曲柄A位于前方中心位置。为了给阀门提供必要的提前量，必须将偏心件移至垂直线ab的前方。直线ef（通过偏心件的中心g和轴的中心f）与垂直线所成的夹角，即为角提前量。

问题232：什么是线性位移？
答案：线性位移指的是从活塞行程开始时阀门所处的中间位置开始，到该位置为止阀门移动的距离。当两个摇臂长度相同时，这一距离就等于图141中偏心轮中心到垂直线ab的距离。

问题233：为什么偏心轮的行程较短时，阀门关闭的时间会更早？
答案：因为对于行程较短的偏心轮来说，需要使其有更大的角度位移，才能使阀门获得所需的提前量。图142展示了这一情况，图中标出了阀门的一部分、端口c、g和d。为尽可能简化示意图，图中未画出摇臂，而是假设阀门直接由连杆R从偏心轮的中心a驱动。同时也忽略了连接杆和偏心杆的角度效应。圆圈a b e f表示偏心轮行程为5英寸时的运动轨迹，而h i j则表示偏心轮行程为3½英寸时的运动轨迹。为了使阀门在行程开始时就能获得所需的提前量，阀门的线性位移必须等于7/8英寸。如果我们画一条与垂直中心线e k平行的直线pa，并在其上距e k 7/8英寸处作标记，那么pa线与偏心轮运动轨迹的交点就是偏心轮的中心。通过这些中心以及圆的中心分别画出直线o a和o p，它们与垂直线e k所构成的角度即为偏心轮的角度位移。从这些线条可以看出，为了使阀门获得所需的提前量，行程较小的偏心轮需要比行程较大的偏心轮有更大的角度位移。显然，当较大偏心轮的中心到达点b时，阀门已经达到了最大位移；而当其到达点p时，蒸汽端口c又会关闭，蒸汽供应也会被切断。如果使用行程较小的偏心轮，那么当其中心h到达点s时，阀门才会达到最大位移，而当其到达点i时，端口就会关闭。通过连接点i和p画出直线o p和o n，可以发现：从行程开始到蒸汽供应被切断期间，如果使用较大偏心轮，那么偏心轮以及曲轴和 crank都需要转动一个以弧qt p为度的角度；而如果使用较小偏心轮，则偏心轮和crank需要转动一个以弧ut n为度的角度。换句话说，crank需要转动的角度要大得多。

使用偏心轮时，蒸汽被切断前的距离会随着偏心轮偏移量的增大而增大。
[63] 可以看出，这会导致偏心轮中心的位置发生反转。

图142。

图143。
比例尺：3/16英寸=1英寸。

从图142中也可以很清楚地看出，为何使用偏心轮偏移量较小时，阀门开口的距离较短。距离os和ob等于偏心轮偏移量的一半，分别为1³/₄英寸和2¹/₂英寸。在两种情况下，阀门的线性移动距离均为7/8英寸；因此，当阀门开始打开后，使用偏心轮偏移量较小的情况，阀门还会再移动1³/₄ – 7/8 = 7/8英寸；而使用偏心轮偏移量较大的情况，则会再移动2¹/₂ – 7/8 = 15/8英寸。

图144。

1/16英寸的刻度相当于1英寸。

问题234：如果让偏心轮的位移较小，但使其产生的角位移与位移较大的偏心轮相同，同时再减小阀门的开启角度，使得两种情况下的提前量保持一致，那会对进气过程产生什么影响？

答案：此时进气和排气将会在冲程中的相同位置发生，但阀门的开口程度不会那么大。图143展示了这一情况，其中画出了与图142中具有相同位移的两个偏心轮的运动路径。图143中，较大偏心轮的中心a位于与图142相同的位置。如果从较大偏心轮的中心向轴心画一条线，而较小偏心轮的中心h则位于该直线与其运动轨迹圆圈的交点上，那么较小偏心轮虽然会有相同的角位移，但其线性位移仅为5/8英寸。如果阀门的开启角度与图142中的相同，那么在使用小位移偏心轮时，阀门的蒸汽边缘在冲程开始时会处于由虚线A和B所示的位置。如果像实线和阴影部分所示那样切断这些边缘，那么阀门的提前量就会与图142中的相同。显然，如果较小偏心轮也有相同的角位移，它将会到达点v，在该点上，由于阀门开启角度已减小，蒸汽会被切断；与此同时，较大偏心轮的中心a会到达点p，在该点上，阀门以较大的开启角度切断蒸汽。不过，两种情况下的差异在于：一种情况下阀门开口的距离为ts，另一种情况下则为rb。由于ot等于较小偏心轮的线性位移，即5/8英寸，而os等于偏心轮位移的一半，即1又3/4英寸，因此ts等于1又3/4英寸减去5/8英寸，结果为1又1/8英寸。如上所述，rb的距离等于2又1/2英寸减去7/8英寸，结果为1又5/8英寸。因此，使用小位移偏心轮并相应调整阀门开启角度后，阀门的开口程度会比使用大位移偏心轮时要小。

图145。

1/16英寸=1英尺。

问题235：与偏心轮的偏移量较大、阀门瓣的摆动幅度也较大的情况相比，偏心轮偏移量较小、阀门瓣摆动幅度较小的情况，会对连杆式动作下的蒸汽进入过程产生怎样的影响？
答案：主要区别在于，在相同的进气时间内，阀口不会打开得那么大。图144中展示了一系列基于图103所示连杆动作模型绘制的运动曲线。该情况下，偏心轮的偏移量为5英寸，阀门瓣的向外摆动幅度为7/8英寸，向内摆动幅度为1/16英寸。图145则展示了在相同阀门结构下的另一组曲线，只不过此时偏心轮的偏移量为3.5英寸，阀门瓣的摆动幅度为1/2英寸。在这两种情况下，这些曲线都反映了阀门在行程的同一位置处关闭时的运动情况。下表显示了各位置处阀口的开口宽度。
蒸汽阀口的开口宽度：
偏心轮偏移量为5英寸时：6英寸时为7/32英寸，8英寸时为9/32英寸，10英寸时为11/32英寸，12英寸时为7/16英寸，15英寸时为5/8英寸，18英寸时为31/32英寸，21英寸时为1又1/4[64]英寸，1又1/32英寸。
[64] 在该位置，阀门瓣的摆动幅度超过1又3/4英寸。
由此可见，偏心轮偏移量为5英寸时，无论在哪个关闭点，阀口的开口宽度都大于偏心轮偏移量为3.5英寸时的情况。在需要大量进气的场合，这一点并不重要；但当蒸汽在行程早期就被切断时，阀口的开口宽度会非常小，这在高速运转时无疑是个很大的缺点。

问题236：对于活塞的特定转速，是否已经确定了所需的阀口开口程度？
答案：目前还无法精确确定。通常情况下，阀口的面积会被设定为活塞面积的十分之一左右。不过可以肯定的是，以这样的比例设计阀口的话，其开口宽度将会远远小于……

其整个面积足以维持汽缸内的蒸汽压力。连杆式驱动结构的一个缺点是，当蒸汽供应突然中断时，阀门的开口会变得非常小。因此，最好为蒸汽供应中断时的最低点设置尽可能大的阀门开口。

问题237：在这个国家，通常使用的阀门及偏心装置的尺寸比例是多少？
答案：机械师协会的一个委员会所提交的报告列出了35条不同铁路线上所使用的阀门尺寸比例，这些数据可以反映一般的实践情况。
下表显示了美国和加拿大35条铁路线上使用的机车阀门的重叠量、间隙以及行程大小。
| 机车类型 | 重叠量（英寸） | 间隙（英寸） | 行程（英寸） |
|----------|--------------|------------|------------|
| 运行快速列车的机车 | 25 | 7/8 | 5 1/10 |
| | 6 | 3/4 | 4 3/4 1/8 |
| | 4 | 1 1/4 | 5 1/8 |
| 用于普通列车的机车 | 20 | 3/4 | 5 1/10 |
| | 10 | 7/8 | 5 1/2 1/16 |
| | 5 | 5/8 | 4 1/2 1/8 |
| 用于重载货物的机车 | 19 | 3/4 | 5 1/10 |
| | 11 | 5/8 | 4 1/2 1/16 |
| | 5 | 1/2 | 4 3/4 1/10 |

问题238：蒸汽端口与排气端口之间的桥状结构的宽度应为何值？
答案：通常，该桥状结构的厚度会与汽缸壁的厚度相当，这样才能确保良好的铸造质量；但有时也需要将其做得更宽一些，以防止蒸汽从蒸汽室泄漏到排气口——如果阀门的重叠量很小而行程很长，就容易出现这种情况。

问题239：什么决定了排气端口的宽度？
答案：就是阀门的行程大小。参考图146即可明白这一点，该图展示了一个行程为5 1/2英寸的阀门。可以看到，当阀门处于图中所示的极端位置时，排气端口的开口宽度A非常小。如果这个开口过窄，显然会妨碍排气蒸汽的顺利排出。因此，最好将排气端口的宽度设定得足够大，以便在阀门达到最大行程时仍能保证顺畅排气。

阀门的开口宽度将几乎等于蒸汽口的宽度。

图146。

比例：3/16英寸=1英尺。

图148。图147。

3/4英寸的刻度相当于1英尺。

问题240：反向操纵杆位于何处？其结构是怎样的？
答案：它位于踏板K′K′上，如图II所示。该操纵杆由一个以下端为支点的杠杆O,O构成。连接该杠杆与提升轴的垂直臂k的连杆ek则安装在反向操纵杆的支点上方。图147和148展示了该操纵杆的放大侧视图和端视图，其中还标出了图II中未显示的一些细节。C,C是两根弯曲的杆子，在我国通常被称为“象限仪”，而在英国则更准确地称为“扇形件”。它们被放置在反向操纵杆的两侧，并固定在发动机的某个部件上。这些扇形件上带有凹槽n,n,n，用于容纳锁扣L，该锁扣可在夹具H内滑动，从而将反向操纵杆固定在相应的凹槽中。这个锁扣通过触发器D来控制，当机车司机握住反向操纵杆的把手A时，就会带动触发器动作。触发器以销E作为支点，并通过连杆rr与锁扣相连。当触发器被压在把手上时，连杆rr会将锁扣从凹槽中抬起；而当触发器松开时，弹簧s又会将锁扣推回凹槽中。F是一颗调整螺钉，它作用于凸块G上，作用是确保锁扣牢固，防止反向操纵杆晃动。
[65] 踏板K′K′位于发动机的后端，属于图2和图3中的部分，是机车司机和火夫站立的平台。

问题241：扇形件上的凹槽是如何排列的？
答案：这些凹槽通常这样设置：当反向操纵杆处于各个凹槽位置时，蒸汽会在冲程的特定整数英寸处被切断。因此，这些凹槽的位置使得蒸汽分别在冲程的6、9、12、15、18和21英寸处被切断，或者是在6、8、10、12、15、18和21英寸处被切断。此外，还有一个凹槽用于将连杆保持在中间档位。在某些情况下，扇形件上会设置尽可能多的凹槽。显然，后一种设计更为理想，因为它能为阀门机构提供更多的调节方式。而且，无论蒸汽是在冲程的整数英寸处还是小数英寸处被切断，对发动机的运行都不会产生任何影响。详情可参考相关图表。

144. 从第5、6、7条运动曲线可以看出，蒸汽的分布差异有多大。
问题242：反向杠杆的长度应是多少？
答案：杠杆的长度必须足够长，这样当连杆从全速前进状态切换到全速后退状态时，手柄A的移动距离至少应为连杆移动距离的4倍。最好让手柄A的移动距离是连杆移动距离的5倍甚至6倍，这样就能更轻松地实现发动机的反向运转。此外，这样还可以使用更长的杠杆部件，并为设置更多凹槽提供空间。
问题243：在反向齿轮装置中，采取了什么措施来克服或抵消连杆以及阀门装置其他部件的重力？
答案：这些部件的重力通过某种弹簧的压力来平衡。在图103中，装在壳体H内的两个螺旋弹簧就用于此目的。当连杆下降时，连接在反向轴A上的短臂l会压缩这些弹簧，从而在连杆处于下降状态或处于前进档位时，弹簧的张力能够抵消连杆的重力。为此目的，人们会使用不同类型的弹簧，有时这些弹簧会安装在反向杠杆上，而非提升轴上。
问题244：所谓“调整滑阀”，指的是什么？
答案：就是将偏心件固定在轴上的正确位置，并调整偏心杆和阀杆的长度，从而使阀门能够实现所需的蒸汽分配。
问题245：如何调整机车上的阀门？
答案：在将车轮、轴、主连接杆以及阀门装置连接在一起之后，先将摇臂置于中间位置，再调整阀杆的长度，使得阀门位于阀面的中心位置。接着将曲轴置于前方中央位置，让前进运动时的偏心件位于轴的上方，而后退运动时的偏心件位于轴的下方，最后通过拧紧固定螺丝将它们暂时固定在轴上。然后让连杆下降，直到其末端与偏心杆的末端相对，同时转动车轮。此时要观察阀门的移动距离是否与偏心件的位移相等，以及阀门在阀面中心两侧的移动距离是否相同。如果阀门的移动距离大于偏心件的位移，则需将连杆向上抬起；如果小于该值，则需将其向下压，直到两者相等为止，之后再标记出该位置。

以便在各个扇形区域或象限上形成凹槽，用于容纳反向杠杆的锁扣。如果阀门在阀面中心两侧的移动距离不一致，就需要根据需要延长或缩短偏心杆的长度。对于反向运动，同样重复此操作：将连杆抬高，直到滑块位于下偏心杆末端的对面。完成这些步骤后，再整体检查一遍，确保一切正确。现在将曲轴调整到前方中心位置，同时让连杆处于完全向前的齿轮状态，松开前方偏心杆上的固定螺丝，将其绕轴转动，使阀门具有所需的间隙，然后再将其固定好。接着将连杆抬高至完全向后的齿轮状态，以相同方式调整后方偏心杆。随后转动轮子，使曲轴处于后方中心位置，检查气缸后端的间隙是否合适。如果不合适，则需要延长或缩短阀杆或偏心杆的长度，从而使两端的间隙一致；如果间隙仍然过大或过小，还可以通过移动轴上的偏心杆来调整其大小。

[66] 这可以通过移动发动机轨道来实现，或者将发动机从轮子上抬起，这样就可以在不移动发动机的情况下转动轮子。在一些车间里，会在轨道上安装一对滚轴，这样将驱动轮放在滚轴上就能轻松转动。

在调整阀门时必须格外小心，确保曲轴恰好处于中心点或死点位置。仅凭活塞或十字头的工作行程是无法精确地将曲轴调整到该位置的，因此曲轴销的中心点应始终与穿过气缸中心和轴心的直线保持一致。当气缸为水平状态时，只需将曲轴置于穿过轴心中心的水平线上即可。在调整阀门时，还需注意轴箱（其结构将在后面说明）是否位于夹具的中心位置；如果不在中心，就需要在轴箱与框架之间插入木楔，将其调整到中心位置，具体位置可在上方或下方。轴箱的位置对阀门机构有着非常重要的影响。如果想要在冲程的特定点切断蒸汽流，那么就需要根据十字头的工作行程，在导轨上标出这些点。将十字头置于需要切断蒸汽流的任意位置后，再使用反向杠杆。

此时需调整其位置，使得连杆能够恰好封闭进气口。随后可将杠杆固定在各个扇形部件上，并转动轮子，以确认其在行程两端的定位是否正确。如前所述，要让普通连杆机构在气缸两端的相同位置实现切断是不可能的，但通过合理调整各部件的比例，可以做到非常接近的目标。正如之前所说，相比将凹槽设置在行程的特定位置，尽可能在多个扇形部件上设置凹槽才是更好的方案。

在调整机车的气阀时，必须注意：向前行驶时应让轮子朝前转动，向后行驶时则应让轮子朝后转动。

调整好气阀后，还应标记轴上偏心件的位置，这样一旦这些偏心件在运行过程中松动，就可以轻松重新调整。通常还会在气阀杆以及蒸汽箱的填料盒上打上标记，这样就可以使用专用量具来确定气阀的位置，而无需拆开蒸汽箱的盖子。

在某些情况下，偏心件会通过键固定，而这是在调整好气阀位置之后进行的。用于固定偏心件的螺钉末端应为杯状且经过表面硬化处理，这样才能在拧紧时更牢固地固定在轴上。

第十二部分：走行装置
问题246：什么是机车的走行装置？
答案：它指的是那些用于支撑机车其他部件的零件，如车轮、轴和车架。用德国人的说法，它就是机车的“车厢”。
问题247：车轮可以如何分类？
答案：可分为驱动轮和从动轮。
问题248：驱动轮需要承担什么功能？
答案：顾名思义，驱动轮的作用就是推动机车在轨道上行驶，这一点已在问题64、65和66的回答中说明过。由于车轮与铁轨之间的粘着力取决于其压紧力，因此驱动轮必须承受机车部分或全部的重量。
问题249：普通机车的重量通常有多少比例由驱动轮承担？
答案：在这个国家最常用的八轮“美国式”机车，其重量约有三分之二由驱动轮承担。
问题250：什么是机车的从动轮装置？
答案：它指的是一对或多对车轮，这些车轮通过弹性连接件与独立的车架以及机车相连，这样轴就不会严格保持与主车架成直角，而是能够调整到接近轨道曲线半径的位置。在图1、图2和图3中，EE表示从动轮，b′b′表示从动轮车架，而图2中的y以及图40则表示从动轮车架绕其旋转的中心销。
问题251：从动轮装置有什么作用？
答案：它负责承受机车前端的重量，同时引导机车顺利通过曲线和道岔。

[67] 转向架是一对可移动的轨道，通过它，机车能够从一条轨道切换到另一条轨道上。

问题252：它是如何实现这一功能的？
答案：其原理与普通货车的前轮让车辆能够转弯的原理类似；也就是说，转向架上的车轮安装在独立的框架上，该框架通过中心销与机车相连，就如同普通货车的前轴通过主销与车体相连一样，这样车轮就可以转动了。

图149。
图150。

比例：3/8英寸等于1英尺。

图151。

问题253：为什么机车要使用两对轮子，而不是像普通货车那样只用一对呢？
答案：因为需要有一对轮子来引导另一对轮子的运动。在普通货车上，前轴是由横杆或轴来引导的。几乎所有人都知道，一旦这些横杆或轴被拆掉，推动货车就会变得非常困难，尤其是从后面推动时。此时前轴的运动将失去控制，也就无法控制车辆的行驶方向。如果机车也只使用一对轮子，并且以与货车前轴相同的方式安装，就会出现同样的问题。如图149所示，如果用中心销a将一对轮子连接到机车上，使得轴可以围绕该销自由转动，那么一旦某个轮子碰到障碍物，比如图150中的石头s，就没有任何东西能够阻止轴转到图150所示的位置，这样一来轮子就肯定会脱离轨道。而当使用两对轮子，且两根轴都固定在同一个框架上，该框架又通过中心销s与发动机相连时，如图151所示，那么这些轮子在围绕中心销旋转时，就会沿着以中心s为圆心的圆弧mn、mn运动。显然，这些圆弧会与铁轨相交。如果轮子朝那个方向移动，其中一个轮子的轮缘就会……

它们会与轨道接触，从而阻止轨道进一步移动。显然，以这种方式排列的轮子只能沿着中心销移动，其移动范围受轨道曲率的限制。有些车辆仅使用一对轮子，但此时中心销会被置于轴心后方一定距离处，或者处于与图151中点c相对于轴a′相同的相对位置。显然，如果这种车辆的框架围绕中心销旋转，那么轮子就会像图151中的弧线mn所示那样在轨道上移动。关于仅有一对轮子的车辆的构造与工作原理，将在后文中详细说明。

图152。

图153。
比例尺
³⁄₁₆英寸 = 1英尺。

图154。图155。

图156。

问题254：如果机车的前轴安装在一个通过柔性连接件与机车相连的转向架框架上，为什么机车就能更轻松地行驶在曲线路上？
答案：因为这样，转向架的轴就可以处于几乎与轨道曲线半径相吻合的位置。众所周知，如果两个或更多轴上各装有一对轮子，且这些轴的中心线彼此平行，如图152所示，那么这些轮子就会沿直线滚动；而如果轴的中心线相互倾斜，如图153所示，轮子就会倾向于沿曲线滚动，该曲线的半径取决于轴之间倾斜的程度。为使图152中的轮子能够沿着曲线滚动，就需要……

对于曲线a、b、c和d来说，需要将车轮向侧面滑动一段与这些曲线到直线mo和pr之间的距离相等的距离。由于外侧曲线的长度大于内侧曲线，如果车轮固定在轴上而无法随之转动以在曲线上滚动，那么无论是内侧车轮还是外侧车轮，都必然会滑动一段等于两曲线长度差的距离。因此，要克服车轮因侧向滑动和周向滑动而产生的阻力，就需要较大的力，这样一来，让车轮在曲线上滚动所需的动力就会比让它们在直线上滚动时更多。不过，如果轴之间相互倾斜，那么车轮就会自然地沿着曲线路径滚动，无需再将其向侧面滑动以使其适应该路径。但若所有车轮都固定在轴上，且同一轴上的车轮无法独立转动且直径相同，那么要么是内侧车轮滑动，要么是外侧车轮滑动，因为外侧车轮滚动的路径比内侧曲线更长；即便轴之间相互倾斜，让车辆在曲线上滚动所需的动力仍会比让图152中的车轮在直线上滚动时更大。不过，事实上，如图154所示的圆锥体或圆锥体的一部分本身就能在曲线上滚动。即使如图154中虚线所示将中间部分切掉，它依然可以如此滚动，如图155所示。现在，如果让车轮的边缘形成圆锥体的一部分，并且让轴像图156那样相互倾斜，那么车轮在轨道上就不会发生滑动，因为外侧车轮的直径大于内侧车轮，所以它在一圈旋转中所行进的距离比内侧车轮更远，因此在相同时间内，外侧车轮会在更长的路径上滚动，而内侧车轮则会在更短的路径上滚动。在这种情况下，这类车轮在曲线上滚动的难度就如同图152中的车轮在直线上滚动一样小。不过，轴的倾斜程度以及圆锥体侧面的倾斜程度必须根据曲线的半径来调整。但如果轴彼此平行，且车轮为圆锥形，如图157所示，那么无论是在直线上还是在曲线上滚动，都会遇到很大困难，因为如果在直线上滚动，由于一侧车轮的直径大于另一侧，那么较大或较小的车轮都必然会在其滚动的路径上发生滑动。如果在曲线上滚动，那么每对车轮都会试图独立地沿曲线方向滚动，因此当两对车轮都开始滚动时，车轮就必然会发生侧向滑动。

沿同一轨道运动。假设如图157所示，有两对轮子，分别为a、a′和b、b′，将它们制成圆锥形并安装在一个框架上，使得它们的轴彼此平行。此时，每对轮子都会倾向于沿着圆形路径滚动，即a′i、ah以及b′k、bj，这些圆形路径的圆心分别位于m和n处，或者位于构成轮子边缘的圆锥的顶点处。如果让这些轮子沿着从点g出发的圆形路径cd、ef滚动，那么每对轮子都必须在它原本会自然滚动的路径a′i、ah与当前被迫滚动的路径之间发生侧向滑动。因此，轮子a会沿着曲线ah与af之间的距离滑动，而a′则沿着a′i与cd之间的距离滑动；轮子b会从bj滑动到bf，而b′则从b′k滑动到b′d。由此可见，为了让两对轮子能够在直线和曲线上以相同的顺畅度滚动，在直线行驶的情况下，轮子的直径必须相等且轴必须平行；而在曲线行驶的情况下，轮子的直径必须不相等，且其轴必须与曲线呈辐射状。[69] 这一规律对于任意数量的对轮子都适用。如果我们有三对、四对或更多对轮子，且所有轮子都安装在同一框架上，只要它们的轴相互平行且直径相同，它们就能在直线上滚动；但如果轮子是圆锥形的且其轴呈辐射状，那么它们就会在曲线上滚动。[68] 轮子的边缘是指轮子滚动时接触的外表面，这一部分通常被称为“胎面”。[69] 也就是说，这些轮子的轴线会相互倾斜，如果将它们延长足够长的距离，就会在曲线的中心相交。

图157。
比例尺：3/16英寸=1英尺。
基于上述原因，很显然，如果机车既要在直线轨道上行驶，也要在曲线轨道上行驶，那么在直线轨道上，车轮的直径应保持一致，车轴也应为平行结构；而在曲线轨道上，车轮则应为圆锥形，车轴则为辐射状结构。

图158。

图159。
比例：3/8英寸=1英尺。

问题255：车轮是如何设计的，以至于在转弯时能表现得如同具有所描述的圆锥形结构，而在直道上则……

直径是否相同？
答案：每个车轮的轮缘都是锥形，但其尺寸与其他车轮相同，且锥体의较小直径位于外侧，如图158所示。在直轨上，如果车轮在轨道上的位置使得其两个轮缘与轨道的距离相等，那么显然在与轨道接触的点上，这些车轮的直径是相同的，即a等于b。但在曲线轨道上，如果车轮的直径相同，如前所述，它们就会沿直线滚动，从而朝曲线的外侧移动。假设轮缘c位于曲线的外侧，那么它就会朝轨道方向滚动，因此外侧的车轮会落在更靠近轮缘的位置上，如图159所示，此时直径a较大；而内侧的车轮则离轮缘较远，其直径b小于图158中的a和b；这样一来，车轮的运行效果就如同其轮缘为图157所示的形状一样。

问题256：如何让机车的轴保持与轨道曲线相垂直的位置？
答案：这只能做到近似实现，因为要完美做到这一点存在巨大的机械难题，因此实际上不可行。如图160所示（该图为普通机车车轮的俯视图），通过用柔性连接件或中心销将转向架连接到机车上，显然，转向架的轴e、f和g、h就不会一直与驱动轴a、b和c、d保持平行，而是会围绕中心销s转动，从而尽可能地调整到与曲线相对应的半径位置，当然，两轴之间的距离越大，它们偏离半径位置的幅度就越大。无论车轮的轮缘是圆柱形还是锥形，两轴之间的距离越大，它们自然滚动的路径就越偏离所处曲线的轨迹。因此，如果两轴之间的距离是图157中所示的两倍，并处于虚线l l′和o o′所示的位置，那么如果车轮是锥形的，它们就会沿着以点p和q为圆心的曲线滚动；如果是圆柱形的，则会沿直线滚动。无论哪种情况，它们的滚动路径l s和l r与轨道曲线的偏差都会大于ah和a′i，而后者是两轴距离较近时车轮的滚动路径。这种偏差

轮轴之间的距离越大，车轮的侧向滑动也就越严重，因此其比例也必须保持一致。

图160。比例尺：3/16英寸——1英尺。

问题257：将车轴放置得更靠近一些，是否可以降低滚动阻力？
答案：在一定范围内是可以的。车轴间距越小，转向架的中心轴就越接近轮轴的中心。而当转向架的中心轴越接近轮轴中心时，车轮就越容易发生“偏斜”，即如图150所示那样处于与轨道成斜线的位置，这不仅会增加滚动阻力，还会增加脱轨的风险。一旦轮轴间距达到一定值之后，这种原因带来的阻力增加量，就会超过因车轴更接近理想半径位置而带来的阻力减少量。在普通机车中，为了使气缸处于水平状态，车轴之间的间距需要保持在5英尺6英寸到6英尺之间。这一间距在实际应用中效果相当不错。

问题258：什么是轮缘摩擦？
答案：指的是车轮的轮缘与铁轨头部之间的摩擦力。例如，如果如图151所示，有两对车轮a a′、b b′位于曲线上，并沿着箭头方向滚动，那么车轮a将会朝……方向滚动。

直到轮缘与铁轨接触为止。如前所述，如果两根轴相互平行，无论车轮是圆锥形还是圆柱形，它们都必须在横向发生滑动才能沿曲线路径滚动。由于轮缘必须跟随铁轨的曲线轨迹，这就迫使车轮向侧面移动，从而使其沿着铁轨的弯曲路径滚动。由于车轮具有较大的抗滑阻力，因此轮缘会对铁轨产生相应的压力，进而导致车轮的旋转在两者之间产生摩擦作用。显然，轴与轴之间的距离越大，这种摩擦作用就越强烈，因为此时车轮的横向滑动量会比轴距较近时更大。同样显而易见的是，如果车轮与铁轨平行，则不会产生轮缘间的摩擦作用；而车轮与铁轨之间的夹角越大，轮缘与铁轨的摩擦就会越严重，摩擦力也会越大。通过几何学可以很容易地证明：两根平行轴之间的距离越大，在曲线轨道上车轮与铁轨之间的夹角就越大，因而轮缘间的摩擦力也会越大。不过需要记住的是，如果车轮间距过小，就容易像图150所示那样出现“打滑”现象，即车轮处于斜向位置，此时车轮与铁轨的夹角会显著增大。因此，人们普遍认为，轴心之间的距离绝不能小于铁轨之间的距离。

问题259：在任意给定的曲线上，卡车所有车轮的轮缘摩擦力是否相同？
答案：并非如此。对于前轮而言，显然只有位于曲线外侧的那颗轮子的轮缘才会与铁轨接触。由于发动机的离心力会将后部的两颗车轮推向曲线外侧，因此只有外侧那颗轮子的轮缘会与铁轨接触。但由于这颗车轮会不断远离铁轨，如图151中的虚线h g所示，其轮缘的摩擦力显然小于始终朝向铁轨滚动的左侧前轮的轮缘摩擦力。而右侧后轮的轮缘则会被离心力以及车轮在曲线上以最大直径滚动的趋势向外推，因此它的轮缘也不会接触到铁轨。

问题260：驱动轮的轴能否处于与轨道垂直的位置？

答案：在普通发动机中，它们无法做到这一点。人们已经设计了各种方案来让它们具备这种功能，但直到最近才取得了一些成功。其中一些方案将在后文介绍。不过，与前轮相比，当驱动轴位于机车中心之后时，它是否处于与曲线轨道相径向的位置其实并不那么重要。以普通的公路货车为例，众所周知，如果将前轴置于前方，这类车辆就能轻松转弯；而当后轴在前方时则很难转弯。对于机车而言，其原理与卡车后轮的轮缘摩擦力小于前轮的原因相同。从图160可以看出，当发动机位于卡车前方时，外侧的驱动轮是在铁轨上滚动而非与铁轨发生摩擦。如前所述，发动机运转时的离心力会使得车轮向外侧倾斜。同时可以注意到，前驱动轴位于卡车中心与后轴中心之间的曲线段靠近中心的位置。如果它正好位于两者中间，那么就会完全处于与曲线相径向的位置；由于它靠近中间，因此几乎处于该位置，所以其车轮的轮缘摩擦力非常小。另外，如果处于曲线内侧的后轮或从动轮的轮缘不远离铁轨，那么它就会向铁轨滚动并与其碰撞。但可以看到，前驱动轮的轮缘会在后轮的轮缘接触到铁轨之前就先与内侧铁轨接触。基于这个原因，再加上发动机所受的离心力以及车轮倾向于以最大直径滚动的特性，内侧后轮的轮缘得以避免与铁轨接触；而处于曲线外侧的后轮则是在铁轨外侧滚动，因此其驱动轮的轮缘摩擦力也很小。从图160还可以看出，如果曲线的半径非常短，那么在后驱动轮对与卡车中心之间的铁轨弯曲程度就会很大，此时内侧铁轨会紧紧压迫紧邻它的前驱动轮或主驱动轮的轮缘。这当然会产生很大的摩擦力；如果曲线过短，那么该轮缘甚至会顶在铁轨上，而另一侧车轮的胎面则会脱离铁轨。因此，有时会将卡车的中心销设计成可以横向移动，即垂直于轨道方向移动。见图。

160. 图中所示，中心销的位置偏离了机车实际的中心点，而机车的实际中心点则用虚线标出。机车的前轮有时也会采用没有轮缘的“平胎”，这样就不会与一根铁轨产生摩擦，也不会有从另一根铁轨上掉下来的风险。

另一种机制也有助于普通机车的驱动轮在转弯时顺畅移动。众所周知，只要抓住车厢的杆子或横杆，就能轻松控制普通马车的方向；同样的原理也适用于机车——位于驱动轴前方10到12英尺处的车架可以起到杠杆作用，从而引导驱动轴向所需方向移动，就如同普通马车可以通过杆子来控制方向一样。

如果让机车倒着行驶，那么这些优势就都不存在了，而且后驱动轮的轮缘还会因过度摩擦而迅速磨损。那些需要既可前进也可后退的施工用机车，在崎岖的道路上行驶时，其后轮的轮缘会很快被磨坏。

问题261：所谓“车轮或轴的间距”指的是什么？
答案：指的是两根轴的中心之间的距离。

问题262：什么是机车的“轮距”？
答案：指的是机车前后轮或从动轮的中心之间的距离。在如图I所示的普通机车上，轮距是指前端车架的中心到后端驱动轮的中心之间的距离。

问题263：车轮胎面的“锥形设计”是否有实际意义？
答案：对此存在不同意见。即便这种设计确实有益，但由于车轮的磨损，其优势很快就会消失。因此，人们认为这种设计的优势更多体现在理论上，而非实践中。

问题264：机车的驱动轮是如何构造的？
答案：驱动轮由铸铁制成，外部则包裹着锻铁或钢制的轮圈。图161展示了一对机车车轮及轴的透视图。车轮的中央部分，即轮毂、辐条和轮辋，是一体铸造而成的。通常，轮毂和轮辋也是……

有时，轮辐是空心铸造的。车轮的中央部分，也就是由铸铁制成的那部分，被称为轮心。

图161。

问题265：轮胎是如何固定在轮心上的？
答案：轮胎的内径通常设计得比轮心的外径稍小一些。随后将轮胎加热，使其膨胀到足以套在轮心上，之后再让其冷却，金属的收缩作用会使轮胎紧紧贴合在车轮的铸铁部分上。作为额外的固定措施，如图161所示，还会用螺栓或螺钉将轮胎固定在轮辋上，以防止其在松动时脱落。在某些情况下，轮心和轮胎的内壁会被做成锥形，此时轮胎是在冷却状态下被安装上去的，并通过钩头螺栓C来固定，如图162所示——该图为轮胎与车轮轮辋的截面图。轮心的内径设计得最大，这样当轮胎受到向内的压力时，轮心的锥形结构就能抵消这种压力。如果轮心的形状是反向的弯曲或渐缩状，那么压力就会作用于螺栓上，而且轮胎也无法被取下。

在先卸下轮轴上的车轮之前，不能进行这种装轮胎的方法。这种装轮胎方式的优点在于，可以快速拆卸轮胎，且无需对轮胎进行加热。[70] [70] 这种方法仅用于巴尔的摩与俄亥俄铁路公司。

图162：比例尺为3英寸=1英尺。

问题266：轮胎的内径是否有标准尺寸？
答案：有。为避免因轮胎内径差异而带来的诸多不便，美国铁路机械师协会建议将轮胎的内径设定为36英寸、40英寸、44英寸、50英寸、56英寸和62英寸。其中前三种尺寸的轮胎厚度为3英寸，后三种尺寸的轮胎厚度为2½英寸。

问题267：驱动轮是如何固定在轴上的？

答案：轮毂会被精确地加工出适合轴插入的孔，而轴则会被加工成能与轮子上的孔相适配的形状。随后，通过专用液压机或螺旋压力机产生的巨大压力将轴强行压入轮子中。为防止曲柄销因受力而使轮子在轴上转动，人们会在轴和轮子上预先加工出凹槽，再用方键将曲柄销固定在这些凹槽中。这些键的末端如图161中的b所示。

问题268：曲柄销是如何制造的？
答案：曲柄销由锻铁或钢制成，经过精确加工后才能满足连接杆轴颈的要求。图164展示的是一种主曲柄销，而图163则展示的是美国发动机所使用的背销。主曲柄销有两个轴颈：一个为B，用于连接主连接杆；另一个为A，用于连接副连接杆。背销则只有一个轴颈A，用于连接副连接杆。

问题269：曲柄销是如何固定在轮子上的？
答案：曲柄销会被加工成能与轮子上的孔精确匹配的形状，通常为直形或圆柱形。之后，可以通过用重物敲击的方式将曲柄销打入轮子中，或者使用螺旋压力机或液压机将其压入。有时，轮子上的孔会被加工成锥形，此时曲柄销也会被加工成相应的锥形。随后，会用砂纸和油对曲柄销进行打磨，使其能够完美地适配孔洞，最后再通过轮子内部的螺母和键将其固定住。

图163。

图164。

比例：1½英寸=1英尺。

问题270：图161中，位于轮子辐条之间的那些部件A、A是用来做什么的？
答案：它们被称为平衡重，被安装在轮子上，用以抵消曲柄销、连接杆以及活塞的重量。其作用原理将在后文说明。

问题271：发动机的重量靠在轴的哪个部分上？
答案：它靠在图161中的驱动轴箱L上，这些驱动轴箱位于轮子内侧且靠近轮子的位置。

图165。

问题272：驱动轴箱是用来做什么的？它们是如何制造的？

答案：它们是铸铁制成的块体，如图161所示，用于包裹并支撑轴。轴上与这些块体相接的部分被称为轴颈。每个块体上都装有一个黄铜轴承，如图165所示，该轴承位于轴颈上方，因此会承受摩擦和磨损。图165为驱动箱的透视图，其中标出了所谓的油室d。油室是位于轴下方的容器，里面填充着羊毛或棉絮废料，并浸满润滑油，用以润滑轴颈。油室通过两颗螺栓f、f固定在适当位置，这两颗螺栓穿过油室以及驱动箱的铸件。只要拆下这些螺栓，就能轻松取出油室，进而将驱动箱从轴上取下。

图166。图167。

比例尺：1/2英寸=1英尺。

问题273：卡车车轮是如何制造的？

答案：它们由铸铁制成，通常为整体结构。图166和167展示了汽车上使用的两种车轮的截面结构。用于机车车轮的结构与这些类似，只是直径通常稍小一些。这类车轮由一个圆盘或板状部件将轮胎与轮毂连接起来；在某些情况下，其内部还会铸造有加强筋，如图所示。有些车轮采用单块板结构，有些则采用双块板结构，还有些则具有类似驱动轮的辐条。车轮的胎面通过一种称为“淬冷”的工艺进行硬化处理。具体做法是将熔化的铸铁倒入与车轮胎面形状相同的模具中。该模具也由铸铁制成，但由于处于低温状态，能够使熔化的铁迅速冷却，从而使其变得坚硬，就像钢在加热后放入冷水中会变硬一样。[71]
[71] 需要指出的是，只有某些种类的铸铁才能通过这种方式实现硬化，也就是所谓的“淬冷”效果。造成这种淬冷现象的原因目前尚不清楚。

问题274：机车车轮的轮框、轴颈以及轴颈轴承是如何制造的？
答案：它们与驱动轮的相应部件非常相似，主要区别在于机车车轮的这些部件尺寸比驱动轮的更小。

问题275：机车的车架是如何构造的？
答案：车架H H H以及板材I、II和III都是由厚度为3到4英寸、宽度大致相同的锻铁棒制成的。它们通常分为两部分：一部分位于发动机后部，用于安装驱动装置和轴；另一部分位于前端，用于固定气缸。如图168和169所示，这部分被称为主车架，它由一根顶部横杆H H构成，若干被称为车架腿的部件a、a′、b、b′被焊接在这根横杆上。其中两根车架腿共同形成一个用于容纳轴箱的结构，如图169所示。在每根车架腿的底部都有一个夹具c，用于将两根腿固定在一起。两根车架腿a和b′则通过一根焊接在它们底部的支撑杆d d连接在一起。另一根支撑杆m则将车架的后端与车架腿b连接起来，它也被焊接在车架腿上。每辆机车的车架前端则由一根单独的横杆e构成，这根横杆通过螺栓固定在车架的后端，如图168和169所示，这些图表比任何文字描述都能更清晰地展示车架的构造。这些前端横杆会延伸出去……

它延伸至发动机的前端，而一块名为“缓冲木”的重质木材E′ E′，以及I、II和III号板材，则横跨在两侧之间，并通过螺栓固定在这些部件上。这块木材的作用是在机车撞上诸如车厢之类的物体时承受冲击力。防撞装置S则固定在这段木材上。

图168。

图169。

比例：3/8英寸=1英尺。

车架的前梁上通常也有两个凸出部分，气缸就安装在这些凸出部分之间。气缸则通过楔子牢牢固定在其位置上，这些楔子被插入凸出部分与气缸铸件之间。如前所述，车架是由锻铁制成的，其整个表面都经过精确的刨平处理。

问题276：车架是如何与锅炉相连的？
答案：如前所述，车架通过楔子和螺栓与气缸相连，而气缸又通过螺栓与烟箱相连，因此车架便牢固地固定在锅炉的前端。为了加强那些伸出烟箱前端且装有缓冲木的车架部分，还使用了r′ r′号斜向支撑杆以及I、II和III号板材，这些部件既固定在缓冲木上，也固定在各个车架上。

它们的下端。上端则通过螺栓固定在烟箱上。其他支撑件d′、II号板也固定在框架以及锅炉的筒体上。这些框架通过称为“膨胀夹”的I、I号夹具和I号板固定在火箱上，这些夹具能够让框架在纵向方向上相对于火箱滑动。通常还有两个对角方向的支撑件，它们并未出现在II号板上，其上端固定在火箱外壳的后端，大致位于顶盖的位置，而下端则固定在框架的后端。此外，通常还有横向支撑件连接在框架的下部，从而将两个框架固定在一起。I号板上的导向轭j j也通常通过螺栓固定在框架和锅炉上。在很多情况下，只使用一个这样的导向轭，它从一根框架延伸到另一根框架，并固定在锅炉上。

问题277：为什么要将框架固定在火箱外壳上，使其能够通过固定装置在纵向方向上滑动？
答案：因为当锅炉受热时会膨胀，如果它无法独立于框架而移动，那么这种膨胀就会给锅炉本身以及框架带来巨大的应力。因此，与火箱的固定装置设计为允许框架在纵向方向上自由移动，但无法在其他方向上移动。

问题278：在产生蒸汽的过程中，锅炉的膨胀程度会比框架大多少？
答案：大约1/4到5/16英寸。

问题279：为什么需要用弹簧来支撑机车？
答案：[72]因为无论道路维护得多么好，行驶时总会存在冲击力；这些冲击力来自铁轨的接缝处，尤其是当枕木的填充物不够完美时。这些冲击力首先作用于车轮，然后通过轴箱传递到框架、机车和锅炉上。机车的行驶速度越快，这些冲击力就越强，从而对机车和道路造成的破坏也就越大。因此，机车的行驶速度越快，弹簧的配置就应当越完善。
[72]上述答案以及有关弹簧的许多内容均摘自J. Brosius和R. Koch所著的《机车驾驶员学校》一书。

如果我们用锤子反复敲击铁轨，铁轨很快就会被破坏，而实际上，即使有重物静静地压在铁轨上，铁轨也能承受更大的重量而不受损。车轴、轴箱和车轮也会产生类似的冲击力。

每次受到冲击时，冲击力都会作用在铁轨上；而发动机其他部件的冲击力则首先作用于弹簧并使其变形，但对铁轨而言，这种冲击仅相当于有比平常更大的负荷作用在其上。另一个对比可以更清楚地说明弹簧是如何减轻锅炉等部件的重量对铁轨造成的损害的。用锤子轻轻敲击玻璃板就足以将其击碎；但如果在玻璃板上放置一些弹性物质，比如印度橡胶，那么就需要大幅增加敲击力或锤子的重量才能产生同样的效果。如果将机车锅炉视为锤子，弹簧视为印度橡胶，而铁轨视为玻璃，那么这一对比就与上述情况一致了。由此可以看出，尽可能减轻轴、轴箱和车轮的重量是多么重要。

问题280：驱动轴箱是如何布置的，才能让发动机的重量由弹簧来承受？
答案：这些轴箱被设计成可以在支架中上下滑动。如图169所示，弹簧B、B′被放置在轴箱上方以及框架之上。这些弹簧则支撑在呈∩形的支架G′、G′上，而这些支架又与轴箱的顶部相接。框架则通过称为弹簧吊架的杆件g、g′、g、g′悬挂在弹簧的两端。由于锅炉以及发动机的其他大部分部件都固定在框架上，它们的重量也就由弹簧来承担，而弹簧具有弹性，能够承受这些重量。

问题281：如何防止框架因轴箱在支架中上下滑动而受到磨损？
答案：支架的腿部a、a′、b、b′的内侧装有鞋状或楔形装置h、h，这些装置是固定不动的，轴箱则在与这些装置接触的过程中发生磨损，从而只有鞋状或楔形装置会被磨损，框架则不会受损。

问题282：为什么鞋状装置通常设计成楔形？
答案：之所以这样设计，是为了当它们磨损后，可以通过将其中一个或两个装置向上移动，来缩小它们之间的间隙，从而弥补因磨损造成的损失。这些装置是通过螺丝i、i来调整位置的。如果因为磨损导致轴箱松动，那么就会使得发动机在车轮转动或活塞往复运动时发出撞击声。

问题283：驱动轮的弹簧是如何制作的？

答案：它们是由多层钢板堆叠而成的。如图169中的B、B′所示，这些钢板的长度各不相同，宽度在3到4英寸之间，厚度则在5/16到7/16英寸之间。从一个吊架的中心到另一个吊架的中心所测得的弹簧长度通常约为三英尺。

图170。

图171。

问题284：在给定载荷作用下，弹簧的弯曲程度由什么决定？
答案：取决于弹簧钢板的数量、厚度、长度和宽度，当然还有其材质。我们可以这样来解释：假设有一块厚度为h、呈三角形形状的弹簧钢板，如图170所示为侧视图，图171为平面图，且该钢板的底部b被牢牢固定。根据力学原理，只要材料具有这种形状并在这样的条件下，其整个长度上的强度都是均匀的，因此能够承受悬挂在末端的任何载荷P；同时，该钢板会以圆弧的形式发生弯曲或变形。

图172。

图173。

图174。

图175。比例：3/4英寸=1英尺。

问题285：机车弹簧通常是如何制造的？
答案：在机车上，弹簧的布置方式总是这样的——要么中间被固定，两端可以移动；要么两端被固定，中间承受载荷。对于目前的说明来说，采用哪种类型的弹簧并无区别。图172和图173中的平面图与立面图所示的结构，是由一块斜向放置的宽板构成的；实际上它是由两块如图171所示的三角形板块在底部mm处连接而成的，载荷则作用在相对的两个角e和f上。如果宽度mm不是障碍的话，这种结构就能满足要求。为了解决这个问题，可以将弹簧切成若干条宽度相等的带状部分，如图173中的a a、b b、c c、d d……i，然后这些带状部分不是并排放置，而是相互叠加，如图174和图175所示。为防止这样制成的弹簧各层之间发生位移，图174和图175中的带状部分都是整体成型的，而且所有的板块都被一条带子F固定在一起，如图176和图177所示。不过，这些板块并非像图173那样从一块材料上切割而成，而是由适当宽度的钢材制成；其端部也并非像图中那样被切成尖状，有时会像凿子的尖端一样被削得较细，或者更常见的是直接被切平，如图177所示。

图176。

图177。

图178。

比例：3/4英寸=1英尺。

为将两块板固定在一起，会在中间装上一根带子F。该带子在加热后会收缩从而变得紧实。弹簧的中心处有一个孔，图中178所示为弹簧的截面图，其中有一根销子s用于防止两块板沿纵向滑动。每块板的末端通常会有一处凹陷a，图179为比前图更大比例的板块截面图，另一侧则有一个相应的凸起b。一块板上的凸起可以与另一块板上的凹陷相吻合，从而避免板块发生侧向滑动。

图179。比例尺：6英寸=1英尺。

图180。比例尺：³⁄₄英寸=1英尺。

问题286：弹簧应如何弯曲？
答案：弹簧的弯曲方式应当是：当它们承受最大负荷时仍能保持直线状态。如果弯曲程度过大，不仅会导致弹簧片发生弯曲变形，还会使其两端受到压缩力。因此，如果将图180中的弹簧弯成半圆形，显然其两端的应力不会导致弹簧片弯曲，只会使其两端被压缩。而在靠近中间的位置，应力则会导致弹簧片弯曲。

弹簧在某个方向上具有柔韧性和弹性，而在另一个方向上则没有这种特性。由于压缩变形程度取决于弯曲程度，弯曲程度越大，弹簧的柔韧性和弹性就越低。

如图181所示，弹簧通常被设计成双曲线形状。但这种设计并不可取，因为当弹簧弯曲时，其各部分会相互滑动。如果弹簧只有单一的弯曲形状，那么这些部分仍能保持接触；而如果是双曲线形状，这些部分就会分离，出现所谓的“间隙”。

图181：比例尺为3/4英寸=1英尺。

问题287：什么是弹簧的弹性？
答案：它指的是弹簧在承受一定载荷时能够发生变形的程度，且不会因此而永久改变其形状。如果变形程度过大，以至于在载荷移除后弹簧无法恢复原来的形状，那么可以说该弹簧所承受的应力已经超出了其弹性极限，如此反复作用最终会导致弹簧断裂。

问题288：什么是弹簧的弹性强度和极限强度？
答案：弹性强度是指弹簧在未超出弹性极限的情况下所能承受的应力；而极限强度则是导致弹簧断裂的应力值。

问题289：什么决定了弹簧的强度？
答案：当然，弹簧的强度取决于：（1）制造弹簧的材料；（2）弹簧中钢板的数量，钢板数量越多，强度越高；（3）钢板的宽度；（4）钢板厚度的平方；（5）弹簧的长度越短，强度也越高。

因此，如果想要让如图170和171所示的弹簧的强度提高一倍，可以通过以下任意一种方法实现：(1) 使用强度为原来两倍的材料来制造该弹簧；(2) 在其顶部再叠加一块结构相同的板；(3) 将基座的宽度增加一倍，这样整个板的强度就会变为原来的两倍；(4) 使整个板的厚度增加到原来的约4/10倍，根据之前的说明，其强度会按照厚度的平方成比例增加，即1.4×1.4≈2；(5) 将弹簧的长度缩短到图170中长度的一半。

问题290：什么决定了弹簧的弹性？

答案：(1) 弹簧所用的材料；使用相同材料时，弹性会随之增加；(2) 随着弹簧中板块数量的增加，弹性也会增加；(3) 随着板块宽度的减小，弹性也会增加；(4) 随着弹簧长度的立方增长，弹性也会增加；(5) 随着板块厚度的立方增加，弹性则会降低。

假设图170和171中的弹簧厚度为3/8英寸，变形量为2^(1/2)英寸，那么：(1) 如果使用强度为原来两倍的材料，变形量将变为原来的一半，即1^(1/4)英寸；(2) 如果使用两块这样的板块，变形量也会变为原来的一半；(3) 如果基座的宽度变为原来的两倍，变形量同样会变为原来的一半。如果(4)弹簧的长度变为原来的两倍，变形量将为2×2×2=8倍于原来的值，即与长度的立方成正比。如果(5)弹簧的厚度变为原来的两倍，变形量也会以相同的比例减少，仅为2^(1/2)英寸的1/8，即5/16英寸。

图182。

图183。

比例尺：3/4英寸=1英尺。

问题291：弹簧的各片金属板之间应保持怎样的比例关系？
答案：下方的金属板长度应逐渐减小。这一设计的原理很容易理解：如果将厚度均匀的三角形金属板在其底边处固定，那么当在顶端施加载荷时，整个金属板的强度将是均匀的。只要该三角形的两个边长相等且金属板厚度一致，无论底边长度如何，其强度以及因载荷而产生的变形量在整个长度上都会保持一致。因此，如果我们按照前述方法，将两个这样的三角形金属板在底边处连接起来并切割成条状来制作弹簧，那么显然这个弹簧的强度在整个长度上都是均匀的。由于这些条状金属板的长度是逐渐减小的，所以如果用适当宽度轧制而成的钢片来制作弹簧片，其长度也应与上述切割得到的金属板长度相同。如此一来，如图183所示，当弹簧未弯曲时，其下部的轮廓线a b b a就会呈直线状。不过有时弹簧的下部轮廓也会被设计成曲线形，如图182所示。这种设计会导致靠近F处的强度过高，而两端处的强度则过低。因此，在设计弹簧时，最好让金属板保持直线状态，如图182和183所示；在确定好金属板厚度后，从固定点画一条直线到最长的金属板末端，这样就能得到最佳的弹簧形状以及各金属板的长度。不过，每个弹簧中都需要有足够数量的厚金属板，这样才能确保在挂件连接处具有所需的强度。有时，其中一片或几片厚金属板的厚度会设计得比其他金属板更大。如果考虑到弹簧在断裂前的最大允许变形量与金属板厚度的立方成反比，而弹簧的强度则与厚度平方成正比，那么这种设计方法的弊端就显而易见了。例如，假设一个弹簧由10片厚度为3/8英寸的金属板组成，顶部还有一片厚度为3/4英寸的金属板，那么这块厚金属板的强度虽然是薄金属板的4倍，但其弹性却只有薄金属板的1/8。因此，要使它弯曲一定的距离，所需的载荷是使薄金属板弯曲相同距离所需载荷的8倍。但由于它的强度仅为薄金属板的4倍，所以对于相同的弹性要求而言，这块厚金属板所承受的载荷其实是其承载能力的2倍。

如果某些钢板比其他钢板更厚，那将会犯下多么严重的错误啊。这一结论得到了实际经验的印证：当顶部钢板比其他钢板更厚时，这些较厚的钢板更容易断裂，而这正是试图通过增加顶部钢板厚度来增强其强度所带来的必然结果。

问题292.[73] 如何通过计算得出给定钢弹簧的弹性或变形量？
[73] 以下关于计算钢弹簧的比例与强度的规则出自克拉克的《铁路机械》一书。
答案：将钢板的宽度（以英寸为单位）乘以厚度（以十六分之一英寸为单位）的立方，再乘以钢板数量；然后将跨度（以英寸为单位）的立方除以上述乘积，最后再乘以1.66。所得结果即为每吨载荷对应的弹性值，单位为十六分之一英寸。

[74] 承载跨度是指弹簧处于受力状态时，两悬挂点中心之间的距离。

问题293. 如何根据给定的弹性值以及钢板的数量和尺寸来确定跨度？
答案：将每吨载荷对应的弹性值乘以钢板的宽度（以英寸为单位），再乘以厚度（以十六分之一英寸为单位）的立方，最后乘以钢板数量；再将所得数值除以1.66，取其立方根。该结果即为跨度（以英寸为单位）。

问题294. 如何根据给定的弹性值、跨度以及钢板的尺寸来确定钢板数量？
答案：先将跨度（以英寸为单位）的立方乘以1.66；然后再将弹性值乘以钢板的宽度（以英寸为单位），再乘以厚度（以十六分之一英寸为单位）的立方；最后用前者所得的乘积除以后者。所得商值即为钢板数量。

问题295. 如何确定给定钢弹簧的实际承载能力，也就是它在实际使用中能够承受的最大重量？
答案：将钢板的宽度（以英寸为单位）乘以厚度（以十六分之一英寸为单位）的平方，再乘以钢板数量；同时将实际工作跨度（以英寸为单位）乘以11.3；最后用前者所得的乘积除以后者。所得结果即为该钢弹簧的承载能力，单位为吨（1吨等于2,240磅）。

问题296. 如何根据给定的强度以及钢板的数量和尺寸来确定跨度？

答案：将钢板的宽度（以英寸为单位）乘以厚度平方值（以十六分之一英寸为单位），再乘以钢板数量；同时将强度（以吨为单位）乘以11.3，然后用前者所得的数值除以后者。所得结果即为工作跨度（以英寸为单位）。

问题297：如何根据给定的强度、跨度以及钢板尺寸来确定所需钢板数量？
答案：将强度（以吨为单位）乘以跨度（以英寸为单位），再乘以11.3；同时将钢板的宽度（以英寸为单位）乘以厚度平方值（以十六分之一英寸为单位），然后用前者所得的数值除以后者。所得结果即为钢板数量。

问题298：如何在弹簧加载之前确定其所需的弯曲程度或初始设定值？
答案：将每吨的弹性值（以英寸为单位）乘以工作强度（以吨为单位），再将所得数值加上期望的工作范围。这个总和就是弹簧的初始设定值，此外还需再增加1/8到3/8英寸的余量，作为弹簧的永久性设定值。

问题299：弹簧吊架是如何固定在弹簧两端的？
答案：有多种固定方法，其中最常见的是如图169所示的那种。在这种结构中，吊架从弹簧的两端将其包裹住（如图176和177中的a处所示的放大图）。弹簧的一端有两个凸出部分，用于容纳吊架的上端，而吊架则设计成能够适配这两个凸出部分之间形成的凹槽。如图176和177所示，弹簧的另一端b上有一个孔，用于安装吊架b。该吊架由一根金属棒制成，其上还有一个孔c，用于安装用于支撑悬挂在吊架b上的重物的键。前端弹簧的后端以及后端弹簧的前端也是以这种方式设计的，因为它们位于火箱的一侧；如果像图177中的a处所示那样因为吊架的厚度而增加这些部分的宽度，那么它们就会与火箱的外壳发生摩擦并导致其磨损。

问题300：吊架的下端是如何固定的？
答案：如图所示，前端弹簧的前端吊架g以及后端弹簧的后端吊架g在其下端k处都设有孔和销钉。这些销钉由橡胶弹簧l、l支撑，而橡胶弹簧则被固定在两个凹形铸件n、k之间，这两个铸件分别靠在框架上。橡胶弹簧的作用在于减轻……

防止弹簧悬挂装置受到突然的冲击和应力。人们认为使用这种装置的益处纯属幻想，因为只要弹簧的弹性足够，它就能吸收车轮和轴传递给悬挂装置的那些突然冲击力。

问题301：为什么弹簧的端点g′、g′要连接到杠杆[75]AA上？
[75]这种杠杆被称为平衡杠杆或平衡梁，简称为平衡器。

答案：因为如果每个轴都配有弹簧，而悬挂装置又固定在车架上，那么显然机车的支撑点数量就等于其轴箱的数量。来自铁轨的每一个冲击力都会通过车轮和轴传递到最近的轴箱以及与之相连的弹簧，而该弹簧必须足够坚固，才能承受并化解全部冲击力。如果如图169所示，相邻弹簧B和B′的对应端点g′、g′通过一个以固定点C为支点的平衡杠杆AA连接起来，那么作用在一个车轮上的冲击力会首先传递到相应的弹簧上。从该弹簧出发，一部分冲击力会通过悬挂装置g传递到车架上，另一部分则通过悬挂装置g′传递到平衡器上，再由平衡器将压力传递到相邻的弹簧B′上。如果由于路面不平或机车剧烈振动，某个弹簧暂时承受过大的负荷，平衡器就会让另一个车轮分担部分负荷。这种结构的优点显而易见：由于弹簧只需承受部分冲击力，因此可以设计得没那么坚固，从而更具弹性。这样一来，机车脱轨的风险以及轴、弹簧和悬挂装置损坏的风险也就降低了。

问题302：平衡杠杆是如何构造的？

答案：它们由锻铁制成，中间有一个支点C作为支撑，该支点固定在车架或锅炉上，或者同时固定在两者上。弹簧悬挂装置g′、g′通常通过销钉和键与杠杆相连。有时杠杆上本身就有销孔，如图169所示，此时悬挂装置就可以插入销孔中，再通过键或悬挂装置下方加工出的凸起部分将其固定住。在其它情况下，悬挂装置上也会设有能够套住杠杆末端的销孔。

问题303：平衡杠杆如何影响发动机的重量分布？

答案：重量在所有驱动轮上均匀分布。从图169可以看出，每个弹簧的吊钩上悬挂的重量必然相同；因为如果两个吊钩上的重量g′和g″不相等，那么承受较重重量的那端弹簧就会向下弯曲，直到压力达到平衡状态。同样地，如果连接在平衡杆上的两个吊钩上的重量不相等，那么承受较大负荷的那端也会使平衡杆向上移动，直至重量再次达到平衡。

图184。

图185。

比例尺：3/8英寸=1英尺。

平衡杆的另一个作用是让机车的每一侧都受到相同的支撑力，就像它被支撑在单个点上一样。例如，假设有一根沉重的梁，如图184中A B所示，其中间点C悬挂在长弹簧D E的中间位置a上，而弹簧的两端则分别固定在F和G两个支撑点上。显然，如果悬挂点位于……

当木杆的中间点C与弹簧的A点相连时，木杆的重量会均匀地分布在两个支撑点F和G上。此时，木杆的两端可以围绕悬挂点C上下移动或振动，而不会影响重量在F和G之间的分布。如果将木杆从三个点A、C和B处悬挂起来，如图185所示，即从中间点和两端悬挂，其中A和B端分别连接到弹簧bc和de的末端，而这些弹簧则固定在支撑点F和G上；同时，这些弹簧的另一端则连接到一个平衡装置fg上，该装置的支点位于A点。显然，每个端部挂件都需要承受从它到中间点之间木杆重量的一半，而中间的挂件则需要承受从中间点到两端之间木杆重量的一半。因此，挂件Ab需要承受A和C之间木杆重量的一半，而挂件Be则需要承受B和C之间木杆重量的一半。换句话说，各个端部挂件各自承受木杆重量的四分之一，而中间的挂件则承受一半的重量。如果木杆的重量为1,000磅，那么每个端部挂件需要承受250磅的重量，而中间的挂件则需要承受500磅的重量。木杆中间部分的重量则由平衡装置来承担，其中一半，也就是250磅的重量，会传递到f和g这两个端点上，然后再传递到fc和gd这两个挂件上，最终传递到弹簧上。这样一来，弹簧的c和d两端就会各自承受250磅的重量。由于弹簧的另一端也承受着相同的重量，因此显然每根弹簧所承受的总负荷为500磅，也就是木杆重量的一半，这一数值与图164中的情况相同。如果如图185所示那样悬挂的木杆两端围绕悬挂中心点上下移动，那么重量分布不会发生任何变化，因为当木杆的两端沿着悬挂中心点C周围的虚线方向移动时，A端上升的距离与B端下降的距离是相等的。弹簧的b和e两端以及它们的另一端c和d也是如此，平衡装置的各端也是如此。因此，当木杆、弹簧和平衡装置处于虚线所示的位置时，系统仍处于平衡状态，就像木杆处于水平状态时一样。所以，在这两种情况下，支撑点上的负荷都是相同的，这也就表明，如图185所示那样悬挂的木杆，其AB部分可以像图184中所展示的那样自由地围绕悬挂中心点移动。由此可见，火车机车两侧的重量在车轮和轨道上的分配方式也是相同的。

可以将其视为被一个点支撑着，而该点正是平衡杠杆的支点。
问题304：将机车后部的重量放在两个点上有什么好处？
答案：如果机车的后部仅由两个点支撑，而前端则由车轴的中心点支撑，那么整个机车的重量就会由三个点来承担。众所周知，像水准仪所使用的三脚架或三腿凳之类的结构，能够适应任何不平坦的表面，并在任何位置保持稳定；而如果支撑点超过三个，且这些点的长度都相同的话，那么它们所接触的表面必须是平面，否则有些点就不会与表面接触。由于铁路轨道的表面总是存在不平整之处，因此至关重要的是，机车必须能够根据轨道的起伏情况调整自身的支撑点。只有当重量由三个支撑点来承担时，才能实现这一点。

图186。

图187。

图188。比例尺：3/8英寸=1英尺。

问题305：该转向架是如何构成的？
答案：如前所述，它由两对轮子组成。[76]这些轮子固定在框架b′b′以及板I、II和III上。轴上装有被称为转向架箱的装置，还有与驱动轴上使用的类似的黄铜轴承。这些装置位于类似主发动机框架上的夹具中，只不过没有防止其因上下移动而磨损的固定装置。图186为转向架的横截面图，图187为平面图，图188则为纵截面图。[77]图187中的框架CDEF呈矩形，为整体锻造而成。构成夹具的支腿ff通过螺栓固定在框架上，如图186所示。在这些支腿的下端还装有支撑件ggg，用以将它们连接在一起。在框架的每一侧，都有一根弹簧SFS，其位置与驱动弹簧相反。在转向架的每一侧还各有一个平衡杆GGG，其中一个位于框架内侧，另一个位于外侧，如平面图所示。这些平衡杆的末端搁在转向架箱的顶部，而弹簧则通过吊钩jj固定在杠杆ii上。转向架框架则置于呈弧形结构的弹簧带F之上，工人称之为“圆形结构”，这样它就能在支撑点周围自由转动。显然，这种弹簧与平衡杆的布置方式与驱动轮上的布置方式类似，都是为了使重量均匀分布在各个轮子上。此外，转向架框架由图186和187中的k、k两点来支撑。发动机的前端重量则由铸铁制成的中央板HH来承受。

中央板由四根杆件支撑，即ll、ll、mm、mm；其中两根杆件横向固定在框架上，另外两根则纵向固定，如图所示。这些杆件在中间部分是抬高的，见图186和188。横向杆件与下方的两根对应杆件nn相连接，见图188。这些被称为桁架杆的部件通过螺栓o、o与上方杆件相连，但它们与上方杆件之间还有间隔件P、P相隔，见图186和188。称为下中央板的HH上有一个环形槽，该槽可容纳上中央板KK上的相应突起部分；上中央板则固定在圆柱体的床板上，见图II。上中央板上有一个称为中心销的销轴y，见图186和图II，该销轴穿过下中央板，其下方还有键状结构。这个键的作用是在轨道不平或发生意外时防止发动机从车架上脱落。环形槽及其对应的突起部分用于承受原本会作用于中心销上的应力，从而避免中心销断裂或变形。

[76] 在少数情况下，机车车架会使用三对轮子。而六轮车架则常用于客车上。

[77] 右半部分是图186中Gg轴中心的截面，左半部分则是图186中gg处车架中心的截面。

从上述描述可以看出，虽然车架框架由两点k和k支撑，但发动机的重量则由车架的中央板来承担。由于车架的后部主要依靠两个平衡装置的中心来支撑，因此这种重量分布方式符合“三脚架原理”的要求。

图189。图190。

图191。

比例：3/8英寸=1英尺。

问题306：如何布置转向架，使其能够产生横向运动？
答案：为此，下部的中央板通常会通过连杆或悬挂装置固定在转向架框架上，从而能够横向摆动。图189、图190和图191展示了实现这一功能的一种方法。图190为正面视图，图191为平面图，而图189则为该结构的横截面图。中央板HH上还铸有延伸部分BB，其两端分别悬挂在称为悬挂连杆的L、L上，这些连杆的上端则连接在横跨转向架框架的m、m杆上。显然，通过这种布置，下部的中央板可以沿着连杆L、L在轨道两侧摆动，这样一来，发动机的前端就能独立于转向架而产生横向运动。

第十三章　粘着与牵引力
问题307：什么是机车的“粘着”？
答案：所谓粘着，指的是防止或抵消驱动轮在铁轨上打滑的阻力，这种阻力源于驱动轮与铁轨之间的摩擦。
问题308：这种摩擦力的大小取决于什么？
答案：与所有摩擦力一样，它取决于接触表面的重量或压力，因而也取决于作用在每个车轮上的载荷。此外，它还取决于铁轨的状况，以及在某种程度上，还取决于铁轨和车轮轮胎的材料。

图192
比例尺：1/4英寸=1英尺

问题309：要使机车的驱动轮在普通铁轨上打滑，需要多大的力？
答案：如前所述，使驱动轮打滑所需的力会因铁轨状况的不同而有很大差异。如果铁轨非常干燥且干净，那么所需的力大约相当于车轮所受重量的四分之一。例如，假设图192中的AB轮固定在一个无法移动的框架上，该轮位于铁轨上并承受着10,000磅的载荷，如果在B点——即车轮的踏面处——系上一根绳子或链条，并让其绕过滑轮C，那么只需在绳子末端施加约2,500磅的重量，就能使车轮打滑。如果铁轨表面经过打磨处理，车轮与铁轨之间的粘附力会稍大一些；而如果铁轨潮湿、泥泞或有油污，粘附力则会大大降低。在一般情况下，可以认为车轮与铁轨之间的粘附力约为驱动轮总重量的五分之一。当然，在计算粘附力时必须考虑所有驱动轮的总重量。因此，如果一台机车有四个驱动轮，每个轮子都承受10,000磅的载荷，那么这些驱动轮的总重量，也就是所谓的“粘附力所对应的重量”，将为10,000×4=40,000磅，相应的粘附力则为40,000÷5=8,000磅。

问题310：什么是机车的牵引力？
答案：牵引力是指汽缸内的蒸汽压力对机车产生的水平方向上的推力，这种推力能够推动机车并拉动其上的负载。显然，牵引力是由蒸汽对活塞的压力产生的，因此其大小取决于汽缸内的平均蒸汽压力、活塞的面积以及压力作用的距离，换句话说，也取决于活塞的行程。例如，如果一个汽缸的直径为16英寸，行程为2英尺，平均蒸汽压力为每平方英寸50磅，那么该活塞的面积将为201平方英寸，其上的平均压力则为201×50=10,050磅。由于每个活塞在车轮转动一圈时会移动4英尺，因此它所输出的功为10,050×4=40,200英尺磅。对于一台机车来说，有两个这样的汽缸，所以总功将为40,200×2=80,400英尺磅。

车轮的直径为5英尺，因此其周长为15.7英尺。如果车轮不打滑的话，机车在完成一次旋转时就会在铁轨上移动这段距离。80,400英尺-磅的力会在15.7英尺的距离上发挥作用，因此80,400除以15.7的结果即为5,121磅，这就是每当车轮转动一圈、机车向前移动时所施加的力。如果车轮的直径只有原来的一半，即2.5英尺，那么其周长将为7.85英尺，此时牵引力则为80,400除以7.85，结果为10,242磅，是原来的两倍。由此可见，机车的牵引力取决于：（1）气缸内的平均蒸汽压力；（2）活塞的面积；（3）活塞的行程；（4）驱动轮的直径。

问题311：如何计算机车的牵引力？
答案：将活塞的面积（以平方英寸为单位）、整个行程中作用在活塞上的平均蒸汽压力（以磅/平方英寸为单位），以及活塞行程长度的四倍相乘，再将所得数值除以车轮的周长。这样得到的结果就是以磅为单位的牵引力。当然，车轮与铁轨之间的粘着力必须始终大于牵引力，否则车轮就会打滑。[78]活塞行程的长度可以用英尺、英寸或任何其他单位表示，但在计算时，车轮的周长必须与活塞行程的长度使用相同的单位。

问题312：如何通过使车轮转动来让机车前进？
答案：如图192所示，气缸中的蒸汽压力会朝一个方向作用于活塞，同时朝相反方向作用于气缸盖。图中，蒸汽由气缸后端的虚线阴影表示，而压力方向则用箭头s、s表示。作用在活塞上的压力通过连杆传递到曲轴销E上，而作用在气缸盖上的压力则通过轴传递出去。

F和F′构成一个框架，两股力的方向则由箭头a和b表示。现在我们可以将车轮的辐条视为杠杆，假设支点位于轴的中心G处，或者位于车轮与铁轨的接触点B处。[79] 我们假定支点在轴的中心G处，为使数值更为整齐，设定车轮的直径为6英尺，圆柱体的行程为2英尺。同时假设发动机被固定得很好，使得车轮不会接触到铁轨；还有一根链条或绳索经过滑轮C，一端连接到车轮的B点，另一端则连接着重量为D的物体。此时，有10,000磅的力作用在曲柄销上，也就是作用在杠杆EGB的短臂EG末端。由于EG的长度为1英尺，GB的长度为3英尺，因此10,000磅的力在B点会产生相当于10,000×1/3=3,333磅的平衡力。换句话说，需要在D点的链条上悬挂3,333磅的重量才能抵消E点的受力。但在这种情况下，轴在支点处沿箭头c方向施加的压力，等于作用在曲柄销E上的力加上D点所施加的力，即10,000+3,333=13,333磅。[79] 关于在这种情形下，支点应该是轴的中心还是车轮与铁轨的接触点，这个问题一直存在很多争论。既然“支点”的意思就是“杠杆绕其转动的点”，那么这种争议其实只是因为人们对“支点”这个词的理解不同而已。如果我们将支点视为相对于机车而言固定不变的点，那么它就在轴的中心；而如果将其视为相对于地球表面的点，那么它就在铁轨的顶部。由于相反方向上作用在轴上的力b仅为10,000磅，因此会有一股3,333磅的力沿箭头c的方向作用，试图使车轮朝那个方向移动。由于轴与机车框架相连，这股力自然会试图带动整个机器移动，实际上这就是发动机的牵引力。另一方面，如果我们将车轮与铁轨的接触点B视为支点，那么就有10,000磅的力作用在长度为4英尺的杠杆EGB上。这样一来，就会产生10,000×4/3=13,333磅的力c。

在G点施加的力为10,000磅，而沿d箭头方向的压力仅为10,000磅，因此会产生13,333 – 10,000 = 3,333磅的失衡应力，该力会沿着c箭头方向作用于轴上。换言之，推动轴前进的力比使其后退的力多出3,333磅。

当曲柄销位于轴下方、处于图193所示的位置时，若将轴的中心视为支点，则会有10,000磅的力作用在前部气缸盖上，该力通过框架传递到轴上，并沿c箭头方向作用；同时还有沿a箭头方向作用在曲柄销E上的力。此时，E点处的10,000磅力会在B点产生10,000×1/3 = 3,333磅的力，在G点则会产生10,000×2/3 = 6,666磅的力，方向均为b方向。然而，气缸盖上的压力则以10,000磅的力沿c方向作用于轴G上，因此沿b方向的额外应力将为10,000 – 6,666 = 3,333磅。如果将B点视为支点，计算结果完全相同，因为E点处的10,000磅力会在G点产生10,000×2/3 = 6,666磅的力，这一力与气缸盖产生的压力之间的差值，就是推动轴以及整个机车前进的力。

由此可见，无论将哪个点视为支点，计算结果都是一样的。

图193。
比例尺：1/4英寸=1英尺。

然而，不能仅凭上述内容就草率地认为作用在轴上的总压力会大于轴所承受的阻力。一旦前者超过后者，轴就会开始移动。假设拉动与机车相连的列车需要3,333磅的力，那么当活塞推动轴前进所产生的力与使轴后退的力之间的差值超过3,333磅时，机车就能带动列车移动。如果这一差值持续增大，列车的速度就会加快，而此时阻碍机车前进的力与推动它前进的力将始终相等。

问题313：当曲柄销位于轴上方时，活塞是在较长的杠杆EGB的作用下工作（见图192），这样的结构是否能让机车牵引更重的列车，相比曲柄销位于轴下方、活塞在较短的杠杆GEB作用下工作的情况？
答案：不能。因为如前所述，两种情况下作用在轴上的压力是相同的。实际上，只有在上行冲程中，作用在曲柄销上的力才能推动机车前进。

曲轴销对车轴施加的压力，大于气缸盖和机框在相反方向上对车轴施加的压力。正是这种额外的曲轴压力推动着发动机运转，同时也是发动机做功时的牵引力。在回程过程中，活塞会将车轴向后推，而作用在前部气缸盖上的压力则将其向前拉。此时后者的力大于前者，两者之间的差值就是推动发动机前进的力。如前所述，无论曲轴处于何种位置，这一差值都是相同的，因此无论曲轴是在车轴上方还是下方，机车都无法因此产生更大的牵引力。

第十四部分：机车内的扰动力
问题314：机车内的扰动力有哪些？
答案：它们分别是：1、做往复运动的部件所具有的动量；2、汽缸盖内蒸汽压力变化所引起的力；3、连杆对导杆施加的推力；4、旋转部件不平衡所产生的力。
问题315：如何消除这些扰动力的影响？
答案：可以在驱动轮上、与曲柄销相对的位置安装配重，如图161所示。这样，这些配重的运动方向就会与连接在曲柄销上的部件的重力运动方向相反，从而至少在一定程度上抵消彼此的扰动作用。
问题316：能否为任何机车计算出这些配重的重量？
答案：虽然可以尝试计算，但这是个极其复杂的问题，而且不同人对此有不同的看法。此外，当发动机不使用蒸汽驱动时，配重的重量可能不再合适。在《克拉克的铁路机械》一书中给出了一些规则，这些规则或许足以作为确定配重位置和重量的初步依据；但最终仍需通过实际测试进行调整。具体做法是：用链条将机车悬挂在其框架的四个角上，然后让机车以预定速度运转。在框架的四个角上各固定一支铅笔，……

通过将相关部件布置在水平固定板上，就可以绘制出一个图形——通常为椭圆形——用以显示振动的幅度与形态。随后可以调整配重，使得铅笔绘制的图形尺寸尽可能小。当调整成功后，该图形的直径可缩小到约1/16英寸。[80] 另一种更为简单但精度较低的方法是：在发动机前方放置一个装满水的桶或其他容器，让机车在平坦的轨道上以高速行驶，然后调整配重，使溢出的水量最少。[80] 《兰金关于蒸汽机的论著》

问题317：如何确定某一部件中配重的重心位置？
答案：制作一块厚度均匀、形状与该部件表面相同的木模板，将其其中一个角a自由悬挂起来，如图194所示；从同一悬挂点向下垂线Pa，这条线会与中心线bc相交于重心C处。

图194。

问题318：如何确定由三部分组成的配重块的重心位置？
答案：先按照上述方法求出其中一个配重块的重心C，见图195；以C为点，从轮子的中心a出发画出一条弧线，该弧线会经过其他两个部分的重心C′和C″；连接C′与C″，使其与AB相交于点D；再从D出发，量取DC长度的三分之一作为DE的长度。那么E就是这三个部分的共同重心。

图195。

问题319：如何确定由两段组成的配重块的重心位置？
答案：当曲柄与某根辐条相对时，就需要进行这样的计算，如图196所示。首先像之前那样求出其中一段的重心C，再通过作弧线找到另一段的重心C′；然后连接C和C′，这两条线的交点D即为两段配重块的共同重心。

图196。

问题320：如何求出由四段组成的配重块的重心位置？
答案：与之前相同，先求出各段的中心点C、C′、C″、C″，见图197；然后画出C″C′和C″C两条线，让它们与AB线相交；再将所围成的线段二等分，其交点E即为配重块的共同重心。

图197。

问题321：对于具有单对驱动轮的外置气缸发动机，其平衡重应如何计算？
答案：先求出一侧的旋转部件与往复运动部件的总重量（单位为磅），这些部件包括活塞及其附属装置、连杆、曲柄销以及曲柄销座；再将该数值乘以曲柄的长度（单位为英寸），最后除以平衡重所在位置的重心到曲柄中心的距离（单位也为英寸）。所得结果即为平衡重的重量，该平衡重应放置在与曲柄完全相对的位置上。

问题322：对于具有耦合驱动轮的外置气缸发动机，其平衡重应如何计算？
答案：需分别计算每个驱动轮上的曲柄销、曲柄销座、连接杆以及连杆的重量（单位为磅）。

活塞及其附属部件的往复重量，以及连杆重量的一半，应平均分配到各个相连的轮子上，再将这一分配后的数值加到每个轮子的旋转重量上。这样得到的数值就是各轮子需要平衡的重量，而相应的配重则可通过前述规则来确定。

问题323：配重是如何制造的？
答案：配重通常由铸铁制成，用以填充或部分填充车轮辐条之间的空隙，如图161中的AA所示。每个配重部件实际上由两块组成，一块从车轮外部安装，另一块从内部安装，然后通过螺栓将这两块固定在一起，这些螺栓在图中也有显示。在某些情况下，配重是与车轮一体铸造的；而在其他情况下，则是在车轮上制造出空腔，再注入熔化的铅来填充这些空腔。有些机车制造商则将车轮的轮辋和辐条设计成中空的，并在靠近曲轴销的位置填充铅。不过，除非车轮的直径足够大，否则很难让这类车轮达到所需的重量。

问题324：当发动机牵引负载时，拉杆所受的应力会对车轮上的重量分布产生什么影响？
答案：这种应力会使发动机的后端向下沉，而由于发动机通过平衡杠杆的支点保持平衡，因此前端则会上升。这样一来，机车牵引的负荷越大，作用在驱动轮上的重量就越大，而作用在转向架上的重量则相应减少。拉杆离铁轨越高，发动机就越容易向后下方下沉、向前上方上升。

第十五部分：杂项问题
问题325：沙箱V以及I和II号板的作用是什么？其构造又是怎样的？
答案：沙箱用于储存干沙，当驱动轮可能出现打滑情况时，这些沙子会被撒在驱动轮前的铁轨上。沙子是通过两根管道e′、e′以及I号板输送到铁轨附近几英寸处的。在沙箱的上端，每根管道上都装有一个阀门，该阀门可通过杠杆来控制，而杠杆则通过一根杆与驾驶室相连，这样机车司机就可以随时打开或关闭阀门。沙箱通常由铁皮制成，底部为铸铁材质，顶部则具有各种装饰性设计。沙箱顶部还有一个开口，用于将沙子倒入其中；这个开口配有可活动的盖子，以防止雨水和灰尘进入沙子中。沙箱一般位于锅炉上方、前驱动轮的前面。

问题326：U形铃铛的作用是什么？
答案：它用于发出机车启动或即将接近的信号。它也位于锅炉上方，通常悬挂在铸铁框架上，并通过绳索与驾驶室相连。

问题327：普通机车铃铛的重量是多少？
答案：50到100磅之间。

问题328：什么是机车头灯？
答案：它是一种大型灯具，位于机车前方，用于在夜间指示机车的存在，同时为机车司机照亮轨道。

图198。
比例：1½英寸=1英尺。

问题329：前灯是如何构造的？
答案：该灯具采用所谓的阿甘德燃烧器；也就是说，这种燃烧器具有中空的圆柱形灯芯，空气可以从灯芯中心流过，从而为火焰提供比仅从外部供气时更多的空气。这样一来，燃烧效果会比普通燃烧器更加旺盛。为了将所有光线照射到轨道上，该燃烧器被放置在图198所示的抛物面形凹面反射器abc内部。

这种反射器的特点之一是：当光线照射到其焦点f时，光线会从反射面以平行线的方式反射出去。如图198所示，a、b、c代表此类反射器的一个截面。此时，若将光线置于焦点f处，光线会撞击反射面，然后沿着虚线f1x、f2x……f9x等方向反射，最终直接射向发动机的前方。这类反射器通常由铜制成，并镀有银层。

前灯的灯泡与反射器被装在一个矩形外壳中，该外壳通过两个支架固定在烟箱的前部。在这些支架上还设有木制架子，前灯就放置在这个架子上。

问题330：什么是踏板以及扶手？

答案：踏板就是那些位于锅炉两侧的木板，它们便于机车司机或火夫在机车运行时从驾驶室走到发动机前端。而扶手则是安装在锅炉顶部的黄铜或铁制管道，它们从驾驶室延伸到烟箱；顾名思义，其作用就是为站在踏板上的人提供支撑或握持点。

问题331：对于可能出现在机车前方的障碍物，比如牛只或掉落的石头，有什么办法将其从轨道上清除呢？

答案：在机车前端装有被称为“防牛装置”或“导流装置”的部件，即图中的S、I和II所示。这种装置通常由木头制成，底部是一个三角形框架，其位置大约在铁轨顶部上方4英寸处。一些尺寸约为2½×4英寸的直木块被固定在那个框架上，同时也固定在连接到缓冲木E′上的水平杆上。这些木块以这种方式排列，且彼此间距仅几英寸，使得防牛装置呈现出类似犁刀的弯曲形状，这样就能很有效地将障碍物从轨道上推走。有时，这些木块也会以水平方式安装，而非上下倾斜。在某些情况下，防牛装置也会由圆形铁棒或角铁制成。它们总是被牢牢地固定在缓冲木上，同时还有坚固的铁制支撑件从前后方向加固底部框架。这些支撑件通常另一端也固定在缓冲木上，但有时也会连接到气缸的床板上。此外，通常还会有一根坚固的推杆，它通过螺栓和铰链连接在缓冲木上。图中的II和III展示了该推杆未使用时所处的状态。它常被用来推动车厢。

在车厢尾部下方没有空间容纳司机。使用时，该部分会被抬高，然后车厢的前端便可以与车厢的牵引杆相连。

图199。

问题332：什么是机车的踏板或脚板？
答案：它是一块由锻铁或铸铁制成的板状物，横跨在机车后部的两个框架上，位于锅炉之后，司机就站在这块板上。它还能将这两个框架牢牢地连接在一起，并为牵引杆提供固定点。为了增加驱动轮的附着力，踏板的重量通常会被设计得比实际所需更重。一个常被忽视的事实是：施加在普通机车后端的任何重量，都会使驱动轮所承受的负荷远远超过该重量本身。这是因为机车是建立在车轴中心以及平衡装置的中心之上的，所以当重量作用于机车后端时，就会产生很大的杠杆作用。如果我们用图199中的梁AB，将其置于两个支撑点m和n之上，然后在悬于支撑点之外的那一端施加重量W，那么作用在点n上的力就会等于W乘以它到m的距离C，再除以m与n之间的距离D。因此，如果踏板的重量为1,000磅，其重心位于平衡装置中心后方5.5英尺处，而平衡装置中心则距离车轴中心14英尺，那么作用在驱动轮上的重量就会相当于……

1,000 × 19¹⁄₂ = 1,393磅。
当然，放在发动机后端的任何其他重量也会产生同样的效果。
问题333：什么是机车的“轮缘防护装置”？
答案：它们是覆盖在车轮边缘或踏面上半部分的铁板，其作用是保护发动机免受附着在车轮上的灰尘和泥浆的侵害，因为这些杂质会在离心力的作用下被甩到发动机上。
问题334：什么是“安全链”？
答案：这类链条有两种，一种连接在机车的车轴及框架上，另一种则连接在煤水车上。这些链条的作用是在车轴脱离轨道时防止车轴旋转并横跨轨道。另一种安全链则将发动机与煤水车连接在一起，这样即使牵引杆或连接销断裂，两者也不会分离。在安装这些链条时必须格外小心，确保其强度足以承受车轴脱轨时所产生的应力。在制造这些部件时，常常会出现极其粗心的错误和疏忽。

第十六部分：螺纹、螺栓与螺母
问题335：为了使螺栓和螺母的螺纹能够相互匹配，应如何制造这些螺纹？
答案：每种规格的螺纹都必须具有完全相同的直径，其螺纹的形状、比例以及螺距也必须一致。
问题336：什么是螺纹的“螺距”？
答案：螺距是指螺纹在螺旋杆上每旋转一周所前进的距离。例如，如果一个单线程螺纹的螺距为1/8英寸，那就意味着从一条螺纹的中心到相邻螺纹的中心之间的距离为1/8英寸，因此每英寸长度上就有8条螺纹。
问题337：什么是“单线程螺纹”？
答案：单线程螺纹指的是只有1条螺纹的螺旋杆，而非2条或更多条螺纹。如果我们用一根绳子绕在铅笔上，那就可以表示单线程螺纹；而如果用两根或三根绳子平行地绕在铅笔上，则可表示双线程或三线程螺纹。这类螺纹在机车中很少使用，因此后续讨论将仅涉及单线程螺纹。

图200。全尺寸。

问题338：螺丝的螺纹通常是什么形状的？
答案：最常见的形式是所谓的V形螺纹，如图200所示，其上下两端均为尖状。如果某个螺丝的螺纹非常尖锐，而另一个螺丝的螺纹则比较钝，那么显然，前者的螺母就无法准确适配后者；同样，如果一个螺母的每英寸有8条螺纹，它也无法安装在一个每英寸有9条螺纹的螺栓上。由于在几年前之前，人们尚未就螺丝的形状、比例或螺距达成统一标准，因此用于制造机车及其他机械的螺丝在这些方面存在极大差异。1864年，这一问题带来的不便与混乱愈发严重，引起了费城富兰克林研究所的重视，该机构随即成立了一个委员会来调查并报告相关情况。该委员会建议采用由费城的威廉·塞勒斯先生设计的塞勒斯螺丝系统。这一系统后来被美国陆军和海军部门采纳为标准，随后也被机械师协会和汽车制造师协会所采用，因此现在它被视为——实际上也确实被称为——美国标准，但其设计理念源自塞勒斯先生。

问题339：在建立螺丝及螺纹的标准体系时，首先需要确定的是什么？
答案：就是每英寸的螺纹数量，也就是不同直径的螺丝的螺距。

图201. 全尺寸图。

问题340：在Sellers标准体系中，不同规格螺丝的每英寸螺纹数应遵循什么标准？
答案：相关数据及比例关系详见本章末尾第348页的表格。

问题341：该标准所规定的螺纹形状是什么样的？
答案：其形状如图201所示，与V形螺纹类似，只不过其顶部和底部是平的。

问题342：为何要采用这种螺纹形状？
答案：如前所述，如果使用“钝头”螺纹制成的螺丝，就无法与具有非常锐利“尖头”螺纹的螺母配合；反之，如果螺栓的螺纹为锐角而螺母的螺纹为钝角，两者也无法完美匹配。因此，在标准体系中必须确定螺纹两侧之间的夹角。在美国标准体系中，这一角度由Sellers先生定为60度，因为这个角度无需特殊工具即可轻松测量，而且其效果可能不亚于甚至优于其他任何螺纹形状。[81]
[81] 方法是画一个任意直径的圆，然后用半径将该圆的周长分成六等份。从各分点向圆心画的线彼此之间的夹角即为60度。

显然，如果将刀具的刃口以60度角加工，那么经过少量使用后，刃口就会逐渐磨损，导致螺纹底部无法保持完全锋利，这样一来，制造螺栓和螺母就会变得困难。

锋利的螺纹之间无法精确地咬合。显然，螺纹的锋利边缘几乎不会增加螺丝的强度，反而会大幅降低螺栓的强度。如果螺纹的边缘很锋利，那么就很难测量其底部的直径，因为随着刀具的磨损，螺纹深度会发生变化，而用普通卡尺几乎无法准确测量这种螺纹的直径。螺栓上带有锋利边缘的螺纹在与其他物体接触时也极易受到损伤。为避免这些问题，标准螺纹的顶部被设计成平的；显然，底部采用类似形状的话，既能提高螺栓的强度，又能使其与螺母中的螺纹更好地匹配。要形成这种形状，只需将刀具的尖端削掉即可，而且显然可以用同样的刀具以与加工锋利螺纹相同的方式在车床上加工出这种螺纹。当然，平顶和平底的宽度应与螺纹的尺寸或螺距保持一定的比例关系。

图202。

问题343：标准螺纹的比例是多少？
答案：Sellers先生给出的螺纹比例计算方法如下：“将螺距，或者说螺纹的边长，分成八等份；从顶部去掉一份，然后在螺纹的底部补上一份。这样，平顶和平底的宽度就相当于螺距的八分之一，而螺纹的磨损面则占四分之三。”

螺纹的螺距以及螺纹底部的螺钉直径可通过以下公式表示：

1.299 × 直径 – 每英寸的螺纹数

为使这种标准螺纹的形状和比例尽可能简单明了，我们特意绘制了图202，以便清晰地展示各部分结构。其中，x代表螺距，d表示以英寸为单位的螺钉直径，v表示每英寸的螺纹数，n表示螺纹底部的直径，m表示螺纹顶部和底部背面的宽度，s则表示螺纹侧边的长度。

根据塞勒斯先生的公式，可以推导出以下公式：

1.299 × n = d – v × x
m = 8 / (3x)
s = 4 / (3x)

只要知道螺距或每英寸的螺纹数，就可以制造出任何类型的螺纹。从1/4英寸到2英寸直径的所有标准螺栓的尺寸参数都列在348页的表格中。

在实际生产中，使用如图203所示的量具来将工具磨成适合加工标准螺钉的形状最为方便。首先，可将切丝工具放入最深的凹槽中，从而将其磨至正确的角度；之后，再根据所需加工的螺栓规格或每英寸的螺纹数，将工具的刀尖适当磨短。

在任何需要遵循这一标准螺纹规格的情况下，如果希望保证加工精度，就必须格外注意螺纹的形状、比例以及每英寸的螺纹数。在购买丝锥和板牙时，采购方应确保它们在各方面都符合标准；在制定新产品的规格时，也需同样谨慎对待。

必须采取相应措施来确保螺丝的真实标准、形状及比例。在许多工厂中，负责操作这些工具的工人完全不了解Sellers系统的特点，他们只以为只要每英寸的螺纹数量合适，就能保证一致性。因此，除非在这一环节上格外注重工艺精度，否则即便设立了螺丝“标准”，也无法实现因螺丝和螺纹一致性所带来的好处。

图203：全尺寸图。

问题344：从螺栓的长度方向来看，螺母的厚度应达到多少，才能使其螺纹具有与螺栓相同的强度？答案：其厚度必须等于螺丝的外径。

美国或销售商常用的螺纹标准体系中的比例表。
螺距、螺纹直径、螺纹根部宽度、螺纹顶部宽度以及螺纹底部外径等参数均以英寸为单位，数值保留小数点后若干位。

¹⁄₄ 20 .185 .0062
⁵⁄₁６ 18 .240 .0074
³⁄₈ 16 .294 .0078
⁷⁄₁６ 14 .344 .0089
¹⁄₂ 13 .400 .0096
⁹⁄₁６ 12 .454 .0104
⁵⁄₈ 11 .507 .0113
³⁄₄ 10 .620 .0125
⁷⁄₈ 9 .731 .0138
1 8 .837 .0156
1¹⁄₈ 7 .940 .0178
1¹⁄₄ 7 1.065 .0178
1³⁄₈ 6 1.160 .0208
1¹⁄₂ 6 1.284 .0208
1⁵⁄₈ 5¹⁄₂ 1.389 .0227
1³⁄₄ 5 1.491 .0250
1⁷⁄₈ 5 1.616 .0250
2 4¹⁄₂ 1.712 .0277

第十七部分：水柜
问题345：机车水柜的用途是什么？
答案：它在机车运行时为机车提供燃料和水。
问题346：机车水柜通常是如何构造的？
答案：其构造如图204、205和206所示。图204为侧视图，图205为纵向剖面图，图206则为普通水柜的平面图。该水柜由木制或铁制的框架AAAA构成，框架安装在一对转向架TT上。框架的顶部覆盖着木板BB，这些木板构成了水柜的地板。在地板上方放置着一个铁制水箱CCC，用于储存水。该水箱的形状类似字母“⊃”，这样设计是为了让两个“分支”C、C之间的空间能够用来存放燃料。在水箱的上边缘还装有铁制边缘DD，通过铆接的方式固定，以防止在向水箱注满燃料时燃料溢出。
插图中的框架为木制结构，在平面图中则用虚线表示。
问题347：如何向水箱中注水？
答案：水箱顶部有一个圆形开口E，称为人孔。将橡胶或帆布制成的软管的一端插入该开口，软管的另一端连接到供水站处的固定水箱，这样水就会通过软管流入水柜中。
问题348：如何将水从水柜输送到发动机？
答案：在水箱前端的两侧，各连接着一根橡胶软管FF的一端，软管的另一端则与发动机上为水泵供水的管道相连。水箱内部用于让水流入软管的开口处装有一个阀门，该阀门在插图中并未显示，但可以通过杠杆来操作。

G. 这个阀门上装有罩子或滤网，上面有许多小孔，其作用是防止污物进入软管，进而进入泵内并造成堵塞。软管通过类似普通消防车软管的螺旋接头与供水管相连。

问题349：如何加强水箱的平面部分，以承受水的压力和重量？
答案：有时会用杆子或钢条对它们进行加固，这些杆子从一侧延伸到另一侧，从顶部延伸到底部；同时还会在侧面铆接角铁或∤形铁件来增强其强度。

问题350：拖车是如何与发动机相连的？
答案：通过图205中的拉杆H和连接销o，以及安全链条d来实现连接。

图204：比例尺为1/4英寸=1英尺。

图205。比例尺：1/4英寸=1英尺。

图206。比例尺：1/4英寸=1英尺。

问题351：牵引卡车与发动机卡车在哪些方面有所不同？
答案：主要区别在于其轴颈轴承和车架位于车轮之外。

图207。比例尺：3/16英寸=1英寸。

图208。比例尺：3/16英寸=1英寸。

问题352：为什么轴承被安装在车轮外部而非内部？
答案：因为这样更便于维护；此外，轴上的油箱可以完全封闭在轴的末端，从而防止机油泄漏。而如果油箱位于内部，则其两端必须保持开放状态。当油箱位于外部时，可以更方便地为它们加注机油，或者拆卸旧的轴颈轴承并更换新的轴承，这比油箱位于车轮内部时要容易得多。发动机卡车轴的轴承之所以被安装在车轮内部，只是因为如果将它们放在外部的话，就会妨碍气缸的正常工作。

问题353：机车轴的轴箱是如何构造的？

图209。比例尺：3/16英寸=1英寸。

答案：其结构与汽车车轴箱类似，标准结构如图207、208和209所示。图207为车轴的纵向截面图，图208为横向截面图，图209则为剖面图。A为车轴的轴颈，它被一个铸铁制成的盒子KK所包围，该盒子的前后两端是开口的。前端有一个盖子H，它可以通过弹簧固定，如示意图所示，或者用螺栓固定在盒子上。车轴从后部I插入盒子中，周围有木制或皮革制的填充物JJ，这种填充物被称为防尘装置，用于防止灰尘进入以及润滑油泄漏。D为黄铜制成的轴颈轴承，它靠在铸铁制成的轴承件或键E上；通过开口FF取出键E，就可以将黄铜轴承抬高到足以避开车轴末端的环G的位置，从而也能将其取出来。盒子下部的L部分则位于……

轴内通常填充有浸过油的棉花或羊毛废料。这些材料会持续压迫轴，从而保持其处于润滑状态。

问题354：运煤车是如何构造的？
答案：运煤车的结构多种多样，有些采用木制框架，而另一些则使用铁制框架。我们在图204和205中所展示的运煤车就是用铁制成的，它与发动机车非常相似，只不过如前所述，其框架位于车轮的外侧而非内侧。

问题355：运煤车是如何支撑在车轴上的？
答案：运煤车的前端依靠前车轴的中心部分来支撑，同时还依靠图204中的轴承n来支撑；后车轴两侧的框架则起到支撑作用。这种结构共有三个支撑点，其优点前文已作说明。如果负载集中在车轴中心，那么这种车轴就被称为“中心支撑式车轴”；如果负载分布在车轴两侧，则称为“侧支撑式车轴”。

问题356：制动装置是如何安装在运煤车上的？
答案：制动装置通常只安装在后车轴上，但在某些情况下也会安装在两个车轴上。它们通过图204中的轮子N以及一根延伸到运煤车框架下方的轴来操控，制动装置所连接的链条就缠绕在这根轴上。

问题357：普通运煤车能携带多少水和煤？
答案：用于30吨级发动机的运煤车可携带1,500至2,000加仑的水，以及3至4吨的煤。装载后的重量则在40,000到45,000磅之间。因此，这样的发动机及其运煤车的总重量约为100,000磅，这个数字是整数，便于记忆。

第十八部分：摩擦与润滑
问题358：什么是摩擦？
答案：摩擦是指两个相互接触的物体之间存在的阻力，这种阻力会阻碍其中一个物体在另一个物体上滑动。例如，如果将一块砖放在略有倾斜的木板上，它就不会滑动，因为砖与木板之间的摩擦力——即阻碍其运动的阻力——大于砖的重力所施加的向下作用力。然而，如果木板的倾斜角度足够大，使得砖的重力中有更大一部分作用于其下方，那么摩擦力就会被克服，砖就会开始滑动。当汽车的刹车块压在车轮上时，会产生摩擦力，这种摩擦力会阻碍车轮的转动，最终使汽车停止；同样，当发动机的重量由驱动轮承受，而驱动轮则位于铁轨上时，如前所述，它们之间的摩擦力会防止车轮相对滑动，从而让机车能够产生牵引力。此外，摩擦力还会阻碍轴在轴承中的转动，因此机车必须具备足够的牵引力才能推动一列火车前进。
问题359：摩擦力的大小取决于什么？
答案：两个相互接触的物体之间的摩擦力大小取决于：（1）一个物体对另一个物体的压力，而与接触表面的面积无关；（2）接触物体的材质特性；（3）介于两者之间的物质性质，比如油或其他润滑剂。因此，如果将砖以最宽的一面放置，它在与木板接触时与以边缘放置时的滑动难易程度相同；另外，如果将一块10英寸见方的铸铁板经过打磨处理，使其尽可能接近完美的平面，那么在承受100磅的重量时，它在与另一块面积仅为其一半且承受相同重量的钢板相比，也能同样容易地在其表面上滑动。当轴靠在长轴承上时，转动它所需的力并不比轴靠在短轴承上时更多。[83]

[83] 实际上，如果轴承的长度较长，那么转动它所需的力通常会小于轴承较短时的情况，其原因将在后文说明。

问题360：什么是“摩擦系数”？
答案：它是指滑动阻力与使两个表面相互压紧的力之间的比例关系。因此，一块光滑、干净且干燥的铸铁板，在承受100磅的重量时，需要大约15磅的力才能使其相互滑动，这一数值相当于该重量或压力的千分之十五。所以，该铸铁板的摩擦系数为0.15。对于其他不同的重量或压力，我们可以通过将压力乘以摩擦系数来计算出使两块板相互滑动所需的力。例如，如果这块板承受的重量为250磅，那么使其相互滑动所需的力则为250×0.15=37.5磅。不过，不同材料的摩擦系数是不同的。在相同条件下，两块光滑、干净且干燥的铸铁板之间的摩擦系数为0.15，而黄铜与铸铁之间的摩擦系数则为0.22，两块木头之间的摩擦系数则约为0.4。

问题361：在相互接触的表面之间涂抹某种润滑剂，如油，会有什么效果？
答案：这样可以大大降低摩擦系数。例如，如果在铸铁板的表面涂上牛脂，其摩擦系数为0.1；若使用猪油，则为0.07；使用橄榄油则为0.064；而同时使用猪油和铅白时，摩擦系数则为0.055。这表明，摩擦的大小在很大程度上取决于所使用的润滑剂的性质，以及相互接触的材料的性质。

问题362：将润滑剂施加到相互接触的表面上的方式，会对摩擦系数产生什么影响？
答案：润滑效果越好，摩擦系数就越低。例如，通过实验发现，当铸铁轴在相同材质的轴承上转动时，如果只是让表面略带油脂，那么摩擦系数几乎与没有润滑剂时的情况差不多；而如果定期给表面涂油，摩擦系数可降至0.07到0.08之间；但如果持续给表面加油，摩擦系数则可降至0.05左右，有时甚至会低至0.025。这说明，采用最佳润滑方式时，摩擦力仅为原来的一半。

接触表面的状况仅为“略带黏性”。在这两个极限之间，根据润滑条件的不同，摩擦阻力会呈现出各种不同的程度。这也就说明了为何必须将润滑装置保持在最佳状态，并且要格外小心地确保机车的各个部件都得到充分润滑。

问题363：接触表面之间的每平方英寸压力对润滑有何影响？
答案：当这种压力过大时，就会把两表面之间的润滑剂挤出。经验表明，两个物体相互挤压时的重量或每平方英寸的力越大，要保持它们处于完美润滑状态就越困难。因此，当车厢为空时，其轴颈更容易保持良好的润滑状态；而当机车承载重负荷时，其导向杆则更容易出现磨损。

问题364：接触表面的运动速度对摩擦和润滑有何影响？
答案：在表面条件相同的情况下，摩擦力与表面相对运动的速度无关。但随着速度的增加，实现完美润滑就会变得更加困难，因此速度的提升往往会间接增加摩擦量。以之前的例子来说，车厢或发动机的轴颈在高速运转时比低速运转时更难保持良好润滑状态，导向杆也是如此。

问题365：在设计机车及其他机器的摩擦轴承时，应考虑哪些因素？
答案：设计这些轴承的尺寸时，不应仅仅考虑其抗破裂能力，而应使其尺寸足够大，从而使所承受的压力能够均匀分布在更大的表面积上，这样每平方英寸所承受的应力就会相对较小，从而便于实现良好的润滑，进而降低摩擦系数。
[84] 莫兰力学著作

问题366：克服大直径轴颈上的摩擦所需能量，不是会比……的情况更大吗？

轴颈的尺寸更小的话呢？答案是：如果两种情况下的摩擦系数相同，那么显然直径较大的轴颈需要更多的能量才能使其转动，因为其边缘的移动距离比直径较小的轴颈要大。不过，直径较大的轴颈有一个优点，那就是可以更有效地进行润滑——由于表面积较大，每平方英寸上的压力较小，因此降低摩擦系数所带来的好处，会大于因轴颈直径增大而造成的损失。例如，如果某个汽车轴颈的直径为3¹⁄₄英寸，长度为5¹⁄₂英寸，那么其受摩擦作用的表面积就等于该轴颈横截面的面积，即3¹⁄₄×5¹⁄₂=17.875平方英寸。[85] 假设该轴颈承受5,000磅的载荷，平均摩擦系数为0.085，那么在车轮旋转一圈时，轴颈会移动0.85英尺，因此所需做的功为5,000×0.085=361¹⁄₄英尺磅。如果按照建议将轴颈的尺寸改为3³⁄₄×7英寸，那么其有效表面积将为26¹⁄₄平方英寸，但此时轴颈在旋转一圈时会移动0.98英尺。不过，如果通过增加轴颈的表面积来改善润滑效果，使摩擦系数从0.085降至0.07，那么每圈所需的能量将为5,000×0.7×0.98=343英尺磅，这一数值甚至低于使用直径较小的轴颈时的能耗。摩擦系数的数值是假设出来的，只能通过实验来确定，但这一假设说明了为什么直径较大的轴颈所受的阻力可能小于直径较小的轴颈。当然，最好的办法是通过增加轴颈的长度来扩大其承载表面，但实际上，几乎所有的机车和汽车轴颈在尺寸增大时，都必须同时增加其直径和长度，这样才能具备足够的强度来承受相应的载荷。
[85] 其原因在于，如图209所示，用于抵抗轴承压力的轴颈A的有效表面积，实际上只相当于由虚线a、b所表示的水平区域；正如在回答第99个问题时所解释的那样，锅炉内部用于抵抗压力的表面积则相当于直径乘以长度。

问题367：摩擦力与接触面之间的压力成正比的规律，在所有情况下都成立吗？答案是：不成立。当压力大到足以使物体接触面及其附近的部位发生挤压或磨损时，上述规律的准确性就会受到限制。超过这个限度后，摩擦力……

其增长速度比压力更快；[86] 此时摩擦力也会变得极为不稳定。
[86] 兰金。

问题368：在何种情况下才可能达到所说的极限状态？
答案：可能在某些机车中，驱动轮对铁轨施加的压力足以使铁轨部分变形。

问题369：接触材料的性质会对摩擦力产生什么影响？
答案：摩擦力的大小以及润滑效果都会受到承重表面性质以及所用润滑剂材质的极大影响。某些金属，如黄铜及其他合金，较不易发生磨损，且能更好地保持表面的润滑层，因此常被用于轴颈及其他轴承的制造。有些物质，尤其是油类，是良好的润滑剂，而其他看似性质相似的材料则并非如此。这些材料为何具有此类特性，而其他材料没有，则尚不清楚；某种材料作为润滑剂的适用性，或是另一种材料在无磨损的情况下抵抗摩擦的能力，只能通过实验来测定。

第十九部分：燃烧
问题370：什么是燃烧？
答案：燃烧指的是通常所说的“燃烧现象”，比如木头、煤炭或蜡烛被点燃时的情况。实际上，燃烧是指大气中的化学元素——氧气与构成燃料的元素相互结合的过程。

问题371：什么是“化学元素”？
答案：化学研究表明，我们周围几乎所有的物质都是由其他某些物质构成的；而据目前所知，这些物质并非化合物，因此被称为基本物质或化学元素。例如，我们周围的空气由氮气和氧气两种气体组成；水则由氢气和氧气构成；煤炭则主要由碳和氢组成。目前已知的这类基本物质有六十多种。化学家们无法从这些基本物质中提取出除其本身之外的任何其他物质。这些基本物质会与其他物质结合，形成看似新的物质，但经过称重后会发现，新物质的重量大于原来的基本物质，这说明有某种物质被添加到了其中，从而引发了这种变化。[87]
[87] J. P. Cooke, Jr.著《新化学》

问题372：这种基本物质的结合或燃烧现象是由什么原因造成的？
答案：这是因为构成燃料的氢原子和碳原子，以及构成我们周围大气的氧原子之间存在着相互吸引的作用——不过其确切原因或许尚未被完全理解。

当受到热的作用而变得活跃时，它们会以极大的能量相互作用。
问题373：物质的化学结合过程中总会出现什么现象？
答案：这种结合过程总会释放热量，而物质分离时则会吸收热量。实际实验还证明，两种或多种物质的相同数量或数目的原子发生化学结合时释放的热量始终是相同的；而当这些结合在一起的原子因某种原因再次分离时，也会吸收恰好相同量的热量。[88]
[88] J. P. Cooke, Jr.所著《新化学》

问题374：基本元素之间是以何种比例相互结合的？
答案：根据化学规律，每种基本元素只能以特定的比例与其他元素结合。不同元素的这些比例各不相同，化学家们已经将其精确地确定下来。例如，8份重量的氧可以与氮结合形成空气；同样的比例的氧与氢结合可形成水，与碳结合则可形成碳酸——那种会在井底积聚的致命气体。
氧总是以8份重量的比例，或者8的简单倍数来与其他元素结合，比如8×2=16份，或8×3=24份等等。其他基本元素也有各自的固定结合比例，这一比例通常以重量来表示，被称为该元素的化学当量。因此，8就是氧的化学当量。碳与其他元素的结合比例为6，氮则为14，所以6和14分别是碳和氮的化学当量。8份重量的氧可以与14份重量的氮结合，或者8×2=16份重量的氧可以与14份重量的氮结合，但不可能让12份重量的氧与14份重量的氮结合。我们可以让14×2=28份重量的氮与8份重量的氧结合，但没有任何化学反应能让10份或20份重量的氮与8份重量的氧结合。如果将20份重量的氮与8份重量的氧混合，那么氧只会与14份重量的氮结合。

前者如此，但会留下6份氮，此时化学结合便停止了。下表列出了用于机车燃料燃烧过程中的主要元素的重量化学当量：
化学当量（按重量计）：
氧：8
氮：14
氢：1
碳：6
硫：16

问题375：元素之间的结合比例对由此产生的物质有何影响？
答案：元素结合比例的变化通常会改变物质的性质，至少从我们的感官体验来看是如此。例如，氧与氮以不同的比例发生化学反应，从而形成五种不同的物质，它们彼此之间存在显著差异：14份氮与8份氧结合生成一氧化二氮；14份氮与16份氧结合生成一氧化氮；14份氮与24份氧结合生成亚硝酸；14份氮与32份氧结合生成亚硝酸盐；14份氮与40份氧结合生成硝酸。由此可见，我们呼吸的空气中的各种元素，仅因为其结合比例的不同，就会形成彼此差异极大的物质——就像一氧化二氮与极具破坏性的硝酸相比有着巨大差别一样。[89]
[89] C. Wye Williams所著《煤炭的燃烧与烟雾的防治》。

问题376：当有新的烟煤被投入机车火箱中的旺盛火焰中时会发生什么？
答案：新投入的煤首先会被火焰加热，如果投入的煤量足够多，以至于无法立即形成火焰，那么就会产生大量气体或蒸汽，这些气体或蒸汽通常呈深黄色或棕色。当煤的颗粒非常细小时，产生的气体量最多。

气体或蒸汽通常被称为烟雾，但它不会沉积炭黑，实际上并非真正的烟雾。如果将一张白纸放在从煤炭中散发出来的蒸汽上方，且没有火焰存在，那么这张纸会逐渐被一种难以清除的棕色粘性物质覆盖，同时还会散发出强烈的焦油味或硫磺味；而如果用纸遮住烟雾，则纸张很快就会被黑色炭黑覆盖。在第一种情况下，纸上出现的颜色和气味是由气体中的焦油物质、硫磺及其他成分造成的。一旦去除了这些着色物质，这种蒸汽就变成了由2份氢气和6份碳组成的化学混合物，被称为碳化氢，它与我们用来照明房屋的无色气体几乎相同。[91] 燃烧的蜡烛或灯芯处也会产生类似的气体，这些气体会在火焰中被消耗掉。在气体从煤炭中释放出来之前，必须先将煤炭加热到约1,200度，因此，如果将50度时的100磅煤炭放入火中，就需要吸收23,000单位的热量才能使煤炭升温。[92] 此外，正如在回答第38个问题时所解释的那样，当任何物质蒸发时，都会有一部分热量消失，这部分热量被称为蒸发热或气化热。普通的烟煤中大约含有80%的碳、5%的氢，以及15%的其他通常被视为杂质的成分。当煤炭被加热到约1,200度时，其中5%的氢会与三倍于其重量的碳结合，这样就有20%的煤炭转化成了上述那种气体。在这个过程中，会有大量热量被吸收或以潜热的形式存在，就像水或其他物质转化为蒸汽时一样。由此可见，将新煤炭放入火中的最初效果其实是使火焰降温。这一事实对燃烧现象有着重要影响，日后将会进一步探讨。

[90] 通常情况下，如果一次性投入超过两三铲的煤炭，是不会立即产生火焰的。
[91] 《蒸汽锅炉原理》，罗伯特·威尔逊著。
[92] 加热煤炭所需的热量仅约为将相同重量的水加热到相同温度所需热量的五分之一。

问题377：如何最好地解释由煤炭产生的气体燃烧的过程？
答案：由于这种气体与普通的照明用气体基本相同，因此通过研究它的燃烧方式或许可以更清楚地了解这一过程。

普通煤气灯的燃烧过程。如前所述，燃烧其实是空气中的氧气与燃料中的氢气及碳元素发生化学结合的过程，在这种情况下，燃料为气体形态。需要明确的是，燃烧正是这种结合的结果；氧气对于燃烧而言至关重要，其作用与煤或气体一样重要，实际上它完全可以被视为燃烧的“燃料”。如果我们把一根管子从外部空气引入装有煤气的容器中，那么空气就会在煤气中燃烧，就像煤气在空气中燃烧一样。不过需要注意的是，在煤气或空气开始燃烧之前，必须先让它们被点燃。即便将空气和煤气混合在同一容器中，若不加以点燃，它们也不会燃烧。这可以通过任何燃烧物质的火焰、被加热到极高温度的金属块或电火花来实现。换句话说，这两种气体的原子必须通过热量作用而被激活，也就是说，在开始化学结合之前，必须让它们达到所谓的着火温度。燃烧与其他化学结合过程的不同之处在于，结合过程中产生的热量足以维持着火温度，而为了使这一过程持续下去，保持这一温度就显得极为重要，这一点在机车锅炉中的煤炭燃烧过程中尤为重要，下文将会详细说明。

问题378：普通煤气灯被点燃后是如何燃烧的？
答案：在正常情况下，构成煤气的两种元素中，最易燃的氢气会首先燃烧。这一燃烧过程形成了火焰中底部的蓝色部分。氢气燃烧后，碳元素便被释放出来；由于碳在未与其他物质结合时永远不会以气态存在，因此当氢气燃烧殆尽后，碳立刻会以细小的烟尘形式出现。不过，这些细小的烟尘或碳颗粒会因氢气的燃烧而受到强烈加热。当碳被加热到着火温度时，如果接触到足够量的氧气，它就会与氧气结合并燃烧。这样一来，每一个碳颗粒都会变成一个发光中心，向四周散发光线。不过，这些火花只能存在瞬间，因为紧接着它们就会被因热量而变得活跃的氧气所吞噬，只有透明气体从火焰中升起。但这一过程会不断重复，其他碳颗粒也会依次被点燃。

它们会依次变得炽热并发生燃烧，而燃气灶或蜡烛所发出的光，正是由这些碳固体颗粒的燃烧产生的。[93]
[93] J. P. Cooke, Jr.所著《新化学》。
图210. 图211.

问题379：为什么燃气灶、蜡烛或其他火焰有时会冒烟？
答案：因为此时提供的氧气不足，无法燃烧那些在燃烧过程中产生的固体碳颗粒，这些颗粒就会以烟尘的形式存在。我们可以通过图210中的实验来说明这一点：在一张卡片上剪一个孔，将其套在普通燃气灶上；然后点燃燃气，再将一个玻璃烟囱放在燃气灶上并使其置于卡片上。这时火焰会立刻开始冒烟，因为几乎没有空气能够接触到火焰。这样一来，当氢气燃烧产生细小的碳颗粒时，由于烟囱阻挡了含氧空气进入火焰区域，这些碳颗粒就无法被燃烧，而是以黑色粉末或烟尘的形式逸出。如果像图211所示那样将烟囱从卡片上抬高，使烟囱底部有足够的空间让空气进入并为火焰提供氧气，那么烟雾就会立即消失，因为碳颗粒可以被燃烧掉了。普通煤油灯也遵循同样的原理。众所周知，如果没有烟囱，几乎所有这类灯的火焰都会严重冒烟；而有了玻璃烟囱以及围绕灯芯的特殊导流装置后，除非灯芯被抬得过高，否则火焰就不会冒烟。烟囱的作用是形成一股气流，这股气流通过导流装置作用于火焰，从而为火焰提供足够的氧气，使所有的碳颗粒都能被燃烧掉；而没有烟囱产生的气流时，氧气供应不足，导致部分碳颗粒无法被燃烧，进而以烟雾或烟尘的形式逸出。

图212。图213。

然而，不能草率地认为：如果火焰没有发出明亮的光，那就意味着燃烧并未完全进行。如前所述，气体火焰的光芒源于固态碳颗粒的燃烧，这些颗粒是在氢气与其结合后燃烧产生的。当它们与氢气分离后，会立即变为固态。如果在燃烧前将煤气与足量的空气混合，空气中的氧气就会与煤气充分接触，从而使得两者之间的亲和力差异……

碳和氢所需的氧气并不起作用，而且由于有足够的氧气供所有物质使用，碳在释放出来之前就已经被燃烧掉了。由于火焰中不存在固体颗粒，因此不会产生光亮。图212所示的“本生灯”便能说明这一点，这种灯在化学实验室中被广泛使用。它由一个小管子或燃烧器a组成，该燃烧器位于另一个较大的管子b内部。在较小管子顶部的稍下方，较大管子上有一些孔c、c。从较小管子中逸出的气体会在较大管子中形成所谓的空气对流。这些空气通过孔c、c进入，与管子b中的气体混合，然后在d处发生燃烧。这种燃烧器产生的火焰几乎不发光，但热量却非常强烈——只要将金属丝放入其中几秒钟，它就会因受热而发亮。

问题380：本生灯的火焰结构与普通燃气燃烧器或蜡烛的火焰结构之间有什么重要区别？
答案：图212中，从管子b的出口d逸出的气体与空气混合，因此其中已含有能够发生燃烧的元素；而普通燃气燃烧器或蜡烛中，空气只是从外部或火焰表面与火焰接触。这一点在普通蜡烛的火焰中表现得更为明显。这类火焰的热量会使融化的牛脂中的气体蒸发，这些气体的性质与高温下从煤炭中逸出的气体相似。如果仔细观察蜡烛，会发现靠近灯芯的底部几乎不存在燃烧现象，因为那里的气体首先是从灯芯中逸出的，尚未达到足以自由燃烧的温度。在最低点稍上方，火焰呈淡蓝色，这是由于氢气在燃烧所致。再往上方，当碳被释放出来时，其颗粒会因氢气燃烧产生的热量而发亮，随后又会与空气中的氧气结合而被消耗掉。燃烧仅发生在火焰表面，内部则是一团可燃气体，只有在与空气中的氧气接触后才能燃烧。这一点可以通过将一根两端开口的小管子（图213，用管子即可）插入火焰中来证明——可燃气体会从另一端逸出，然后用火柴很容易就能点燃它。可以看出，本生灯产生的火焰比普通蜡烛或燃气燃烧器的火焰要强烈得多。其原因正如前文所述，燃烧是在整个火焰区域内同时发生的。

普通火焰仅在其表面燃烧，而这种火焰则能在更广泛的区域内燃烧。因此，普通燃气喷头被设计成扁平结构，以便让尽可能大的表面积与空气接触。正如第329题的解答中所解释的，在汽车前灯的燃烧器中，通常会使用圆形灯芯，空气可以从灯芯中心流过。这样的设计能让火焰的更大表面积与空气接触，同时还能通过“烟囱效应”为燃烧提供充足的空气供应。在那些具有长烟道且烟道横截面积较大的固定式锅炉中，火焰长度可达30英尺，这表明虽然燃烧实际上只在火焰表面进行，但整个燃烧过程需要很长时间才能完成。如果燃气燃烧器只有一个圆形孔，情况也会类似：火焰会变得很长，且顶部容易产生烟雾。

问题381：根据上述分析，我们可以推断出要完全燃烧煤气，需要满足哪些条件？

答案：首先，必须存在一定程度的化学活性，也就是化学家所说的“分子活性”，这种活性是由热量产生的，也就是我们所说的着火温度。这一点在普通燃气燃烧器中显而易见，因为它们在燃烧之前必须先被点燃。现在想象一下，在狂风或阵风中，有上百个不同尺寸的喷口在持续喷出气体，显然就需要一直保持火焰燃烧状态，以便重新点燃那些被风吹灭的喷口。实际上，火车炉膛中的气体是在比任何自然风都更猛烈的风中燃烧的。因此，必须随时准备重新点燃那些可能因微弱气流而被熄灭的气体流，或是那些因吸收了大量热量而导致其生成处温度降低的气体流，正如第376题的解答中所解释的那样。为了确保能够重新点燃这些气体，炉膛内的温度必须足够高，足以点燃从煤炭中释放出来的气体。

其次，燃烧过程中的化学变化实际上只是被燃烧的元素与空气中的氧气结合而已；因此，要想让气体完全燃烧且不产生烟雾或废物，就必须提供足够的空气，以供应所有能与燃料结合的氧气。

第三，空气必须与气体混合，否则燃烧只会发生在火焰表面，速度会非常慢，导致大量气体无法被燃烧而直接逸散。

必须牢记，这些要求中，单独满足其中一两项是无法实现煤炭的完全燃烧的。只有三者同时满足才行。一个常见的错误是认为，只要让烟雾经过高温火焰，或者说保持一定的点燃温度，就能实现完全燃烧；或者认为，只要提供足够的空气，而无需在火炉内维持点燃温度，燃料就能被完全烧尽。实际上，这两种方法都无法单独实现目标，气体与空气必须同时与火炉内的燃烧气体充分混合。

问题382：煤气燃烧后会生成哪些物质？
答案：煤气中的氢在燃烧时会与氧气按化学计量比结合，即每1重量份的氢与8重量份的氧结合，生成水。当然，在气体结合或燃烧的高温下，水会以蒸汽的形式存在。每当寒冷的夜晚，商店橱窗的内壁会出现潮湿现象，这就是因为内部燃烧的煤气灯或灯具释放出的蒸汽在冷玻璃上凝结所致，而这些蒸汽正是燃烧的产物之一。碳则与氧气以两种比例结合：其一，6份碳与8份氧结合，形成所谓的一氧化碳；其二，6份碳与16份氧结合，形成碳酸气，也就是一些新化学教材中所称的二氧化碳。很可能，第一种化合物——一氧化碳，在煤气火焰中根本不会生成，或者极少生成；不过，正如后面将会说明的那样，它却是煤中固体部分在煤气被抽出后燃烧时产生的常见且有害的产物。当火焰中的碳无法获得足够的氧气以实现完全燃烧时，就会产生烟雾，而碳则以烟灰的形式逸出。正如将会说明的那样，在火车的火炉中，这种情况也可能促使一氧化碳在离开火焰后形成。

问题383：当所有气体都被热量驱散后，煤里还剩下什么？
答案：剩下的物质通常被称为焦炭。除了煤中所含的一些不可燃物质，如沙子、灰烬和渣滓之外，焦炭几乎就是纯碳。

问题384：焦炭燃烧的化学过程是什么？
答案：当焦炭中的固体碳被加热到着火温度时，也就是说，一旦被点燃，它就会与氧气以两种特定的比例结合。如果氧气供应充足，6份碳会与16份氧气结合，生成碳酸气体，即二氧化碳。然而，如果炉排上的燃料层过厚，或者空气供应不足，就无法为每6份碳提供16份氧气，此时8份氧气会与6份碳结合，生成一氧化碳。需要牢记的是，燃烧产生的热量源于两种元素分子之间的结合。因此，如果只有半量的氧气与6份碳结合，产生的热量自然会比两倍量的氧气与碳结合时要少。通过精确实验发现，1磅碳在生成一氧化碳时的总热量为4,400单位，而生成二氧化碳时则为14,500单位。由此可见，如果没有足够的空气来生成二氧化碳，燃烧就会造成极大的浪费。由于一氧化碳无色无味，其产生往往难以察觉，尤其是大多数人认为没有烟雾就意味着燃烧已经完全结束。当向火炉中通入空气时，火焰会呈现蓝色或黄褐色，打开炉门时通常可以通过这些现象判断是否存在一氧化碳。

问题385：如何为机车火炉中的火焰提供足够量的空气？
答案：有两种方法：其一是在炉排上放置少量煤炭，用火炉操作人员的话来说，就是“保持弱火”；另一种方法是在火焰上方引入新鲜空气。如果通过炉排的空气供应不足以实现完全燃烧，那么一氧化碳就会与火焰上方的氧气结合，从而发生第二次燃烧，其产物即为二氧化碳。不过需要注意的是，不仅要有足够的空气……

必须向火焰中供应足够的空气，以便烧尽焦炭，但从煤炭中析出的气体也需要氧气才能实现完全燃烧。即便有足够的空气来让焦炭完全燃烧，但如果由此产生的二氧化碳与火焰上方的大量烟雾混合在一起，而烟雾中的固体碳或烟尘又没有足够的新鲜空气来提供所需的氧气，那么这些物质就会与二氧化碳结合形成一氧化碳。一个常见的错误是认为只要将烟雾通过高温火焰，就能将其烧尽。的确，这样可以让烟雾变得看不见，但这并不意味着烟雾已经完全燃烧了。

问题386：是否有可能向机车的火炉中注入过多的空气？
答案：是的。所有并非燃烧所必需的空气，或者换句话说，那些无法与燃料发生反应的氧气，非但不会增加转化为蒸汽的水量，反而会减少这一数值。其作用机制主要有两点：首先，它会降低与加热表面接触的气体温度；其次，它还会增加需要流经管道的气体体积。锅炉的加热表面传递热量的程度，取决于燃烧产物一侧的温度与水另一侧的温度之差。[94]因此，如果水一侧的温度为250度，而热气体一侧的温度为500度，那么在相同时间内传递给水的热量只会是气体温度为750度时的二分之一。如果由于注入过多空气而导致气体体积翻倍，那么为了能够流过管道，气体的流动速度也必须加倍，这样一来，不仅气体的温度会下降，其与加热表面接触的时间也会相应减少。打开炉门或让火焰燃烧到使部分炉栅暴露在外，都会导致大量冷空气进入火炉，从而立刻使锅炉内的蒸汽压力下降。
[94]这一规律或许并非绝对正确，但对于我们目前的说明来说已经足够了。

问题387：究竟是什么决定了为使机车燃烧充分，需要向火炉中输入多少空气？
答案：这主要取决于燃烧速率，也就是每平方英尺炉排表面每小时消耗的煤的重量。当然，如果燃烧的煤量为100磅，那么所需的空气量将是仅燃烧50磅煤时所需量的两倍。

问题388：应如何供应空气才能让煤完全燃烧？
答案：在燃烧烟煤的过程中，会发现存在两种不同的物质：一种是固体状的焦炭，另一种则是气态的煤气。这两种物质的燃烧过程分别是独立的。如果为正在燃烧的焦炭或煤的固体部分提供足够的空气，它们就会转化为二氧化碳，从而实现完全燃烧。如果空气供应不足，燃烧产物就会是一氧化碳，这显然是一种浪费。例如，如果炉排上有一层厚厚的焦炭，空气会进入并与下层的煤结合生成二氧化碳，但随着空气上升，就无法为其中的碳提供足够的氧气，于是碳又会与二氧化碳结合生成一氧化碳。显然，炉内燃料层越薄，空气就越容易穿过，进入火炉的空气量也就越大。因此，似乎只要调节炉排上燃料层的厚度，就能让恰好足够量的空气通过即可。如果只燃烧焦炭，无疑可以通过这种方式实现非常完美的燃烧；但如果往火中添加100磅的新煤，煤气很快就会产生并逸散到火炉中，而这些煤气的燃烧还需要额外的空气。似乎可以通过进一步减少燃料层的厚度来提供更多空气，但这样一来，在新煤中的气体全部燃烧完毕后，仍有过多的空气会穿过焦炭。此外，就在最需要空气的时候，也就是新煤加入火炉之后，空气的流通会受到最大限制。如果能够持续不断地向火炉中添加与已燃烧煤量相等的新鲜煤，并相应地调节炉排上燃料层的厚度，那么这个难题就可以得到解决。

这样就能让刚好足够的空气进入，以支持焦炭的燃烧以及气体的生成，从而使气体产生过程更加均匀。实际上，大多数机车所采用的供给方式都与此类似，而这种方式也能带来最佳的实用效果。

不过，这种供给方式也存在两个难题。首先，无法用铲子持续不断地向炉内添加燃料——每次添加之间都会存在间隔，因此即使每次添加的量不超过一铲的量，供应也会不均匀；而且，即便试图尽可能均匀地添加燃料，每次添加新煤时也必须打开炉门，这样一来就会有大量冷空气进入，导致锅炉温度下降，其带来的损失反而会超过燃烧改善所带来的好处。

在机车燃煤过程中还有另一个难题：为了让足够多的空气进入炉内，必须保持炉排上的煤层较薄，这样才能让强风将煤从炉排上吹起，使那些较轻的煤粒未经燃烧就通过烟道排出。因此，要使炉排上始终覆盖着均匀的煤层极为困难；如果做不到这一点，空气就会从未覆盖的部分以不规则且快速的方式进入，而在本应限制空气进入的地方却反而没有限制。这种情况完全无法通过任何调控手段来解决，因此几乎所有机车司炉都会在炉排上堆放足够的煤，以避免他们所说的“火势熄灭”的危险，也就是避免所有可燃煤都被强风通过管道带走的状况。实际上，实现完美燃烧和节省能源的关键就在于对空气供应的控制；除非能够调节燃料的供应量以及炉排上的煤层厚度，否则就不可能控制空气的进入量。[95]

[95] C. Wye Williams所著《煤的燃烧》。

另一种为机车锅炉供煤的方法是将煤在炉子后部堆成厚层，然后使其向前方倾斜，这样前部的煤层就会相对较薄。堆积在炉门处的煤会逐渐转化为焦炭，而煤分解产生气体的过程也会比只添加少量煤时更为缓慢且均匀。

一次只能进入少量空气，因此需要更均匀的供气方式才能保证煤炭的燃烧。显然，很少有空气能够穿过火箱后部的厚煤层，所以所有或几乎所有的空气都必须通过炉排上相对较小的开口进入。由于前述原因，要让足够量的空气进入火箱显然是很困难的。由此可见，要想让烟煤实现持续且完全的燃烧，实际上是不可能仅靠炉排来提供足够空气的。因此，有必要在火的上方引入部分空气。不过，为了实现完全燃烧，这些空气必须与气体充分混合；而为了发生化学反应，换句话说，为了燃烧，气体必须在点燃温度下与空气混合。如果引入的空气过多，就会使火箱内的温度下降到气体无法点燃的程度；或者，如果空气以强气流的形式进入，空气与气体就会像两股水流一样并排流动——一股浑浊，另一股清澈，众所周知，这两种水流很难混合在一起。此外，如果热的气流遇到强冷空气，且仅在表面接触，那么冷空气的温度就会降至点燃温度以下；而如果两者能以适当的比例充分混合，整个混合物的温度就足以使其燃烧。因此，至关重要的是，从上方引入的空气应以许多小股的形式进入火箱，且每个进气口的直径都不应超过1/2英寸。在机车火箱中，由于存在强烈的通风作用，气体从煤炭中释放出来后，在被迅速送入管道之前，只有极短的时间可以进行化学反应。由于气体与氧气之间的化学反应只有在两者紧密接触时才能发生，因此必须尽最大努力将引入的空气与可燃气体充分混合。在很多情况下，人们会采取一些措施来延缓空气和气体在火箱中的流动速度，以便它们在进入管道之前有足够的时间进行化学反应或燃烧。

问题389：气体进入管道后还会发生燃烧吗？
答案：几乎不会，因为火焰在进入管道后很快就会熄灭。

问题390：为什么火焰会在管道中熄灭？

答案：此时，这些地方会与大量不可燃气体接触，同时也没有空气供应；此外，被水包围的管道温度极低，因此火焰很快就会冷却到低于点燃温度的水平。

问题391：点燃煤气或产生火焰需要多高的温度？
答案：需要比烧红的铁还要高的温度，这一点从用烧红的铁棍无法点燃煤气灯这一事实中就能轻易看出。

问题392：在火炉中是否有某些地方的温度可能低于点燃点？
答案：有。在靠近那些被水覆盖的板子的侧面和两端，煤炭的温度通常过低而无法燃烧。因此，在某些情况下，会在炉栅的每侧留出8到12英寸宽的空间，而在两端则留出更宽的空间，这些区域由没有开口的实心板构成，因此被称为“死格”，这样冷空气就无法进入这些地方。这些板子从火炉的侧面向中心倾斜，这样落在上面的煤炭就会结焦，从而可以很容易地被扫到火炉的中心。这种设计有助于改善燃烧效果，从而节省燃料。通过将炉栅杆之间的距离缩小或让杆子本身变得更细，通常可以弥补开口面积减少带来的影响。

问题393：将煤炭放入火中时，它的状态应该是怎样的？
答案：无论是煤炭还是气体，只有当它们与氧气充分接触时，化学反应才能发生。因此，增加接触点或减小燃料的尺寸，都可以提高燃烧的速度和完全性以及热量强度。所以煤炭应该被破碎，但不要碎得太小，以免掉进炉栅间隙或被气流带出火炉。

问题394：要实现完全燃烧，需要向火炉中输入多少空气？
答案：据称，普通的烟煤中含有约80%的碳、5%的氢，以及15%的其他物质。

由于后者中有很大比例是不可燃的，因此我们目前仅考虑氢和碳的燃烧情况。如前所述，氢与氧以1份氢对应8份氧的重量比结合，其反应产物为水或蒸汽。由于36份空气中仅含8份氧，因此要使氢燃烧，就必须为其提供相当于其重量36倍的空气。而要使碳完全燃烧，它必须转化为二氧化碳，二氧化碳由6份碳和16份氧组成；由于空气中氮占28份，氧占8份，因此每6份碳就需要72份空气，换句话说，碳完全燃烧需要相当于其重量12倍的空气。因此，每磅普通烟煤需要1.8磅空气来燃烧其中的氢，需要9.6磅空气来燃烧碳，总计需要11.4磅空气。由于煤中除氧和氢之外的其他成分也被视为杂质，但这些成分其实也是可燃的，所以将烟煤燃烧所需的空气量估算为每磅燃料12磅也是合理的。由于每立方英尺空气的重量为0.08072磅，12磅空气相当于12/0.08072=148.6立方英尺的空气。为了得到一个更简洁且易于记忆的数值，我们可以认为每磅煤的燃烧需要150立方英尺的空气。这就是理论上燃烧所需的空气量。不过，不幸的是，在火车的火炉中，以现有的设备而言，很难实现各种物质之间的精确混合。如果按照上述精确的空气量来供应空气，那么燃烧不十分活跃的区域可能会获得过多空气，而其他区域则空气不足；此外，如果空气不能充分混合，火焰和燃烧中的煤块就会被燃烧产物包围，从而阻碍空气的进入，降低其对火焰的作用。因此，除了提供氧气所需的空气之外……

为了实现燃料的完全燃烧，除了提供足够的空气外，还需要额外供应一定量的空气，用以稀释燃烧产生的气体。否则，这些气体会阻碍空气与燃料充分接触。空气在燃料中的分布越均匀，流动速度越快，所需的稀释空气量就越少。在机车锅炉中，虽然这一数值尚未被精确测定，但据推测，其平均值大约为燃烧所需空气量的一半。[96] 因此，燃烧所需的空气量为：

150 + 150/2 = 225立方英尺。

这一估算只是粗略的，但目前这是最接近的实际数值。不同结构的火炉以及不同种类的燃料，其稀释所需的空气量可能会有很大差异。如果能让用于燃烧的空气以较小的流量进入，并引导烟雾和气体与空气混合，那么稀释所需的空气量或许可以低于上述计算结果。毫无疑问，所有进入火炉但未能与燃料中的化学元素发生反应的空气，都会减少锅炉产生的蒸汽量——无论是从时间上来看（即每分钟产生的蒸汽量），还是从燃料消耗量上来看（即每磅煤所能产生的蒸汽量）。但对于现有的机车锅炉而言，这其实只是两害相权取其轻的问题。如果提供的空气量少于理论上的最佳值，由于通常用于使空气与燃料混合的手段并不完善，部分燃料将无法被完全燃烧；而如果提供的空气量过多，燃烧产物的温度会下降，体积也会增大，这些弊端前文已经提到过。因此，我们不得不依靠经验，并通过实验来确定究竟需要多少空气才能达到最经济的效果。[96] 兰金。

问题395：应有多少比例的空气从炉栅处进入，又应在火焰上方多高处进入？

答案：这也是一个最好通过实践经验来解答的问题。火焰上方和下方所需的空气量，很大程度上取决于燃料的性质。那些容易结块或含有大量焦渣的煤炭，显然需要比那些“更干燥”的煤炭更多的空气，因为难以让足够的空气穿过那些结块的煤炭进入燃烧区。如果我们知道燃烧煤炭中的固体碳或焦炭所需的气量，以及气体本身所需的气量，就能大致了解火焰上下方应各需要多少空气。一磅煤炭燃烧后会产生约0.05磅的氢气和0.15磅的碳。已知氢气完全燃烧需要其重量36倍的空气，因此0.05磅氢气需要0.05×36=1.8磅空气；而碳则需要其重量12倍的空气，0.15磅碳需要0.15×12=1.8磅空气，因此完全燃烧这两者总共需要3.6磅空气。既然要完全燃烧所有燃料还需要12磅空气，那么仅用于气体燃烧的空气就占到了总量的30%。如果将这些空气按与碳燃烧相同的比例混合使用，实际上可能还需要更多空气，这样一来，用于气体燃烧的空气量将为30%×225=67.5立方英尺。不过可以肯定的是，炉排上的固体焦炭并不能被完全燃烧，或者说无法完全转化为二氧化碳，尤其是当炉排上焦炭层较厚时。在这种情况下，与下层焦炭接触的空气会形成二氧化碳，但当这些空气上升经过正在燃烧的焦炭时，又有等量的碳与二氧化碳结合，从而形成一氧化碳。如果在火焰上方有足够的空气，这种一氧化碳就会与空气结合，正如之前所解释的那样，只要在气体进入烟道之前有足够的时间和机会让它们结合，就会发生第二次燃烧。因此，很可能需要超过30%的空气供应量用于火焰上方。无论如何，最好还是配备能够提供更多空气的装置，同时还要有调节空气供应的装置，以便根据经验来确定最佳供应量。

问题396：难道不能通过扩大炉排的尺寸来为火焰提供足够的空气，从而实现完全燃烧吗？

答案：是的；当火焰上方没有空气进入时，使用大尺寸的炉栅能够实现最佳的燃烧效果。虽然每等量的氧气与燃料结合时产生的热量是相同的，但如果能让更多的空气和燃料在同一个地方发生反应，那么该处的温度就会升高。就像铁匠炉中的火焰因为有强制送风而比普通炉子中的火焰更热，熔炉中的火焰也比家用炉具中的火焰更热一样。因此，如果能够将气流集中在机车引擎的火焰中，就能使燃烧更加剧烈；当空气以足够大的力量冲击固体碳时，它就会与碳表面的每一个点接触，这样一来就不需要那么多空气来稀释燃烧气体，因此燃烧产物的温度也会更高。正如前文所解释的，此时有更大比例的热量会被传递给水，而如果温度较低且气体体积较大，则热量传递的比例会更低。

燃烧的剧烈程度还有助于维持足够的点燃温度；而如果燃料以缓慢的速度燃烧，其产生的热量可能不足以点燃所产生的气体。不过，最好让燃烧室内的空间尽可能大，以便气体能够充分混合。不过，即使使用较大的燃烧室和炉栅，只要用挡板遮住部分炉栅表面，从而减小其有效面积，同时确保空气仍能进入火焰上方，往往也能带来显著的效率提升。

问题397：“总燃烧热”指的是什么？
答案：它是指一定量（通常为1磅）燃料燃烧时释放出的热量单位数。

问题398：如何确定总燃烧热？
答案：通过实验可以确定1磅构成煤炭的化学元素燃烧时释放出的热量。掌握了这些数据后，再知道燃料的成分，就可以计算出这些元素完全燃烧时所能释放的总热量。例如，1磅氢气的总燃烧热为62,032单位，而相同质量的碳则约为14,500单位。[97]因此，如果1磅煤中含有5%的氢气，那么氢气燃烧时释放的热量为62,032×0.05=3,101.60单位；如果其中含有80%的碳，那么碳燃烧时释放的热量为14,500×0.80=11,600单位。

这两种元素完全燃烧时释放的总热量为3,101.6单位加上11,600单位，共计14,701.6单位。第40题的答案指出，要将0摄氏度的水转化为100磅压力下的蒸汽，需要1,213.4单位的热量。由于蒸汽通常是在约60摄氏度的水中产生的，因此将其转化为100磅压力下的蒸汽所需的总热量为1,213.4减去60，即1,153.4单位。因此，一磅普通烟煤所含的热量足以将12又1/4磅的水转化为100磅绝对压力下的蒸汽。实际上，在机车锅炉中，每磅燃料只能使大约一半量的水蒸发。[97]为确定这些数值而进行的实验结果并不一致，但所给出的数据被认为是最可靠的。

第399题：造成热量浪费的主要原因是什么？
答案：首先，是由于未燃尽的燃料以固态形式被浪费掉。当非常细小的燃料颗粒从炉栅中漏出，或以灰烬的形式通过管道排出烟囱时，就会发生这种情况。[98]需要指出的是，从烟囱排出的灰烬中，有一些甚至可能是大部分不可燃的，它们是由与炉栅上形成的结块相同的物质构成的。

其次，是未燃尽的燃料以气态或烟雾状态被浪费掉。通过充足供应并合理分配空气来避免这种浪费的方法已在前面问题的答案中解释过。

第三，是随着热气从烟囱排出而造成的热量损失。在机车燃烧室中，处于活跃燃烧状态时的火焰温度大概在3,000到4,000摄氏度之间。这部分热量会以辐射和传导的方式传递到燃烧室的加热表面，而且事实证明，与锅炉中其他任何部分相比，这部分加热表面所能使水蒸发的量与其表面积成正比。当气体进入管道后，会将一部分热量传递给最先接触到的表面。如前所述，传递的热量大小取决于管道内气体的温度与外部水的温度之间的差值。在经过最初接触气体的那部分管道表面之后，气体到达的温度会降低，因此传导速率也会随之下降；这样一来，每一部分加热表面传递的热量都会越来越少，直到热空气最终离开加热表面为止。

气体以高于锅炉内水温的余热从烟囱中排出，这部分多余的热量便被浪费掉了。[99] 因此，最好在气体离开管道之前尽可能多地从中提取热量。这样一来，就无法使管道外的水温高于管道内的气体温度。当水的温度与气体的温度相等时，两者之间就不会再有热量传递了。如果水的温度为350度，那么管道中的气体温度也不会低于这个数值，它们会带着至少这么多热量进入烟箱。不过，如果将冷水引入管道的前端，使得气体最后接触的表面温度远低于350度，那么在气体排出之前就会有额外的热量被传递出去。因此，重要的是将冷水引入锅炉的前端，这样燃烧产物就会最后与加热表面中最冷的部分接触，从而在排出之前释放出尽可能多的热量。实际上，气体的排出温度要高得多。作者所做的实验表明，机车启动时的烟箱温度为270度，而在陡坡上以最大功率牵引重载列车时，这一温度可高达675度。在不同路线上进行的三次试验中，运行时的平均温度分别为：
平均蒸汽压力为98.8磅/平方英寸时，平均温度为499.8磅/平方英寸；
平均蒸汽压力为106磅/平方英寸时，平均温度为535.1磅/平方英寸；
平均蒸汽压力为112.2磅/平方英寸时，平均温度为554磅/平方英寸。

[99] 兰金温标。

在这些实验中，发动机运行期间每分钟都会记录一次高温计和蒸汽压力表的读数。第一次实验的行驶距离为19英里，第二次为13英里，第三次为6英里，列车上共有30节载货车厢。最后一次实验是在发动机在陡坡上以接近最大功率运行的情况下进行的。
由此可见，有很大一部分热量因通过烟囱排出而被浪费掉了。
第四种热量损失方式是锅炉通过外部辐射散失热量。这主要是由于锅炉没有得到足够的保护或覆盖措施所致。

导热材料。不使用隔热材料来包裹火箱外部，或者说忽视这一做法，无疑会导致热量通过辐射和对流从高温的锅炉板中大量散失。
问题400：用于燃烧烟煤的火箱通常是什么形状的？
答案：就是图II以及图41和图44中所展示的那种形状，它实际上就是一个矩形框，因此被称为普通火箱。有时，人们会在火箱的侧面和前端设置空心或管状的螺栓，以便让空气进入火箱内。在大多数情况下，火箱的门上也会设有孔洞，用以引入空气。

图214。比例尺：3/8英寸=1英尺。

问题401：还有哪些设备可用于燃烧烟煤？
答案：最常被添加到普通火炉中的设备就是所谓的耐火砖拱结构。如图214所示，BC即为这种拱结构；顾名思义，它是由耐火砖构成的，从管子下方的管板处向后上方延伸。为了使其能够自立，它被设计成拱形结构，其两侧为……

火箱充当了支撑结构。雕刻清晰地展示了火焰与烟气的流动方向。这些火焰与烟气在离开火源后必须沿着所谓的“迂回路径”行进，才能到达管道处。这样就能为气体的混合以及燃烧过程争取时间。耐火砖会被加热，从而在一定程度上防止气体在燃烧完成之前因接触到火箱的冷表面而降温至低于点燃温度。不过，耐火砖很快就会烧尽，需要更换；但由于其价格低廉且易于更换，这一缺点并不构成使用上的重大障碍。当使用砖制拱架时，空气几乎总是从上方进入火源区域，途径可以是管状固定螺栓，或是门上的孔洞，或者两者兼有。

图215。比例尺：3/8英寸=1英尺。

为避免更换耐火砖拱门所带来的不便与成本，一些道路上广泛采用了所谓的“Jauriet水位装置”。这是C. F. Jauriet先生发明的，如图215所示。该装置由两块锅炉钢板构成，两板间距约为4½英寸，板间填充水。这两块钢板通过普通的螺栓固定，方式与耐火炉箱的侧板相同。该水位装置的形状与……类似。

耐火砖，只不过它没有拱形结构——因为炉板是通过铆钉固定在炉体两侧的，所以无需拱形结构。空气从空心支撑螺栓以及门上的孔中进入炉内，如A处所示。f处的管道则安装在水位线的前方和下方，这样那些否则会堆积在上面的灰烬和渣滓就能掉落到炉栅上。

图216。

当空气从普通火箱的炉门进入时，很容易直接涌入管道而不会与内部气体混合。英国铁路的一些工作人员发现，如果在炉门上方放置一把铲子，就可以将进入的空气导向下方，从而几乎完全避免烟雾的产生。于是人们开始使用图216中所示的那种防护装置——它由铁板制成，安装在火箱炉门上，并配有杠杆B，这样在往火中添加煤炭时就可以抬起该装置以避免妨碍操作。该装置通过钩子C悬挂，因此可以轻松取下以便维修。由于火箱的高温会迅速烧毁其上的铁板，所以维修十分必要。这种防护装置可以用旧锅炉钢板制成，这样一来更换成本就非常低。采用这种设计时，通常还会使用图217所示的双层滑动门。这些门通过相互连接的杠杆f、d以及e、g来打开。有了这些滑动门，就可以轻松调节进风量，而且杠杆B与防护装置A的连接位置也比摆动门更便于调整。罗杰斯机车厂也曾采用过这种设计。

图217。比例尺：3/8英寸=1英尺。

图218展示的是另一种火箱结构，该设计由哈德逊河铁路的机械师威廉·布坎南先生设计并申请了专利，后来在该铁路线上被广泛使用。这种火箱包含一个水隔板，该水隔板从管板一直延伸到后板，从而将火箱分为M和N两个隔间。为便于上下两个隔间之间的气体流通，在水隔板上设置了直径约为24英寸的圆形孔D，其位置如图所示。这样一来，所有的气体、烟雾和空气流都必须通过这个开口才能流动，从而实现混合。

彼此之间紧密接触。当它们进入上腔室后、进入管道之前，有足够的空间和时间进行燃烧。可以看出，该装置下侧的位置与图216中所展示的导流板位置相似，因此它能以类似的方式引导从炉门进入的空气向下流向火焰。

图218。比例尺：3/8英寸=1英尺。

问题402：这些不同的设计是如何发挥作用的？

答案：如果对这类燃烧装置进行精心且熟练的管理，它们就能更高效地燃烧煤炭，从而节省成本；而普通燃烧炉则无法做到这一点。不过，与使用那些未经妥善操作或不了解燃烧原理的装置相比，提升烧火工人的操作水平与专业知识，或许能带来更大的煤炭消耗节约效果。

问题403：无烟煤与烟煤有何不同？
答案：两者的主要区别在于无烟煤中含有更多的碳，氢含量则较少，因此几乎不产生或只产生极少量的煤气。由于其可燃烧的物质主要是固态碳，所以其燃烧过程比烟煤更为简单。

问题404：无烟煤通常在何种类型的燃烧炉中燃烧？
答案：无烟煤通常在很长的炉栅中燃烧。由于燃烧温度极高，炉栅的栅条一般由铁管制成，还会让水在铁管中流动，以防止其熔化。

问题405：为促进无烟煤的燃烧，在其上方引入空气是否重要？
答案：由于无烟煤中没有需要燃烧的气体，因此这一措施的重要性不如处理烟煤时那么高。但如果炉栅上的无烟煤层过厚，就难以让足够的空气穿过煤炭，使所有碳都转化为二氧化碳，此时碳和氧就会结合形成一氧化碳。如前所述，如果在燃烧上方引入空气，另一份氧气就会与一氧化碳结合，从而在燃烧上方发生第二次燃烧，一氧化碳也会随之转化为二氧化碳。若在这种情况下不向燃烧上方引入空气，第二次燃烧就不会发生，所有由此产生的热量都会白白流失。

问题406：如何确定可用于机车的不同种类燃料的相对价值？
答案：只有通过实际实验才能准确确定这一点。除了那些表明存在有害物质（如硫、灰分、结渣等）的化学成分外，其他化学成分对于判断燃料的价值帮助甚微。几乎所有的因素……

不同燃料中的元素在燃烧前及燃烧过程中会以不同的方式组合，从而生成一系列截然不同的化合物。的确，煤炭的成分可以为我们提供其产热能力的参考，但这种能力能在多大程度上转化为机车锅炉中的实际蒸汽，很大程度上取决于燃料燃烧时的条件。还需要记住的是，在机车运行中，蒸汽生成的速率是一个非常重要的因素。一列重型货运列车能否爬上特定的坡度，或者一列高速列车能否按时到达目的地，往往取决于锅炉在以最大功率运转时每秒能够产生多少蒸汽。因此，任何会降低锅炉在单位时间内蒸汽生成量的、有助于改善燃烧效率的装置，都必然会被弃用。当然，通常需要根据所使用的燃料特性来调整燃烧装置；而当必须使用质量较差的燃料时，就需要配备比使用优质燃料时更大的锅炉容量才能完成同样的工作。

附录中的表格无疑具有很大价值，它展示了该国所使用的几种不同燃料的性质及其相对价值。该表格摘自沃尔特·B·约翰逊教授于1844年提交给美国海军部的报告，其中的结论是通过为海军部进行的一系列复杂实验得出的。这是迄今为止（1874年）关于美国燃料性能的最完整、最可靠的资料；不过，其中几乎没有任何关于我国西部各州铁路所使用的燃料的信息。表格中列出的前八种煤炭属于无烟煤，其余均为烟煤。

第二十部分：列车的阻力
问题407：什么是列车或车厢的阻力？
答案：它是指使列车在轨道上移动所需的力量。例如，如果将一根绳子的一端连接到车厢上，另一端绕过滑轮a，再在绳子的另一端挂上足够重的重物W，那么这个重物就能推动车厢移动。此时，重物W的重量就相当于该车厢的阻力。

图219

问题408：如何确定不同情况下车厢的阻力？
答案：研究表明，在平坦且笔直的轨道上，要让一辆车厢开始移动后还能继续缓慢行驶，大约需要每吨2,000磅的重量对应的力。也就是说，如果一辆车厢的重量为20吨，将一根绳子的一端连接到车厢上，另一端绕过滑轮a并挂上重物W，那么就需要120磅的力才能让车厢保持缓慢行驶的状态。如果有两辆重量相同的车厢相连……

如果将它们连接在一起，所需的力量就是120磅的两倍，即240磅；如果三节车厢相连，则为120磅的三倍，即360磅，以此类推。换句话说，只需将每节车厢的重量（以2,000磅计）乘以6，就能得到使列车在平坦且笔直的轨道上以低速行驶时所需的阻力。上述数值即为这种阻力，机车必须施加与该数值相等的力才能让列车继续前进。随着速度的增加，阻力也会增大，下表便展示了这一关系。不过需要指出的是，我们对美国汽车和列车所受阻力的了解其实极为不准确且不完整，书中的数据几乎都是基于在欧洲进行的实验，而那些实验所使用的车辆结构与这里使用的有所不同。不过有理由认为，美国汽车的阻力小于欧洲汽车，因此我们假设在平坦路面上以极低速度行驶时，每吨车的阻力为6磅，这一数值虽然低于通常给出的数值，但仍只是对实际情况的近似估计而已，因为我们对实际情况仍然知之甚少。

列车的行驶速度（英里/小时）：5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、60、70
直线行驶时的阻力（每吨2,000磅）：6.1、6.6、7.3、8.3、9.6、11.2、13.1、15.3、17.8、20.6、27、34.6

现在，如果我们想计算一辆由10节车厢组成的列车在30英里/小时的速度下所受的阻力，每节车厢的重量为20吨，那么计算结果为10 × 20 × 11¹⁄₄ = 2,250磅。这个数值指的是在平坦且笔直的轨道上的阻力。而在上坡路段，阻力会更大，因为除了要水平拉动车厢外，还必须将其向上提升与坡度相对应的距离。例如，如果某段路面的坡度为每英里上升40英尺，那么仅仅为了提升车厢的重量，就需要消耗的能量等于车厢重量乘以上升的垂直高度。假设有一节重40,000磅的车厢要在每英里上升40英尺的坡道上行驶一英里，那么仅用于提升车厢重量的能量就为40,000 × 40 = 1,600,000英尺-磅。如果直接通过垂直提升的方式来移动这个重物，那么所需的力至少要等于或略大于该重物的重量。但在实际牵引车厢或列车上坡时，情况则有所不同。

在倾斜平面上，作为驱动力的力并非通过垂直距离施加，而是通过水平距离施加，此处该水平距离为1英里，即5,280英尺。因此，如果我们用所需能量单位——英尺磅数除以力作用的距离，就能得到每英尺所受的力。也就是说：1,600,000 ÷ 5,280 = 151.5磅。

因此，列车在斜坡上行驶时因上升而产生的阻力，可以通过将列车的重量（以磅为单位）乘以上升的距离（以英尺为单位），再将所得数值除以水平距离（以英尺为单位）来计算。在上面的例子中，上升速率是以每英里多少英尺来表示的；因此我们需要将这个数值乘以40，再除以5,280——因为1英里等于5,280英尺。如果斜率是以1:132这样的形式给出的，那么只需将列车的重量除以这个数值即可。如果我们想得到每吨列车的阻力，可以用1吨的重量来代替列车的实际重量，计算方法如下：2,000 × 40 ÷ 5,280 = 15.1磅/吨。

现在，如果我们已经知道了仅由上升或重力产生的阻力，还必须再加上列车在平坦轨道上以当前速度行驶时所受的阻力，这样才能得出斜坡上的总阻力。在平坦路面上以5英里/小时的速度行驶时，每吨列车的阻力为6.1磅；因此在每英里上升40英尺的斜坡上，以该速度行驶时的阻力为6.1 + 15.1 = 21.2磅/吨。在10英里/小时的速度下，阻力则为6.6 + 15.1 = 21.7磅/吨；而在30英里/小时的速度下，斜坡上的阻力则为11.2 + 15.1 = 26.3磅/吨。要想知道任何速度下斜坡上的总阻力，只需将该速度下平坦轨道上的阻力与仅由上升产生的阻力相加即可。不同速度和斜率条件下的阻力值已经过计算，并列在附录的表格中。该表格的最上面一行是速度值，最左边的一列则是每英里的上升高度（以英尺为单位）。

对于特定的坡度和速度，其对应的阻力值是在“速度”一栏下的垂直数值与“坡度”一栏对应的水平数值相交处确定的。因此，对于每英里30英尺的坡度和每小时45英里的速度，我们需要找到45这一数值下方的垂直列，以及30这一数值右侧的水平列，两者相交处的数值即为29.1磅，这就是该条件下的阻力值。

问题409：曲线对列车的阻力有何影响？
答案：曲线会增加列车的阻力，但具体增加的比例或程度尚无法准确确定。欧洲的专家认为，列车行驶在曲线上的阻力会比在直线平路上大约1%，这一比例与曲线度数成正比。不过，由于美国的列车几乎都采用双轴结构，其车轮能够更轻松地适应轨道的曲率，因此其阻力可能不会像那些车轮轴距较长且较硬的欧洲列车那样大。

问题410：什么是曲线的度数？
答案：为了测量圆周，人们将其划分为360个相等的部分，每个部分称为1度。因此，曲线的1度相当于完整圆周的1/360；不过，如果曲线的半径较大，那么该曲线对应的1度长度也会比半径较小的曲线对应的1度更长，但两者的弯曲程度是相同的。正是这种弯曲程度增加了列车的阻力，列车行驶在曲线上的度数越大，轨道的弯曲程度就越高，相应的阻力也就越大。

问题411：还有哪些因素会影响列车的阻力？
答案：轨道的状况以及风力和风向也会影响列车的阻力。在粗糙的轨道上，列车的阻力会远远大于在平滑轨道上；此外，强逆风也会使得牵引列车变得更加困难，尤其是在天气平静的情况下。

第二十一部分：机车的比例关系
问题412：在为机车选择适合某种工作的配置时，首先需要了解哪些信息？
答案：首先需要知道机车需要牵引的列车的重量；其次，是机车运行时的速度；第三，是机车行驶路线的最大坡度以及最短曲线半径。通过这些数据，至少可以大致确定机车需要克服的阻力大小。

问题413：一旦知道了列车所受的最大阻力，接下来还需要确定什么？
答案：如第66题的回答所述，如果车轮能够转动，且车轮与铁轨之间的粘附力大于阻碍机车前进的阻力，那么机车就能克服这种阻力；但如果阻力大于粘附力，车轮就会打滑。因此，粘附力必须略大于阻力。由于粘附力大约相当于驱动轮对铁轨施加的重量或压力的五分之一，所以这个重量应该是阻力的五倍。例如，如果有一列重400吨的列车，要以每小时20英里的速度爬上每英里40英尺坡度的斜面，根据前文给出的表格计算，其阻力为9,360磅。因此，9,360×5=46,800磅，这就是所需的驱动轮重量。
[100] 见第309题的答案。

问题414：有哪些因素决定了如何在车轮之间分配这一重量？
答案：经验表明，如果将过大的重量集中在一个车轮上，铁轨的材料就会被挤压损坏，从而导致铁轨比正常情况下更快磨损。

重量被分配到更多的轮子上，因此与铁轨接触的每个点所承受的重量就较小了。单个轮子所能承受的重量取决于铁轨的材料，也在一定程度上取决于铁轨的形状和尺寸，或者用更常见的表述来说，就是取决于每码长度的重量。

问题415：当已知黏附重量以及驱动轮的数量时，如何确定驱动轮及气缸的尺寸呢？
答案：轮子的尺寸在某种程度上取决于速度，因为轮子越大，机车每转一圈就能行驶的距离就越远；不过并没有确切的规则来规定轮子的尺寸。目前，工程师们对于某种特定用途下最理想的轮子及气缸尺寸仍存在诸多不同意见。或许最稳妥的做法是参考最佳实践，如果没有更好的依据，就暂时以这些实践作为指导。在这个国家，最常用的机车轮子尺寸就是我们用于示例的那种，也就是所谓的“五英尺轮”，其气缸直径为16英寸，冲程为24英寸。这种尺寸的机车使用数量远远超过其他尺寸的机车。在货运方面，轮子有时会做得更小一些，而用于客运列车的轮子则直径更大；不过，具有上述尺寸的驱动轮及气缸的机车既可用于客运也可用于货运。需要说明的是，所谓的“五英尺轮”实际上其直径比五英尺略大1½英寸。这是因为现在使用的轮胎比早期机车上的轮胎更厚，而这一做法一直沿用至今。因此，我们将所谓“五英尺轮”的实际直径视为61½英寸。这类机车的黏附重量约为40,000磅。这类轮子的周长为193.2英寸，所以如果轮子不打滑的话，机车每转一圈就能在铁轨上行驶193.2英寸的距离。同时，每个活塞会在气缸内往复运动两次，因此每转一圈就会有4次蒸汽充满一个气缸。一个直径为16英寸、冲程为24英寸的气缸可以容纳4,825½立方英寸的蒸汽，所以每转一圈就会消耗4,825½×4=19,302立方英寸的蒸汽。如前所述，如果轮子不打滑的话，机车每转一圈就能行驶193.2英寸。现在，如果我们用19,302除以193.2，就可以得到推动机车及列车前进所需的蒸汽量。

现在，19,302 ÷ 193.2 = 99.9，为使数值更整齐，我们将其取为100。由此可见，一台重量为40,000磅或20吨（每吨2,000磅）的机车，要使其移动1英寸，就需要100立方英寸的汽缸容积[101]。如果机车的驱动轮上的重量只有原来的一半，那么它所能牵引的负荷也会减少一半，因此所需的蒸汽量也会减半，相应的，其汽缸容积也只需是另一台机车的一半。如果重量为原来的四分之三或三分之一，那么汽缸容积也应分别为四分之三或三分之一。由此可见，汽缸容积应与总重量成正比。既然让20吨重的机车移动1英寸需要100立方英寸的汽缸容积，那么将100除以20，就能得到每吨重量对应的汽缸容积。也就是说，100 ÷ 20 = 5立方英寸，即每吨（2,000磅）重量の机车要移动1英寸，就需要5立方英寸的汽缸容积。我们将这个数值称为推进系数。

[101] 汽缸容积指的是两个活塞在运动过程中所扫过的空间。在上述说明中，意思是：每当机车前进1英寸时，活塞在汽缸内平均扫过的空间为100立方英寸。

假设现在需要计算一台重量为15吨、车轮直径为4½英尺或54英寸的机车的汽缸容积。首先将15乘以推进系数，即15 × 5 = 75，这就是让这样的机车移动1英寸所需的汽缸容积。再将车轮的周长169.6英寸乘以75，就可以得到一次旋转过程中所需的总体积，也就是169.6 × 75 = 12,720立方英寸，这就是两个活塞需要扫过的空间。将其除以4，就可以得到单个汽缸的容积，即12,720 ÷ 4 = 3,180立方英寸。由于汽缸容积是由活塞面积与冲程长度相乘得出的，知道了其中一个数值，就可以很容易地算出另一个。假设活塞的冲程为22英寸，那么用3,180除以22，就可以得到活塞的面积，即3,180 ÷ 22 = 144.5平方英寸。根据几何学中的公式，若将圆的面积除以0.7854，所得商的平方根就是该圆的直径。因此，144.5 ÷ 0.7854 = 183.9，而183.9的平方根约为13½，这应该就是车轮的直径了。

圆柱的直径。与其计算圆的直径，不如直接查表获取面积，再由此得出直径。当然，如果我们已知活塞的直径并想要求出其行程长度，只需将圆柱的容积除以活塞的面积即可。在当前的示例中，如果假设活塞的直径为13½英寸，那么就需要用3,180除以直径为13½英寸的活塞的面积，即143.1，这样计算出的结果就是3,180÷143.1≈22英寸，这就是活塞的行程长度。

根据以上分析，当已知粘附物的重量时，我们可以得出如下计算气缸容量的规则：将驱动轮上的总重量（以2,000磅为1吨）乘以5，再乘以车轮的周长（以英寸为单位），最后除以4，得到的结果就是每个气缸的容积（以立方英寸计）。这样一来，只要知道了直径或行程长度中的任意一个，另一个就可以很容易地算出来，正如前文所解释的那样。

需要指出的是，就机车的动力而言，只要各气缸的容积相同，那么无论其直径较大而行程较短，还是直径较小而行程较长，其实并无区别。因此，直径为17½英寸、行程为20英寸的气缸，其容积几乎与直径为16英寸、行程为24英寸的气缸相同，产生的动力也会一致；唯一的区别在于，直径较大的气缸会对活塞以及曲轴销轴承产生更大的压力，从而使得相关部件承受更大的应力。不过，这种压力差异会被驱动轮作用于铁轨时所产生的力矩变化所抵消。

问题416：决定机车锅炉尺寸的因素是什么？
答案：锅炉的尺寸应与粘附物的重量以及机车预期行驶的速度相匹配。因此，那些驱动轮上承载重量较大的机车，能够牵引更重的负载；根据上述关于气缸尺寸设计的规则，这类机车的气缸容积也会更大，因而需要消耗更多的蒸汽，所以其锅炉的尺寸也应当更大。显然，如果像图I和图II所示的那样，机车只需要一个足以在运行时提供足够蒸汽的锅炉的话……

以每小时20英里的速度行驶时，如果机车以每小时40英里的速度行驶，那么在阻力相同的情况下，后者的速度显然更快。直径为5英尺的驱动轮在每小时20英里的速度下每分钟会旋转112次，因此需要448缸的蒸汽量。而当速度达到每小时40英里时，旋转次数会变为原来的两倍，所需的蒸汽量也会相应增加一倍，所以锅炉的产汽能力也必须提高一倍。因此，如果我们知道了在特定载重和速度下所需的锅炉尺寸，就可以轻松计算出其他载重和速度条件下的锅炉容量。

问题417：如何确定具有特定载重和速度的机车所需的锅炉容量？
答案：这需要通过经验来确定，也就是依靠实际运行数据。

问题418：锅炉的产汽能力取决于什么？
答案：首先取决于其炉栅和火箱的尺寸，因为较大的火箱可以燃烧更多的燃料；其次取决于燃烧产物所接触的加热表面积；第三取决于蒸汽或废气产生的抽力。当然，蒸汽的产生量还受许多其他因素的影响，比如燃烧方式、火箱与炉栅的布置以及加热表面的状况等，但这些因素与锅炉的比例或尺寸并无关系。

问题419：像本文中所描述的、如图I和图II所示的机车，其锅炉的各项比例是多少？
答案：该机车的炉栅面积为约2,100平方英寸，总加热表面积为约800平方英尺，蓄水能力约为5,000磅，而包括所有辅助装置及助燃设备在内的锅炉总重量约为30,000磅。

问题420：这类机车通常以多快的速度行驶？
答案：在不同情况下，其行驶速度差异很大，因此甚至无法大致给出这类机车的平均速度。

问题421：那么，我们该如何为用于特定用途的机车确定合适的锅炉比例呢？

答案：如前所述，这只能通过实验方法来确定。最安全的方法是选择一台运行状况最佳的机车，了解其平均行驶速度、炉栅的尺寸及加热表面积，以及机车的粘附重量。然后将上述速度（以每小时英里计）乘以机车的粘附重量（以2,000磅/吨为单位），再将所得数值除以炉栅的面积（以平方英寸计）。接着，将需要安装锅炉的机车的粘附重量与其速度相乘，再乘以上述计算得到的商数，其结果即为新发动机所需炉栅的面积（以平方英寸计）。举例来说，假设某台机车的平均行驶速度为20英里/小时，那么将这一速度乘以粘附重量，再除以炉栅面积，可得20×20=400，2100÷400=5.25。现在，我们需要为粘附重量为30吨、行驶速度为15英里/小时的机车确定炉栅的尺寸，因此将15乘以30，再乘以上述商数，即15×30×5.25=2,362.5平方英寸，这就是该机车锅炉的炉栅面积。所需的加热表面积也可以用类似的方法得出，只需在计算中将炉栅面积替换为相应的值即可。

问题422：机车锅炉的尺寸通常是如何受限的？
答案：主要受机车重量的限制，某种程度上也受铁轨间距的影响。通常情况下，如果按照上述方法进行计算并得到某个尺寸的锅炉，那么机车的重量以及粘附重量就会超过原本假设的值。这样的计算结果表明，在该行驶速度下，机车上用于驱动的部分重量过大，因此要么减少驱动轮的负担，要么降低行驶速度。

问题423：机车锅炉的运行方式与几乎所有其他蒸汽锅炉有何不同？
答案：与其它类型的蒸汽锅炉相比，机车锅炉中根据加热表面积产生的蒸汽量要大得多。为了使燃烧足够剧烈从而产生所需的蒸汽量，必须依靠排出的蒸汽所产生的气流来强化燃烧，这种强度是其他类型锅炉所没有的。由于燃烧产物的移动速度极快，只有较少比例的热量能够传递给锅炉中的水。

因此，与燃烧不那么剧烈的锅炉相比，给定量的燃料所对应的蒸发水量也会更少。由于强烈的通风作用，气体无法有足够的时间充分混合以完成燃烧过程，所以燃烧效率也较低。机车锅炉所需提供的蒸汽供应量，其波动程度也远远高于其他类型的锅炉。在需要将列车拉上陡坡时，必须将火势调至最大强度，以便产生足够的蒸汽。一旦到达顶点，需求就会消失，锅炉便可冷却下来。机车在特定路线上所能牵引的负荷，通常取决于锅炉在这些关键时刻提供蒸汽的最大能力。

问题424：这种不稳定的工作状态与锅炉的尺寸之间有什么关系？
答案：锅炉越小，或者说是相对于其加热表面积而言，在相同时间内需要产生的蒸汽量越大，就越是需要将火势调至最大强度；因此，相对于其所需承担的工作量而言，锅炉越小，其运行效率就越低。为了在小型锅炉中实现快速燃烧，就必须缩小排气喷嘴的尺寸，以产生足够的通风力。这样一来，活塞所承受的反压就会大幅增加；当通风力过强时，大量未燃尽的煤块会随着烟气从管道中排出。同时，也有大量未燃烧的气体逸出，因为火炉内没有足够的时间让燃料完全燃烧。此外，强烈的通风还会导致火焰和烟雾与加热表面接触的时间大大缩短，这样一来，如果燃烧产物通过管道的时间仅为1/100秒而非2/100秒，传递给水中的热量就会减少。

在这方面还有另一个需要考虑的因素：如果锅炉的尺寸太小，以至于始终处于接近最大负荷的状态，那么就不可能储存任何高温热水作为应急之用。而那些具有较大加热表面积且能够容纳大量水的锅炉，则可以在发动机负荷不大的时候将水加热，这样储存起来的热量就可以在最需要的时候被利用。因此，我们可以认为，在平地上牵引列车时，需要250磅的蒸汽。

每英里所需的能量消耗。在每英里坡度为30英尺的情况下，阻力将是平路时的三倍，因此所需的蒸汽量也会是平路时的三倍，这样一来，锅炉每英里就必须蒸发750磅的水。现在，要将250磅水加热到130磅有效压力对应的温度，即355.6度，使其变成该压力下的蒸汽，需要216,575单位的热量。如果在产生这些蒸汽的同时，我们向锅炉中注入250磅温度为60度的水，那么还需要73,900单位的热量才能将这部分水加热到130磅有效压力对应的温度。因此在平路段，每英里就需要向锅炉中的水传递216,575 + 73,900 = 290,475单位的热量。如果锅炉中没有足够的空间来储存多余的热水，那么在坡道上，就必须在蒸汽被消耗的同时，注入等量的冷水以替代那些已转化为蒸汽的水。在30英尺的坡度上，每英里就有必要将750磅的热水转化为蒸汽，这需要649,725单位的热量；同时还要将等量的冷水加热到与蒸汽相同的压力对应的温度，这还需要221,700单位的热量。因此，每英里需要向水中传递871,425单位的热量。不过，如果锅炉足够大，能够容纳比平路段更多、且可储存起来以备后续使用的热水，那么在机车在坡道上负荷最重时，就可以部分或完全关闭泵。这样一来，就不必再将热水转化为蒸汽，同时也不必再加热等量的冷水，因为已有足够的热水可供使用。此时只需将这些热水转化为蒸汽，所需的热量仅为649,725单位，而非871,425单位。需要记住的是，几乎所有道路上都存在一些限制机车性能的难点。因此，如果能在这些地方提升机车的性能，那么整个线路上的机车性能也能得到提升。从上述分析可以看出，拥有大型锅炉的话，在关键时刻，机车所需要做的功就会大大减少——而正如所有机车操作员所知，那时往往必须尽一切可能来牵引列车。的确，在非常长的坡道上，多余的热水很快就会被用完，但……

即便在那种情况下，通常也会因为轨道的弯曲或其他原因而存在某个比其他地方更难克服的障碍。此时，就需要在短时间内使用比机车在锅炉持续供水时所能产生的更多蒸汽。对于这类情况，可以使用额外的水来辅助。不过，即使整个斜坡上的阻力都相同，大型锅炉仍然具有优势，因为它始终能够产生比小型锅炉更多的蒸汽。因此，我们可以认为，机车锅炉的尺寸应当尽可能大，只要机车的重量允许即可。

问题425：驱动轮的尺寸对机车锅炉的燃烧和蒸发过程有何影响？
答案：因为在行驶相同距离时，小轮子比大轮子转动的圈数更多，所以当机车以相同速度行驶时，小轮子对应的活塞往复运动次数也会更多。由于小轮子通常搭配较小的气缸，因此从烟囱排出的蒸汽会分成更多次，但每次排放的蒸汽量则较少；而大轮子搭配的大气缸则会导致蒸汽以较少次数但每次排放量较大的方式排出。如果按照相应原则来设计气缸尺寸，那么在行驶相同距离时，大轮子机车与小轮子机车的蒸汽排放总量是相同的，唯一的不同在于前者会将蒸汽分成更多次排放。实际上，当蒸汽被分成多次排放时，即使用小轮子和小气缸时，其对炉火的加热效果要比使用大轮子时更好，因此前者能产生更多的蒸汽。

问题426：轮子的尺寸与锅炉的尺寸之间有什么关系？
答案：如前所述，锅炉的尺寸受到机车重量的限制。美国式机车在锅炉注满水后的重量大约相当于机车本身重量的一半；因此，除非增加机车的重量或减少机械部件的重量，否则就无法增大锅炉的尺寸。而大轮子比小轮子更重，它们需要更大的气缸、更坚固的连接结构以及更重的车架，实际上，与大轮子配套的所有机械部件都必须比小轮子配套的部件更重。

使用小轮时是必需的。因此，通过减小轮子的尺寸，发动机其他各部分的重量都可以比使用大轮时更轻，这样就可以在不增加整个机车重量的前提下增大锅炉的尺寸和重量。当然，轮子尺寸还有实际的最低限制，因为否则活塞的速度会过高，从而对机械造成损害。不过，通过减小冲程并相应调整轮子直径，可以在很大程度上避免这一问题。直径较大而冲程相对较小的气缸还有一个优点：与那些比例相反的气缸相比，其受热辐射影响的表面积更小。

第二十二章　各种类型的机车
问题427：机车可以方便地分为哪几类？
答案：1. 用于“调车”、“转轨”或“训练”的机车，即用于在车站之间转移车辆；2. 用于货运的机车；3. 用于普通客运的机车；4. 用于郊区或城市铁路的机车，这类铁路上运行着大量轻型列车。
问题428：该国在车站调车时使用哪种类型的机车？
图220
答案：与图IV所示类似的四轮机车。在某些情况下，这类机车会配备六个驱动轮。如图IV所示的机车拥有独立的煤水车，但有时也会设计成将水箱和燃料直接安装在机车上，如图220所示。

它们被称为罐式机车。图220展示的是由陶顿机车制造公司制造的调车机车。
问题429：为何要使用四轮机车来进行调车作业？
答案：因为在调车作业中，需要不断启动列车，而这些列车往往非常重，因此需要很强的牵引力。正因如此，机车的全部重量——对于罐式机车而言，还包括水和燃料的重量——都由驱动轮来承担。此外，这类机车还需要在半径很小的曲线轨道上行驶，或者进入与主轨夹角很大的道岔处，为确保能够正常行驶并保持在轨道上，其轮距必须非常短，因此车轮都集中在烟箱和火箱之间。
问题430：为何这类机车不适合用于常规运输？
答案：由于轮距过短，这类机车在高速行驶时会产生极大的不稳定性，会出现类似马车在崎岖路面上快速行驶时的颠簸现象。这种不稳定性不仅会让操作机车的人感到不适，还存在机车脱轨的危险。由于调车作业几乎都是在低速下进行的，所以这种问题在调车作业中并不那么突出，而在高速行驶的常规铁路上则会很严重。
[102]“常规铁路”一词是德语的直译，在英语中没有对应的表达，指的是列车以高速行驶的站与站之间的线路。
问题431：用于货运的机车有哪些类型？
答案：该国的大部分货运任务都是由类似本文插图中所展示的那些机车来完成的，这些机车分别见于图版I、II和III。这类机车被称为“美国式机车”，因为它们最初诞生于美国，而且目前在美国的使用率也高于其他任何国家。由鲍德温机车厂、格兰特机车厂、丹福思机车机械公司、梅森机械厂以及欣克利机车厂生产的这类机车的侧视图分别见于图版V、VI、VII、VIII和IX。关于这类机车的更多信息已在前面章节中介绍。
问题432：这类机车的尺寸是多少？
答案：图中所示机车的各项主要尺寸详见附录中的表格，不过采用这种设计的机车在实际制造时其尺寸会有所不同。

其尺寸有比插图所示更小或更大的情况。在某些情况下，这类机车的重量不超过35,000或36,000磅，气缸直径为8到12英寸；而在其他情况下，它们的重量可达到66,000磅，气缸直径则为17或18英寸。车轮的直径在4到6英尺之间，但最常见的尺寸为4½英尺和5英尺。

问题433：当需要牵引的负载超过四个驱动轮所能承受的重量时，应如何处理？
答案：可以增加一对或多对驱动轮，就像图X中所展示的十轮机车、“Mogul”型机车、图XI以及图XII中的“Consolidation”型机车那样。可以看出，这种十轮机车的结构与普通的美国机车类似，只不过它在主驱动轮前方还有一对驱动轮。不过，这两对驱动轮必须靠近主驱动轮，因为如果它们位置太靠前，就会离后部的从动轮过近。因此，如图XI和XII所示，现在人们通常会在气缸前方设置一个由一对车轮A、A构成的从动装置。这样一来，前部的驱动轮就能承担更大的重量，相比图X所示的机车而言。

问题434：由一对车轮构成的从动装置是如何构造的？
答案：如图221所示，从动装置的框架会延伸到车轴后方一定距离，而该框架绕其振动的中心销a旋转，该中心销位于框架的后端。机车的重量或需要由从动装置承受的重量则被置于车轴的中心位置，但同时允许其沿轨道横向移动。最初，这类从动装置的发动机重量是依靠框架上的滑轨来支撑的，但如今几乎总是通过连杆来悬挂，这样它就可以像钟摆一样摆动，如图190和191所示。发动机的重量则由中心板HH来承受，该中心板是BB板的一部分。BB板则通过虚线表示的连杆LL来悬挂，这些连杆通过螺栓固定在车架上的横杆mm上。这样一来，从动轮就可以独立于发动机本身而横向移动。由于车轮和车轴AA必须围绕中心销a旋转，因此车轴会随着轨道的曲线而呈辐射状分布。这一过程同样也是独立于驱动轮而发生的，如图所示。

221图展示的是车轮在曲线上的排列方式。可以看出，驱动轮的位置对机车并无任何影响。这种设计使得轮距具有很大的灵活性，使车轮能够适应轨道的任何横向弯曲或定位情况。

图221：比例尺为1/8英寸=1英尺。

问题435：如图XI和XII所示的机车是用于什么用途的？
答案：“Mogul”型机车常用于需要牵引重列车的普通货运任务，也适用于陡坡路段。而图XII中所展示的、拥有八个驱动轮的“Consolidation”型机车，则几乎专门用于在陡峭的山区道路上行驶。

问题436：还有哪些类型的机车被用于货运？
答案：各种无独立水塔的罐式机车也被设计出来并得到一定程度的应用，这类机车的储水罐和燃料都安装在机车的车架和车轮上。图XIII展示的就是这种机车，其储水罐位于锅炉两侧，燃料则存放在后端的Bissell型转向架上；前端也有类似的转向架，因此这类机车无论朝哪个方向行驶都能正常工作。这两个转向架的横向移动也为轮距提供了极大的灵活性，从而使机车能够轻松适应轨道的弯曲。不过，如果两对转向轮都处于轨道的较高位置，而驱动轮则处于较低位置，那么显然驱动轮承受的重量会减少，而转向轮则需承担更多的机车重量，这种情况在平坦的轨道上则不会发生。

如果驱动轮位于较高位置，而一对或两对从动轮则位于较低位置，那么从动轮所承受的重量就会减少，而驱动轮则需承担更多重量。因此，为了使所有车轮上的重量均匀分布，就必须通过平衡杆来平衡从动轮与驱动轮之间的重量差异，这些平衡杆的作用类似于在回答第301题时所描述的那种。这些平衡杆可以将作用在某个车轮上的多余重量传递到相邻的车轮上。这一点非常重要，因为如果驱动轮有时承受的重量比其他时候少，那么它们的附着力以及牵引负荷的能力也会相应降低。

显然，如果水箱或燃料箱安装在驱动轮上，那么当水箱或燃料箱装满时，驱动轮所承受的重量就会比空的时候更大。这样一来，要么车轮上的重量过大，从而对铁轨造成损害；要么重量过小，导致附着力不足。当然，也存在着这样的情况：在列车启动以及行驶初期，需要更大的附着力，而在行驶后期则不需要那么多。在这种情况下，重量的变化反而可能成为优势，但在常规使用中，驱动轮上的重量变化会带来上述那些弊端。正因如此，罐式机车才被设计成如图十四所示的样子。从图中可以看出，水箱的重量由后端的四轮从动轮来承担。不过，前面则有一个比塞尔式或两轮从动轮，其位置与图十三中的机车相同，它负责承担锅炉和机械装置的一部分重量。

为了获得四轮调车机车所具有的所有优点——即所有重量都集中在驱动轮上——同时避免因轮距过短以及驱动轮上重量不均而带来的弊端，作者设计了如图十五所示的机车：锅炉和机械装置的重量全部由驱动轮承担，而水和燃料的重量则由从动轮承担。这样一来，不仅解决了将水箱重量放在驱动轮上的问题，同时也避免了图四所示的调车机车因轮距过短而产生的弊端。也就是说，这类机车的锅炉和机械装置的所有恒定重量都由驱动轮来承担。

因此，其粘着力与切换式发动机相同。同时，通过将车架延伸到火箱之外，并将水箱和燃料装置放置在该延伸部分上，再让卡车来承受这些装置的重量，这样一来，该发动机的轮距就与普通美国发动机的一样长且具有同样的灵活性，相关示意图见图V、VI、VII、VIII和IX。由于普通美国发动机的重量只有大约三分之二落在驱动轮上，而那些如图XV所示、重量与普通发动机相当的机车，其粘着力可提高50％；或者，即便重量减轻三分之一，粘着力也能保持不变。正如对问题260的回答中所解释的那样，如果普通美国机车倒着行驶，也就是让驱动轮位于前方，那么在半径较小的弯道中，驱动轮轮缘与铁轨之间的摩擦力将会非常大。为避免这种情况，采用上述设计的机车则是让车架先移动，由于车架位于锅炉通常所在位置的对面，这就使得锅炉及其他部件相对于发动机的运动方向发生了变化——也就是说，此时火箱位于前方，烟囱则位于后方。这类发动机已经被制造出来并且正在实际使用中，表现十分出色；不过，人们对于让机车反向行驶的偏见似乎仍是阻碍其广泛应用的障碍。另一种设计既具备上述机车的所有优点，又不存在上述缺陷，相关示意图见图XVI。这一设计最初是由英国的罗伯特·费尔利先生提出的，后来被马萨诸塞州汤顿市的威廉·梅森先生引入本国并进行了大幅改进。在这种机车中，驱动轮和气缸连接在一个车架上，该车架可以像普通车架一样围绕中心轴旋转。蒸汽管和排气管则通过带有弹性接头的管道与锅炉和气缸相连。这样一来，车架就可以独立于锅炉移动，从而让驱动轮能够像其他车架的轮子一样适应轨道的曲率，因此驱动轮完全可以像承载水箱的车架轮子一样位于前方。这种设计的另一个优点是，火箱的宽度与长度可以根据需要任意设置，而不会影响到驱动轮。不过，弹性接头通常被认为是一个缺点；但随着其在设计和制造方面的改进，最初遇到的那些难题很可能已经得到了解决。

无论如何，如果没有人反对使用这种机车的话，那么凭借创造力与细心设计，终究可以克服这一难题。图版十七展示的就是采用这种设计的机车——它有六个驱动轮，车体下方还有一个六轮的载重装置。这种机车设计是为重载货运而准备的。

问题437：用于客运列车的机车是什么类型的？
答案：几乎全部都是八轮的美国式机车，专门用于客运服务。这类机车的驱动轮直径通常比用于货运的机车要大，其直径范围在5英尺到5英尺9英寸之间。图版八中所示的Mason Machine Works公司生产的机车，其驱动轮直径为5.5英尺。对于那些运载重量极大的特快列车，现在许多干线铁路上会使用气缸尺寸为17×24英寸、重量达34吨的机车。

问题438：什么是郊区铁路和城市铁路？它们的运输任务是什么？需要什么样的机车？
答案：郊区铁路的主要任务是运送那些在城里工作的人早上前往城市，晚上再返回家中。由于在早晚高峰时段需要运送的乘客数量最多，因此必须在这些时段运行重量较大的列车。此外，由于乘客需要在相距不远的多个车站下车，所以列车必须频繁停靠；而为了保持较高的平均速度，列车在这些车站之间行驶时也必须以较快的速度前进。因此，需要使用重量较大的机车，其粘着重量也要高于普通水平，这样才能让列车快速启动且不会打滑。主阀的调节范围也应足够大，以便蒸汽能够快速进入和排出气缸。在某些情况下，人们希望机车无论在哪个方向行驶都能表现良好，这样就无需在行驶路线的两端调头。所谓城市铁路，指的是大城市中的铁路系统。这类铁路可分为两类：一类是负责将货物从城市边缘运送到市中心的仓库和商店，以及将货物从一条铁路线的终点站运送到另一条铁路线的终点站；这类城市铁路通常是延伸出城市的铁路线路的支线。用于此类运输的机车必须具备强大的牵引力，才能拉动沉重的列车。

由于行驶速度通常较慢，因此这些火车的轮子尺寸以及锅炉的容量也可能较小。它们必须能够顺利通过半径很小的弯道；而且由于列车通常在距离建筑物很近的街道上行驶，所以机车应尽可能做到无噪音运行。另一类用于城市交通的铁路则是用来运送乘客的。这类铁路的运营方式与传统的马车铁路类似，几乎全是运送乘客。目前（1874年），该国只有那么一两条依靠蒸汽动力来运送乘客的城市铁路。不过，可以肯定的是，这类铁路很快就会在所有大城市中得到广泛使用。这类铁路上的列车数量较多，且运行间隔较短、速度相对较慢，因此需要使用重量较轻的机车。

问题439：郊区铁路使用哪种类型的机车？
答案：最常用的是普通的美国式八轮机车；不过也有不少如图222所示的那种机车被用于郊区铁路的运营。这类机车的主轮组前方还有一对驱动轮，而气缸前方则装有比塞尔式转向架。在这种结构下，驱动轮所承受的重量比例要比采用普通美国式四轮转向架的结构要大。另一种结构则如第XVIII幅图所示。这类机车两端都装有比塞尔式转向架，因此无论朝哪个方向行驶都能保持良好的性能。在某些情况下，这类机车的水箱会被安装在锅炉的顶部和侧面。当列车只需要行驶较短的距离且所需水量较少时，这种设计非常合适；但若想携带大量水，就会导致机车车轮负担过重，同时还会加剧驱动轮负荷不均的问题。

图222.
轻型客货机车，由新泽西州帕特森的格兰特机车厂制造。

与图XIV所示的机车类似，这类机车也被用于郊区交通。从插图可以看出，它们的前端为四轮车架，后端为两轮车架，因此无论以何种方向行驶都能保证安全。四轮车架用于承载水和燃料的重量。
图XV所示的机车结构非常适合这种用途。除了在半径很小的弯道外，它可以在任何方向上以任意速度行驶，不会遇到其他问题，唯一的可能障碍就是操作人员的主观偏见。
由于像图XVI所示的双车架机车能够适应各种弯道，因此不存在这样的使用障碍。

问题440：城市铁路上使用的是哪种类型的机车？
答案：对于货运业务，通常会使用如图IV所示的普通调车机车。在某些情况下，这些机车的油箱就安装在机车上。不过，这类运输作业往往需要在城市街道上进行，此时发动机排放的蒸汽噪音很容易吓到马匹，还会干扰行人。因此，有必要将废气冷凝，或者让其无声地排出，通常是通过让废气进入水箱来实现的。哈德逊河铁路则使用带有类似船舶发动机表面冷凝器的机车。

在纽约，蒸汽从这些部件中流出后便进入水箱中。这些水箱呈长条状且宽度较小，这样就能让更大的表面积暴露在辐射下，从而冷却被蒸汽加热的水。这种机车拥有四个驱动轮以及垂直式锅炉。气缸通过带有小齿轮的曲轴与驱动轴上的大齿轮相连，这样一来转速就会降低，但牵引力却能得到增强。整个机车都被封闭起来，以避免马匹看到这些机器而受惊。这类机车的设计者及专利持有者是A.F.史密斯先生，他曾经是该铁路局的首席机械师。

对于那些几乎只用于运送乘客的城市铁路来说，则需要完全不同类型的机车。为了满足乘客的需求，显然必须以极短的间隔运行大量列车。在这种情况下，列车重量必然很轻，因此只需要轻型机车即可。图XIX展示的是纽约格林威治街高架铁路所使用的机车。这类机车的重量仅为10,000磅，车轮直径为30英寸，气缸尺寸为7×10英寸。其结构特点在于两对驱动轮之间还有一根中间轴。在这根轴上，框架内部有两个曲轴，外部也有两个曲轴。气缸与内部的曲轴相连，而连接杆则与外部的曲轴相连。水储存在锅炉顶部的水箱中，燃料则为无烟煤。

第二十三章 连续制动装置
问题441：什么是自动式或连续式列车制动装置？
答案：连续式列车制动装置是指由机车上的制动装置来对列车上的所有车厢施加制动的装置。在某些情况下，这类制动装置还可以从列车上的任意车厢进行操作；或者在发生事故时，比如有车厢脱轨或列车断裂时，能够自动发挥作用。

问题442：目前使用的主要此类制动装置有哪些？
答案：以发明者命名的威斯汀豪斯大气制动装置是目前使用最广泛的。其次就是史密斯的真空制动装置。除此之外，克雷默、沃德、洛赫里奇和亨德森的制动装置也有少量应用。不过，只有前两种制动装置得到了较为广泛的应用，因此值得在此详细介绍。

问题443：威斯汀豪斯制动装置的工作原理是什么？它的结构是怎样的？
答案：顾名思义，这种制动装置利用大气空气作为传递制动力的介质。

图223。比例尺：1/2英寸=1英尺。

通过位于驱动轮之间或机车上其他合适位置的蒸汽泵，可将空气压缩到所需的密度。图223以剖面图形式展示了该泵的构造，它由两个气缸组成：上方的气缸A为蒸汽气缸，其活塞通过连杆与下方气缸B中的活塞相连。下方的气缸由蒸汽活塞驱动，每次活塞运动时，都会有一定量与活塞移动距离相等的空气被压缩，然后被送入通常安装在机车踏板下方的圆柱形储气罐中，以便在需要制动时随时使用。空气缸和蒸汽缸都配有相应的阀门，用于控制空气和蒸汽的进出。这些空气通过管道从储气罐输送到煤水车和车厢下方，而发动机与煤水车之间以及车厢之间则通过印度橡胶软管相连。发动机以及煤水车和车厢的两端都装有两根软管，这样一旦其中一根断裂，其余的仍可继续工作。每根软管都通过专用接头与对面的软管相连，这样当车厢、发动机或煤水车分离时，就可以快速断开连接。

在煤水车以及每节车厢的下方也各有一个气缸和活塞。在需要制动时，压缩空气会被输送到活塞前方的这个气缸中。当空气压力推动活塞向外移动时，活塞杆会通过曲柄与制动杠杆相连，从而立即对车轮施加制动力。而位于踏板下方的储气罐则通过前述管道与这些部件相连。

每节车厢及动力车底部的制动缸中，只要打开储气罐与管道之间的连接，空气就会立刻从储气罐流经整个列车。由于气流速度极快，从连接打开到制动器开始起作用仅需一两秒时间。要解除制动或“松开”制动器，只需关闭储气罐的阀门，同时打开从制动管到外部大气的通道，这样制动缸中的压缩空气就会逸出，而车厢制动器中常用的弹簧则会促使活塞恢复到原来的位置。为了解开储气罐与制动缸之间的连接、关闭该连接并打开制动缸与外部空气之间的连接，通常会使用一个三通阀。该阀门被设置在司机能够控制的位置，这样司机就可以随时以不同的力度、瞬间或缓慢地释放压缩空气，或者通过再次转动阀门来自由地释放空气，同时依然能完全掌控这一过程。

图224。比例：1½英寸=1英尺。

问题444：真空制动器是如何工作的？它的结构是怎样的？
答案：在该系统中，制动力的产生是通过排出空气而非压缩空气来实现的。这一过程是通过喷射器来完成的，图224为该喷射器的剖面图。其工作原理与喷油器类似：蒸汽被引入管道B，然后从环形开口a处排出。这样一来就会形成所谓的“诱导气流”，从而将管道C′C中的空气抽出，这些空气与蒸汽一起从A处排出。这会在管道C中形成局部真空，而这种真空状态会延伸到列车底部。列车底部的各管道通过橡胶软管相连，这些橡胶软管内部有金属线圈，以防止其塌陷。在煤水车以及每节车厢的底部，都装有两端为铸铁的印度橡胶缸，其中一个端固定在车厢上，另一个则可以移动。这些橡胶缸可以像手风琴的风箱一样被拉伸或压缩。橡胶缸内部有铁环作为支撑，这些铁环之间的距离为4到6英寸，这样就能在空气被抽出时防止橡胶缸塌陷。当空气被抽出后，可移动的铸铁端会受到压力而向固定端移动；由于该端通过连杆与制动杆相连，因此压力便会被传递到制动器上。
喷射器安装在锅炉顶部，当需要施加制动力时，机车司机会打开阀门，让蒸汽进入喷射器，喷射器随即开始产生局部真空，从而实现制动。当需要释放制动力时，就会打开释放阀D，让空气进入管道C，然后这些空气会被输送到各个印度橡胶缸中，从而抵消作用在缸两端的压力，进而解除制动。
目前，无论是大气压制动还是真空制动，都被广泛应用于机车的驱动轮上，且取得了非常优异的效果。

第二十四章　机车运营的成本与效益
问题445：普通机车每运行一英里的运营成本是多少？
答案：目前（1874年）的平均成本为每英里20到25美分。[103]
[103] 若从该数值中扣除10%，则可得到该成本的黄金价值。上述数字是以美国政府所承诺的折现价值来表示的。

问题446：这些成本包括哪些项目？它们在总成本中所占的比例各为多少？
答案：有关各项成本及其在机车运营总成本中所占的比例，以及在整个机车运营费用中的比例，详见下表：
各项成本占总成本的百分比　各项成本占所有机车运营费用的百分比　每英里大致运营成本
燃料　6.0美分　0.30％　0.03％
机油及废弃物处理费　0.4美分　0.02％　0.004％
机车司机和火夫的工资　6.0美分　0.30％　0.06％
机车维修费　7.0美分　0.35％　0.07％
机车清洁费　0.6美分　0.03％　0.006％
总计　20.0美分　1.00％　20.0％

从上表可以看出，机车运营费用占铁路总运营成本的20%。当然，这一成本会因不同情况而有所变化。

在不同情况下，上述数值可能会略低于该国的平均成本。
问题447：机车每吨煤以及每捆木头通常能行驶多少英里？
答案：这一数值也会因不同情况而有所差异。根据52条铁路的月度报告计算出的平均值为：每吨煤可行驶38英里；而根据16条铁路的报告计算出的平均值为：每捆木头可行驶47.5英里。不过，不应从这些数值中扣除木头和煤作为燃料时的相对价值，因为使用木头作为燃料的列车通常比使用燃煤机车的列车更轻。上述数据是1871年5月所有相关铁路线上的列车的平均表现。以下是由作者精心进行的实验结果，这些实验是在尽力确保获得准确数据的情况下进行的。不过需要指出的是，用于这些实验的机车已经使用了18个月，且从未进行过彻底的维修，其锅炉的状况也不佳，因此每磅煤对应的蒸发水量并不能准确反映该机车的性能。所使用的煤炭为来自印第安纳州的巴西煤；为了比较两台机车的性能，仅使用了整块煤炭，这样就不会出现关于每台机车所使用的细煤量的疑问。实验所在铁路线的最大坡度为每英里30英尺，从最低点到最高点的总上升高度为374英尺。
机车实验记录：
1873年，7月21日、7月28日、8月2日。
行驶里程：145英里、145英里、145英里。
牵引车厢数量：41节、31节、41节。
车厢总重量（磅）：1,497,240磅、1,119,650磅、1,508,860磅。
燃烧的煤炭总量（磅）：8,676磅、5,102磅、7,221磅。
消耗的水量（磅）：63,531磅、45,719磅、52,609磅。
每磅煤对应的蒸发水量（磅）：7.32磅/磅煤、8.02磅/磅煤、7.04磅/磅煤。
每吨煤（2,000磅）可行驶的里程：33.4英里、50.8英里、38.8英里。
每节车厢每英里消耗的煤炭量（磅）：1.45磅/节车厢/英里、1.13磅/节车厢/英里、1.21磅/节车厢/英里。
包括停站时间在内的平均速度（英里/小时）：11.1英里/小时、13英里/小时、13.8英里/小时。

问题448：我们如何确定发动机的运行速度？
答案：如果没有专门的测量仪器，可以通过计算驱动轮每分钟的转动次数，再将轮子的周长（以英寸为单位）乘以每分钟的转动次数，得到的结果再乘以60，最后将这个数值除以63,360。所得的商即为每小时英里数。例如，假设驱动轮的直径为61½英寸，因此其周长为193.2英寸，且每分钟转动164次，那么193.2 × 164 × 60 ÷ 63,360 ≈ 30英里/小时。

第二十五部分：水箱与旋转装置
问题449：机车的水箱是如何获得水的？
图225：比例尺为1/16英寸=1英尺。

答案：在道路沿线的适当位置，即所谓的“水站”处，会设置大型水箱或蓄水池。这些水箱的水源要么来自高于水箱位置的天然溪流，水流会自动流入水箱；要么则通过人工或马力、风力、水力或蒸汽动力将水抽入水箱。只要空间允许，这些水箱通常会设置在轨道附近，如图225所示，这样就可以通过管道a将水直接从水箱输送到机车上的进水口。水箱内的阀门b可用于控制该管道的通断。管道a通常通过铰链与水箱相连，这样就可以将其放下至机车旁，需要时再抬高以避免妨碍发动机和列车的运行。为了保持平衡，还会在绳子的末端悬挂配重，绳子绕过滑轮后与管道a的另一端相连。如今，这类水箱一般由木板制成，形状类似桶或提桶，它们被放置在由木头制成的重型框架ccc上，如图所示；或者也有可能建在石制或砖砌的结构上。

图226：比例尺为1/16英寸=1英尺。

当轨道附近没有足够空间放置水箱或储水槽时，可将其放置在距离轨道一定距离的合适位置，然后通过地下管道将水输送到机车需要取水的地方。在该管道的末端装有所谓的“取水装置”，见图226。该装置由一根垂直的管道A以及一根水平的臂B组成；当需要向水箱注水时，水平臂B可以绕着水箱的检修口摆动。在某些情况下，只有水平臂会摆动，而在其他情况下，垂直管道则会在地面下的连接点C处与水平臂一起转动。人们认为后一种设计更为理想，因为当管道位于地下时，其连接处就不太容易冻结，而如果管道暴露在地面之上，则很容易冻结。在地面下的管道上还装有一个合适的阀门D，这样就可以通过轮子E随时控制水流的开启与关闭。

问题450：确定取水来源时应考虑哪些因素？
答案：首先当然是取水地点的便利性；但更应重视水的质量。因为使用不纯净的水，或者含有大量泥沙或悬浮物、或是含有石灰及其他矿物质的水，很快就会在锅炉内部形成水垢，而水垢是极差的导热体，这样一来锅炉的效率就会大大降低，还会浪费更多热量。此外，当锅炉表面覆盖着这种不导电的水垢时，锅炉更容易受到火焰的损害，因为此时水无法直接与锅炉金属接触。还有一些水会对锅炉金属产生腐蚀作用，造成严重破坏。

问题451：如何确定不同种类水中结垢物质的含量？
答案：至少可以大致测定悬浮在水中的固体物质或泥沙的量，方法是将不同种类的水倒入容器中，比如大的透明玻璃瓶中，静置一段时间，直到固体物质沉到底部。对于那些以溶解状态存在、必须转化为固态才能沉淀的石灰及其他盐类，有一种简单的沉淀方法：将其溶解在一杯纯水中（蒸馏水或……）

新鲜收集的雨水，以及两三茶匙的草酸铵。将待检测的水各取等量，比如各取一满杯，然后将它们并排放置并做好标记以便识别。在每杯水中加入等量的上述溶液——大约三茶匙即可——然后静置一天。石灰及其他一些盐类会沉淀下来，以粉末形式沉在杯底；每杯水中沉淀物的数量就能很好地反映该水在形成水垢方面的危害程度。

如果难以获得草酸铵，也可以用类似的方法进行实验：将普通白色肥皂或其他纯肥皂溶解在一杯纯水中，然后再往待检测的水中加入几茶匙这种溶液。水中石灰含量的多少，可以通过沉淀下来的物质的数量来判断。[104]

[104] 《铁路公报》特约撰稿人。

问题452：机车是如何在铁轨上掉头呢？
答案：最常用的方法就是使用转盘，如图227所示。转盘由两根沉重的梁组成，这些梁可以是木制的、铸铁制的或锻铁制的，它们并排放置，中间通过一个轴连接，从而可以围绕该轴转动。转盘位于铁轨下方的一个圆形坑中，这样当铁轨以常规方式铺设在梁上时，其高度就会与通向该坑的铁轨保持一致。通过让梁围绕中央轴转动，使铁轨与通向坑的固定铁轨处于同一条直线上，这样机车就可以在转盘上行驶。之后，转盘再旋转半圈，这样机车的位置就会被调转，使其面对着固定铁轨，从而可以离开转盘。为防止机车在刚开始在转盘上行驶或离开时导致梁倾倒，人们在梁的两端安装了轮子，这些轮子可以在圆形轨道上转动，从而承受因机车在中央轴上的平衡状态不佳而产生的重量差异。

图228。比例尺：3/32英寸=1英尺。

问题453：中央枢轴是如何构造的？

图227。比例尺：3/32英寸=1英尺。
由费城威廉·塞勒斯公司制造的50英尺转盘。

图229。

答案：它通常由一根垂直的柱子A组成，如图228所示。该图为转盘中心的横截面图，柱子的末端则置于硬质铸铁或钢制轴承上。在某些情况下，如图227和228所示——这些图展示的是费城威廉·塞勒斯公司制造的转盘——重量则由圆锥形钢辊承担，这些钢辊在顶板形成的圆形轨道上旋转。有时，转盘还会配备齿轮装置和曲柄D，如图228所示；但如果整个重量都集中在转盘中心，且转盘的长度足够大，足以让发动机及附属设备在其上移动到平衡位置，那么就不需要齿轮装置了；只需一个固定在转盘上的简单杠杆即可转动转盘以及其上的发动机和附属设备。转盘的直径或跨中心长度应足以使各类机车都能保持平衡状态。对于轻型机车来说，50英尺长的转盘已经足够；而对于目前用于主要干线铁路上的大型重型机车而言，发动机及附属设备会占满整个50英尺的长度，没有调整余地。在这种情况下，应使用54英尺、56英尺，或者更好的选择是60英尺长的转盘。这类大型转盘的重量也会相应增加。转盘的长度应足够大，这样无论发动机是否带有附属设备，当其在转盘上运转时，都能将重心恰好置于转盘中心。一旦达到这种平衡状态，一个人就能轻松地转动装有负载的转盘。

在安装转盘装置时，支撑转轴的中央基础必须十分坚固，以避免出现沉降现象。圆形轨道可由重量为每码28或30磅的轻质钢轨制成，且必须保持水平；同时，转盘在承载重物时也应调整到不会与圆形轨道相撞的位置。该凹槽在靠近边缘处较浅，向中心逐渐变深。虽然可以设计一个与转盘一同旋转的平台来覆盖整个凹槽，但应尽可能避免使用这种设计，因为即便结构再好的覆盖物也会对转盘的旋转造成一定阻力。即使在那些认为有盖凹槽能提供更平滑的行走表面的圆形车间里，考虑到无盖凹槽更便于旋转以及更易于清洁的优点，人们仍建议不使用覆盖物。转盘旋转的中央部分由优质铸钢制成，由两个开有凹槽的钢板之间的锥形钢辊构成。这部分必须保持清洁，并涂上合适的润滑油，比如优质的鲸油或猪油，其粘度需适合，在寒冷天气下不会变硬。中央顶盖则通过一圈螺栓固定。这些螺栓承担着转盘及其所载重物的全部重量；通过松开螺栓，就可以让转盘在圆形轨道上的轮子上下降，同时抬起顶盖以便检查钢板和钢辊。这些部件至少每三个月需要检查并清洁一次。在顶盖下方以及顶盖与中央箱顶部之间还有木制构件，通过调整这些构件的厚度，就可以使转盘处于合适的高度。只要妥善保养，这样的转盘几乎是不会损坏的。[105] [105] Wm. Sellers & Co.

问题454：还有其他用于转动机车的方法吗？答案：有的，有时会使用所谓的“Y型”装置。这种装置由呈Y字形的轨道组成，如图229所示，其中AB为主轨道，还有两条曲线AC和BC。如果想要转动位于A点的机车，就先让它沿着AC曲线移动到a点和C点位置；然后再让它沿着CB曲线反向移动，即到达b点位置，最终回到主轨道上的B点位置。

显然，它的位置将会发生反转，只要我们将飞镖A的方向与B的方向进行比较就能看出来。

第二十六章　机车检查
问题455：操作或驾驶机车的主要工作内容有哪些？
答案：1. 检查与润滑，即检查机车的各个部件是否处于良好工作状态，同时为轴承及其他易磨损的部件涂抹润滑油；2. 启动发动机，让机车及列车开始行驶；3. 行驶过程中的管理；4. 停止发动机及列车的运行；5. 机车的存放管理；6. 发生事故时的处理；7. 清洁发动机。

问题456：在检查机车时，对锅炉应特别注意什么？
答案：首先，所有新锅炉在投入使用前都需进行压力测试，而无论是新锅炉还是旧锅炉，都应定期进行测试，频率越高越好。进行压力测试的方法有：1. 冷水测试，即先将锅炉注满冷水，再使用压力泵注入更多冷水，使压力达到预定测试值；2. 温水测试，先将锅炉注满冷水，然后在炉排上点火加热这些水。由于水在从60摄氏度升至212摄氏度时体积会膨胀约1/24，因此温度上升会导致压力相应增加；3. 蒸汽压力测试。如果不用后一种方法的话，那么在锅炉的制造或维修场所对其进行测试似乎简直荒谬至极——因为那无异于试图让锅炉爆炸，而一旦发生爆炸，其后果将比在其他任何地方都要严重得多。此外，在处理泄漏的铆钉和接缝时进行敲击和密封操作，也会增加爆炸的风险。因此，先通过液压压力来测试锅炉似乎更为合理。对于初次测试而言，这种方法更为合适，因为冷水不会从缝隙中渗漏出来。

在锅炉加热时，其内部压力会变得很高，因此用冷水进行检测比用温水或热水更有可能发现泄漏问题。不过，毫无疑问，锅炉往往因为各部件的膨胀不均而承受更大压力，而非实际的压力值本身。因此人们认为，在完成水压测试之后，还应进行第二次测试，即用温水进行的测试。这一测试很容易实施，因为第一次测试时锅炉已经注满了水。当锅炉处于测试压力之下时，需要仔细检查是否有任何薄弱迹象——任何形状上的变化或压力上的异常波动都可能表明存在缺陷。在锅炉承受压力之前和之后，应使用直边工具仔细检查那些平面结构，看其形状是否发生了实质性变化。正如前一章所指出的，机车锅炉最危险、最常见的故障之一就是支撑螺栓断裂，为了及时发现这一问题，机车司机和机械师必须保持高度警惕。在压力作用下，还需用锤子轻轻敲击锅炉的外表面，这样往往就能发现金属中的缺陷或制造上的瑕疵。完成水压测试和温水测试后，应先将锅炉内的水排空，再仔细检查内部的支撑结构和加固件是否因测试而出现断裂或位移。只有在这之后，才能在锅炉中产生蒸汽。进行蒸汽测试时，使用略低于冷水及温水测试时的压力显然更为安全。关于锅炉测试时应施加的最大压力，目前存在多种不同意见。毫无疑问，如果对强度较低的锅炉施加过高的压力，可能会使其受损并变得危险，而如果没有进行此类测试，它本应是安全的。然而，最近的实验表明，在大多数情况下，只要这种应力仅施加几次，即便超过了材料的弹性极限，其最终强度实际上还会提升。虽然无法为所有情况制定绝对的规则，但人们认为，对于水压测试和温水测试，所使用的压力应比最大工作压力高出约50％；而对于蒸汽测试，则应高出约25％。
[106] 威尔逊：《锅炉构造》

在检测旧锅炉之前，必须对其内外部进行仔细检查，以确定其是否出现了严重的腐蚀现象。遗憾的是，机车锅炉的内部结构通常很难接近，如果不进行仔细检查，就无法了解腐蚀的程度及其影响。而要做到这一点，就必须进入锅炉内部。只要条件允许，负责任的机车驾驶员就应该亲自检查锅炉，而不应依赖专门负责此项工作的锅炉制造商。他应当记住，如果机车锅炉存在任何缺陷，面临危险的是他的生命，而非那些制造商的生命。

在为机车点火之前，应仔细检查火箱，看是否有泄漏的迹象，这些迹象往往表现为炉板开裂、固定螺栓或烟道存在问题。如果只是接头处有泄漏，通常可以通过填塞材料或使用管子扩张器来修复。在发动机处于冷却状态时，这种修复工作很容易完成；但如果不及时处理，行驶过程中就会带来很大麻烦。锅炉其他部位的泄漏也需要检查，因为它们可能预示着危险的裂缝。

为了确保安全并提高工作效率，保持锅炉的清洁至关重要，也就是说，要避免锅炉上出现泥垢和沉积物。在某些地区，尤其是西部各州，这正是机车驾驶员及负责维护机车的人士必须面对的最严重问题。虽然已有许多解决方法，但目前最有效的办法是：首先使用质量最好的水，其次定期对锅炉进行彻底清洗。

问题457：应对锅炉的各个部件进行怎样的检查？
答案：应检查炉栅的栅条或炉门是否安装牢固，灰斗中的灰烬是否已被清理干净，同时还要确认炉内是否干净，即炉栅上没有灰渣或结块物。可以通过压力表来检测锅炉内的水位，如果使用了玻璃水位计，也可以通过它来观察水位。在启动前，还应把玻璃水位计中的沉淀物和泥垢吹干净，同时确保用于向玻璃水位计输送蒸汽和水的阀门处于开启状态。不过，这些阀门的开口度应控制在很小范围内，这样只有少量蒸汽或水能够进入。

如果玻璃管破裂，热水就会泄漏出来。如果使用了喷射器，就必须对其功能进行测试，确保其能够正常工作；而发动机一旦从引擎房启动后，也应当立即对两个泵进行测试，以确认它们处于良好工作状态。安全阀也应被检查，确保其没有生锈或固定不牢。在机车上，最容易出现故障的部件就是蒸汽压力表，因此应经常对其进行检测，一旦发现其工作异常，就应立即进行检查。烟囱上的金属网常常会被火花烧出孔洞，因此也需要定期检查其状况。此外，该金属网还容易因润滑油过多而变得粘稠，一旦出现孔洞，飞出的火花就有可能引燃轨道附近的易燃物；而如果金属网变得粘稠，就会阻碍空气流通，导致发动机无法产生蒸汽。这种粘稠物质通常可以通过在金属网上生火来清除，这样就能烧掉其中的油分，剩下的干燥物质至少可以在一定程度上从金属网上敲掉。

问题458：如何判断泵是否工作正常？
答案：泵的工作状况可以通过打开阀门时流出的水柱强度来判断。当泵处于良好状态时，一旦泵的活塞开始向内移动，水就会立刻以强劲的水流流出，并且会一直流出直到活塞完成整个行程。如果泵的状态不佳，流出的水流就会很弱，而且在水泵活塞向外移动时仍会持续流出。不过，当发动机运转速度较慢时，很难判断泵在更高转速下是否能正常工作，因此机车驾驶员应在每次行驶前都检查泵的状况。

问题459：关于节流阀，需要注意什么？
答案：由于节流阀故障可能会引发极其严重的事故，因此必须确保它处于良好工作状态，所有的螺栓、销钉、螺丝及其他配件也都必须正常运作。同时还需要了解节流阀的实际工作情况。

必须确保其密封性良好。可以通过观察在排气管或气缸阀门打开、换向杆处于全档位且节流阀关闭的情况下是否有蒸汽泄漏来判断其密封性。如果节流阀存在泄漏，当发动机周围没有人时，足够多的蒸汽可能会积聚在气缸中，从而引发发动机自行启动，进而导致严重事故。因此，当发动机处于静止状态时，应始终用螺丝或某种锁具将节流杆固定住。

问题460：在检查气缸、活塞、导向装置以及连杆时，应注意哪些方面？

答案：需要确认活塞密封装置是否安装得当，即其密封性是否足够好，不会让蒸汽从气缸的一端泄漏到另一端，因为那样会浪费大量蒸汽。在这两种不良情况中，活塞密封装置过松总比过紧要好，因为如果密封过紧，就有可能划伤气缸，进而需要重新加工气缸；此外，如果密封环由巴比特金属制成，那么高压和摩擦产生的热量就会使这种金属熔化。在某些情况下，气缸会因此变得异常高温，甚至会导致覆盖在其表面的木制隔热层被烧毁。活塞杆的密封装置也必须具备良好的密封性，同时还要确保活塞杆和泵柱塞能够牢固地固定在十字头之上。必须格外注意保持导向装置的润滑状态，位于导向杆或十字头上的油杯必须保持清洁，这样才能让润滑油在承受摩擦的表面上顺畅流动，但流量也不宜过大。连杆上的油杯也是如此。还需注意连杆上的黄铜轴承，确保它们既不会松动到产生撞击声，也不会因安装过紧而产生过热现象。后者可以通过纵向移动轴颈的末端来轻易判断——轴承绝不能紧到无法用手移动的程度。尤其要确保连杆上的所有螺栓和螺母都拧紧了。在机车中，没有哪个部件比曲轴销上的轴承以及十字头的滑动部件更需要精心维护，以确保它们得到适当润滑，从而避免过热和损坏。还需检查这些部件是否出现任何问题。

活塞杆、泵柱塞、导向装置、连接杆以及曲轴销均未出现弯曲或变形的情况。
问题461：如何判断活塞密封件是否过松或出现泄漏？
答案：通常可以通过排气声来判断。当炉门打开时，可以在脚踏板上清楚地听到这种声音。如果密封件不紧，每次蒸汽排出前后都会发出特殊的喘息声；而如果密封件出现泄漏，那么在曲轴经过死点之后，只要气缸阀门处于开启状态，就会看到有蒸汽从阀门处泄漏出来。这样就能判断出是哪个气缸的密封件过松了。不过，如果主阀中的一个或两个出现泄漏，也会出现类似情况，因此往往很难确定泄漏是由于阀门问题还是活塞问题造成的。当然，也有可能两者同时出现泄漏，或者是一侧的活塞和另一侧的阀门同时泄漏，这样一来，正如医生所说，诊断起来就极为困难。不过，仔细观察和积累经验，比任何指导都更有助于机车操作员发现这类缺陷。
问题462：“调整密封件”是什么意思？应该如何操作？
答案：“调整密封件”就是指在密封环过松时将其重新压紧。对于目前普遍使用的普通弹簧式密封件（见图96和97），操作方法是拧紧螺母b、b、b，如问题169的回答中所解释的那样，这样就能压缩弹簧a、a、a，从而使密封环A、A重新压紧。在此过程中必须格外小心，不能拧得过紧，因为密封件过松总比过紧好。此外还要注意让活塞杆保持在气缸的中心位置，否则会给填料箱带来不必要的压力和磨损。拧紧螺母后，应使用卡尺来检查活塞头的位置。具体做法是将卡尺的一只脚抵在气缸壁上，调整另一只脚使其刚好接触到图96中的突出部分E的边缘或活塞杆的末端。然后，在活塞的上方、下方以及两侧分别放置卡尺，以此判断活塞头是过高、过低还是偏移到了某一侧；之后通过放松一侧的螺母并拧紧另一侧的螺母，就可以将活塞头调整到中心位置。通常，这项工作是由专门负责此任务的人员来完成的。

目的。不过，年轻的机车司机、火夫或机械师最好还是先熟悉这些工作内容，如果可能的话，在那些擅长这类工作的人的指导下亲自操作。
问题463：如果活塞杆的填料箱出现泄漏，应该怎么办？
答案：如果其中的填料状况良好，通常只需拧紧填料压盖即可解决泄漏问题。在此过程中，螺栓上的螺母不应被过度拧紧，只需达到使填料密封的效果即可。过大的压力只会无谓地增加活塞杆所承受的摩擦力。此外，两颗螺栓必须均匀拧紧，否则压盖会倾斜，从而不对活塞杆施加均匀且较大的压力，进而可能导致活塞杆被划伤。当填料在填料箱中使用很长时间后，它会变得非常坚硬且紧密，有时还会部分烧焦。这时要么需要将其取出并更换新的填料，要么如果其状况尚可，也可以通过将原来的填料上下颠倒过来来使其重新正常工作。在将新填料放入填料箱之前，必须先彻底给填料涂上润滑油。
问题464：当十字头上的滑动部件磨损时，如何弥补由此产生的运动损失？
答案：如果十字头上装有衬块，可以在这些衬块与十字头之间放置“衬垫”或“垫片”，即薄金属片，这样就能填满导向杆之间的间隙。如果没有衬块，则需要拆下导向杆，并减小两端连接处的厚度，从而使导向杆彼此更靠近。在此过程中，必须格外注意确保导向杆与气缸的中心线或轴线完全对齐。这项工作绝不能交给非熟练工人，缺乏经验的人应向熟练工人请教。
问题465：当连杆上的黄铜轴承在轴颈上的安装过于松动时，应该怎么办？
答案：必须先拆下这些轴承，然后打磨掉两个接触面，使其更加紧密。同时，这两个表面还必须被打磨得与其他表面保持垂直，否则在用键固定时，它们就无法均匀地作用于轴颈上。在将这些轴承永久固定在连杆上之前，应先仅用键将它们固定在轴颈上。

可以通过试验来判断这些部件是否能够自由移动，同时又足够紧实，从而避免对轴颈造成冲击。当这些部件固定在杆上时，尤其是对于连接杆或平行杆而言，保持轴承中心点之间的适当距离非常重要。最好让连接杆在轴颈上保持一定的间隙，因为如果轴承被过紧地固定，那么由于轴箱在支架中的上下浮动，轴心之间的距离并不总是一成不变的，这样就会给曲柄销带来巨大的应力。因此，让连接杆保持一定的间隙总是最好的做法，可以肯定的是，擅自调整连接杆的相关部件所造成的危害，远远大于忽视它们所带来的后果。

问题466：检查发动机时，应重点关注阀传动装置中的哪部分？
答案：所有的螺栓、螺母和键都应仔细检查，确保它们已正确固定。偏心带上的螺栓和螺母尤其容易松动，而且由于它们位于轮子之间，难以触及，因此常常被忽视。所有的油孔也必须确保畅通无阻，否则就无法为轴颈提供足够的润滑。偏心带和连接块也很容易出现润滑不足的情况，一旦这些部件变干并出现磨损，就会给偏心杆带来巨大压力，甚至导致其断裂。一旦发生这种情况，偏心带以及与之相连的杆段就会随偏心件一起旋转，进而可能在燃烧室前端打出孔洞，从而使发动机无法正常工作。除了泵和喷油器之外，阀传动装置可以说是机车中最精密的部件，也最容易出故障，因此需要格外小心地加以维护。

问题467：如何判断机车的主阀门是否密封良好？
答案：如前所述，当阀门出现泄漏时会出现的症状，与活塞密封件出现泄漏时的症状非常相似。如果将阀门移到中间位置，让蒸汽进入蒸汽室，然后让蒸汽从两个气缸的排气口流出，那就说明该阀门并未密封良好。不过，机车的阀门阀面通常会呈现凹形，因为阀门大多只在半行程范围内工作，所以当阀门处于阀面中央时往往是密封良好的，但在全行程的两端则会出现泄漏现象。这一点可以通过……来判断。

发动机运转时会出现之前提到过的那种特殊的喘鸣声。不过，要确定这种声音是由于活塞或阀门泄漏造成的往往非常困难。如果阀杆的密封件出现泄漏，可以按照处理活塞杆密封件泄漏的方法来加以修复。

问题468：在检查时，应重点关注传动装置的哪些部位？

答案：必须仔细检查发动机及煤水车的所有车轮，确保它们状况良好。只要仔细检查，驱动轮的裂纹通常就能被发现。对于普通的铸铁制煤水车车轮和转向轮，可以用锤子敲击来判断其状况——如果车轮完好，会发出清脆的声音；而如果出现裂纹，敲击时发出的声音就会像破钟一样沉闷。此外，还需检查车轮的法兰部分，确保没有断裂，因为这种断裂并不总能通过敲击声判断出来。轴也需检查，看看车轮是否在轴座上松动。一旦出现这种情况，通常会从轴箱中流出的油迹可以看出，这些油迹会出现在车轮毂与轴之间。当轴承位于车轮内部时，可以在车轮外部观察到这一现象；而当轴承位于外部时，则可在车轮内部观察到。弹簧的状况也需要检查，确保其处于良好状态，同时轴箱中的油孔必须保持畅通，以便润滑油能够到达轴承处。为了保持煤水车轴箱的润滑，可以在其中填充浸过油的棉花或羊毛碎屑。这些填充物需要定期取出更换，并清洁轴箱。随着时间的推移，驱动装置在上下运动过程中会逐渐磨损，从而导致其动作出现偏差。当曲柄经过死点时，会听到明显的撞击声，这便是故障的迹象。不过，主连杆装置出现类似的问题时也会产生同样的撞击声，因此如果不进行专门检查，就很难确定导致撞击的原因。因此，当发动机每转一圈都会发出撞击声时，最好让操作人员站在发动机旁边，能够接触到连杆和驱动轮，然后让司炉员慢慢打开节流阀，让发动机以较低的速度运转。如果问题是出在连杆上，那么在曲柄经过死点时就能感觉到震动；同样，如果问题是出在驱动装置上，通过触摸驱动轮也能感觉到震动。

当夹具磨损时，可以通过移动一个或两个楔块来弥补动力损失。此时必须格外注意保持发动机两侧驱动轴的中心距离一致，同时还要确保这些轴的中心线与车架保持垂直。在发动机主轴前方、车架或导向装置上，应始终标有定位点，这些点与主轴中心的距离相等；这样，当夹具磨损时，就可以根据这些标记来调整轴的位置。当然，如果主轴是垂直的，那么调整从属轴就相对容易。但如果轴与车架不垂直且彼此也不平行，那么发动机就会根据轴的倾斜程度而偏向轨道的某一侧。有时，固定楔块的螺栓会断裂，这时楔块就会掉下来，自然会导致夹具的动力损失，进而影响发动机的运行。在检查发动机时，应仔细检查这些螺栓，以及固定在夹具底部车架上的螺栓，确保它们处于良好状态。此外，还需检查发动机及附属车辆上的所有螺栓和螺母，确保没有松动或丢失的情况。应偶尔将发动机和附属车辆从车辆的中央板上升起，然后给中央板涂抹牛脂润滑。因为这些部件很容易变干，一旦承受重量就会难以转动，从而导致其无法顺利适应轨道的曲线。

问题469：在启动机车之前，还应检查机车的哪些其他部件？
答案：必须确保机车上的制动装置处于良好工作状态，即所有的螺栓、螺母和键都固定牢固，杠杆、杆件和链条连接良好，制动闸片也安装牢固且没有过度磨损。无论是使用大气制动还是真空制动，都应在启动前进行测试，以确认泵或排气装置功能正常。在启动前，最好也对列车施加制动，以此检查各连接部位是否完好且连接正确。最好由机车操作员亲自检查整个列车上的制动软管连接情况，确保其连接良好。此外，还应定期检查水箱内部，确认其是否清洁，如果不干净则需彻底清洗。

在启动前，必须始终将孔盖好，以防灰烬和煤块掉入其中，这些物质可能会堵塞泵阀。当然，在启动之前还必须确保油箱中有足够的水，以维持锅炉的运转直到能够再次获得水源为止。沙箱也必须填满，吊绳的状态要良好；如果在夜间行驶，则必须擦拭前灯的反光镜，为灯具加注机油并修剪灯芯，使其能够正常发光。机车司机还需确保自己的机车前方能显示出正确的信号。

问题470：在岗的每名机车司机应携带哪些工具等？
答案：煤铲、煤镐、长柄锄头和拨火棍、一对螺旋式或液压式千斤顶、用于处理意外情况的链条、绳索，以及用于移动机车的重型夹具、小撬棍、带有短嘴和长嘴的油桶，还有一个底部带弹簧的较小油桶、钢锤和铜锤、冷凿和热凿、手锯、斧头和短柄斧，一个大号和小号扭力扳手，以及用于固定机车螺栓和螺母的各种规格的实心扳手、用于封堵管道的铸铁塞及插入塞子的工具、两个铁皮桶，还有根据线路信号颜色准备的各式灯笼和旗帜，最后还有一个装有半打“鱼雷”的盒子。
[107] 当然，燃木动力的机车则不需要这些工具。

问题471：应随机车携带哪些备用零件？
答案：连接杆用的钥匙、螺栓和螺母、开口钥匙、楔形螺栓、驱动装置和转向架油箱用的螺栓、驱动装置和转向架的弹簧吊架、用于在发生意外时固定导轨的木块、驱动装置和转向架用的一组木块，还有六英寸到两英尺长、共半打3/4英寸的螺栓，以备紧急情况使用，另外还有两个额外的水位计，以及两个玻璃制的前灯罩。

问题472：在给机车或其他机械加润滑油时应注意什么？
答案：最需要注意的是润滑油要能够到达需要润滑的表面。确保润滑油能到达正确位置远比使用大量润滑油更为重要。在轴颈上小心地滴几滴润滑油，其效果会比大量涂抹要好得多。

大量油液被随意倾倒在相应部位。因此，所有油杯和油孔都必须保持清洁，以便油液能够顺畅流动。

第二十七章 运行中的机车
问题473：在为机车点燃火焰之前，必须注意什么？
答案：在点火之前，必须先确认锅炉内是否有足够的水量；同时要确保炉栅和灰斗中的所有煤渣、碎屑及灰烬都已清除干净；炉栅与检修门必须牢固固定，节流阀也要处于关闭状态，其操纵杆也应得到妥善固定。如果锅炉内没有水就直接点火，可能会对锅炉造成严重损坏。在向锅炉注水时，还需记住：水受热后会膨胀，当蒸汽气泡形成后，它们会与水混合，进一步增加水的体积，因此水受热后的液面高度会比冷却时高很多。

问题474：应如何为机车点燃火焰？
答案：点火过程应当非常缓慢，以避免某个部位突然过热。机车锅炉所承受的最大应力，往往来自于其各部件之间不均匀的膨胀与收缩。当开始点火时，首先受到热量影响的部件会先变热并随之膨胀，而其他部件则不会立即发生变化。如果点火速度过快，那些处于火焰照射范围内的部件会迅速变热，而尚未被加热的部件则仍保持低温状态。这样一来，例如锅炉内的管道就会膨胀到比锅炉外壳还要长的程度，这就会给管板带来巨大压力，这种压力还会传导到火箱、固定螺栓以及支撑结构等部位。火箱的内壁也会比外壁更热，由于火箱底部的内外壁都是通过螺栓固定在一起的，因此火箱内壁的膨胀只能向上进行，这就使得该方向的固定螺栓承受更大的压力。由于这种膨胀作用在火箱顶部最为明显，所以顶部的固定螺栓所承受的压力也最大。

此前已经指出，哪些部位最容易发生破裂。使用钢板时，其热胀冷缩现象常常会导致钢板出现裂纹；有时，在火源从燃烧室中移除数小时后，内部的钢板仍会发出类似手枪射击的响声而破裂。因此，必须非常缓慢地对机车锅炉进行加热和冷却，而且应在机车启动前数小时就点燃火焰。

问题475：当机车离开机务室且列车尚未启动时，应做些什么？
答案：在离开机务室之前，应打开气缸阀，让在加热气缸过程中凝结的所有水或蒸汽排出。在机车从机务室出发之前，应敲响铃声，并给在机车周围工作的工人足够的时间离开。无论在何种情况下都必须严格遵守这一规定，绝不能在没有发出此类信号的情况下启动机车，否则随时可能有人受伤甚至丧命。从机务室前往列车的过程中，司机应仔细观察机车各部件的运行状况，确保它们处于良好工作状态。司炉则应留在煤水车旁，以便在必要时操作制动装置，并协助将煤水车与列车的第一节车厢连接起来。与列车的连接，尤其是当列车为客运列车时，必须极其小心地进行，否则冲击力可能会伤到乘客。在启动之前，司机应确认机车与煤水车已牢固连接，煤水车也与列车相连，摩擦部件已得到适当润滑，火势状况良好，且已产生足够量的蒸汽。如果蒸汽量不足，则需启动鼓风机来为火源提供更多氧气。

问题476：当列车准备就绪后，应如何启动机车？
答案：在列车长发出启动信号后，司机也应通过敲钟或吹哨来发出信号。不过，尤其是在车站，应尽可能少使用哨子，因为这可能会惊吓到马匹，也会对那些不习惯听到哨声或患有神经系统疾病的人造成冲击。发出信号后，司机会将倒档杆调整到适当位置，使阀门处于全开或接近全开的状态。随后，他再缓慢而谨慎地打开节流阀，从而启动列车。

逐渐加速。如果列车非常沉重，最好将机车倒退，以此“拉紧列车各节车厢之间的间距”，也就是把各节车厢挤在一起，使其之间没有空隙，从而压缩车厢的牵引弹簧。当车厢以这种方式排列后，列车前端的车厢会依次启动，这样比同时启动所有车厢要容易得多。如果过快地打开油门，驱动轮就容易打滑；而对于非常沉重的列车来说，即便十分小心，这种情况也仍有可能发生。如果无法用其他方法让列车启动，那就必须通过打开撒沙箱中的阀门来在铁轨上撒沙。不过应尽量少用沙子，因为车厢在撒了沙的铁轨上行驶时所受的阻力会比在干净铁轨上更大，这样一来，当列车驶上撒了沙的轨道后，就更难拉动它了。因此，用来克服这一难题的方法反而可能增加其难度。

在列车缓慢启动的过程中，司炉和助手必须通过观察来判断整个列车是否同步移动，启动时是否有任何连接处出现断裂，以及是否出现了需要停车的信号——因为在列车启动后有时确实需要停车。离开车站时，他们还需确认所有的信号都表明轨道畅通、道岔处于正确位置，同时还要留意轨道上是否有障碍物。列车应始终以缓慢且谨慎的速度行驶，直到通过车站内的所有道岔和交叉路口；只有等到那时，且助手确认一切正常后，才能全速行驶。随着机车速度的增加，应将倒车杆向后拉，使其更靠近控制盘的中心位置，以此减少蒸汽的排放量。

问题477：机车启动后，如何才能以最经济的方式运行？
答案：关于利用蒸汽膨胀特性的优势已在第五部分中阐述过；使用高压蒸汽更为经济，具体做法是保持油门阀完全打开，再通过减少蒸汽排放量来调节速度——也就是说让蒸汽进一步膨胀。如果通过部分关闭油门阀来降低速度，蒸汽就会被压缩，正如第59题的答案中所说的，此时蒸汽产生的作用力会比在锅炉全压状态下进入气缸时要小得多。

然而，人们发现，在许多情况下，如果过早地切断蒸汽供应，那么蒸汽排出时的压力会过低，无法产生足以引发燃烧的冲击力，因此锅炉也就无法产生足够的蒸汽。这种情况在那些配备小型锅炉的机车上更为常见，或者当锅炉状况不佳或燃料质量较差时也会出现。一旦出现这种情况，就必须在更长的冲程时间内持续供给蒸汽，以提高蒸汽排出时的压力，并通过节流阀来调节速度。当然，这样做会非常浪费资源，但往往是维持列车行驶的最佳办法。

使用高压蒸汽、将节流阀完全打开并仅通过反向操纵杆来调节速度时，还存在另一个实际问题。如前所述，连杆机构无法在冲程的大约四分之一位置之前有效地切断蒸汽供应。即便在那个较短的点处切断蒸汽，对于在平路或略微下坡的轨道上行驶的轻型列车而言，如果节流阀完全打开且锅炉内的蒸汽压力很高，车速仍可能会过快。在这种情况下，就绝对有必要通过部分关闭节流阀或降低锅炉内的压力来降低车速。毫无疑问，如果机车的阀门装置能够使蒸汽在更短的冲程位置被有效切断，那么就能提高蒸汽的使用效率。

机车应尽量保持稳定的速度行驶，为此，驾驶员应尽可能将各个停靠点之间的距离以及行驶所需的时间划分得越细越好，这样就能更频繁地判断自己当前的速度是过快还是过慢，从而在相应的时间内行驶更短的距离。

问题478：如何为锅炉供水？
答案：尽可能让锅炉的供水保持连续，同时根据发动机的工作负荷来调整注入锅炉的水量。通常，一个泵就足以满足锅炉的供水需求，因此一般只需使用位于发动机右侧、靠近车轮处的那个泵即可。通过部分开启或关闭进水阀来控制水流速度。而喷射器则通常只在发动机停止运转、泵无法供水时才使用。在为锅炉供水时，必须确保水量的多少适中，既不能过多……

既不能过高，也不能过低。如果压力过低，就有可能导致顶板过热，甚至引发爆炸；而如果压力过高，则会不必要地减少锅炉内的蒸汽空间，使得水以喷雾的形式上升，进而随蒸汽进入汽缸，或者导致锅炉出现所谓的“起泡”现象。如前所述，这些水若积聚在汽缸中，就会因活塞运动产生的冲击力而破坏汽缸。

问题479：锅炉出现起泡现象的原因是什么？
答案：这通常是由于水层下方与蒸汽层上方的温度和压力差异所导致的。例如，当锅炉中的水在100磅的有效压力作用下被加热到338华氏度时，如果我们突然打开节流阀以释放水面上的压力，水中的蒸汽就会迅速生成，并试图填满原本被抽走蒸汽的空间。这些新生成的蒸汽会首先在锅炉中最热的位置形成，也就是靠近加热表面的地方。因此，一旦压力得到释放，来自锅炉加热表面各处的蒸汽气泡就会流向蒸汽逸出的位置。这些气泡的运动速度极快，会带动大量水一起上升。如果水的温度上升得非常快，也会出现同样的情况——此时水的温度会超过其上方蒸汽所产生的压力对应的温度，从而导致水中的蒸汽气泡迅速生成并逸出，其效果与降低蒸汽压力时的情况类似。如果由于锅炉内水循环不畅或表面有油类等杂质漂浮，导致蒸汽无法顺利逸出，那么随蒸汽上升的水量就会增加。在这种情况下，水的沸腾过程会变得十分剧烈，水就会随着蒸汽一同上升。此外，蒸汽从水面流向出口的过程中，也会带走一些水颗粒，就像强风吹过海浪的波峰时一样。[108] 威尔逊《蒸汽锅炉》

在机车中，蒸汽通常是从装有安全阀的圆顶顶部被抽出的。当安全阀开始排放蒸汽时，产生汽水混合现象的趋势会大大增加，因此一些工程师建议使用两个圆顶，蒸汽可从两个圆顶中抽取；而在其他情况下，安全阀安装在其中一个圆顶上，而蒸汽管道则位于另一个圆顶中。一旦安全阀开始排放蒸汽，就应尽快降低锅炉内的压力，这不仅是因为排放蒸汽会导致汽水混合现象，还因为这样会浪费蒸汽。最有效的降压方法是通过增加注入锅炉的水量，或是打开加热阀让蒸汽进入水箱从而加热水温。如果锅炉内的水太多，则无法采用前一种方法；在加热水箱中的水时，必须注意不要让水温过高，因为那样泵和喷射器都无法正常工作，而且水箱上的油漆也可能会因高温而出现起泡甚至损坏。用手触摸水箱即可很快判断出水温是否过高。如果无法通过其他方式降低蒸汽压力，就必须部分打开炉门。使用含泥的水也会导致锅炉出现汽水混合现象。有时候，汽水混合现象可能是由于水面上形成了泡沫，因此这类现象常被称为“起泡”；不过也有观点认为，即使水面上没有泡沫，锅炉也可能会出现汽水混合现象。然而，关于锅炉汽水混合现象的更准确信息仍然十分缺乏，因为至今仍有许多相关现象未能得到合理解释。在实际使用中，导致锅炉出现汽水混合现象的主要原因无疑是循环系统存在缺陷、蒸汽空间不足、水质不纯或锅炉内水量过多。

问题480：如何判断发动机是否出现了汽水混合现象？应采取什么措施来防止这种情况？

答案：可以通过从烟囱和气缸阀门中排出的蒸汽呈现白色来判断锅炉是否出现了汽水混合现象。干蒸汽始终呈蓝色。当发动机出现汽水混合现象或有水进入气缸时，排气声会变得异常沉闷，不再具有清晰而尖锐的声音特征。在打开炉门的情况下最容易观察到这一现象。此外，压力表阀门流出的水也能表明存在汽水混合现象。

从下部阀门流出的水会与蒸汽混合，用行话来说，这种水并非“纯净的”；而从上部阀门流出的蒸汽也不清澈，其中混有水。用实际操作人员的话来说，可以通过压力表阀门的“波动”来判断锅炉是否出现泡沫或水进入气缸的情况。一旦出现此类迹象，应立即打开气缸阀门，否则气缸、气缸盖或活塞可能会损坏。节流阀则应部分或完全关闭。这样做后，大多数情况下泡沫会暂时消失，这样操作人员就能知道锅炉中还有多少纯净的水。如果发现锅炉内的水太多，最好先关闭泵，很多时候还会打开排放阀。不过，使用排放阀存在一定风险：如果排放阀被堵塞或无法关闭，所有水都会从锅炉中流出，而在炉膛内火势旺盛的情况下，很容易导致过热，进而损坏锅炉，也就是通常所说的“烧毁”锅炉。在这种情况下，一种更好的处理方法是，在炉膛后部、上下压力表阀门之间放置一个所谓的表面阀。通过这个阀门，水可以从表面排出，而非从底部排出。由于泡沫或水垢往往是由表面的油类或其他悬浮杂质引起的，因此通过这种方式可以将这些杂质排出锅炉；而如果水是从锅炉底部排出的，那么悬浮杂质仍会留在锅炉内。有时，人们会在表面阀上连接一根贯穿锅炉内水面的一定距离的带孔管道，这样被排出的水就会来自水面的多个位置。如果开始出现泡沫时蒸汽上升速度很快，那么可以适当打开炉门来降低锅炉温度。不过，这种处理方法应尽量少用，因为突然的加热或冷却都可能使锅炉的管道或其他部件出现泄漏。如果锅炉内的水很少且蒸汽上升速度很快时锅炉仍出现泡沫现象，有时可以通过增加进水量来缓解，从而让锅炉内的水温稍降。此外，还应使用纯净水，注意控制火候以保持蒸汽压力稳定，并适时向锅炉补充水，以维持合适的水位。

水位应保持几乎均匀，然后小心地启动发动机，也就是逐渐打开节流阀，这是防止机车锅炉产生水击现象的最有效方法。

问题481：水击现象会对机车的燃料消耗产生怎样的经济影响？
答案：水击会导致大量热量浪费。首先，流经气缸的热水中的热量无法被利用而白白流失；其次，当蒸汽与大量水混合后，其流动速度和效率都会低于干蒸汽。因此，即便发动机以中等速度运转，若因水击而突然停机，活塞所承受的压力也会比使用干蒸汽时小。此外，湿蒸汽也比干蒸汽更难从气缸中排出，所以当锅炉发生水击时，活塞所承受的反压力也会更大。

问题482：在铁路上行驶时，机车司机应注意什么？
答案：司机或司炉必须时刻留意前方的轨道状况，同时定期检查列车车厢的状况，尤其是那些较长的列车。他们必须严格遵守各种信号指示，只有在确认可以通行时才能继续前进。那句“确定自己是对的，然后再前进”的格言，对于机车司机来说应该改为“在确定自己是对的之前不要前进，有疑问时务必选择安全的一方”。在通过弯道时，列车的速度必须根据弯道的弯曲程度适当降低，而且要在接近弯道之前就减速。因为列车有沿直线行进的倾向，所以存在脱轨的危险。当然，速度越快，就需要更大的力来阻止列车沿直线行进，这样一来，车轮的轮缘以及铁轨和轴子所承受的负荷也会越大。在通过弯道时，通常很难看到前方很远的距离，因此如果列车速度过快，一旦轨道上出现障碍物或危险，就无法及时停下。

问题483：在爬陡坡时，应采取哪些预防措施？

答案：在接近上坡路段时，司机应确保火势良好，并尽可能多地添加煤炭以使其充分燃烧。同时，他还应将锅炉中的水加满，但要注意不能超过安全限度，以避免出现压力过高的情况；此外，还需将水加热到尽可能高的温度，同时避免蒸汽从安全阀中泄漏出来。这样做的目的是在到达上坡路段之前就有已加热的水可供使用。如果像重载列车那样，锅炉产生的蒸汽量无法满足发动机的需求，那么锅炉中储存的热水就可以作为备用，从而避免对锅炉造成损害。但如果锅炉中的水太少，继续减少水量就会带来危险，这时就必须尽快补充冷水，以弥补因蒸汽蒸发而流失的水量。通常情况下，要快速加热所有进入锅炉的冷水是不可能的，否则蒸汽压力就会下降，最终导致列车无法前进。不过，如果锅炉中有足够的热水，在发动机最容易出现故障的上坡临界点，就可以部分关闭泵，从而减少进入锅炉的水量，进而保持稳定的蒸汽压力，避免危险。当然，如果可能的话，还是应该均匀地向机车锅炉供水，但实际上，锅炉中备有的热水往往能让机车在最艰难的上坡路段上继续行驶，而没有这种储备的话，机车就会陷入困境。由于在几乎所有的铁路线上，机车的性能都是根据其能够“拉动多少车厢上坡”来衡量的，因此任何能在关键时刻帮助机车的因素都会提升其性能。正因如此，拥有大容量锅炉的机车才比那些小锅炉的机车更具优势。在攀登陡峭的上坡路段时，必须考虑到轨道倾斜度对锅炉内水面位置的影响，还要注意一旦节流阀关闭、蒸汽停止供应，水面高度会显著低于发动机正常运转时的水平。在每英里50英尺坡度的道路上，普通机车的蒸汽管前端会比顶盖的后端高出约1又3/4英寸。如果在这样的坡道上发动机处于高负荷运转状态，随后又遇到同样陡峭的下坡路段，那么蒸汽管前端的高度就会比上坡时低1又3/4英寸。因此，如果在到达坡顶前顶盖的后端有1又3/4英寸深的水，那么一旦蒸汽停止产生，这部分水就会暴露在火焰之下。

机车已到达下坡路段。这种状况十分危险，因为不仅顶板上的水位会降低1³⁄₄英寸，而且在关闭节流阀时，水位还会进一步下降。这些因素都表明，在上陡坡时让水位过低是极其危险的。

在将列车拉上陡坡时，必须格外小心，防止任何车厢从列车上脱落，因为这样的意外可能会造成严重灾难。

一旦机车到达坡顶，司炉就应该给主阀门上油，因为只有在停止供汽后才能进行这项操作——因为当蒸汽箱内还有压力时，油是不会进入其中的。而且由于在爬陡坡时阀门始终处于高负荷状态，阀门及其表面很容易变得干燥。由于饱和蒸汽能在一定程度上防止阀门磨损，所以在机车运转时有蒸汽存在时并不一定需要给阀门上油，但一旦停止供汽，就必须立即给阀门上油，否则阀门可能会因与阀座之间的摩擦而受损。

在下坡时，司机更需格外谨慎，因为此时列车更难控制，而且通常频繁的急转弯会使得司机无法看清前方相当长距离内的轨道情况。因此，他必须高度警惕地观察前方的轨道，以便及时向制动员发出信号让其施加制动；如果机车和列车配备了连续制动装置，那么就应使用该装置，甚至在危险情况下让机车倒车。

问题484：当列车无需在某些车站停靠时，应如何驾驶机车通过这些车站？

答案：在经过车站时，应降低列车的速度，尤其是当在接近车站之前无法清楚地看到轨道及道岔信号时。因为存在道岔被错误设置的可能性，或者车站内可能有障碍物，所以通过这些车站时必须格外小心。在接近车站以及所有普通道路交叉口时，都应通过哨子或铃铛发出适当的信号。

[109] 不同铁路系统的信号发送方式差异很大，因此无法给出适用于所有情况的通用指导。

问题485：在接近升降桥或与另一条平行铁轨的交叉处时，必须采取什么措施？
答案：在许多州，法律规定所有列车在通过升降桥或与另一条平行铁轨的交叉处之前都必须完全停止。无论是否有此类法律规定，都应遵守这一规则。列车停下后，在得到桥上或交叉处信号员发出的启动信号之前，绝不得再次启动。工作人员绝不能仅凭推测认为信号已经发出，也不能轻信他人的说法，而必须亲自确认。在某些天气条件下，或者当光线从特定方向照射在信号上时，有时很难判断信号的色彩或形状。如果有任何疑问，应寻求其他人的确认。有充分理由认为，色盲，即无法区分不同颜色的能力，其实比人们通常认为的更为普遍。同样可以确定的是，那些平时能够准确分辨颜色的人，在某些健康状况下也会出现色盲现象，而色盲有时也是过度劳累的结果；还有记录显示，有人因纵酒狂欢后便一直患有色盲。因此，机车司机不应过分依赖自己“亲眼所见”的信息，若有疑问，应采取谨慎态度，始终以安全为首要考虑。

问题486：列车进站时，应该如何操控机车和列车？
答案：首先，当列车进站并需要停车时，必须控制车速，避免列车以过大的动能进入车站。因此，根据路线的坡度情况，在距离车站1/4到3/4英里不等的范围内，应关闭蒸汽供应，从而降低车速，确保列车在任何情况下都能被完全控制。以较慢的速度进站总比过快进站更好，因为如果需要的话，还可以向气缸中注入更多蒸汽来提高速度以便最终停下；而如果列车速度过快，则很难停下来，必须在进站前就控制住车速。在某些情况下，这是必要的，因为在车站里，由于疏忽或意外，可能会发生车厢错位的情况。

列车若部分或全部停在即将经过的轨道上，而迎面而来的列车又必须行驶在该轨道上，那么碰撞及其带来的严重后果就不可避免了。当列车装有连续制动装置时，这种装置对列车驾驶员的操控力极大，导致驾驶员往往以高速接近车站、道口或升降桥，然后依赖这些制动装置来停车。这种做法极具危险性，因为如果在接近车站、道口或升降桥时发现轨道上有障碍物，或是升降桥处于开启状态，而驾驶员试图使用制动装置，但由于某些原因制动装置失灵——这种情况确实时有发生——那么就必然会发生碰撞或其他灾难，因为此时已无法用普通的手动制动装置来停下列车。因此，列车驾驶员在接近此类地点时必须格外谨慎，确保列车处于良好的控制之下，这样一旦发现前方有危险，就能用常规方法停车，最坏的情况下也可以通过倒车来停止列车。除面临紧迫危险的情况外，连续制动装置应始终逐渐施加压力，以避免突然制动导致车厢受到冲击。那种突然打开通向大气制动装置的阀门，然后再迅速关上的做法，几乎肯定会给车厢带来危险的震动。阀门应逐渐打开，以便让车厢慢慢减速。

问题487：在夜间驾驶机车时需要注意什么？
答案：天一黑，就必须立即点亮前灯并调整其亮度；如果相关规则要求，还应在机车前端设置适当的灯光信号。驾驶室里也应始终放置一盏灯，使其光线能够照亮压力表，但不要照到驾驶员的脸上，因为如果眼睛被近处的强光照射，驾驶员就无法清晰地看到远处的信号。夜间由于无法清楚地看到周围的物体，因此比白天更难以判断机车的行驶速度。因此，驾驶员应经常查看手表，同时通过倾听泵阀或其他机械部件的运转声来计算车轮的转动次数，再根据问题438的答案中所给出的公式来计算机车的行驶速度。根据这个公式，就可以为任何尺寸的机车制作出相应的速度表。

关于驱动轮的参数，它显示了每分钟转动指定次数时的速度。对于年轻的机车操作员来说，制作这样的表格是一种不错的练习；如果将此表格放在驾驶室显眼的位置，将会非常便于参考。

问题488：在极冷的天气里需要注意什么？
答案：必须格外小心，防止泵、管道以及水箱中的水结冰。一旦水结冰，就很可能导致泵损坏或管道破裂。为避免这种情况，必须打开加热装置，以保持水箱中的水处于温暖状态。在极其寒冷的天气里，运行机车时需要更加谨慎，因为此时铁质材料会变得更脆，而且由于轨道因结冰而变得坚硬，机车也更容易发生故障。

问题489：在暴风雪或暴雨中运行机车时，应注意什么？
答案：每当下雪时，应用木板或更好的金属板覆盖驾驶室或司机室，使其起到除雪的作用。还应在机车前轮前方放置钢丝制成的扫帚，以便清除铁轨上的积雪。同时，应保持灰箱前的挡板关闭，防止积雪进入灰箱，否则灰箱很快就会被填满，进而影响机车的牵引力。如果雪下得很大或形成雪堆，列车就必须以极慢的速度行驶；即便有部分轨道没有积雪，高速行驶也是危险的，因为一旦遇到厚厚的雪堆，机车很可能会脱轨。在暴风雨中，经过桥梁、涵洞以及那些容易被冲毁的轨道路段时也必须格外小心，尤其是在夜间。无论是下雪、暴雨还是大雾天气，由于难以看清信号，都需要格外谨慎。

问题490：所谓备用机车或“辅助机车”指的是什么？
答案：备用机车是指不用于牵引常规列车的机车，而是作为备用的，以便在因各种事故而不得不停运的机车需要帮助时使用，或者协助机车在陡坡上牵引列车，还可以用来清理失事的列车、重建桥梁或其他结构。

问题491：运行备用机车时应注意什么？
答案：由于在制定时刻表时通常不会为备用机车的运行做特别安排，所以……

铁路工人、那些“狂野”的机车——在道路状况不佳时，它们很可能会被要求去协助其他机车。因此，它们的司机必须时刻留意可能出现的停车信号，而这些信号往往会出现得十分突然。他们必须格外小心地切断动力，以确保不会妨碍在同一轨道上反向行驶的普通列车。当他们到达需要支援的列车或地点时，必须缓慢而谨慎地靠近，以避免发生剧烈碰撞。在从被支援的列车返回时，他们同样面临危险，必须密切注意同一轨道上反向行驶的列车发出的任何停车信号，同时也要通过适当的信号向那些列车发出警告。

[110] 列车时刻表是一种表格，上面标明了每列火车应到达的站点时间、需要停靠的站点，以及与列车运行相关的所有规定。

当一列火车由两台机车牵引时，位于前方的机车始终负责掌控列车的运行。后部机车的司机必须遵循前方机车司机的指令行事。启动时，必须先让前方的机车开始运转，然后再让后方的机车启动。停车时，则必须先关闭后部机车的蒸汽供应。在行驶过程中降低速度时，也必须由后部机车先调节蒸汽流量。如果不遵守这些注意事项，后方机车的高速运转就很容易把前方的机车挤出轨道。

当一列火车由位于列车后方的“辅助机车”来推动时，同样需要先让前方的机车启动，只有在前方机车司机发出信号后，才能为后部机车提供蒸汽。在行驶过程中，两台机车必须保持相同的速度。[111]

[111] 《机车结构与操作手册》，作者：乔治·科萨克。

问题492：如何管理调车机车？
答案：在车站里推动和调转货车时，必须小心操作，避免产生剧烈冲击，因为这样的冲击可能会伤及货车、车上的货物以及在场工作的人员。司机还必须严格且愉快地执行上级的指令，并做好相关检查。

耐心且谨慎地听取那些并非其上司的员工的建议。在这一工作中，还有一点尤为重要：司机在让机车启动之前，必须用哨子或铃铛发出明确的信号，以便及时提醒那些可能站在轨道上妨碍机车或列车行进的人，以及那些正在负责装卸、清洁或修理列车的人，让他们有时间避开。[112] [112] Georg Kosak。

问题493：在驱动机车时，最需要实现的目标是什么？
答案：首先也是最重要的，就是确保有足够的蒸汽，这样机车才能拉动列车并按时到达目的地[113]；其次，要以最少的煤炭消耗产生所需的蒸汽量；第三，要尽量减少烟雾的产生。不过，后者虽然与燃烧效率无关，但仅在对客运列车而言才显得重要。在考虑这个问题时，人们常常忽视的一点是：对于所有的机车来说，要产生足够多的蒸汽以完成工作往往极其困难。当货运列车在陡坡上拖着沉重的货物行驶，或者快速列车在类似条件下需要尽快到达时，机车能否正常运转往往取决于在特定时间内锅炉能够产生多少蒸汽。因此，在驱动机车时，最重要的目标往往就是尽可能在短时间内产生最多的蒸汽，即便这意味着要牺牲燃烧效率或增加烟雾的产生。任何能够节省燃料或减少烟雾、从而降低锅炉产汽能力的措施，都必然会被舍弃。[113]“按时到达”指的是以时刻表上规定的速度行驶。

问题494：如何让锅炉在特定时间内产生最多的蒸汽？
答案：就是在该时间内让炉排上燃烧尽可能多的燃料。要做到这一点，就需要保持炉排上没有结块物，灰斗里也没有灰烬，然后将煤炭均匀地铺在炉排上，厚度为6到12英寸。这样的层厚才能……

不过，最佳效果会因燃料的质量而异，必须通过经验来确定。如果煤层过厚，就会有不足的空气穿过它来燃烧煤炭；如果煤层过薄，那么会有过多的空气通过，从而导致火炉内的温度下降。将煤炭破碎成拳头大小或更小的块状，也能加快燃烧速度。如果使用细煤，则需将其弄湿，否则在燃烧之前就会被气流带入烟道，甚至无法到达炉栅。只有通过经验才能确定在火炉上方应引入多少空气，才能实现最大的蒸汽产量。排气喷嘴的最佳尺寸以及辅助管道的位置也需依靠经验来确定。不过通常情况下，如果在火炉上方引入足够的空气以防止烟雾产生，就会降低单位时间内所能产生的蒸汽量。此外，还应当定期向火炉中添加燃料，且每次添加的量不宜过多；不过如果加料过于频繁，由于炉门频繁开启而导致的冷却效应所带来的损失，会超过规律加料所带来的好处。在这方面，司炉人员同样需要依靠经验来指导自己的操作。

问题495：如何以最少的煤炭消耗为机车提供动力？
答案：该国采用两种燃烧方式，一种称为“堆叠式燃烧系统”，另一种称为“铺展式燃烧系统”。在堆叠式燃烧系统中，煤炭被堆放在火炉的后部，如图218所示，然后逐渐向炉栅前方倾斜，那里的煤层较薄且处于活跃的燃烧状态。后部的煤堆会在火炉中的热量作用下逐渐结焦，同时气体也会被排出。炉门上的开口让空气进入，这些空气与排出的气体混合后，再经过前方的明火，从而被燃烧掉。当后部的煤堆完全结焦后，就会被推到明火处，随后又会在其后部添加新的煤炭继续结焦。这种燃烧方式在某些铁路线上取得了不错的效果，但对于那些容易结焦的煤炭来说，其效果则值得怀疑。铺展式燃烧系统则在美国西部地区最为常用，因为那里的煤炭中含有大量结焦物。在这种系统中，煤炭会被均匀地铺在整个炉栅上，形成一层薄薄的煤层。

成败与效率取决于煤层的厚度以及燃料添加的规律性。煤层厚度必须根据引擎的运行状态来调整：当引擎负荷较轻时，煤层应较薄；而当引擎需要强力驱动时，则需使用更厚的煤层，否则强烈的气流可能会将煤层从炉排上吹走。如第388题所解释的，该系统的有效性取决于对火焰厚度的控制方式、向火焰上方供应的空气量以及添加煤料的频率。使用这种燃烧方式时，每次不应一次性向炉膛中加入超过两铲的煤，如果引擎负荷不大，一铲甚至更少即可。不过，司炉工必须通过经验来确定能够获得最佳效果的火焰厚度、所需空气量以及加煤频率。显然，这些参数会因燃料种类和引擎结构的不同而有所差异。通常，导致无法取得良好效果的最大的障碍在于，司炉工往往不愿付出应有的努力和细心观察，而唯有如此才能确保工作的成功。

第496题：如何最有效地防止烟雾产生？
答案：关于防止烟雾的方法，已在第379题和第388题中详细说明。简而言之，只有通过合理控制进入火焰的空气量才能做到这一点，相关方法也已阐述过。

第497题：使用无烟煤时采用何种燃烧方式？
答案：此时仅使用铺煤法。

第498题：使用烟煤时，司炉工应遵守的规则可简要概括为哪些？
答案：1. 保持炉排、灰斗和管道的清洁。2. 将煤块打碎成小块。3. 经常少量加煤。4. 尽可能少打开炉门。5. 经常查看蒸汽表，保持稳定的蒸汽压力；如有必要降低压力，应通过关闭灰斗上的风门来实现，而非打开炉门。

第499题：当火车在某站停留时间超过几分钟时，机车司机和司炉工应关注哪些事项？

答案：如前所述，机车司机应彻底检查发动机的所有部件。他尤其需要检查所有的轴颈和磨损表面，看它们是否过热。可以通过触摸来判断其温度。如果这些部位变得非常热，就必须用冷水将其冷却，然后再彻底涂上润滑油。在给过热的轴颈涂油时，绝不能使用矿物油，因为矿物油会因高温而迅速蒸发，甚至引发火灾；因此，为过热的轴承应始终使用动物油。如前所述，各运动部件也需得到充分润滑。

司炉员应检查水箱，判断是否需要补充清水。随后他还需检查炉栅和灰斗，清除炉栅上的煤渣和碎屑，以及灰斗中的灰烬。如果不清理灰斗，可能会导致炉栅变形甚至损坏，同时灰烬会阻碍空气进入炉栅，从而影响燃烧的完全性。对于某些类型的燃料，还需要经常清洁管道，而这通常需要在列车停靠的站点进行。

在列车停靠期间，机车司机和司炉员应在时间允许的情况下对发动机进行彻底检查；但应避免不必要的时间浪费，同时要合理控制燃烧状况，使得在车站停留期间无需进行任何处理。再次启动时，也应采取与首次启动时相同的预防措施。

问题500：当列车行驶到终点后，应如何清洁和修理发动机？

答案：在到达最后一站之前，应合理控制燃烧过程，尽量减少发动机末尾炉膛内的余火。到达终点后，应将发动机开到专门设置的检查坑上，然后通过打开炉膛的检修门、将炉栅倾斜，或必要时抽出部分炉栅，把炉膛内的余火扫入灰斗中，这样就可以轻松地将余火清除。全部余火清除后，应关闭风门和炉门，防止冷空气过快冷却炉膛和管道。

为了保持锅炉的清洁，使其尽可能没有沙子、沉积物或结垢，如果使用的水中含有大量固体物质或易形成结垢的成分，就需要经常对锅炉进行吹扫。

锅炉中的水应尽可能频繁地排出。在某些道路上，每次行驶后都需要进行此项操作。在排空锅炉水时，必须保持排气阀处于打开状态，待所有水都排出后，还需让发动机静置直至冷却。如果锅炉内积累了大量泥浆或沉积物，则需要拆下炉膛底部的检修孔以及泥浆桶的盖子，通过这些开口将尽可能多的泥浆清除出去。随后，可将连接在高压泵软管上的水管插入这些开口，用强力水流冲洗锅炉内部，这样就能冲走大部分松动的泥浆和水垢。当然，这样做得越频繁，锅炉就能保持越干净。如果管道周围积累了大量水垢或泥浆，则必须取出部分或全部管道，才能清除污垢。

在排空锅炉水之后，除非有绝对必要的情况，否则绝不能立即向锅炉中注入冷水，直到其完全冷却为止。需记住，锅炉内的温度骤变会对其造成巨大压力，甚至可能导致炉膛钢板开裂或管道泄漏。

燃料箱内也会逐渐积聚泥浆，也需要定期清理，但无需像清洁锅炉那样频繁。所有钢板和烟道上的烟灰也必须彻底清除。

虽然锅炉及炉栅的清洁工作通常由专门的人员负责，但机车司机仍应亲自检查，确保工作得到妥善完成。他需要注意炉栅的状况，查看其是否平整光滑。一旦有某根炉栅条出现弯曲，通常就会导致燃烧不正常。如果有一根炉栅条被烧断，火焰就会从该缺口处进入灰斗，进而使炉栅下方的火焰变得极为炽热，最终可能熔化所有的炉栅条。因此，任何略有损坏或弯曲的炉栅条都必须尽快更换。

当机车被牵入机库后，应立即用棉布或抹布擦去从磨损表面渗出的多余油脂，以及附着在机车上的灰尘或泥浆。这项工作通常由专门负责的人来完成。他们在工作的同时，还应仔细检查机车的各个部件，判断其状况是否良好，一旦发现任何缺陷，就应及时上报。

负责对这些设备进行维修的合适人员。由于消防员的尽责程度与技术水平往往可以通过其所操作的设备的状况来判断，因此，即便没有其他原因，他也应当努力保持设备的清洁，使其各项功能处于最佳状态。如果需要拆解设备以便进行彻底维修，那么操作员即便不亲自参与拆解工作，也应当仔细观察拆解和重新组装的过程，这样就能充分了解自己所操作的设备的结构。

问题501：如果机车需要停用，应采取哪些措施来防止其内的水结冰？

答案：在极其寒冷的天气里，如果机车需要停用较长时间，那么必须确保水箱、锅炉以及所有管道中都没有水残留。不过，如果机车很快就要再次使用，而无法将锅炉和水箱中的水排空，那么就必须在锅炉内保持微弱的火势，以产生足够的蒸汽来加热水箱中的水。同时，还需要将泵以及进水管和供水管中的水排出。这可以通过打开泄压阀、关闭水箱阀门以及断开软管来实现，这样供水管中的水就会流走。让发动机运转几圈后，泵中的水就会被排空。即便不切断软管，也可以通过关闭水箱阀门、打开泄压阀，再通过加热阀向供水管中注入蒸汽，从而防止管道和泵结冰。这样一来，泵中的部分水会被迫从泄压阀流出，其余的水则会被加热。不过，这种方法需要持续关注以防结冰；在极其寒冷的天气里，如果机车确实需要停用较长时间，最好的办法还是将泵和管道中的水全部排空。

第二十八章　机车事故
问题502：在机车运行过程中，可能发生的最严重的意外有哪些？
答案：最严重的意外包括：
1. 两列相向而行的列车发生碰撞。
2. 行驶中的列车与静止的列车相撞。
3. 两条铁路交叉处发生列车碰撞。
4. 列车冲入升起的铁路桥下留下的空隙中。
5. 机车无人操控而自行移动。
6. 列车脱轨。
7. 锅炉爆炸。
8. 烟道破裂或坍塌。
9. 锅炉上的螺栓、螺柱或铆钉脱落。
10. 给水泵、喷射器或止回阀失效。
11. 气缸、气缸盖、蒸汽室或蒸汽管道破裂或损坏。
12. 活塞、十字头断裂或松动，或者活塞杆弯曲。
13. 连接杆或曲轴销断裂。
14. 轮胎、车轮或车轴断裂。
15. 弹簧、弹簧吊架或平衡装置断裂。
16. 机车框架断裂。
17. 阀门装置的部分部件断裂或松动。
18. 节流阀失效。
19. 联结装置断裂。
问题503：当两列列车相向而行时，应采取什么措施来防止碰撞？
答案：显然，应尽快让列车停止。具体做法是立即全力施加制动力，然后让机车倒车；不过，在列车完全停下之前最好还是不要这么做。

需要适当控制速度，因为如果发动机在高速状态下突然倒转，就有可能导致气缸爆裂，或是气缸盖、活塞以及各种连接部件损坏。当然，速度越高，由此带来的危险也就越大。因此，如果有时间的话，最好在倒转发动机之前先检查列车的速度。当发动机倒转时，应打开撒沙阀，以提高车轮的附着力，这样在车轮运动方向改变时就能尽快降低列车的速度。一旦发现前方有危险，应按照以下步骤行事：1. 关闭油门阀；2. 如果列车仅配备手刹，则发出危险信号以使用手刹，或者如果列车装有连续制动装置，则全力使用该装置；3. 倒转发动机，并同时打开油门阀和撒沙阀；4. 如果碰撞不可避免，在两车相撞之前必须关闭油门阀，因为如果油门阀保持开启状态，那么在碰撞发生后、列车速度降低后，若发动机仍能正常运转，它就会凭借自身动力冲破残骸，从而造成进一步的破坏。

问题504：如果静止的列车发现有另一列列车正在靠近，存在碰撞的危险，应该怎么办？
答案：静止列车的机车司机应尽快以与迎面而来的列车相同的方向启动发动机，因为当两列列车同向行驶时，碰撞产生的冲击力会比其中一列静止时要小得多。

问题505：在铁路交叉口如何避免碰撞？
答案：正如对问题485的回答中所说的，列车在穿越同一高度上的另一条铁路之前，必须完全停止。不过，如果无论如何都会出现碰撞的危险，那么显然应该让其中一列列车停下，另一列列车则尽快让开。

问题506：如何避免撞上升降桥的开口处？
答案：首先，要在到达该开口之前确保列车完全停止；其次，只有在确定升降桥已经完全升起之后，才能再次启动发动机。

已关闭。当然，如果迎面而来的列车上的司机制动装置出现故障，他唯一能做的就是尽快停车。

问题507：应采取哪些措施来防止机车在没有负责人在旁的情况下失控？

答案：首先，当机车停置时，必须始终关闭并固定好节流阀，同时打开气缸阀门，这样即使有蒸汽泄漏到气缸中，也不会积聚在那里，而是会直接排出。此外，倒车杆也应置于中间位置，这样一旦节流阀意外打开，机车也无法启动。

问题508：如果机车失控了，应该怎么办？如何将其截停？

答案：首先要向机车可能行驶方向的各个车站发电报，要求他们清空轨道，或者如果有列车正在接近，就切换轨道，让机车偏离正轨。也可以让速度更快的机车去追截失控机车，但这种方法存在很大风险，因为那台机车可能会脱离轨道或发生事故。更安全的做法是提前发电报，在预计机车会出现的方向上选择一个能够远距离观察轨道的位置安排一台机车待命。一旦看到失控机车，那台待命机车就应朝同一方向启动，这样当两台机车靠近时，它们就会以几乎相同的速度朝同一方向行驶。通过调节前方机车的速度，可以让后方的机车慢慢接近它，然后工作人员就可以轻松地从一台机车爬到另一台上，从而让两台机车都停下来。

问题509：如果机车脱轨了，应该怎么办？

答案：首先要关闭节流阀，并发出“制动信号”，[114]；如果列车配备了连续制动装置，则应使用该装置。之后还要让机车倒车。如果机车停止后的位置非常倾斜，通常需要关闭火源，以避免加热表面受到损坏——因为那些部分通常暴露在蒸汽中，所以没有用水覆盖。

[114] 在铁路行业里，这一表述的意思是通过吹哨子向制动员发出信号，让他们施加制动力。

问题510：如果机车脱轨了，应如何将其重新放回轨道上？
答案：由于实际情况下的情况千变万化，因此很难给出适用于所有情况的处理方法。如果机车只是稍微偏离轨道，通常可以在车轮下放置木块，使其逐渐回到正确位置；但如果机车侧翻或滚下路基，那就需要使用那些如今几乎在所有铁路上都配备的专用设备来清除残骸并重新安置机车。这类设备一般存放在所谓的“故障处理车”或“工具车”中，这些车辆停放在铁路线上便于取用的位置，可以随时被派往需要帮助的地方。这类车辆通常配有绳索、千斤顶、链条、撬棍、杠杆等工具，用于处理此类情况；同时还会有一组专门的人员随车，负责指挥和协助重新安置机车。要详细描述各种不同情况下的处理方法实在过于复杂，而且由于这种工作很少属于机车司机的职责范围，因此在此无需详细说明。

问题511：在发生事故导致机车无法运行时，首先应该做什么？
答案：首先要做的是“保护列车”，也就是向各个方向派遣信号员，让即将到来的列车停下来，否则它们可能会撞上发生事故的列车，从而导致二次事故。

问题512：锅炉爆炸的主要原因是什么？
答案：正如一位著名的美国工程师所指出的，[115]所有锅炉爆炸的根本原因都是锅炉内部的压力超过了其外部材料所能承受的压力。这种情况可能由两种原因造成：第一种也是最常见于机车上的情况，即锅炉的强度不足以承受正常工作时的压力；第二种则是由于热量和压力逐渐增加，最终使得压力超过锅炉的设计承受极限。
[115]参见《美国机械师协会第五份年度报告》，第196页。
锅炉强度不足的原因可能包括：1. 初始设计存在缺陷，因为设计者未能充分了解锅炉材料所将承受的应力及其抗压能力；2. 加工工艺不良。

这些缺陷通常通过仔细检查就能发现；第三种原因是锅炉因日常磨损或疏于维护而丧失原有强度，这类问题同样可以通过仔细检查识别出来。前两种原因已在关于锅炉结构的章节中详细讨论，而最后一种原因则属于机车检查的范畴。

过压现象几乎总是由安全阀存在缺陷或承受过重负荷所导致的。后者往往是因为蒸汽表出现故障，显示的压力值过低，从而导致安全阀无法正常工作。此外，当发动机在火箱内燃烧剧烈且鼓风机仍在运转时，也有可能出现过压情况。

如果突然打开节流阀，锅炉无疑会承受极大的压力，这种压力甚至可能足以导致锅炉损坏，即便该锅炉原本具备承受安全阀开启时所需压力的能力。突然打开或关闭节流阀会导致蒸汽和水以巨大的力量冲向锅炉的蒸汽抽取部位。在这种情况下，水和蒸汽的冲击力足以使整个锅炉震动，甚至让安全阀暂时从阀座上脱落。[116] 机车最薄弱的部位就是炉筒与外部火箱相连的两侧。许多锅炉，尤其是那些炉顶较高的型号，在这一部位存在平坦的区域，根本无法进行有效固定。正是此处，管道与外部壳体之间的膨胀和收缩会产生最大的应力，因此通常情况下，这一部位的接缝会比其他部位更早出现泄漏现象。基于这些原因，人们认为所有连接火箱外部壳体与炉筒的接缝都应采用双铆接方式处理。[116] 源自《威尔逊论锅炉结构》。

将锅炉爆炸归咎于一些难以解释的原因的做法只会带来诸多危害，因为它会让负责管理锅炉的人变得疏忽大意，因为他们误以为再怎么小心也无法避免锅炉内部那些“神秘因素”带来的问题。在没有其他合理解释的情况下，人们也常常将爆炸归因于水位不足。但实际上，这往往只是将责任从机车制造商或所有者身上推到操作员或司炉身上的借口罢了，而这些操作员或司炉即便没有因此丧命……

在许多情况下，就机车自身的防御能力而言，爆炸其实也是不可避免的。[117]
[117] 威尔逊所著《锅炉构造》。

问题513：机车司机和司炉应采取哪些措施来避免和防止爆炸？
答案：1. 必须始终保持锅炉内的水位，使其能够覆盖所有的加热表面。2. 要尽量保持锅炉的清洁，避免水垢、污物及其他杂质的积累。3. 不要让锅炉受到突然加热或冷却带来的应力影响。4. 应经常检查并测试蒸汽压力表和安全阀，确保其功能正常。5. 需要检查锅炉中所有可触及的部分，尤其是固定螺栓，确保没有断裂、腐蚀或其他危险缺陷。

问题514：如果锅炉中的管道发生破裂或坍塌，应如何处理？
答案：一旦发现这种情况，司机必须立即停止列车，首先用专用的铁塞堵住火箱处的烟道口，然后再堵住烟箱处的烟道口。这些铁塞通常固定在一根杆子上，通过该杆子将铁塞插入管道中。如果管道内泄漏的水和蒸汽过多，导致无法看清管道末端，可以启动鼓风机将蒸汽从烟囱排出。但如果泄漏量过大，以至于无法插入铁塞，则需要通过同时启动两个泵或使用喷射器来降低蒸汽压力；或者不得不熄火并让发动机冷却下来。当烟道坍塌且其前端位于蒸汽管之后时，通常需要先让发动机冷却，才能插入铁塞，尤其是当有大量水和蒸汽从该处泄漏时。在插入铁塞的过程中，司机和司炉必须始终处于安全的位置，以防铁塞被蒸汽冲出而伤到他们。如果发动机没有配备铁制烟道塞，可以用适当尺寸的木塞代替，将其固定在杆子上并插入管道中；如果发动机没有这样的杆子，也可以用长杆作为支撑，将木塞固定在杆端后再插入管道中。

可以发现，即便烟道末端被堵住，这样的塞子也会逐渐烧尽，但不会完全熄灭。
问题515：如果锅炉中的螺栓、螺柱或铆钉脱落，导致蒸汽或热水泄漏，应如何处理？
答案：如果能够接近该部位，可以在长杆的末端制作一个塞子，然后按照上述方法将其插入其中。这样就不必让发动机冷却下来；但在某些情况下，即使插入塞子也可能会使火势减弱并导致锅炉冷却。
问题516：如果必须让火势减弱并冷却锅炉，且泄漏的水量已经多到足以露出顶板，应如何处理？
答案：如果泄漏已经得到控制或故障已得到修复，就可以取下一个安全阀，然后通过该安全阀留下的开口用桶将水倒入锅炉中，直到顶板再次被水覆盖。之后就可以重新点燃火势，让发动机继续运行。如果使用烟煤作为燃料，那么在发生事故时，可以通过用湿的细煤将火势完全覆盖起来，同时关闭风门并打开炉门，从而避免需要熄灭火势。这样一来，锅炉就能在故障得到修复后继续正常工作，无需重新点火。
问题517：如果给水泵、喷射器或止回阀中的一个或两个出现故障，应如何处理？
答案：如果其中一个泵出现故障，还可以使用另一个泵，但必须尽快修复第一个泵的故障，因为第二个泵也有可能出现故障。此时就只能依靠喷射器来为锅炉供水了。只有当所有用于向锅炉供水的设备都出现故障，且水位低到可能露出顶板时，才需要让火势减弱或用煤覆盖火势。此时，司机应立即发出警报信号，以保护列车。如果他无法修复这些泵或喷射器，就必须向最近的救援点寻求帮助。
问题518：如果泵出现故障，应如何检查以找出故障所在？
答案：如问题458的答案所述，泵的工作状态通常可以通过从泵的排气阀流出的液体来判断。如果打开排气阀后有蒸汽和水流出，那就说明存在故障。

止回阀无法正常工作。当出现这种情况时，如果发动机处于静止状态而阀门被打开，热水就会泄漏出来；不过，只要上部的阀门或压力阀能够正常工作，泵仍可向锅炉供水。当止回阀不能正常发挥作用时，由于热水会通过止回阀从锅炉中泄漏出来，因此进水管也会变热。如果将泵的活塞抽出后，空气会通过打开的阀门进入泵内，那就说明泵的上部阀门或压力阀出现了故障，不过止回阀仍有可能维持泵的正常运转。但如果泵、空气室以及进水管里都充满了空气，那么活塞在每次往复运动时都会压缩这些空气，而这些空气又会随着活塞的向外运动而膨胀。这样一来，当活塞向内移动时就会有空气从阀门中泄漏出来，而当活塞向外移动时则会有空气被吸入。可以通过将手放在阀门前来判断这一点。不过通常情况下，空气会与水混合在一起，因此从阀门流出的水流会是断断续续或不规则的。如果活塞向内移动时有空气泄漏出来，但向外移动时却没有空气被吸入，那就说明泵或管道某处存在泄漏，泵实际上是在输送空气而非水。泄漏点可能位于活塞的填料箱、泵或管道的连接处、软管，或是它们与供水管或储水器的连接部位。如果泵的活塞向内移动时既没有空气也没有水泄漏出来，或者此时水流很弱，那就说明泵的吸水阀或下部阀门存在故障。如果管道、泵或阀门被堵塞，也会出现同样的情况。在吸水阀上方通常会设有一个阀门，它在泵无法正常工作时有助于我们找出故障所在。如果打开这个阀门后有冷水流出，那故障就在吸水阀上；如果有热水流出，那就说明压力阀和止回阀存在泄漏、堵塞或损坏的问题，从而导致锅炉中的热水倒流回泵中。如果没有这样的阀门，通常可以通过用手触摸泵体来发现故障。如果泵仍然无法正常工作，且故障出在下部阀门上，那就需要将其取出进行检查；如果是管道的问题，通常则可以很容易地加以修复。如果管道只是出现了破裂……

如果是小裂缝，通常可以用帆布或橡胶将裂缝处盖住，再用绳子紧紧缠绕即可。不过，在拆卸泵的上阀之前，必须先确保止回阀是密封的，因为如果不密封的话，拆卸泵时就很容易导致人员被烫伤。

关于如何操作喷射器以及如何在寒冷天气中保养泵的说明，已在问题142和488的答案中给出。

问题519：如果气缸或气缸盖出现破裂，应如何处理？
答案：必须先拆下发动机该侧的连杆。然后将活塞移到气缸的前端或后端，在导轨之间放置木块，以填满十字头与导轨末端之间的空隙，从而防止十字头和活塞移动。接着要将阀杆与摇臂断开，并将阀门移至阀面中间，这样就能遮住两个蒸汽通道。之后通过拧紧阀杆填料箱的螺栓，使填料压紧阀杆，将其固定在该位置。随后应使用一个气缸小心地推动列车前进到下一个车站。如果单个气缸无法驱动列车，那么就必须将列车与列车解开，然后把发动机开到第一个电报站或其他可以获得辅助发动机帮助或发送求援信号的地方。与此同时，必须通过适当的信号来保护列车。如果发动机仍需依靠单个气缸继续行驶，而它恰好处于死点状态，那就需要通过推挤或使用撬棍来启动它。但使用时切勿将撬棍插入车轮的辐条之间，因为一旦发动机启动，这些撬棍很容易卡在车轮里，从而导致辐条断裂或使用撬棍的人受到严重伤害。

问题520：如果蒸汽箱或蒸汽管道发生破裂，应如何处理？
答案：如果蒸汽箱破裂，应在蒸汽通道的开口处用木块固定住，以防止蒸汽从该侧的蒸汽管道中泄漏出来。有时候，要想找到合适的方法来固定这些木块，以便完全封住蒸汽通道的开口，需要相当多的巧思。由于现在的发动机通常……

制作完成后，可将这些块体切割成合适的形状和尺寸，然后在上面放置一块厚木块，再将蒸汽箱的盖子用螺栓固定在上面。如果盖子损坏了，可以使用其一部分，或者用一块钻有几个孔的木板来代替。在某些情况下，也可以在蒸汽管的末端用螺栓固定一块木板。当蒸汽管损坏时，应将其拆下，然后在原本连接蒸汽管的管道开口处用木板或木条封住。这样，发动机仍可像以前一样仅依靠一个气缸运转，不过通常情况下，除了阀杆之外，无需拆卸其他部件。

问题521：如果活塞、十字头、连杆或曲柄销断裂或变形，应如何处理？
答案：如果活塞、十字头或主连杆断裂，处理方法与气缸断裂时相同。如果从动轮的连杆或曲柄销断裂，则需要拆下两根连杆，但除非主连杆或其连接部位也受损，否则无需拆下它们。

问题522：如果一根连杆断裂或被拆下，为什么另一根也必须被拆下？
答案：因为如果只使用一根连杆，就无法帮助从动轮的曲柄克服死点，所以在启动时，或者当曲柄接近死点时转速较慢的情况下，曲柄很可能会向一个方向转动。如果曲柄的转动方向与所连接的轮子的转动方向相反，那么其中一对轮子的曲柄销就很容易断裂或变形。

问题523：如果驱动轮的轮胎或驱动轴断裂，应如何处理？
答案：如果主驱动轮的轮胎或轮子本身断裂，应在该轮子的驱动箱下方放置木块以支撑住该箱子。这样，普通的美国式发动机仍可以依靠三个驱动轮运转，但必须格外小心。如果发动机有四个以上的驱动轮，那么当其中一个主轮受损时，其运转难度通常会比只有四个驱动轮时要小。不过，几乎不可能为不同类型发动机可能出现的所有此类故障提供通用的处理方法。如果所有的连杆、曲柄销或曲柄销座都没有受损，那么……

无需断开任何一侧的连接，但如果损伤严重到必须拆下某一侧的连接杆，那么另一侧的连接杆也必须被拆下。如果主曲轴销和连接杆没有受损，即使有一个主轮或轮胎损坏，两个气缸仍可继续使用。不过，即便必须完全断开发动机的一侧连接，发动机仍然可以通过一个气缸并驱动一个车轮来运转。如果主轴断裂，发动机通常仍可运转，但必须格外小心。在这种情况下，如果事故发生地附近有救援人员或电报站，最好立即寻求帮助，而非冒险尝试让严重受损的发动机继续运转。

问题524：当驱动轮、轮胎或车轴断裂时，应采取什么措施？
答案：应采取与前述答案中相同的处理方法，不过一般来说，驱动轮或车轴断裂时的处理难度要低于主轴发生类似故障时的情况。

问题525：如果发动机的拖车轮或车轴断裂，应如何处理？
答案：最好的做法是将拖车框架的末端用链条固定在断裂的车轴或车轮上，再在拖车框架的另一端与其与发动机框架之间放置一根横杆，这样发动机的重量就可以由这根横杆来承受。如果轮缘的某部分或车轮的某个部件已经断裂，应把车轮转过来，让未断裂的部分接触铁轨，然后通过链条或其他方式将车轮固定住，使其无法旋转，从而让车轮在铁轨上滑动，以此来承受发动机的重量。如果拖车的轮子断裂，也需采用同样的处理方法，不过需要将拖车框架的一端用链条固定住。通常还需要在拖车的顶部放置一根横杆，并将链条固定在上面。

问题526：如果驱动弹簧、弹簧吊架或平衡杆断裂，应如何处理？
答案：由于弹簧或弹簧吊架的断裂可能会引发更严重的后果，因此一旦出现这种情况，应尽快停止发动机和列车的运行。如果吊架已断裂且手头有备用的，应立即用备用件替换掉断裂的部件。如果没有备用件，则需拆下弹簧，再放置一块木块。

在驱动箱的顶部与框架之间放置一块木块，以承受原本由弹簧承担的重量。如果要插入这块木块，若是前端的弹簧损坏了，通常最好使用千斤顶将发动机抬高，或者在每个后轮下方放置倾斜的木块，这样就能让前轮不再承受重量，进而可以将木块插入驱动箱与框架之间。如果是后轮上的弹簧损坏了，则需将前轮放在木楔上。这类木楔可以用斧头从横杆上砍出来，或者将一根方木对角锯开，就能得到两个木楔。位于损坏弹簧旁的平衡杆末端需要用木块支撑住，通常另一端悬挂的重量就能牢牢固定住该木块。

问题527：如果发动机的弹簧坏了，应该怎么办？
答案：处理方法与驱动弹簧损坏时大致相同，只不过通常可以通过在卡车框架的末端下方放置千斤顶来更轻松地抬起重量。此外，每根卡车弹簧通常都是支撑着两个车轮的重量，因此必须对这两个部分进行固定。

问题528：如果发动机框架损坏了，应该怎么做？
答案：通常情况下几乎不需要采取什么措施，只需在行驶时格外小心并降低速度即可。当然，框架的损坏可能会导致发动机无法正常工作，但一般情况下并非如此。

问题529：如何判断轴上的偏心轮是否发生了位移？
答案：可以从排气的异常声音中立刻判断出来，或者用机车操作员的话来说，发动机就会“走调”。

问题530：一旦确定偏心轮发生了位移，该如何找出是哪个偏心轮位置不对？
答案：通常可以通过检查偏心轮和轴上应有的标记来判断。如果发动机的制造者没有留下这些标记，那么操作员就应在正确安装阀门后再自行标记。当偏心轮发生位移时，会影响阀门的间隙大小。

因此，可以通过让发动机以较低转速运转，先让连杆处于全前进档，然后再让其处于全后退档，同时观察在曲轴到达死点之前，气缸的两端是否有蒸汽进入，从而判断是哪个偏心轮发生了位移。如果偏心轮向某一方向移动，那么提前量就会增加，蒸汽会在活塞到达行程末端之前就进入气缸；如果它向相反方向移动，那么提前量就会减少，蒸汽则要等到活塞到达行程末端之后才会进入气缸。蒸汽的进入情况可以通过观察其从气缸阀门中逸出的情况来判断。

问题531：如果阀杆或某个偏心杆的长度发生了变化，该如何判断呢？
答案：应将曲轴置于其中一个死点位置，并打开气缸阀门；然后稍微打开节流阀，向气缸内注入少量蒸汽，接着将反向操纵杆从全前进档切换到全后退档，观察活塞所在位置的气缸末端是否有蒸汽逸出。之后再在另一个死点位置重复此操作。如果偏心杆或阀杆的长度发生了变化，那么阀门就会遮住气缸前端或后端的蒸汽通道，导致该端的阀门无法让蒸汽逸出。如果某个偏心杆的长度发生了变化，那么当该杆处于工作状态时，气缸一端的提前量会过小甚至为零，而另一端则会有过大的提前量。如果这种情况出现在前进档状态下而非后退档状态下，那就说明是前进档的偏心杆长度发生了变化；反之，则说明是后退档的偏心杆长度发生了变化。需要注意的是，如果偏心杆的长度发生变化，只有由该杆控制的连杆部分才会出现提前量变化。也就是说，如果前进档的偏心杆过长或过短，那么只有处于前进档状态时气缸前后端的提前量才会受到影响；如果后退档的偏心杆发生了变化，那么只有处于后退档状态时阀门才会受到影响。不过，如果阀杆的长度发生了变化，那么无论处于前进档还是后退档状态，提前量都会发生变化。当然，发动机两侧的阀门也可以用同样的方法进行测试。

问题532：一旦确定是哪个偏心轮发生了位移，应如何将其复位呢？

答案：如果阀门已经做了标记，只需将其重新调整，使标记再次对应即可。具体操作是先松开固定螺丝，将偏心轮转到正确位置后，再重新拧紧螺丝。当偏心轮出现滑动现象时，通常是由于偏心轮皮带、阀门或阀门传动装置的其他部件磨损所致，因此应定期检查这些部件是否已涂抹了适当的润滑油。如果阀门没有做标记，可以通过将曲轴置于前进死点位置，再将反向杠杆置于扇形齿轮的前部凹槽中，同时让前进方向的偏心轮完全位于轴的上方，来调整阀门位置。接着向蒸汽箱中注入少量蒸汽，打开气缸阀门，缓慢推动前进方向的偏心轮向前，直到蒸汽从前侧气缸阀门中排出——这表明蒸汽通道已打开，阀门也有了适当的间隙。要调整后退方向的偏心轮，则需将曲轴置于相同位置，但要将反向杠杆置于后部凹槽中，同时让偏心轮的完整部分位于轴的下方，然后像之前一样推动该偏心轮向前，直到蒸汽从前侧气缸阀门中排出。为确认偏心轮的位置，可将曲轴置于后进死点位置，来回移动反向杠杆，同时观察在连杆处于前进或后退状态时是否有蒸汽从后侧气缸阀门中排出。

问题533：如果偏心轮皮带或杆、摇臂或轴、或者阀杆发生断裂，应如何处理？
答案：如果偏心轮皮带或杆断裂，应拆下断裂的部件，将阀杆与摇臂断开连接，同时将阀门固定在阀面中间位置，之后让发动机仅以一个气缸运转。如果摇臂断裂，通常也需要采取同样的处理方式。若阀杆断裂，则无需断开连杆和偏心轮杆，只需将阀门固定在阀面中央即可。

问题534：如果连杆吊架或支架、或者提升臂发生断裂，应如何处理？
答案：可以在发动机对应的一侧的连杆槽中放入木块，以此支撑连杆，使其能够在其完成全行程推动阀门的位置附近正常工作。当然，此时发动机只能单向运转，因此必须格外小心。不过，如果需要将发动机引导到备用轨道上，可以取出那个木块来实现这一目的。

用更长的部件来替代原来的部件，这样就能在阀门处于全程向后移动的位置附近为连接装置提供支撑。这些部件必须通过绳索或麻绳等方式固定住，这样才能在发动机运转时保持其位置不变。

问题535：如果提升轴本身或其垂直臂、反向杠杆或杆件发生断裂，该怎么办？
答案：如果无法找到任何临时替代品或修复方法，那么就可以按照上述方法将两个连接装置固定住。

问题536：如果节流阀出现故障，应该怎么办？
答案：一旦发生这种情况，尤其是发生在车站附近时，将会带来极大的危险。如果发现无法通过节流阀切断通往气缸的蒸汽，那么应将反向杠杆置于中间位置。如果这样做仍无法阻止发动机继续运转，那就应交替将反向杠杆切换到前进档和后退档，同时打开所有阀门，如安全阀和加热器阀门，并采取一切措施尽快冷却锅炉。司炉员应打开炉门，关闭灰斗的挡板，启动鼓风机，让冷空气大量进入炉子及管道中。同时还要启动喷射装置，尽快熄灭火焰。待锅炉冷却后，如果仍无法发现故障所在，就可以打开蒸汽穹顶的盖子检查阀门。当然，如果事故发生在行驶途中，就必须立即向各个方向发出信号，以保护列车。

问题537：如果车钩发生断裂，应该怎么办？
答案：当列车车厢或煤水车之间的车钩断裂时，如果立即停止列车的前端，那么已经脱离连接的列车后端就有可能撞上前端，从而造成严重损坏。通常，当客运列车的车钩断裂时，驾驶室里的信号铃会响起，此时司机的第一反应往往是停止发动机。但是，如果他在切断蒸汽后发现列车已经断成两截，那就不应这么做，而应立即打开节流阀，让列车的前端避开后端。由于持续制动可以轻松降低列车速度，这一做法反而增加了事故发生的风险。通常，司机是通过突然启动来……

火车的发动机与车体分离时，此时绝不能施加制动力。
问题538：如果由于某种原因，给水车中的水用尽了，应该怎么办？
答案：如果在不会对发动机造成损害的情况下可以做到的话，最好将火车开到侧轨上，然后再为给水车注水。如果附近没有足够的水源，就需要寻求帮助；但如果附近有井、小溪或池塘，就可以通过取水来为给水车补充部分水量。
问题539：如果机车在暴风雪中被困，虽然还有足够的燃料，但水却用完了，该怎么办？
答案：可以将雪铲进给水车里，再通过加热器让蒸汽进入，从而融化雪块。
问题540：如果一台没有喷射器的机车在暴风雪或其他情况下无法移动，因而也无法驱动泵浦，而锅炉中的水位又逐渐下降，该怎么办？
答案：应让机车的重量从主驱动轮上移开，同时将连接杆与主曲轴销断开，这样主轮就可以转动而不会带动整个机车移动。如此一来，就可以驱动泵浦工作了。通常，让从动轮在木块上转动，就能方便地抬起机车的后端，从而移除主轮上的重量。
问题541：如果在暴风雪或极寒天气中，无法安全地让蒸汽留在锅炉内，该怎么办？
答案：应停止燃烧，把锅炉里的所有水都排出去，清空储水罐，同时断开软管，并放松泵浦和喷射器中的连接部位，让其中的所有水都流出来，从而防止它们冻结。

第二十九部分：人员意外事故与伤害
问题542：如果发生意外事故，导致一人或多人受重伤，现场的人能做些什么？
答案：在这类情况下，往往那些在事故发生时在场、且具备足够冷静头脑并懂得如何运用这些知识的人，能够在医生到来之前为伤者争取生命、减轻痛苦，其作用甚至可能超过医生之后的救治。豪博士在其《紧急情况处理》一书中列举的以下案例可以说明这一点：
“案例1——一名机械师因手腕和手掌受伤被送进纽约的一家医院。到达医院时，他身体一侧的衣物已被鲜血浸透，大量失血使他几乎失去意识。外科医生检查后发现，他的手腕中央用一块折叠的手帕包扎着，而手掌上的伤口则未被处理。显然，包扎时已经非常小心，以避免压迫到两条动脉。如果包扎得当，这种出血本可以很容易得到控制。然而，该患者还是患上了丹毒，由于体力不支，第五天便去世了。”
“案例2——一名工人从哈莱姆区的一辆马车的前面平台跌落，右脚被车轮碾压。人们只是用普通绷带简单包扎了他的伤口，没有对血管进行任何压迫处理。在将其送往医院的过程中，马车的剧烈颠簸导致伤口再次出血，等到他到达医院时已经几乎没有生命迹象。虽然医生试图通过绑扎血管和给予刺激物来挽救他，但他最终还是没能苏醒过来，入院六小时后便死亡了。除了出血之外，他的伤势本身也可能足以致死。”

如果能在受伤部位施加压力以止血的话，他就有机会获救。没有采取这样的措施，显然要么是出于故意的疏忽，要么就是极度无知的表现。”类似的情况屡见不鲜：只要在场的人能及时采取一些简单的明智行动，就能挽救伤者的生命；而如果没有这些帮助，伤者就不得不在得到专业医疗救助之前死去。

问题543：当发现有人受重伤时，首先应该做些什么？
答案：首先要把伤者从危险环境中救出来，同时派人去请医生。如果不确定一个方向能否找到医生，那就派两个人或更多人往不同的方向去寻找。

问题544：在铁路上工作或旅行的人可能会遇到哪些类型的伤害？
答案：他们可能会因为在碰撞、列车脱轨而受伤，也可能会因为从列车上坠落或被行驶中的列车撞到而受伤。负责连接车厢的制动员等人则有可能的手臂或身体被夹在车厢之间而受伤；而机车司机则可能在机车发生事故时被烧伤或烫伤。铁路工作人员在冬季还要面对极端的寒冷，在夏季则要忍受酷热，因此容易患上冻伤或中暑。除了因自身疏忽之外，乘客很少会受伤，除非发生碰撞或列车脱轨导致车厢损坏。那些在铁轨上行走的陌生人甚至铁路员工也经常会被列车撞到，听闻有铁路工作人员在夜间坐在主轨上等待列车通过时睡着，随后被经过的列车撞死的事件也并不少见。

问题545：当人们被压伤或受重伤时，即便伤势并非致命，那么导致其死亡的主要危险因素是什么？
答案：首先是动脉破裂导致的严重出血；其次是全身性的休克，这会让患者失去恢复体力所需的能量。

问题546：伤口出血什么时候会变得危险？

答案：大量出血总是很危险的，但需要记住，出血有两个来源：其一为动脉，即将血液从心脏输送出去的血管；其二为静脉，即血液回流至心脏的血管。前者称为动脉出血，后者则称为静脉出血。必须牢记，心脏是身体的重要泵脏，它为身体的各个部位输送血液，就如同火车的供水泵为锅炉供水一样。动脉的作用与火车泵的供水管类似——它们将液体从泵中输送到需要的地方。血液在一定的压力作用下被注入这些动脉，因此一旦这些动脉受到损伤，血液就会像水从破裂的管道中喷出一样涌出。而通过静脉回流至心脏的血液，则可以比作火车泵供水管中的水，其压力很小，所以当静脉受损时，血液流出的速度会比动脉慢。由此可见，动脉出血更为危险，因为血液是在高压下从动脉流出的。

问题547：如何区分动脉出血和静脉出血？
答案：动脉出血的血液呈鲜红色，并且会以连续的喷射状流出，每次喷射都与心脏的跳动同步。这种喷射现象是由于心脏间歇性的泵血作用所导致的。而静脉出血的血液则呈深蓝色，不会以喷射状流出，而是从伤口处缓慢渗出。由于静脉中的血液是向心脏流动的，因此没有足够的动力使其快速流动。除非是从非常大的静脉出血，否则这种形式的出血相对无害。[118]
[118] 《紧急情况及其处理方法》，约瑟夫·W·豪博士著。

问题548：如果动脉被割伤或破裂，该如何止血？
答案：最有效的方法就是在伤口与心脏之间的动脉上施加压力。在正常情况下，可以使用所谓的加压绷带来实现这一目的。

止血带其实只是一块手帕，将其绕在伤口上方的肢体上，然后将两头绑在一起。接着需要制作一个垫子，可以是卷起来的布、一块木头、一颗大小与鸡蛋相当的圆形石头并妥善包裹起来，或是任何能够快速制成坚固垫子的材料，再将这个垫子放在动脉上。之后把手帕放在垫子上，再用一根短棍从肢体的另一侧穿过去并拧紧，这样就能使垫子牢牢压迫住动脉。在准备止血带的同时，还应该有人用手指或拇指按压动脉，以尽量减少血液流失。

问题549：人体中的动脉位于何处？如何确定它们的位置？

图230。

答案：主要动脉的位置如图230所示。它们从心脏h出发，分出a、a和b、b这些分支，这些分支沿着各自的肢体延伸。在膝盖和肘部下方，这些分支又会进一步细分。

在手和脚上也是如此。几乎在动脉的任何部位都可以通过其脉动来感知其位置，但当动脉位于肌肉下方时，要感知它就会比较困难，而当动脉靠近体表时则相对容易。
问题550：如果手臂的动脉出现伤口或破裂，应该怎么办？
答案：应用拇指紧紧压迫该动脉，同时准备绷带以及可用于制作止血带的垫子。之后将垫子放在动脉上，并按照问题548中的方法进行压迫。另一种方法是在手臂与身体之间放置一块圆形木头或其他形状的垫子，然后将手臂紧紧绑在身体上，这样垫子就会压在手臂上，从而止住出血。
问题551：如果膝盖以下的动脉发生破裂，应在何处施加压力？
答案：动脉在膝盖后方、c点附近靠近体表，如图230中的虚线所示。因此应先在这一点用拇指施加压力，直到可以使用止血带为止。另外，也可以将腿部抬高，使其靠在椅子背或其他类似支撑物上，这样腿部的重量就会对动脉施加足够的压力以止住出血。应在椅子背上铺上毛巾或其他柔软材料，以避免给患者带来过大的疼痛感。
问题552：如果膝盖以上的腿部动脉发生破裂，应在何处施加压力？
答案：应在大腿的b处施加压力，因为在该处可以明显感觉到动脉的跳动或脉动。读者应通过触摸自己身体上的动脉位置来熟悉它们的位置。这样一来，在发生意外时，他们就能挽救同伴或其他人的生命；而如果没有这种知识，受伤者很可能会死亡。
问题553：在动脉出血被止住后，如果仍有血液从伤口渗出，该怎么办？
答案：应将棉絮或棉花填入伤口中，然后从肢体的末端开始缠绕绷带，确保绷带能够均匀地包裹整个肢体，从而尽可能地对整个肢体施加相同的压力。以这种方式将绷带缠绕到对动脉施加压力的位置，就可以防止肿胀。

静脉会被压迫，从而阻止血液从受损的肢体中流出。
问题554：当出血停止后，应该怎么做？
答案：应将伤者安置在尽可能舒适的地方，并让他喝少量水。如果他非常虚弱，可以先给他喝两三汤匙白兰地或威士忌，再加入等量的水；之后每隔半小时再给他喝少量水，每次不超过一汤匙。通常，伤者会摄入过多的兴奋剂，这反而会加重他们的伤情。当一个人失血过多时，会感到极度口渴，但如果让他喝太多水，他很容易出现呕吐症状，进而更加虚弱。因此，最好每次只给他喝一小口水，比如一茶匙；或者如果有冰块的话，可以让他经常含着冰块，让冰块在口中慢慢融化。
问题555：当一个人失去意识时，应该怎么办？
答案：应把他安置在条件允许的最舒适的位置上，同时保护他免受寒冷、雨水或烈日的影响。一个常见的错误是将失去意识的伤者置于直立姿势或椅子上。如果他失去了意识，应让他平躺，头部略低于身体。然后往他的脸上喷两三次水，再将温热的砖块、石头或铁制品放在他的脚部、腋下以及大腿之间，注意这些物品的温度不能过高，以免烫伤他。最后用毯子、厚外套或其他能保持体温的物品将他盖好。伤者很容易变得冰冷，而这会带来严重的危害，因此必须格外注意保持他们的体温。在极其寒冷的天气里，伤者还有可能出现冻伤，必须小心防范。
在休克情况下，伤者会出现面色苍白、头晕、身体冰冷，有时还会失去意识，脉搏微弱且呼吸困难，此时必须避免任何可能让患者更加疲惫的刺激行为。

应对受伤者提供一切帮助与照料时，应尽量保持安静，避免制造噪音或引起骚动。所有围观人群都应被驱离，同时要尽一切努力让伤者处于舒适且安静的状态。如果需要喂食，应以牛肉汤或肉汤的形式给予，且每次的喂食量要少。

问题556：如果有人骨折了，应该怎么办？
答案：在能够得到医生救治之前，应尽可能以舒适的方式固定受伤的肢体。骨折后骨头有可能穿透皮肤，因此应将肢体置于自然位置，放在枕头、汽车坐垫或其他柔软物品上，然后用布将肢体包扎起来，防止骨折部位移动。

问题557：如果有人被压伤或严重烧伤，应该怎么办？
答案：这类伤害带来的即时危险在于身体可能出现的“休克”反应。通常最好先对受伤部位进行包扎，等待手术救助，处理方式可参照问题548的回答。

问题558：对于被烧伤或烫伤的人，应该怎么办？
答案：可将浸过糖浆和水的棉絮或棉花敷在伤口上，或者在伤口上撒些小麦粉，然后再用棉絮或棉花覆盖，并轻轻包扎。如果伤势严重，很可能会出现颤抖和虚弱症状。为防止这种情况，应如前文所述，使用热敷或刺激物来为身体保暖。

问题559：对于冻伤的人，应该怎么办？
答案：应逐渐为冻伤部位保暖，可通过擦拭雪块或往其上倒冷水的方式来实现。如果出现刺痛感以及皮肤颜色变化，就说明不能再继续擦拭或采取任何可能引发炎症的措施。如果第二天冻伤部位变黑，则应使用敷料进行处理。如果受寒的人出现极度疲劳或嗜睡的情况，应按照问题554的回答给予刺激物，并用手或温暖的法兰绒等羊毛制品轻轻按摩他们的身体。

问题560：对于中暑的人，应该如何处理？

答案：用冷水或冰敷头部，将患者置于阴凉处，让其保持舒适状态。中暑后，患者在数天乃至数周内都应避免工作，直到身体完全恢复健康与体力为止。

第四十部分：机车司机的责任与资格。[119]
[119] 注：本章内容大多译自乔治·科萨克教授所著的《机车结构与操作手册》。

问题561：机车司机在工作中会面临哪些危险？
答案：机车司机不仅可能因机车发生的各种事故而遭受严重身体伤害甚至死亡，而且由于工作环境中的恶劣天气条件、火焰产生的高温以及周围弥漫的烟雾，他们的健康也会很快受到损害。为了在一定程度上避免这些有害因素的影响，他们必须经常洗澡并清洁皮肤，同时无论在什么季节都应穿着羊毛内衣贴身穿着。如果在节流阀关闭的情况下打开炉门，从炉门中逸出的煤气会对喉咙、肺部等器官造成特别严重的伤害。因此，他们必须确保在打开炉门之前先启动鼓风机，这样就能将停机期间积聚在这些有害气体被排出，通过烟囱排出体外。此外，机车运行时发出的持续响亮噪音也会对神经系统造成不良影响。因此，机车司机应通过密切监控机车状态并确保其各部件处于良好状态，尽可能减少这类噪音带来的危害。

在这项极其耗费体力和脑力的工作中，列车员必须通过规律、节制的生活以及摄入充足的营养食物来增强自身体质。对于那些肩负着重要职责的列车员而言，应避免饮用会削弱体力和意志力的烈酒。如果在日常生活中，醉酒的人就已经无法从事任何简单的工作，那么他们又怎能胜任操作如此庞大、精密且价值高昂的机车呢？数百人怎可能将生命和安危托付给这样一个令人鄙视的人呢？正因如此，负责任的铁路管理者才会格外重视列车员和司炉的清醒状态，那些沉溺于酒瘾的人会被立即开除。

由于日常工作对体力和耐力有着极高要求，列车员们应当避免通过挥霍时间、不规律的作息或过度工作来进一步消耗体力。人类的耐力似乎与钢铁的抗拉强度有相似之处：只要受力不超过其弹性极限，即当外力消失后金属仍能恢复原状，那么它就能承受数百万次这样的应力而不会变弱；但一旦受到过大的拉力导致永久性变形，那么只需几次受力就足以使其断裂。同样地，如果一个人所承受的负荷在正常休息后仍能恢复，那么他几乎可以承受无限次的此类负荷；但如果疲劳程度超过了他的“弹性极限”，他很快就会因此遭受永久性损伤。虽然有时不得不承担过量的工作，但那些希望保持健康和体力的人应当尽量避免这种情况。

为了免于严重受伤，列车员和司炉必须始终格外谨慎，绝不能鲁莽地陷入危险之中。他们不应采取那些愚蠢又轻率的人的做法——因为总是处于危险之中，他们便习惯于盲目“赌运气”。相反，他们应该始终保持警惕，以最认真的态度面对一切危险。有些人试图通过蔑视危险来展现勇气，甚至有人希望遭遇一点危险以便证明自己的勇敢。

他们应当牢记自己肩负着巨大的责任。一旦发生意外，不仅他们自己的安危会受到威胁，他们的疏忽行为还可能伤害甚至杀死那些由他们负责照顾的无助之人，使这些家庭失去唯一的经济来源和子女，从而带来难以估量的痛苦；同时也会给其他人带来深深的悲伤与哀伤。即便是一个确信自己在事故中并无过错的机车司机，想到那些幸存者所承受的诅咒与绝望，也可能会彻夜难眠；而对于那些无法给自己这种保证的人来说，感受更是不堪设想。有不少例子表明，那些因粗心大意而引发事故的司机，因沉重的良心谴责而陷入绝望，最终走向毁灭。

问题562：每位机车司机应履行哪些要求与职责？
答案：每位机车司机都应履行以下要求与职责：
1. 他必须充分了解自己所负责的机车，同时也要对蒸汽机的结构与工作原理有基本的了解。此外，他还需精通锅炉的管理、机车的运行方式以及如何保持各部件处于良好状态；同时还要熟悉自己所行驶线路的特点、列车运行的规则以及所采用的信号系统。
2. 在这份既辛苦又需要面对各种恶劣天气的工作中，他必须拥有充沛的健康状况和体力。
3. 他应接受过良好的基础教育，具备读、写、算的能力。
4. 他必须始终严格、认真地遵守各项操作规定，以及上级官员下达的指令。
5. 在这个责任重大的岗位上，他必须具备诚实、正直的品质，同时在饮酒方面也要做到极度节制。
6. 他还应具备一定的技能，能够组装和拆卸机车，以及修理其各个部件。

最好能在拆卸、组装或修理自己的发动机时始终在场，这样他才能全面了解发动机的状况，并真正理解其各部件的重要性。
7. 在保养发动机时，必须保持其绝对的清洁与整齐；在使用燃料时，则必须格外小心且节约使用。
8. 遇到危险时，冷静与沉着是不可或缺的，任何鲁莽行为都应严格避免。
9. 对上级军官，他应表现出尊敬与谦逊；对下级人员，则应耐心友善。无论何时都应避免使用粗俗语言或不当言辞。他应尽力教导随行的消防员，使其熟悉发动机的结构与操作方法，并确保对方严格按照指示行事。
消防员的职责是严格遵循操作人员的指示；如果操作人员突然无法工作，他必须按照指示停止发动机运转，然后发出适当的求救信号，直到另一名操作人员到来。在此期间，必须采取一切必要措施让发动机保持静止状态。
10. 操作人员应通过阅读相关的专业杂志来了解机车的发展动态，尽可能掌握几何与机械制图技能，从而养成精确工作的习惯以及严谨系统的思维方式。

问题563：机械师、机车操作员和消防员应该学习哪些知识？他们应该阅读哪些技术书籍？
答案：如前所述，他们应学会读写自己的语言，掌握算术知识，并具备一定的地理知识。每位机车操作员和消防员都有不少空闲时间，可以用来学习；即便没有接受过良好的早期教育，只要勤奋努力，他们也能掌握读写和密码处理的能力。如果可能的话，还应寻求优秀教师的指导。掌握了这些基础知识后，再阅读一些关于自然哲学的书籍，随后再阅读机械学方面的书籍。以下列出了一些书籍，建议学生按顺序阅读。

这些书都有名称。不过必须始终记住，仅仅购买书籍并不能为读者带来多少知识，只有通过阅读并理解这些书籍，才能真正增加知识。

适用于机械师、机车操作员、消防员等人的书籍清单：
《蒸汽机手册》，作者：约翰·伯恩；由伦敦的朗曼斯出版社出版；价格为2.00美元。
《蒸汽机基础知识》，作者：约翰·伯恩；由伦敦的朗曼斯出版社出版；价格为2.00美元。
《基础物理学教程》，作者：巴尔弗·斯图尔特；由纽约的麦克米伦公司出版；价格为1.50美元。
《实验力学》，作者：鲍尔教授；由纽约的麦克米伦公司出版；价格为6.00美元。
《新化学》，作者：J.P.库克教授；由纽约的阿普尔顿公司出版；价格为2.00美元。
《热学基础》，作者：巴尔弗·斯图尔特；由纽约的麦克米伦公司出版；价格为3.00美元。
《煤炭燃烧原理》，作者：C.怀·威廉姆斯；由伦敦的洛克伍德公司出版；价格为1.20美元。
《蒸汽锅炉原理》，作者：罗伯特·威尔逊；由伦敦的洛克伍德公司出版；价格为3.00美元。
《阀门的运动原理》，作者：W.M.奥钦克洛斯；由纽约的D.范诺斯特兰德公司出版；价格为3.00美元。
《能量守恒定律》，作者：巴尔弗·斯图尔特；由纽约的阿普尔顿公司出版；价格为1.50美元。
《理查兹蒸汽机指示器》，作者：查尔斯·T.波特；由伦敦的朗曼斯出版社出版；价格为2.50美元。

插图四

四轮调车机型的尺寸、重量等参数，
由马萨诸塞州波士顿的欣克利机车厂提供。

轨距：4英尺8½英寸。
驱动轮数量：4个。
前部从动轮数量：无。
后部从动轮数量：无。
总轮距：6英尺9英寸。
前后驱动轮之间的距离：6英尺9英寸。
机车在运行状态下的总重量：48,000磅。
作用在驱动轮上的总重量：48,000磅。
驱动轮的直径：50英寸。
从动轮的直径：无。
气缸的直径：15英寸。
气缸的行程：22英寸。
最小锅炉环的外径：44¾英寸。
炉排的尺寸：3×3²⁄₃英尺。
管道数量：121根。
管道的直径：2英寸。
管道的长度：10½英尺。
炉排表面的面积：11平方英尺。
火箱内的加热表面面积：71平方英尺。
管道内的加热表面面积：580平方英尺。
总加热表面面积：651平方英尺。
排气喷嘴——单喷嘴还是双喷嘴？双喷嘴。
喷嘴的直径：2¾英寸。
蒸汽接口的尺寸：10×1¼英寸。

排气口尺寸：2¹⁄₄英寸。
偏心轮的位移量：4¹⁄₂英寸。
阀门的外径：³⁄₄英寸。
阀门的内径：无数据。
主驱动轴的轴颈尺寸：6¹⁄₂ × 7英寸。
另一根驱动轴的轴颈尺寸：6¹⁄₂ × 7英寸。
卡车轴的轴颈尺寸：无数据。
泵柱塞的直径：1⁷⁄₈英寸。
泵柱塞的行程：22英寸。
油箱容量：1,200加仑。

图版IV。

四轮调车机车，由马萨诸塞州波士顿的欣克利机车厂制造。
比例尺：1⁄₈英寸=1英尺。

第五页。

八轮“美国式”机车的尺寸、重量等参数

由费城鲍德温机车厂制造。

轨距：4英尺8½英寸。
驱动轮数量：4个。
前部从动轮数量：4个。
后部从动轮数量：无。
总轮距：21英尺9英寸。
前后驱动轮中心之间的距离：96英寸。
机车在运行状态下的总重量：65,000磅。
作用在驱动轮上的总重量：42,000磅。
驱动轮的直径：60¾英寸。
从动轮的直径：28英寸。
气缸的直径：16英寸。
气缸的行程：24英寸。
最小锅炉环的外径：48英寸。
炉排的尺寸：65×34½英寸。
管道数量：144根。
管道的直径：2英寸。
管道的长度：10英尺11英寸。
炉排表面的面积：15.5平方英尺。
火箱内的加热表面面积：100.6平方英尺。
管道内的加热表面面积：825.4平方英尺。
总加热表面面积：926平方英尺。
排气喷嘴——单重或双重，为双重结构。
喷嘴的直径：2¾至3¼英寸。
蒸汽接口的尺寸：1¼×15英寸。
排气接口的尺寸：2½×15英寸。
偏心装置的位移量：5½英寸。
阀门的室外重叠部分：¾英寸。
阀门的室内重叠部分：⅜²英寸。
主驱动轴轴颈的尺寸：直径7英寸，长度8英寸。
其他驱动轴轴颈的尺寸：直径7英寸，长度8英寸。
从动轴轴颈的尺寸：4½×7½英寸。

泵柱塞的直径为2英寸。
泵柱塞的行程为24英寸。
储罐的容量为2,000加仑。

图版V。

由费城鲍德温机车厂制造的八轮“美国”型机车。
比例尺：1/8英寸=1英尺。

图版VI。

机车的尺寸、重量等信息。

八轮“美国式”机车

由新泽西州帕特森的格兰特机车厂制造。

轨距：4英尺8½英寸。
驱动轮数量：4个。
前部从动轮数量：4个。
后部从动轮数量：无。
总轮距：21英尺9英寸。
前后驱动轮中心之间的距离：8英尺。
机车在运行状态下的总重量：62,000磅。
作用在驱动轮上的总重量：42,000磅。
驱动轮直径：61英寸。
从动轮直径：28英寸。
气缸直径：16英寸。
气缸冲程：24英寸。
最小锅炉环的外径：48英寸。
炉排尺寸：60×34英寸。
管道数量：140根。
管道直径：2英寸。
管道长度：11英尺。
炉排表面积：14平方英尺。
火箱内的加热表面积：98平方英尺。
管道内的加热表面积：805平方英尺。
总加热表面积：903平方英尺。
排气喷嘴：单喷嘴或双喷嘴，采用双喷嘴设计。
喷嘴直径：3¼至3¾英寸。
蒸汽接口尺寸：1¼×14英寸。
排气接口尺寸：2½×14英寸。
偏心轴的偏移量：5英寸。
阀门的对外凸出量：¾英寸。
阀门的内侧凸出量：无。
主驱动轴轴颈的直径：6½英寸×7¾英寸。
其他驱动轴轴颈的直径：6½英寸×7¾英寸。
从动轴轴颈的直径：4½英寸×8英寸。
泵柱塞的直径：2英寸。
泵柱塞的冲程：24英寸。
水箱容量：2,000加仑。

图版VI。

八轮“美国式”机车，由新泽西州帕特森市的格兰特机车厂制造。
比例尺：1/8英寸=1英尺。

图版vii。

八轮“美国式”机车的尺寸、重量等参数，由新泽西州帕特森市的丹福思机车与机械公司提供。
轨道轨距为4英尺8½英寸。

驱动轮数量：4个
前部转向轮数量：4个
后部转向轮数量：无
总轮距：21英尺2英寸
前后驱动轮中心间距：7英尺9英寸
机车在正常工作状态下的总重量：60,200磅
作用在驱动轮上的总重量：38,350磅
驱动轮直径：5英尺7⁵⁄₈英寸
转向轮直径：2英尺6英寸
气缸直径：15英寸
气缸冲程：24英寸
最小锅炉环的外径：3英尺10英寸
炉排尺寸：56 × 34¹⁄₂英寸
管道数量：136根
管道直径：2英寸
管道长度：11英尺
炉排表面积：13.5平方英尺
火箱内的加热表面积：86平方英尺
管道内的加热表面积：775平方英尺
总加热表面积：861平方英尺
排气喷嘴类型：单排或双排，为双排
喷嘴直径：2³⁄₄英寸
蒸汽接口尺寸：1¹⁄₄ × 13¹⁄₂英寸
排气接口尺寸：2¹⁄₂ × 13¹⁄₂英寸
偏心轴的偏移量：5¹⁄₂英寸
阀门的对外重叠量：⁷⁄₈英寸
阀门的向内重叠量：¹⁄₈英寸
主驱动轴轴颈的尺寸：6¹⁄₂英寸
其他驱动轴轴颈的尺寸：6¹⁄₂英寸
转向轴轴颈的尺寸：4¹⁄₂英寸
泵柱塞的直径：2¹⁄₈英寸
泵柱塞的冲程：24英寸
水箱容量：1,800加仑

图版VII

八轮“美国式”机车，
由新泽西州帕特森市的丹福思机车机械公司制造。
比例尺：1/8英寸=1英尺。

图版viii。

八轮“美国式”机车的尺寸、重量等参数，
由马萨诸塞州汤顿市的梅森机械厂提供。
轨道轨距为4英尺8½英寸。

驱动轮数量：4个
前部转向轮数量：4个
后部转向轮数量：无
总轮距：22英尺
前后驱动轮中心之间的距离：8英尺
机车在正常工作状态下的总重量：62,000磅
驱动轮上的总重量：40,000磅
驱动轮直径：5英尺6英寸
转向轮直径：2英尺9英寸
气缸直径：1英尺5英寸
气缸冲程：2英尺
最小锅炉环的外径：3英尺10英寸[120]
炉排的尺寸：66×35³⁄₄英寸
管道数量：155根
管道直径：2英寸
管道长度：11英尺2英寸
炉排表面的面积：16.38平方英尺
火箱内的加热表面面积：105平方英尺
管道内的加热表面面积：906平方英尺
总加热表面面积：1011平方英尺
排气喷嘴类型：单喷嘴或双喷嘴，为单喷嘴
喷嘴直径：3³⁄₄英寸
蒸汽接口的尺寸：15×1¹⁄₄英寸
排气接口的尺寸：15×2³⁄₄英寸
偏心轴的偏移量：4¹⁄₂英寸
阀门的室外重叠量：⁷⁄₈英寸
阀门的室内重叠量：¹⁄₁₆英寸
主驱动轴轴颈的尺寸：6¹⁄₂×7¹⁄₂英寸
其他驱动轴轴颈的尺寸：
转向轴轴颈的尺寸：3¹⁄₄×6¹⁄₂英寸
泵柱塞的直径：1³⁄₄英寸
泵柱塞的冲程：24英寸
水箱的容量：2,250加仑
[120] 锅炉为圆锥形，烟箱处的直径为46英寸，火箱处的直径为50英寸。

图版VIII

八轮“美国式”机车，由马萨诸塞州汤顿的梅森机械厂制造。
比例尺：1/8英寸=1英尺。

图版ix。
八轮“美国式”机车的尺寸、重量等参数。
由马萨诸塞州波士顿的欣克利机车厂制造。
轨距为4英尺8½英寸，驱动轮数量为4个。

前轴轮数：4个
后轴轮数：无
总轴距：21英尺4½英寸
前后驱动轮中心间距：7英尺6英寸
机车在运行状态下的总重量：63,000磅
驱动轮上的总重量：41,000磅
驱动轮直径：68英寸
转向架轮直径：30英寸
气缸直径：16英寸
气缸行程：24英寸
最小锅炉环的外径：46英寸
炉排尺寸：3英尺×5英尺
烟管数量：150根
烟管直径：2英寸
烟管长度：11英尺
炉排表面积：15平方英尺
火箱内的加热表面积：100平方英尺
烟管内的加热表面积：755平方英尺
总加热表面积：855平方英尺
排气喷嘴数量：单排或双排，为双排
喷嘴直径：3英寸
蒸汽接口尺寸：14×1¼英寸
排气接口尺寸：2¾/8英寸
偏心轮的位移量：5英寸
阀门的对外重叠量：13/16英寸
阀门的对内重叠量：无
主驱动轴轴颈尺寸：7×7英寸
其他驱动轴轴颈尺寸：7×7英寸
转向架轴轴颈尺寸：4½×7英寸
泵柱塞直径：17/8英寸
泵柱塞的行程：24英寸
水箱容量：2,000加仑

图版IX

八轮“美国”型机车，由马萨诸塞州波士顿的欣克利机车厂制造。
比例尺：1/8英寸=1英尺。

插图编号：x。

十轮机车的尺寸、重量等信息，由费城鲍德温机车厂提供。

轨道宽度：4英尺8½英寸。
驱动轮数量：6个。
前部转向轮数量：4个。
后部转向轮数量：无。
总轮距：23英尺6英寸。
前后驱动轮中心之间的距离：88英寸。
机车在正常工作状态下的总重量：78,000磅。
驱动轮上的总重量：58,000磅。
驱动轮的直径：54英寸。
转向轮的直径：26英寸。
气缸的直径：18英寸。
气缸的行程：24英寸。
最小锅炉环的外径：50英寸。
炉排的尺寸：60×34½英寸。
管道数量：152根。
管道的直径：2英寸。
管道的长度：12英尺9英寸。
炉排表面的面积：14.37平方英尺。
火箱内的加热表面面积：94平方英尺。
管道内的加热表面面积：1014平方英尺。
总加热表面面积：1108平方英尺。
排气喷嘴：单重或双重，为双重结构。
喷嘴的直径：3至3½英寸。
蒸汽接口的尺寸：1¼×16英寸。
排气接口的尺寸：2½×16英寸。
偏心装置的位移量：5½英寸。
阀门的对外重叠量：¾英寸。
阀门的对内重叠量：⅛英寸。
主驱动轴轴颈的尺寸：直径7英寸，长度8英寸。
其他驱动轴轴颈的尺寸：直径7英寸，长度8英寸。
转向轴轴颈的尺寸：4¼×7½英寸。
泵柱塞的直径：2英寸。
泵柱塞的行程：24英寸。
储液罐的容量：2,200加仑。

十轮机车，
由费城鲍德温机车厂制造。
比例尺：1/8英寸=1英尺。

图版xi。

“莫古尔”机车的尺寸、重量等信息，
由费城鲍德温机车厂提供。
轨距为4英尺8½英寸。
驱动轮数量：6个
前部转向轮数量：2个

后部货车轮的数量：无。
总轴距：22英尺8英寸。
前后驱动轮中心之间的距离：96英寸。
机车在正常工作状态下的总重量：77,000磅。
驱动轮上的总重量：66,000磅。
驱动轮的直径：52英寸。
货车轮的直径：30英寸。
气缸的直径：18英寸。
气缸的行程：24英寸。
最小锅炉环的外径：50英寸。
炉排的尺寸：66 × 34½英寸。
管道的数量：161根。
管道的直径：2英寸。
管道的长度：11英尺3英寸。
炉排表面的面积：16平方英尺。
火箱内的加热表面面积：102.7平方英尺。
管道内的加热表面面积：948平方英尺。
总加热表面面积：1051平方英尺。
排气喷嘴的数量：单排或双排，为双排。
喷嘴的直径：3至3½英寸。
蒸汽接口的尺寸：1¼ × 16英寸。
排气接口的尺寸：2½ × 16英寸。
偏心装置的位移量：5½英寸。
阀门的对外重叠量：¾英寸。
阀门的对内重叠量：⅛英寸。
主驱动轴轴颈的尺寸：直径7英寸，长度8英寸。
其他驱动轴轴颈的尺寸：直径7英寸，长度8英寸。
货车轴轴颈的尺寸：直径5英寸，长度8英寸。
泵柱塞的直径：2英寸。
泵柱塞的行程：24英寸。
储液罐的容量：2,200加仑。

图版XI。

“MOGUL”型机车，由费城鲍德温机车厂制造。
比例尺：1/8英寸=1英尺。

图版xii。

“CONSOLIDATION”型机车的尺寸、重量等信息，
由新泽西州帕特森市的丹福思机车与机械公司制造。
轨道轨距为4英尺8½英寸，
驱动轮数量为8个。

前部卡车轮数量：2个
后部卡车轮数量：无
总轴距：23英尺2英寸
前后驱动轮中心之间的距离：15英尺7英寸
机车在正常工作状态下的总重量：96,550磅
驱动轮上的总重量：86,430磅
驱动轮的直径：4英尺2英寸
卡车轮的直径：2英尺7英寸
气缸的直径：20英寸
气缸的行程：24英寸
最小锅炉环的外径：4英尺2英寸
炉排的尺寸：120 × 34³⁄₄英寸
管道数量：165根
管道的直径：2¹⁄₄英寸
管道的长度：13英尺9¹⁄₄英寸
炉排表面的面积：29平方英尺
火箱内的加热表面面积：139平方英尺
管道内的加热表面面积：1370平方英尺
总加热表面面积：1509平方英尺
排气喷嘴的数量——单排还是双排？双排
喷嘴的直径：3¹⁄₂英寸
蒸汽接口的尺寸：1¹⁄₂ × 15¹⁄₂英寸
排气接口的尺寸：2³⁄₄ × 15¹⁄₂英寸
偏心装置的位移量：5¹⁄₂英寸
阀门的室外重叠量：⁵⁄₈英寸
阀门的室内重叠量：无
主驱动轴轴颈的尺寸：6³⁄₄英寸
其他驱动轴轴颈的尺寸：6³⁄₄英寸
卡车轴轴颈的尺寸：5英寸
泵柱塞的直径：2¹⁄₄英寸
泵柱塞的行程：24英寸
储液罐的容量：2,400加仑

图版XII

“ Consolidation”型机车，
由新泽西州帕特森市的丹福斯机车机械公司制造。
比例尺：1/8英寸=1英尺。

图版xiii。

双端水箱式机车的尺寸、重量等参数，
由新泽西州帕特森市的罗杰斯机车机械公司提供。
轨距：4英尺8½英寸。
驱动轮数量：6个。
前部从动轮数量：2个。
后部从动轮数量：2个。

总轮距为24英尺7½英寸。
前后驱动轮中心之间的距离为12英尺。
机车在正常工作状态下的总重量为84,000磅。
作用在驱动轮上的总重量为68,000磅。
驱动轮的直径为40¼英寸。
从动轮的直径为26英寸。
气缸的直径为15英寸。
气缸的行程为20英寸。
最小锅炉环的外径为46¼英寸。
炉排的尺寸为34×48英寸。
管道的数量为132根。
管道的直径为2英寸。
管道的长度为9英尺9¼英寸。
炉排表面的面积为11.7平方英尺。
火箱内的加热表面面积为67平方英尺。
管道内的加热表面面积为608平方英尺。
所有加热表面的总面积为675平方英尺。
排气喷嘴为单排或双排，采用双排设计。
喷嘴的直径为2⅛至2⅜英寸。
蒸汽接口的尺寸为13¾×1⅙英寸。
排气接口的尺寸为13¾×2⅞英寸。
偏心装置的位移量为4¾英寸。
阀门的对外重叠量为5/8×1/64英寸。
阀门的对内重叠量为1/16英寸。
主驱动轴的轴颈尺寸为6×7½英寸。
其他驱动轴的轴颈尺寸也为6×7½英寸。
从动轴的轴颈尺寸为4½×8英寸。
泵柱塞的直径为1⅜英寸。
泵柱塞的行程为20英寸。
储液罐的容量为1,600加仑。

图版十三。

双端水箱式机车，
由新泽西州帕特森市的罗杰斯机车与机械制造公司制造。
比例尺：1/8英寸=1英尺。

图版xiv。

双端水箱式机车的尺寸、重量等参数，
由新泽西州帕特森市的罗杰斯机车与机械制造公司提供。

轨道宽度为4英尺8½英寸。
驱动轮数量为4个。
前部转向轮数量为2个。
后部转向轮数量为4个。
总轮距为25英尺8½英寸。
前后驱动轮中心之间的距离为6英尺6英寸。
机车在正常工作状态下的总重量为75,000磅。
驱动轮上的总重量为40,000磅。
驱动轮的直径为48¾英寸。
转向轮的直径分别为30英寸和26英寸。
气缸的直径为15英寸。
气缸的行程为22英寸。
最小锅炉环的外径为43⅝英寸。
炉排的尺寸为34×50英寸。
管道数量为139根。
管道的直径为2英寸。
管道的长度为8英尺10½英寸。
炉排表面的面积為11.84平方英尺。
火箱内的加热表面面积为82平方英尺。
管道内的加热表面面积为711平方英尺。
总加热表面积为793平方英尺。
排气喷嘴为双喷嘴结构。
喷嘴的直径为2⅜英寸至2⅝英寸。
蒸汽接口的尺寸为13¾×1⅙英寸。
排气接口的尺寸为13¾×2⅜英寸。
偏心轮的偏移量为4¼英寸。
阀门的对外重叠量为5/8×1/64英寸。
阀门的对内重叠量为1/16英寸。
主驱动轴的轴颈尺寸为6×7½英寸。
其他驱动轴的轴颈尺寸也为6×7½英寸。
转向轴的轴颈尺寸为4½×7½英寸。[121]
泵柱塞的直径为1⅞英寸。
泵柱塞的行程为22英寸。
储油罐的容量为1,000加仑。[121] 上述数据为前部转向轴的轴颈尺寸，后部转向轴的轴颈尺寸则为4¼×7½英寸。

图版XIV。

双端式水柜机车，
由新泽西州帕特森市的罗杰斯机车制造厂生产。
比例尺：1/8英寸=1英尺。

图版xv。

改进型水柜机车的尺寸、重量等参数，
由纽约百老汇73号的M. N.福尼设计。

轨道宽度为4英尺8½英寸。
驱动轮数量为4个。
前部转向轮数量为4个。
后部转向轮数量为0个。
总轮距为20英尺9英寸。
前后驱动轮中心之间的距离为6英尺8英寸。
机车在正常工作状态下的总重量为60,000磅。
作用在驱动轮上的总重量为44,000磅。
驱动轮的直径为50英寸。
转向轮的直径为26英寸。
气缸的直径为14英寸。
气缸的行程为20英寸。
最小锅炉环的外径为46英寸。
炉排的尺寸为54×36⅝英寸。
管道数量为139根。
管道的直径为2英寸。
管道的长度为10英尺1½英寸。
炉排表面的面积为14平方英尺。
火箱内的加热表面面积为78平方英尺。
管道内的加热表面面积为734平方英尺。
总加热表面积为812平方英尺。
排气喷嘴为双喷嘴式。
喷嘴的直径为2¾英寸。
蒸汽接口的尺寸为12×1¼英寸。
排气接口的尺寸为12×2½英寸。
偏心装置的位移量为5英寸。
阀门的对外重叠量为¾英寸。
阀门的对内重叠量为⅜²英寸。
主驱动轴的轴颈尺寸为6×7英寸。
其他驱动轴的轴颈尺寸也为6×7英寸。
转向轴的轴颈尺寸为3¾×7英寸。
泵柱塞的直径为4英寸。
泵柱塞的行程为5英寸。
储液罐的容量为1,500加仑。

图版XV。

改进型罐式机车，
由纽约百老汇73号的M. N. FORNEY设计。
比例尺：1/8英寸=1英尺。

插图xvi。

双轴窄轨罐式机车的尺寸、重量等参数，
由马萨诸塞州汤顿的梅森机械厂提供。
轨道轨距：3英尺。
驱动轮数量：4个。
前轴轮数量：4个。
后轴轮数量：4个。

总轮距为19英尺6英寸。
前后驱动轮中心之间的距离为5英尺。
机车在正常工作状态下的总重量为……
驱动轮上的总重量为24,000磅。
驱动轮的直径为2英尺9英寸。
从动轮的直径为2英尺6英寸。
气缸的直径为10英寸。
气缸的行程为1英尺3英寸。
最小锅炉环的外径为3英尺。
炉排的尺寸为41½×31英寸。
管道的数量为81根。
管道的直径为2英寸。
管道的长度为8英尺2英寸。
炉排表面的面积为8.93平方英尺。
火箱内的加热表面面积为56平方英尺。
管道内的加热表面面积为346平方英尺。
整个机车的加热表面总面积为402平方英尺。
排气喷嘴为单喷嘴或双喷嘴，此处为单喷嘴。
喷嘴的直径为2½英寸。
蒸汽出口的尺寸为9½×1⅛英寸。
排气出口的尺寸为9½×2½英寸。
偏心装置的位移量为3¾英寸。
阀门的室外重叠量为¾英寸。
阀门的室内重叠量为1/16英寸。
主驱动轴轴颈的尺寸为5×7英寸。
其他驱动轴轴颈的尺寸为……
从动轴轴颈的尺寸为3½×6½英寸。
泵柱塞的直径为……
泵柱塞的行程为……
水箱的容量为800加仑。

图版十六。

双车轴窄轨罐式机车，
由马萨诸塞州汤顿市的梅森机械厂制造。
比例尺：1/8英寸=1英尺。

图版xvii。

双车轴罐式货运机车的尺寸、重量等信息，
由马萨诸塞州汤顿市的梅森机械厂提供。

轨道宽度为4英尺8½英寸。
驱动轮数量为6个。
前部转向轮数量为6个。
后部转向轮数量也为6个。
总轮距为31英尺。
前后驱动轮中心之间的距离为8英尺。
机车在正常工作状态下的总重量为……
作用在驱动轮上的总重量为66,000磅。
驱动轮的直径为3英尺6英寸。
转向轮的直径为2英尺6英寸。
气缸的直径为1英尺4英寸。
气缸的行程为2英尺。
最小锅炉环的外径为4英尺。
炉排的尺寸为66×48¾英寸。
管道数量为154根。
管道的直径为2英寸。
管道的长度为11英尺6英寸。
炉排表面的面积为22.17平方英尺。
火箱内的加热表面面积为126平方英尺。
管道内的加热表面面积为927平方英尺。
所有加热表面的总面积为1053平方英尺。
排气喷嘴为单喷嘴或双喷嘴，此处为单喷嘴。
喷嘴的直径可调节。
蒸汽接口的尺寸为15×1¼英寸。
排气接口的尺寸为15×2¾英寸。
偏心轴的偏移量为8英寸。[122]
阀门的对外重叠量为¾英寸，对内重叠量为⅛英寸。
主驱动轴轴颈的尺寸为6½×10英寸。
其他驱动轴轴颈的尺寸为……
转向轴轴颈的尺寸为4×8英寸。
泵柱塞的直径为……
泵柱塞的行程为……
水箱的容量为2,530加仑。

[122] 该发动机采用Walschaert阀门装置，其驱动机构由偏移量为8英寸的曲柄来驱动。

第十七页。

双车轴罐式货运机车，
由马萨诸塞州汤顿的梅森机械厂制造。
比例尺：1/8英寸=1英尺。

图版xviii。

双端式机车的尺寸、重量等信息，
由新泽西州帕特森的格兰特机车厂提供。
轨距：4英尺8½英寸。
驱动轮数量：4个。
前部车轴轮数量：2个。
后部车轴轮数量：2个。
总轮距：19英尺9英寸。

前后驱动轮中心之间的距离为7英尺。
机车在正常工作状态下的总重量为52,000磅。
驱动轮上的总重量为42,000磅。
驱动轮的直径为56英寸。
转向轮的直径为28英寸。
气缸的直径为14英寸。
气缸的行程为22英寸。
最小锅炉环的外径为42英寸。
炉排的尺寸为73×34英寸。
管道的数量为124根。
管道的直径为2英寸。
管道的长度为7英尺10英寸。
炉排表面的面积为16.5平方英尺。
火箱内的加热表面面积为80.8平方英尺。
管道内的加热表面面积为468.5平方英尺。
所有加热表面的总面积为549.3平方英尺。
排气喷嘴为单重或双重结构，采用双重结构。
喷嘴的直径为2½至3¾英寸。
蒸汽口的尺寸为14×1⅛英寸。
排气口的尺寸为14×2¼英寸。
偏心装置的位移量为5英寸。
阀门的室外重叠量为¾英寸。
阀门没有室内重叠量。
主驱动轴轴颈的尺寸为直径6英寸、长度7¾英寸。
其他驱动轴轴颈的尺寸也为直径6英寸、长度7¾英寸。
转向轴轴颈的尺寸为直径4½英寸、长度8英寸。
泵柱塞的直径为3½英寸。
泵柱塞的行程为5英寸。
储液罐的容量为1,600加仑。

图版XVIII。

双端式机车，
由新泽西州帕特森的格兰特机车厂制造。
比例：1/8英寸=1英尺。

图版xix。

纽约高架铁路用机车的尺寸、重量等参数，
由总工程师D. W. 怀曼设计。

轨道宽度：4英尺10英寸。
驱动轮数量：4个。
前部转向轮数量：无。
后部转向轮数量：无。
总轮距：5英尺。
前后驱动轮中心之间的距离：5英尺。
机车在运行状态下的总重量：8,000磅。
驱动轮上的总重量：8,000磅。
驱动轮的直径：30英寸。
转向轮的直径：无。
气缸的直径：7英寸。
气缸的行程：10英寸。
最小锅炉环的外径：28英寸。
炉排的尺寸：28×28英寸。
管道数量：140根。
管道的直径：1又1/4英寸。
管道的长度：3英尺。
炉排表面的面积：5又1/2平方英尺。
火箱内的加热表面面积：25平方英尺。
管道内的加热表面面积：126平方英尺。
总加热表面面积：151平方英尺。
排气喷嘴类型：单喷嘴或双喷嘴，为双喷嘴。
喷嘴的直径：2英寸。
蒸汽接口的尺寸：6×5/8英寸。
排气接口的尺寸：6×2英寸。
偏心轴的偏移量：2又1/2英寸。
阀门的室外重叠部分尺寸：5/8英寸。
阀门的室内重叠部分尺寸：1/32英寸。
主驱动轴轴颈的直径：3英寸。
其他驱动轴轴颈的尺寸：未给出。
转向轴轴颈的尺寸：未给出。
泵柱塞的直径：1又3/8英寸。
泵柱塞的行程：10英寸。
水箱的容量：109加仑。

图版XIX。

纽约高架铁路的机车，由主管D. W. 威曼设计。比例尺：1/8英寸=1英尺。

附录一：饱和蒸汽的属性
蒸汽的相对体积、总压与每平方英寸的比值、表观总热量、水的重量、温度（华氏度）、压力（以大气压计）、蒸汽的质量。

| 状态 | 相对体积 | 总压/平方英寸 | 表观总热量 | 水的重量 | 温度（华氏度） | 压力（大气压） | 蒸汽质量（磅） |
|------|----------|--------------|------------|----------|----------------|----------------|----------------|
| 1 | 102.1 | 1144.5 | 0.0030 | 20582 | 0 | 0 | 1 |
| 2 | 126.3 | 1151.7 | 0.0058 | 10721 | 0 | 0 | 2 |
| 3 | 141.6 | 1156.6 | 0.0085 | 7322 | 0 | 0 | 3 |
| 4 | 153.1 | 1160.1 | 0.0112 | 5583 | 0 | 0 | 4 |
| 5 | 162.3 | 1162.9 | 0.0138 | 4527 | 0 | 0 | 5 |
| 6 | 170.2 | 1165.3 | 0.0163 | 3813 | 0 | 0 | 6 |
| 7 | 176.9 | 1167.3 | 0.0189 | 3298 | 0 | 0 | 7 |
| 8 | 182.9 | 1169.2 | 0.0214 | 2909 | 0 | 0 | 8 |
| 9 | 188.3 | 1170.8 | 0.0239 | 2604 | 0 | 0 | 9 |
| 10 | 193.3 | 1172.3 | 0.0264 | 2358 | 0 | 0 | 10 |
| 11 | 197.8 | 1173.7 | 0.0289 | 2157 | 0 | 0 | 11 |
| 12 | 202.0 | 1175.0 | 0.0314 | 1986 | 0 | 0 | 12 |
| 13 | 205.9 | 1176.2 | 0.0338 | 1842 | 0 | 0 | 13 |
| 14 | 209.6 | 1177.3 | 0.0362 | 1720 | 0 | 0 | 14 |
| 14.7 | 0 | 212.0 | 0.0380 | 1178.1 | 0 | 0 | 14.7 |
| 15.3 | 213.1 | 1178.4 | 0.0387 | 1178.4 | 0 | 0 | 15.3 |
| 16 | 1.3 | 216.3 | 0.0411 | 1179.4 | 0 | 0 | 16 |
| 17 | 2.3 | 219.6 | 0.0435 | 1180.3 | 0 | 0 | 17 |
| 18 | 3.3 | 222.4 | 0.0459 | 1181.2 | 0 | 0 | 18 |
| 19 | 4.3 | 225.3 | 0.0483 | 1182.1 | 0 | 0 | 19 |
| 20 | 5.3 | 228.0 | 0.0507 | 1182.9 | 0 | 0 | 20 |
| 21 | 6.3 | 230.6 | 0.0531 | 1183.7 | 0 | 0 | 21 |
| 22 | 7.3 | 233.1 | 0.0555 | 1184.5 | 0 | 0 | 22 |
| 23 | 8.3 | 235.5 | 0.0580 | 1185.2 | 0 | 0 | 23 |
| 24 | 9.3 | 237.8 | 0.0601 | 1185.9 | 0 | 0 | 24 |
| 25 | 10.3 | 240.1 | 0.0625 | 1186.6 | 0 | 0 | 25 |

26 11.3 242.3 1187.3 .0650 958
27 12.3 244.4 1187.8 .0673 926
28 13.3 246.4 1188.4 .0696 895
29 14.3 248.4 1189.1 .0719 866
30 15.3 250.4 1189.8 .0743 838
31 16.3 252.2 1190.4 .0766 813
32 17.3 254.1 1190.9 .0789 789
33 18.3 255.9 1191.5 .0812 767
34 19.3 257.6 1192.0 .0835 746
35 20.3 259.3 1192.5 .0858 726
36 21.3 260.9 1193.0 .0881 707
37 22.3 262.6 1193.5 .0905 688
38 23.3 264.2 1194.0 .0929 671
39 24.3 265.8 1194.5 .0952 655
40 25.3 267.3 1194.9 .0974 640
41 26.3 268.7 1195.4 .0996 625
42 27.3 270.2 1195.8 .1020 611
43 28.3 271.6 1196.2 .1042 598
44 29.3 273.0 1196.6 .1065 585
45 30.3 274.4 1197.1 .1089 572
46 31.3 275.8 1197.5 .1111 561
47 32.3 277.1 1197.9 .1133 550
48 33.3 278.4 1198.3 .1156 539
49 34.3 279.7 1198.7 .1179 529
50 35.3 281.0 1199.1 .1202 518
51 36.3 282.3 1199.5 .1224 509
52 37.3 283.5 1199.9 .1246 500
53 38.3 284.7 1200.3 .1269 491
54 39.3 285.9 1200.6 .1291 482
55 40.3 287.1 1201.0 .1314 474
56 41.3 288.2 1201.3 .1336 466
57 42.3 289.3 1201.7 .1364 458
58 43.3 290.4 1202.0 .1380 451
59 44.3 291.6 1202.4 .1403 444
60 45.3 292.7 1202.7 .1425 437
61 46.3 293.8 1203.1 .1447 430
62 47.3 294.8 1203.4 .1469 424
63 48.3 295.9 1203.7 .1493 417
64 49.3 296.9 1204.0 .1516 411
65 50.3 298.0 1204.3 .1538 405
66 51.3 299.0 1204.6 .1560 399
67 52.3 300.0 1204.9 .1583 393
68 53.3 300.9 1205.2 .1605 388
69 54.3 301.9 1205.5 .1627 383
70 55.3 302.9 1205.8 .1648 378

71 56.3 303.9 1206.1 .1670 373
72 57.3 304.8 1266.3 .1692 368
73 58.3 305.7 1206.6 .1714 363
74 59.3 306.6 1206.9 .1736 359
75 60.3 307.5 1207.2 .1759 353
76 61.3 308.4 1207.4 .1782 349
77 62.3 309.3 1207.7 .1804 345
78 63.3 310.2 1208.0 .1826 341
79 64.3 311.1 1208.3 .1848 337
80 65.3 312.0 1208.5 .1869 333
81 66.3 312.8 1208.8 .1891 329
82 67.3 313.6 1209.1 .1913 325
83 68.3 314.5 1209.4 .1935 321
84 69.3 315.3 1209.6 .1957 318
85 70.3 316.1 1209.9 .1980 314
86 71.3 316.9 1210.1 .2002 311
87 72.3 317.8 1210.4 .2024 308
88 73.3 318.6 1210.6 .2044 305
89 74.3 319.4 1210.9 .2067 301
90 75.3 320.2 1211.1 .2089 298
91 76.3 321.0 1211.3 .2111 295
92 77.3 321.7 1211.5 .2133 292
93 78.3 322.5 1211.8 .2155 289
94 79.3 323.3 1212.0 .2176 286
95 80.3 324.1 1212.3 .2198 283
96 81.3 324.8 1212.5 .2219 281
97 82.3 325.6 1212.8 .2241 278
98 83.3 326.3 1213.0 .2263 275
99 84.3 327.1 1213.2 .2285 272
100 85.3 327.9 1213.4 .2307 270
101 86.3 328.5 1213.6 .2329 267
102 87.3 329.1 1213.8 .2351 265
103 88.3 329.9 1214.0 .2373 262
104 89.3 330.6 1214.2 .2393 260
105 90.3 331.3 1214.4 .2414 257
106 91.3 331.9 1214.6 .2435 255
107 92.3 332.6 1214.8 .2456 253
108 93.3 333.3 1215.0 .2477 251
109 94.3 334.0 1215.3 .2499 249
110 95.3 334.6 1215.5 .2521 247
111 96.3 335.3 1215.7 .2543 245
112 97.3 336.0 1215.9 .2564 243
113 98.3 336.7 1216.1 .2586 241
114 99.3 337.4 1216.3 .2607 239
115 100.3 338.0 1216.5 .2628 237

116 101.3 338.6 1216.7 .2649 235
117 102.3 339.3 1216.9 .2674 233
118 103.3 339.9 1217.1 .2696 231
119 104.3 340.5 1217.3 .2738 229
120 105.3 341.1 1217.4 .2759 227
121 106.3 341.8 1217.6 .2780 225
122 107.3 342.4 1217.8 .2801 224
123 108.3 343.0 1218.0 .2822 222
124 109.3 343.6 1218.2 .2845 221
125 110.3 344.2 1218.4 .2867 219
126 111.3 344.8 1218.6 .2889 217
127 112.3 345.4 1218.8 .2911 215
128 113.3 346.0 1218.9 .2933 214
129 114.3 346.6 1219.1 .2955 212
130 115.3 347.2 1219.3 .2977 211
131 116.3 347.8 1219.5 .2999 209
132 117.3 348.3 1219.6 .3020 208
133 118.3 348.9 1219.8 .3040 206
134 119.3 349.5 1220.0 .3060 205
135 120.3 350.1 1220.2 .3080 203
136 121.3 350.6 1220.3 .3101 202
137 122.3 351.2 1220.5 .3121 200
138 123.3 351.8 1220.7 .3142 199
139 124.3 352.4 1220.9 .3162 198
140 125.3 352.9 1221.0 .3184 197
141 126.3 353.5 1221.2 .3206 195
142 127.3 354.0 1221.4 .3228 194
143 128.3 354.5 1221.6 .3250 193
144 129.3 355.0 1221.7 .3273 192
145 130.3 355.6 1221.9 .3294 190
146 131.3 356.1 1222.0 .3315 189
147 132.3 356.7 1222.2 .3336 188
148 133.3 357.2 1222.3 .3357 187
149 134.3 357.8 1222.5 .3377 186
150 135.3 358.3 1222.7 .3397 184
155 140.3 361.0 1223.5 .3500 179
160 145.3 363.4 1224.2 .3607 174
165 150.3 366.0 1224.9 .3714 169
170 155.3 368.2 1225.7 .3821 164
175 160.3 370.8 1226.4 .3928 159
180 165.3 372.9 1227.1 .4035 155
185 170.3 375.3 1227.8 .4142 151
190 175.3 377.5 1228.5 .4250 148
195 180.3 379.7 1229.2 .4357 144
200 185.3 381.7 1229.8 .4464 141

210 195.3 386.0 1231.1 0.4668 135
220 205.3 389.9 1232.3 0.4872 129
230 215.3 393.8 1233.5 0.5072 123
240 225.3 397.5 1234.6 0.5270 119
250 235.3 401.1 1235.7 0.5471 114
260 245.3 404.5 1236.8 0.5670 110
270 255.3 407.9 1237.8 0.5871 106
280 265.3 411.2 1238.8 0.6070 102
290 275.3 414.4 1239.8 0.6268 99
300 285.3 417.5 1240.7 0.6469 96

附录二：双曲对数表与常用对数表
1.01　0.0099
1.02　0.0198
1.03　0.0295
1.04　0.0392
1.05　0.0487
1.06　0.0582
1.07　0.0676
1.08　0.0769
1.09　0.0861
1.10　0.0953
1.11　0.1043
1.12　0.1133
1.13　0.1222
1.14　0.1310
1.15　0.1397
1.16　0.1484
1.17　0.1570
1.18　0.1655
1.19　0.1739
1.20　0.1823
1.21　0.1962
1.22　0.1988
1.23　0.2070
1.24　0.2151
1.25　0.2231
1.26　0.2341
1.27　0.2390
1.28　0.2468
1.29　0.2546
1.30　0.2623
1.31　0.2700
1.32　0.2776
1.33　0.2851
1.34　0.2926

1.35 .3001
1.36 .3074
1.37 .3148
1.38 .3220
1.39 .3293
1.40 .3364
1.41 .3435
1.42 .3506
1.43 .3576
1.44 .3646
1.45 .3715
1.46 .3784
1.47 .3852
1.48 .3920
1.49 .3987
1.50 .4054
1.51 .4121
1.52 .4187
1.53 .4252
1.54 .4317
1.55 .4382
1.56 .4446
1.57 .4510
1.58 .4574
1.59 .4637
1.60 .4700
1.61 .4762
1.62 .4824
1.63 .4885
1.64 .4946
1.65 .5007
1.66 .5068
1.67 .5128
1.68 .5187
1.69 .5247
1.70 .5306
1.71 .5364
1.72 .5423
1.73 .5481
1.74 .5538
1.75 .5596
1.76 .5653
1.77 .5709
1.78 .5766
1.79 .5822

1.80 .5877
1.81 .5933
1.82 .5988
1.83 .6043
1.84 .6097
1.85 .6151
1.86 .6205
1.87 .6259
1.88 .6312
1.89 .6365
1.90 .6418
1.91 .6471
1.92 .6523
1.93 .6575
1.94 .6626
1.95 .6678
1.96 .6729
1.97 .6780
1.98 .6830
1.99 .6881
2.00 .6931
2.01 .6981
2.02 .7030
2.03 .7080
2.04 .7129
2.05 .7178
2.06 .7227
2.07 .7275
2.08 .7323
2.09 .7371
2.10 .7419
2.11 .7466
2.12 .7514
2.13 .7561
2.14 .7608
2.15 .7654
2.16 .7701
2.17 .7747
2.18 .7793
2.19 .7839
2.20 .7884
2.21 .7929
2.22 .7975
2.23 .8021
2.24 .8064

2.25 .8109
2.26 .8153
2.27 .8197
2.28 .8241
2.29 .8285
2.30 .8329
2.31 .8372
2.32 .8415
2.33 .8458
2.34 .8501
2.35 .8544
2.36 .8586
2.37 .8628
2.38 .8671
2.39 .8712
2.40 .8754
2.41 .8796
2.42 .8837
2.43 .8878
2.44 .8919
2.45 .8060
2.46 .9001
2.47 .9042
2.48 .9082
2.49 .9122
2.50 .9162
2.51 .9202
2.52 .9242
2.53 .9282
2.54 .9321
2.55 .9360
2.56 .9400
2.57 .9439
2.58 .9477
2.59 .9516
2.60 .9555
2.61 .9593
2.62 .9631
2.63 .9669
2.64 .9707
2.65 .9745
2.66 .9783
2.67 .9820
2.68 .9858
2.69 .9895

2.70 .9932
2.71 .9969
2.72 1.0006
2.73 1.0043
2.74 1.0079
2.75 1.0116
2.76 1.0152
2.77 1.0188
2.78 1.0224
2.79 1.0260
2.80 1.0296
2.81 1.0331
2.82 1.0367
2.83 1.0402
2.84 1.0438
2.85 1.0473
2.86 1.0508
2.87 1.0543
2.88 1.0577
2.89 1.0612
2.90 1.0647
2.91 1.0681
2.92 1.0715
2.93 1.0750
2.94 1.0784
2.95 1.0818
2.96 1.0851
2.97 1.0885
2.98 1.0919
2.99 1.0952
3.00 1.0986
3.01 1.1019
3.02 1.1052
3.03 1.1085
3.04 1.1118
3.05 1.1151
3.06 1.1184
3.07 1.1216
3.08 1.1249
3.09 1.1281
3.10 1.1314
3.11 1.1346
3.12 1.1378
3.13 1.1410
3.14 1.1442

3.15 1.1474
3.16 1.1505
3.17 1.1537
3.18 1.1568
3.19 1.1600
3.20 1.1631
3.21 1.1662
3.22 1.1693
3.23 1.1724
3.24 1.1755
3.25 1.1786
3.26 1.1817
3.27 1.1847
3.28 1.1878
3.29 1.1908
3.30 1.1939
3.31 1.1969
3.32 1.1999
3.33 1.2029
3.34 1.2059
3.35 1.2089
3.36 1.2119
3.37 1.2149
3.38 1.2178
3.39 1.2208
3.40 1.2237
3.41 1.2267
3.42 1.2296
3.43 1.2325
3.44 1.2354
3.45 1.2387
3.46 1.2412
3.47 1.2441
3.48 1.2470
3.49 1.2499
3.50 1.2527
3.51 1.2556
3.52 1.2584
3.53 1.2612
3.54 1.2641
3.55 1.2669
3.56 1.2697
3.57 1.2725
3.58 1.2753
3.59 1.2781

3.60 1.2809
3.61 1.2837
3.62 1.2864
3.63 1.2892
3.64 1.2919
3.65 1.2947
3.66 1.2974
3.67 1.3001
3.68 1.3029
3.69 1.3056
3.70 1.3083
3.71 1.3110
3.72 1.3137
3.73 1.3164
3.74 1.3190
3.75 1.3217
3.76 1.3244
3.77 1.3271
3.78 1.3297
3.79 1.3323
3.80 1.3350
3.81 1.3376
3.82 1.3402
3.83 1.3428
3.84 1.3454
3.85 1.3480
3.86 1.3506
3.87 1.3532
3.88 1.3558
3.89 1.3584
3.90 1.3609
3.91 1.3635
3.92 1.3660
3.93 1.3686
3.94 1.3711
3.95 1.3737
3.96 1.3726
3.97 1.3787
3.98 1.3812
3.99 1.3837
4.00 1.3862
4.01 1.3887
4.02 1.3912
4.03 1.3937
4.04 1.3962

4.05 1.3987
4.06 1.4011
4.07 1.4036
4.08 1.4060
4.09 1.4085
4.10 1.4109
4.11 1.4134
4.12 1.4158
4.13 1.4182
4.14 1.4206
4.15 1.4231
4.16 1.4255
4.17 1.4279
4.18 1.4303
4.19 1.4327
4.20 1.4350
4.21 1.4374
4.22 1.4398
4.23 1.4422
4.24 1.4445
4.25 1.4469
4.26 1.4492
4.27 1.4516
4.28 1.4539
4.29 1.4562
4.30 1.4586
4.31 1.4609
4.32 1.4632
4.33 1.4655
4.34 1.4678
4.35 1.4701
4.36 1.4724
4.37 1.4747
4.38 1.4778
4.39 1.4793
4.40 1.4816
4.41 1.4838
4.42 1.4838
4.43 1.4883
4.44 1.4906
4.45 1.4929
4.46 1.4914
4.47 1.4973
4.48 1.4996
4.49 1.5018

4.50 1.5040
4.51 1.5062
4.52 1.5085
4.53 1.5107
4.54 1.5129
4.55 1.5151
4.56 1.5173
4.57 1.5195
4.58 1.5216
4.59 1.5238
4.60 1.5260
4.61 1.5282
4.62 1.5303
4.63 1.5325
4.64 1.5347
4.65 1.5368
4.66 1.5390
4.67 1.5411
4.68 1.5432
4.69 1.5454
4.70 1.5475
4.71 1.5496
4.72 1.5518
4.73 1.5539
4.74 1.5560
4.75 1.5581
4.76 1.5602
4.77 1.5623
4.78 1.5644
4.79 1.5665
4.80 1.5686
4.81 1.5706
4.82 1.5727
4.83 1.5748
4.84 1.5769
4.85 1.5789
4.86 1.5810
4.87 1.5830
4.88 1.5851
4.89 1.5870
4.90 1.5892
4.91 1.5912
4.92 1.5933
4.93 1.5953
4.94 1.5973

4.95 1.5993
4.96 1.6014
4.97 1.6034
4.98 1.6054
4.99 1.6074
5.00 1.6094
5.01 1.6114
5.02 1.6134
5.03 1.6154
5.04 1.6174
5.05 1.6193
5.06 1.6213
5.07 1.6233
5.08 1.6253
5.09 1.6272
5.10 1.6292
5.11 1.6311
5.12 1.6331
5.13 1.6351
5.14 1.6370
5.15 1.6389
5.16 1.6409
5.17 1.6428
5.18 1.6448
5.19 1.6463
5.20 1.6486
5.21 1.6505
5.22 1.6524
5.23 1.6544
5.24 1.6563
5.25 1.6582
5.26 1.6601
5.27 1.6620
5.28 1.6639
5.29 1.6658
5.30 1.6677
5.31 1.6695
5.32 1.6714
5.33 1.6733
5.34 1.6752
5.35 1.6770
5.36 1.6789
5.37 1.6808
5.38 1.6826
5.39 1.6845

5.40 1.6863
5.41 1.6882
5.42 1.6900
5.43 1.6919
5.44 1.6937
5.45 1.6956
5.46 1.6974
5.47 1.6992
5.48 1.7011
5.49 1.7029
5.50 1.7047
5.51 1.7065
5.52 1.7083
5.53 1.7101
5.54 1.7119
5.55 1.7137
5.56 1.7155
5.57 1.7173
5.58 1.7191
5.59 1.7209
5.60 1.7227
5.61 1.7245
5.62 1.7263
5.63 1.7281
5.64 1.7298
5.65 1.7316
5.66 1.7334
5.67 1.7351
5.68 1.7369
5.69 1.7387
5.70 1.7404
5.71 1.7422
5.72 1.7439
5.73 1.7457
5.74 1.7474
5.75 1.7491
5.76 1.7509
5.77 1.7526
5.78 1.7544
5.79 1.7561
5.80 1.7578
5.81 1.7595
5.82 1.7613
5.83 1.7630
5.84 1.7647

5.85 1.7664
5.86 1.7681
5.87 1.7698
5.88 1.7715
5.89 1.7732
5.90 1.7749
5.91 1.7766
5.92 1.7783
5.93 1.7800
5.94 1.7817
5.95 1.7833
5.96 1.7850
5.97 1.7867
5.98 1.7884
5.99 1.7900
6.00 1.7917
6.01 1.7934
6.02 1.7950
6.03 1.7967
6.04 1.7984
6.05 1.8000
6.06 1.8017
6.07 1.8033
6.08 1.8050
6.09 1.8066
6.10 1.8082
6.11 1.8099
6.12 1.8115
6.13 1.8131
6.14 1.8148
6.15 1.8164
6.16 1.8180
6.17 1.8196
6.18 1.8213
6.19 1.8229
6.20 1.8245
6.21 1.8261
6.22 1.8277
6.23 1.8293
6.24 1.8309
6.25 1.8325
6.26 1.8341
6.27 1.8357
6.28 1.8373
6.29 1.8389

6.30 1.8405
6.31 1.8421
6.32 1.8437
6.33 1.8453
6.34 1.8468
6.35 1.8484
6.36 1.8500
6.37 1.8515
6.38 1.8531
6.39 1.8547
6.40 1.8562

附录三：各类煤炭的数值与性质表
平均值
总重量/磅
废弃物重量/磅
燃烧后产生的蒸汽量/立方英尺
可燃物质重量/磅
灰分重量/磅
在212°时剩余的焦炭重量/磅
每100立方英尺空间内所含的可燃物质重量/磅
贝弗梅多，3号斜坡：54.93 40.78 2.38 88.94 7.11 9.21 11.96 1.01 112.4 10.462
贝弗梅多，5号斜坡：56.19 39.86 2.66 91.47 5.15 9.88 6.74 0.60 61.2 10.592
森林改良区：53.66 41.75 3.07 90.75 4.41 10.06 6.97 0.81 40.2 10.807
桃山：53.79 41.64 2.96 89.02 6.13 10.11 6.97 3.03 26.6 10.871
莱希县：55.32 40.50 5.28 89.15 5.56 8.93 7.22 1.08 36.1 9.626
拉卡瓦纳县：48.89 45.82 3.91 87.74 6.35 9.79 8.93 1.24 57.2 10.764
莱肯谷县：48.56 46.13 6.88 83.84 9.25 9.46 12.24 4.40 18.0 10.788
贝弗梅多（海军船厂）：55.08 40.65 …… 8.10 9.08 8.10 1.40 107.1 9.881
弗吉尼亚州的天然焦炭：46.64 48.03 12.44 75.08 11.83 8.47 18.46 5.31 60.9 10.389
米德洛锡安煤制成的焦炭：32.70 68.50 …… 16.55 8.63 16.54 10.51 53.2 10.343
内夫斯煤（坎伯兰郡）制成的焦炭：31.57 70.95 …… 13.34 9.00 13.34 3.55 43.7 10.381
五分之一坎伯兰煤与五分之四贝弗梅多煤的混合物：54.29 41.26 …… 8.88 8.86 8.88 4.91 9.5 9.725
五分之一坎伯兰煤与五分之四贝弗梅多煤的混合物：54.51 41.09 …… 8.18 9.18 8.18 3.09 16.0 9.997

纽约与马里兰矿业公司的数据：53.70、41.71、12.31、73.50、12.40、9.78、12.71、5.43、10.1、11.208
内夫的坎伯兰公司的数据：54.29、41.26、12.67、74.53、10.34、9.44、10.96、4.53、6.1、10.604
伊兹比的“库存煤炭”项目的数据：53.47、41.90、14.98、76.26、8.08、10.02、8.38、1.33、18.2、10.935
阿特金森与坦普尔曼公司的数据：52.92、42.33、15.53、76.69、7.33、10.70、7.96、2.12、5.1、11.624
伊兹比与史密斯的公司的数据：51.16、43.78、15.52、74.29、9.30、9.96、9.69、3.04、5.3、11.034
坎伯兰（海军船厂）公司的数据：53.29、42.04、14.87、70.85、14.98……14.53、2.29、13.5……
多芬与苏斯奎哈纳公司（宾夕法尼亚州）的数据：50.54、44.32、13.82、74.24、11.49、9.34、16.36、3.50、23.7、11.171
布洛斯堡公司（宾夕法尼亚州）的数据：53.05、42.22、14.78、73.11、10.77、9.72、11.20、3.40、13.7、10.956
莱康明克里克公司（宾夕法尼亚州）的数据：55.38、40.45、13.84、71.53、13.96、8.91、16.92、3.26、46.2、10.724
昆斯伦公司（宾夕法尼亚州）的数据：50.34、44.50、17.97、72.79、8.41、10.27、8.94、1.31、14.7、11.275
卡思豪斯公司（宾夕法尼亚州）的数据：52.54、42.63、19.53、73.77、7.00、9.09、7.89、3.66、52.5、9.887
坎布里亚县公司（宾夕法尼亚州）的数据：53.46、41.90、20.52、69.37、9.15、9.24、9.75、3.48、14.8、10.239
巴尔的迪普伦公司（弗吉尼亚州）的数据：53.17、42.13、19.78、67.96、10.47、9.02、11.07、4.78、6.4、10.142
克劳奇与斯尼德公司（弗吉尼亚州）的数据：53.59、41.80、24.38、59.98、14.28、8.34、14.34、5.37、6.0、9.740
米德洛锡安（900英尺深矿井）公司（弗吉尼亚州）的数据：50.52、44.34、27.28、61.08、10.47、8.58、10.70、6.47、5.9、9.611
克里克公司의煤炭相关数据：46.50、48.17、32.47、60.30、8.57、8.42、8.64、4.41、10.5、9.211
克洛弗希尔公司（弗吉尼亚州）的数据：45.49、49.25、32.21、56.83、10.13、7.67、10.60、3.86、11.5、8.588
切斯特菲尔德矿业公司（弗吉尼亚州）的数据：45.55、49.18、32.63、58.79、8.63、9.00、9.07、4.19、10.5、9.896
米德洛锡安（平均数据）公司（弗吉尼亚州）的数据：54.04、41.45、29.86、53.01、14.74、8.29、14.83、8.82、6.4、9.741
蒂佩卡努公司（弗吉尼亚州）的数据：45.10、49.67、34.54、54.62、9.37、7.75、9.72、4.03、11.2、8.583
米德洛锡安（新矿井）公司（弗吉尼亚州）的数据：47.90、46.76、35.77、56.40、9.44、8.75、10.26、4.21、17.1、9.751
米德洛锡安（经过筛选的煤炭）公司（弗吉尼亚州）的数据：45.72、48.99、34.70、54.06、9.66、8.94、10.27、3.33、14.8、9.970
米德洛锡安（海军船厂）公司（弗吉尼亚州）的数据：54.47、41.13、29.12、56.11、14.14…………4.42、43.2……
皮克图公司（来自纽约）的数据：53.55、41.83、27.83、56.98、13.39、8.41、13.37、6.13、5.7、9.710
西德尼公司的数据：47.44、47.22、23.81、67.57、5.49、7.99、6.01、2.24、5.9、8.497

皮克图号（库纳德航运公司）
49.25 45.48 25.97 60.74 12.51 8.48 12.06 6.19 3.7 9.648

利物浦号（英格兰）
47.88 46.78 39.96 54.90 4.62 7.48 5.04 1.86 11.1 8.255

纽卡斯尔号（英格兰）
50.82 44.08 35.83 57.00 5.40 8.66 5.68 3.14 10.7 9.178

苏格兰号（苏格兰）
51.09 43.84 39.19 48.81 9.34 6.95 10.10 5.63 5.7 7.719

匹兹堡号（宾夕法尼亚州）
46.81 47.85 36.76 54.93 7.07 8.20 8.25 0.94 9.9 8.942

坎内尔顿号（印第安纳州）
47.65 47.01 33.99 58.44 4.97 7.34 5.12 1.64 6.4 7.734

德赖派恩伍德号
21.01 106.02 … … 0.30 4.69 0.30 … … 4.707

附录四：不同等级和速度的铁路列车阻力表
阻力值（磅/吨·英里），按坡度每增加1%计算：
5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、60%、70%
0：6.1、6.6、7.3、8.3、9.6、11.2、13.1、15.3、17.8、20.6、27.0、34.6
5%：1.8、7.9、8.4、9.1、10.1、11.4、13.0、14.9、17.1、19.6、22.4、28.8、36.4
10%：3.7、9.8、10.3、11.0、12.0、13.4、14.9、16.8、19.0、21.5、24.3、30.7、38.3
15%：5.6、11.7、12.2、12.9、13.9、15.2、16.8、18.7、21.9、24.4、27.2、33.6、41.2
20%：7.5、13.6、14.1、14.8、15.8、17.1、18.7、20.6、22.8、25.3、28.1、34.5、42.1
25%：9.4、15.5、16.0、16.7、17.7、19.0、20.6、22.5、24.7、27.2、31.0、37.4、45.0
30%：11.3、17.4、17.9、18.6、19.6、21.9、22.5、24.4、26.6、29.1、31.9、38.3、45.9
35%：13.2、19.3、19.8、20.5、21.5、22.8、24.4、26.3、28.5、31.0、33.8、40.2、47.8
40%：15.1、21.2、21.7、22.4、23.4、24.7、26.3、28.2、30.4、32.9、35.7、42.1、49.7
45%：17.0、23.1、23.6、24.3、25.3、26.6、28.2、30.1、32.3、34.8、37.6、44.0、51.6
50%：18.9、25.0、25.5、26.2、27.2、28.5、30.1、32.0、34.2、36.7、39.5、45.9、53.5
60%：22.7、28.8、29.3、30.0、31.0、32.3、38.9、35.8、38.0、40.5、43.5、49.9、57.5
70%：26.5、32.6、33.1、33.8、34.8、36.1、37.7、39.6、41.8、44.3、47.1、53.5、61.1
80%：30.3、36.4、36.9、37.6、38.6、39.9、40.5、42.4、44.6、47.1、49.9、56.3、63.9
90%：34.0、41.0、40.6、41.3、42.3、43.6、45.2、47.1、49.3、51.8、54.6、61.0、68.6
100%：37.8、43.9、44.4、45.1、46.1、47.4、49.0、51.9、54.1、56.6、59.4、65.8、73.4
110%：41.6、47.7、48.2、48.9、49.9、51.2、52.8、54.7、56.9、59.4、62.2、68.6、76.2
120%：45.4、51.5、52.0、52.7、53.7、55.0、56.6、58.5、60.7、63.2、66.0、72.4、80.0
130%：49.2、55.3、55.8、56.5、57.5、58.8、60.4、62.3、64.5、67.0、69.8、76.2、83.8
140%：53.0、59.1、59.6、60.3、61.3、62.6、64.2、66.1、68.3、70.8、73.6、80.0、87.6
150%：56.8、62.9、63.4、64.1、65.1、66.4、68.0、69.9、72.1、74.6、77.4、83.8、91.4
160%：60.6、66.7、67.2、67.9、68.9、70.2、71.8、73.7、75.9、78.4、81.2、87.6、95.2
170%：64.3、70.4、70.9、71.6、72.6、73.9、75.5、77.4、79.6、82.1、84.9、91.3、98.9
180%：68.1、74.2、74.7、75.4、76.4、77.7、79.3、81.2、83.4、85.9、88.7、95.1、102.7
190%：71.9、78.0、78.5、79.2、80.2、81.5、83.1、85.0、87.2、89.7、92.5、98.9、106.5
200%：75.7、81.8、82.3、83.0、84.0、85.3、86.9、88.8、91.0、93.5、96.3、102.7、110.3
210%：79.5、85.6、86.1、86.8、87.8、89.1、90.7、92.6、94.8、97.3、100.1、106.5、114.1
220%：83.3、89.4、89.9、90.6、91.6、92.9、94.5、96.4、98.6、101.1、103.9、110.3、117.6
230%：87.1、93.2、93.7、94.4、95.4、96.7、98.3、100.2、102.4、104.9、107.7、114.1、121.7

240 90.8 96.9 97.4 98.1 99.1 100.4 102.0 103.9 106.1 108.6 111.4 117.8 125.4
250 94.6 100.7 101.2 101.9 102.9 103.2 105.8 107.7 109.9 112.4 115.2 121.6 129.2
260 98.4 104.5 105.0 105.7 106.7 107.0 108.6 110.5 112.7 115.2 118.0 124.4 132.0
270 102.2 108.3 108.8 109.5 110.5 111.8 113.4 115.3 117.5 120.0 122.8 129.2 136.8
280 106.0 112.1 112.6 113.3 114.3 115.6 117.2 119.1 121.3 123.8 126.6 133.0 140.6
290 109.8 115.9 116.4 117.1 118.1 119.4 121.0 122.9 125.1 127.6 130.4 136.8 144.4
300 113.6 119.7 120.2 120.9 121.9 123.2 124.8 126.7 128.9 131.4 134.2 140.6 148.2

索引。
下方的数字指的是页面编号。

绝对压力，13。
机车事故，509。
人员伤亡事故，533；相关危险，535。
实际能量，24。
粘着力，62、319；其大小，320；与阻力的比例，412。
粘附重量，321。
进气量，取决于……，222；受何种因素影响，255；如何实现均衡，249；
蒸汽的进气量，30；进气周期，249。
进气管道，236、237。
空气进入火箱的情况，380；空气供应的控制，384；空气的作用力，8；空气进入火箱的方法，382；空气的压力，8、9；
燃烧所需的空气量，381、388；用于稀释气体的空气量，389；通过炉栅及火面上方进入的空气量，391；空气的重量，8。
空气室，117。
警报检测功能，126。
代数，x。
代数符号，x。
艾伦阀，224。
美国机车，429；相关插图，555、557、559、561、563。
美国铁路机械师协会，260、288。
角位移，251。
动物油，504。
无烟煤，112、152、403；使用无烟煤燃烧，503。
水彩画法，368。
阿甘德燃烧器，336。
动脉出血，536。
动脉，536；动脉损伤，537、539；动脉的位置，537。

灰斗，67；其构造，81。
灰斗减震器，81；其工作原理，153。
大气压力管线，48。
自动制动装置，442；其管理方式，495。
车轴的调整，475；车轴的断裂，509、523；如何使车轴处于极端位置，278、282；主驱动轴，63。
车轴箱的布置，296；车轴箱中的轴承，290；驱动功能，290；用于煤水车的车轴箱，355；车轴箱的磨损情况，297。
巴比特合金，173、175、180。
后视图，xiv。
背压，56、163；背压的作用线，236、243。
向后运动或齿轮，187。
鲍德温机车厂，429；该厂生产的机车，555、565、567。
球形接头，160。
黄铜轴承，177；用于驱动轴的轴承，290；用于煤水车轴的轴承，354；用于转向架轴的轴承，292；轴承的比例，362；轴承的磨损情况，179。
轴承杆，152。
床身铸造，164。
床板，146。
铃铛，335；其用途，479。
比塞尔转向架，432。
烟煤，368；其成分，369、388；其用途，503。
喷口，71；（另见排气喷嘴）。
泄漏带来的危险，535；防止泄漏的方法，537、540。
鼓风机，149；其用途，480。
鼓风机阀门，149。
排气阀，148。
连杆，185；（参见连杆块）。
锅炉，66、71；大型锅炉的优势，422；锅炉的计算方法，419；锅炉的容量，71、418；锅炉的清洁，147、505；锅炉的排空，147；锅炉的膨胀，90、295、478；锅炉的爆炸，509、514；锅炉的加料，483；锅炉的注水，506；锅炉的检查，461；锅炉的异常运行，421；锅炉的各个部件，66；锅炉的工作原理，420；锅炉的比例，419；锅炉的尺寸，417、420；锅炉所承受的应力，85、478；锅炉的测试，461。
锅炉附件，115；这些附件的检查，465。

标准部件的固定方式，90；其抗力，95；强度，89、95；所承受的不均匀应力，92。
锅炉压力，223；在汽缸中维持该压力的难度，223。
锅炉接缝的形态，103；其强度，93、106。
沸腾现象，10。
沸点，11。
骨骼损伤，542。
书籍清单，550。
凸缘，207。
用于驱动轴的盒子，290；用于牵引轴的盒子，355；用于卡车轴的盒子，292。
支撑件，80、107；用于框架的支撑件，292；其比例关系，108。
制动装置，用于连续列车，442；用于牵引车的制动装置，356；制动装置的检查，475；对制动装置的依赖程度，494。
黄铜轴承，177；（参见“轴承”）。
黄铜，177。
断裂的连接处，173。
桥梁，31；桥梁的宽度，260。
威廉·布坎南，参见前言，402。
缓冲木，292。
本生灯，374。
烧伤的处理方法，542。
衬套，174、180。
端接方式，106。
笼子，116。
蜡烛，375；蜡烛的火焰，375。
碳，369、371；碳燃烧所需的空气，388；碳燃烧的总热量，380。
碳酸气体，378。
二氧化碳，378。
一氧化碳，378。
含碳氢化合物的氢气，369。
承重轮，268。
汽车的阻力，406。
汽缸的外壳，170。
密封材料，106；其作用，107。

密封边缘，106。
中心轴承，356；其润滑方式，475。
重心计算，329、330、331。
中心销，269、271、316。
卡车用下层中心板，316；其润滑方式，475；上层中心板，316。
安全链，340、350。
止回阀的故障，509、518；喷油器用止回阀，120；泵用止回阀，117。
化学元素，365；元素的组合，366。
化学当量，367。
冷却，291。
烟囱，66；其构造，112。
活塞的间隙，221；该间隙的影响，228；阀门的间隙，42。
煤炭：其中蒸发的水量，73、394；燃烧时的状态，387；煤炭的价值与特性，594。
鼓风机上的阀门，149；排气装置，148；气缸，171；进料装置，119；防霜装置，119；压力表，130；加热器，149；润滑油装置，169；测试装置，118；调试装置，130。
摩擦系数，359。
焦炭，379；其燃烧所需的空气量，392。
寒冷天气，496。
色盲，493。
碰撞，509；碰撞的预防措施，510。
燃烧，365；燃烧所需的空气量，380、388；燃烧的化学过程，379；扩大炉排对燃烧的影响，392；燃烧的原理，370；机车火箱中的燃烧现象，377；燃烧强度，393；管道中的燃烧现象，386；燃烧产物，378；燃烧速率，73、365；燃烧的总热量，380、393；燃烧完全时的状态，373。
压缩，44、221；压缩的计算方法，243；压缩的影响因素，228；压缩的效果，247；压缩曲线，236。
压缩应变，89。
连接管，31。
冷凝，17。
热传导，18；通过加热表面的热传导，395。
圆锥体，112；车轮的圆锥形结构及其影响，274、277；圆锥形结构的优势，285。
连杆，5、164；连杆的倾斜度，45、175；连杆的断裂情况，509；连杆的构造，177；连杆的作用，44；连杆的检查方法，467、471；主连杆，177；连杆所承受的压力，174；连杆的磨损情况，177。
Consolidation型机车，430、569。

连续式列车制动装置，442。
对流现象，111、118。
平衡重，（参见“平衡重”条目。）
沉头接头，156。
平衡重，289、328；其计算方法，328、331、333；其结构，333。
联轴器的拆解，510、531；发动机与煤水车的连接，480。
联轴器销，350。
联轴杆，177；为何要拆卸它，523。
覆盖条，100、103。
捕牛器，294、338。
曲柄，5、63。
曲柄销，64；其损坏情况，509、522；其结构，288；固定方式，288；检查方法，468；所承受的压力，244。
克雷默制动装置，442。
夹爪式装置，107。
十字头，174；其故障情况，509；检查方法，471。
交叉路口，接近方式，493、511。
顶杆，80。
顶板或顶盖，75、80。
挤压现象，95、98；处理方法，542。
曲线程度，410；曲线带来的阻力，410；通过曲线行驶，489。
压缩曲线，236。
膨胀曲线，236。
切断装置，16、41；其优点，483；连杆对其的影响，217；偏心轮的偏移对其的影响，252。
缓冲垫，38、230。
气缸，163、164；其损坏情况，509、521；其结构，164；气缸之间的距离，69；检查方法，63；气缸的位置，63；气缸的保护措施，170；气缸的尺寸，69、413。
气缸容积，414；其计算方法，415、416。
气缸外壳，170。
气缸阀门，171；其用途，479。
气缸盖，165；其损坏情况，521。
气缸盖罩，170。
气缸保温层，170。

灰斗用的减震器，81、153。
丹福思机车与机械公司，429；该公司生产的机车，559、569。
机车运行时可能面临的危险，544。
死点，5。
固定栅板，387。
火箱门用的导流装置，400；用于防止火花飞溅的装置，112。
输送管，120。
隔膜，140。
不同类型的机车，427。
气体的稀释以及所需空气量，389。
蒸汽的分配，220；其缺陷，248；其影响，231。
驱动轮上的重量分布，413。
穹顶，110；其位置，110。
双端水箱式机车，571、573、581。
双阀芯阀门，155。
双轴式机车，435、577、579。
牵引力，67、72。
拉杆，334。
吊桥，接近吊桥的方式，493；撞上吊桥的情况，509、511。
图纸，xiii。
钻孔，92、96、98、103。
钻探车，427。
滴水管，132。
驱动轴的断裂，523；主驱动轴，70；（另见“轴”）。
驱动轴箱，290；其轴承，290。
驱动轮，70、268；其作用，323；附着力，62、319；驱动轮的断裂，523；驱动轮的结构，285；驱动轮之间的距离，68；驱动轮尺寸对燃烧和蒸发的影响，424；驱动轮的摩擦力，62、319；驱动轮的固定方式，288；驱动轮在曲线上的运动，284；驱动轮尺寸与锅炉尺寸之间的关系，425；驱动轮的尺寸，68、413、425；驱动轮的重量，69。
下落式门，153。
干式管道，111。
备用零件，477。
防尘罩，356。
沸腾现象，11、485。

偏心轮，6；其偏移量对性能的影响，252、255；偏心轮的设置方式，182、528；偏心轮的运动如何传递给阀门，185；其运动与曲柄的运动相同，31；偏心轮的滑动现象，526、528；偏心轮的偏移量，31、251；当偏心轮的偏移量发生变化时的情况，258。
偏心杆，7；偏心杆的断裂情况，527、529。
偏心带，6；偏心带的断裂情况，529。
有效压力，14。
八轮美国式机车，555、557、559、561、563。
喷射装置，446。
弹性及其极限，89、302；弹簧的弹性，302。
弹簧的弹性强度，302。
基本物质，365。
能量，22、23；实际能量，24、29；排斥力产生的能量，28；潜在能量，28。
耐久性，545。
平衡杠杆，309；其优点，313；平衡杠杆的断裂情况，509、525；平衡杠杆的结构，310；通过平衡杠杆实现重量分配的方式，310；机车上的平衡杠杆，316。
蒸发所需量，72；蒸发的潜热，26。
蒸汽的排出，30、67；连杆对蒸汽排出的影响，217、249。
排气管道，236、242。
排气喷嘴，68、71。
排气通道，165。
排气管，162。
排气口，5；排气口的宽度，260。
排气蒸汽的作用，71、72。
膨胀机，84。
膨胀现象，16、221；膨胀带来的好处，55、60、482；经济性的限制，60。
膨胀夹具，294。
膨胀曲线或直线，51。
关于机车的实验，450。
锅炉爆炸，509；爆炸的原因，514；预防锅炉爆炸的方法，516。
费尔利发动机，435。
给水装置，119、149。
最终压力，56、482。
火焰的深度或厚度，383；火焰的管理方法，500；给火方法，383；启动方法，478。
点火，499、501。

火箱，66、67；其结构，75；其扩展方式，479；其形状，397；其尺寸，69。
耐火砖拱，397。
火焰的长度，376；火焰的性质，371、375。
轮子的法兰部分，278；该部分的摩擦力，281。
烟道，66、67；其布置方式，81；烟道的破裂或坍塌，509、516；烟道的固定方式，83。
烟道扩张装置，84。
水面的波动，487。
飞轮，5。
泡沫现象，484；产生泡沫的原因，486；泡沫的影响，488；防止泡沫产生的方法，486。
随动螺栓，172。
随动板，172。
踏板或底板，261、338；其重量所产生的影响，339。
英尺磅，23。
动力泵，115。
福尼型机车，434、575。
前进运动或齿轮装置，187。
四轮机车，428；其缺点，428；相关插图，553。
框架，65、292；与火箱的连接方式，295；框架的损坏情况，510、526；框架的固定方式，294。
富兰克林研究所的螺纹系统，342。
锅炉中水的结冰现象，507；泵中的水结冰现象，119、507、532。
货运机车，429。
货运运输，427、429。
摩擦力，358；影响摩擦力的因素，358；摩擦系数，359；表面压力和速度对摩擦力的影响，361；接触表面面积对摩擦力的影响，364；摩擦定律，363；轮子法兰部分的摩擦力，281；轮子本身的摩擦力，62、319。
正面视图，xiv。
正立视图，xiv。
冻伤的处理方法，543。
防冻装置，119。
燃料的价值，404；燃料的浪费问题，394。
驱动轮的支点，312。
炉门，67、80、149。

气体，368；气体的燃烧，376。
煤气灯，371。
道路的坡度，75。
计量阀，130。
支架，175。
腺体，173。
玻璃式水位计，130；其检查方法，465。
坡度对水位的影响，491；坡度对水流的阻力，408；在坡度上的流动情况，490。
格兰特机车厂，429；该厂生产的机车，557。
格栅，67、73、81、149；失效的格栅，387；格栅的检查方法，465；格栅的管理，504、506；格栅的晃动现象，152；格栅的表面状况，419；与水相关的格栅问题，152。
格栅栏，150。
格林威治街高架铁路，441。
导向块，176。
导向杆或导向条，164；其检查方法，467；其作用，174；其磨损情况，176。
导向轭，175。
半档，195。
手孔，148。
扶手，337。
前灯，336；其检查方法，476；其使用方式，495。
热量的传导，74；热量可转化为功，25；热量的等价物，24；潜热，26；热量的损失，395；热量的机械等价物，22；蒸汽中的总热量，29、585；热量的传递，381、395、423；热量的浪费，18、395。
加热阀，149；其使用方式，486。
加热表面，67；所需加热量，73、419、420。
蒸发或气化的热效应，369。
助手，497。
亨德森制动装置，442。
欣克利机车厂，429；该厂生产的机车，553、563。
火箱门的盖子，400。
水平截面图，xiv。
软管，350。
哈德逊河铁路所使用的机车，440。
氢气，369、371；氢气燃烧所需的空气，388。

双曲曲线，51，237。
双曲对数，54；对数表，590。
亚硝酸，368。
着火温度，370，376；煤气的着火温度，387。
结壳物质，454。
蒸汽指示器，47，231；安装方法，234。
图表式指示器，51，233；其形式，235，240，241，247。
感应电流，374。
初始压力，60。
喷射器，120；其工作原理，120；固定喷嘴喷射器的工作原理，123；热水对其的影响，123；固定喷嘴，120；故障现象，509，518；检查方法，465；安装位置，127；自调节功能，124。
人员伤害，533。
昏迷状态的处理，541。
管道内部，113。
机车的检查，461。
燃烧强度，393。
内部扰动力，328。
引言，ix。
反平面，xv。
Jauriet, C. F.；地下水位，399。
钳子，292。
Johnson, Walter B.，关于煤炭的实验，405。
轴颈，177；直径增大的影响，362；加热处理，504；润滑处理，179；驱动轴的轴颈，290；货车轴的轴颈，292。
驱动轴的轴颈轴承，290；补给车轴的轴颈轴承，351；货车轴的轴颈轴承，354。
钥匙，179。
垫片，111；用于气缸的垫片，169。
灯，373；前灯，336，376。
余量，40，251；内部余量，40；其影响，41；外部余量，40；其影响，41，44；减少余量的影响，255；改变余量的影响，258。
潜热，26；蒸发的潜热，26，29。
横向运动，317，430。

笑气，368。
铅，38、220、249、253；其成因，218；其影响，44；受何种因素影响，218；如何实现均衡分布，249；内部结构，38；使用铅的必要性，221。
泵阀的抬起，117。
提升臂，66；其断裂情况，529。
提升轴，185；其断裂情况，530；其位置，250。
弹性极限，89；弹簧的弹性极限，302。
线条与线段，237。
线性移动，252。
背压线，236、243。
压缩线，236。
膨胀线，236。
衬里，175。
连杆，66、185；其运动方式，189；其半径，200。
连杆块，185。
连杆吊架，185、250；其断裂情况，529。
连杆的运动，181、196、248。
连杆鞍座，187；其断裂情况，529。
书籍列表，550。
过热蒸汽，229。
机车，62；其前进速度，323；其载重能力，421；其清洁与维修，505；运行成本，448；不同类型的机车，427；机车的尺寸，68、429；蒸汽泄漏问题，509、511；相关实验，450；机车的总体描述，62；机车的转向方式，455；机车的检查，461；机车的各部件列表，69；每吨煤可行驶的里程数，449；机车的主要部件，62；机车的比例关系，412；机车的阻力，62；机车的速度，419；机车的启动方式，480；机车的重量，67。
纵向截面，xv。
无效运动，180。
洛夫里奇制动器，442。
润滑剂，360；其涂抹方法，360。
润滑作用，358；表面压力和速度对润滑作用的影响，361；润滑方法，477。
检修孔，349。
梅森机械厂，429、436；该厂生产的机车，561、577、579。
威廉·梅森，435。

机械师协会，260、288页。
热的机械当量，22页。
大都市铁路，427、437页；用于这些铁路的机车，436、438、440页。
中间档位，195页。
每吨煤对应的行驶里程，449页。
矿物油，504页。
其他，335页。
阀门机构模型，204页。
推进模量，415页。
Mogul型机车，430、567页。
分子活性，376页。
活塞的动量，230、244页；活塞的动量会产生阻碍曲轴转动的力，246页。
运动方式：往复运动，5页；旋转运动，5页。
运动曲线，34、196页；绘制方法，197、204、208页。
运动图，213、214页。
泥浆桶，148页。
泥坑，148页。
纽约高架铁路，441页；用于该铁路的机车，583页。
硝酸，368页。
氮气，368页。
亚硝酸，368页。
一氧化二氮，368页。
螺母，341页；各种螺母的比例，348页。
油类，360页；动物油，504页；涂油方式，360页；矿物油，504页。
用于储油的容器，354页。
油库，179、290页。
油阀，169页。
油杯，176页。
在普通道路上行驶，428页；在普通道路上的行驶情况，489页。
机车的运营成本，448页。
火箱的外壳，75页。
溢出现象，120页。
溢流喷嘴，121页。
氨草酸，454页。
氧气，368、370页。

填料，173。
填料螺栓，173。
填料螺母，132、173。
填料环，172；其检查方法，468；安装方法，469。
填料弹簧，172。
抛物面反射器，337。
平行运动，233。
平行杆，177。
客运流量，427；用于客运的机车，436。
带孔管道，488。
机车的性能与运行成本，448。
蒸汽的释放周期，220。
车轮的周长，277。
调压阀，118、149。
衬裙式管道，113。
打桩机，28。
导向装置（参见“捕牛器”），294、338。
活塞，1；活塞发生故障的情况，509、522；活塞直径，69、164、416；活塞的结构，172；活塞的润滑方式，169；活塞的检查方法，467；活塞的动量，38、230、244；活塞的行程，416。
活塞头，172。
活塞杆，2；活塞杆的作用，174；活塞杆断裂的情况，509；活塞杆的结构，171。
螺纹的螺距，341、343。
图示，xiv。
钢板，551。
势能，24、28。
预进气，197、220、237、240。
前言，iii。
预释放，221、226、249。
压力阀，115。
注油操作，170、484；注油的原因与预防措施，486；注油的效果，488。
饱和蒸汽的属性，表格形式，585。
机车的各部分比例，412。
普罗瑟膨胀机，84。
泵，115；泵的结构，115；泵的故障，509、518；泵的冻结现象，120、507、532；泵的检查方法，466；泵的安装位置，119；泵的调节方式，119；泵的工作原理，176；在暴风雪中的使用情况，532。

泵筒，115。
泵耳，177。
泵柱塞，155、177。
泵阀，115。
冲孔，9、93、103。
钻孔，91、93。
推杆，338。
高温计，397。
四分仪，261。
辐射，18、111；来自锅炉的辐射，397。
暴雨，497。
接收管，120。
往复运动，5。
反射器，337。
蒸汽释放，41、221；其控制方式，227；受连杆影响的程度，217。
粒子间的斥力，28。
机车司机的要求与职责，547。
备用发动机，497。
列车的阻力，406；在弯道上的阻力，410；在斜坡上的阻力，408；相关数据表，407、596。
机车司机的责任与资格，544。
反向杠杆，66、187；其损坏情况，530；结构与位置，261；长度，263。
反向杆，187、261；其损坏情况，530。
倒车齿轮，264。
理查森安全阀，140。
理查德的蒸汽机指示器，231。
铆接缝，91；其强度，93、95、106。
铆接，链式铆接，100；双排铆接，100；机器铆接，97；单排铆接，95；其强度，103；最牢固的铆接方式，99。
铆钉，90；其排列方式，91；被压碎的情况，95、98；直径，98；比例关系，91；剪切现象，94；交错排列的铆钉，101；其强度，94；之字形排列的铆钉，101。
摇臂，7；其损坏情况，529。
摇臂的断裂情况，529；长度，204。

摇杆销，185。
摇动式栅格，152。
罗杰斯机车厂，402、571、573。
旋转运动，5。
走台，337。
传动装置，268；其检查方法，473。
在轨道上运行的机车，478。
机车脱轨，509、512。
俄罗斯铁，111。
鞍座，296。
安全链，340、350。
安全阀，134；其排气作用，485；其检查方法，465；作用在安全阀上的压力，136；理查森式安全阀，140。
安全阀杠杆，135。
安全阀阀座，139。
沙箱，335；其使用方法，481。
饱和蒸汽，13；其性质，585。
烫伤的处理，542。
水垢，453。
螺纹，341；螺纹的形状，343；螺纹的比例，345；螺纹系统，342；螺纹参数表，348。
铆接接缝，91；其强度，95。
截面图，xiv。
剖面视图，xiv。
扇形部分，261；扇形部分上凹槽的排列方式，263。
威廉·塞勒斯，342；螺纹系统，342、344。
威廉·塞勒斯公司制造的转盘，456。
填料的铺设，469。
固定螺丝，179。
振动式栅格，152。
剪切作用，94、98。
冲击伤害的处理，541。
鞋状部件，297。
调车作业，427。
侧承，356。
侧视图，xiv。

侧杆，177。
侧视图，xiv。
信号，447；信号遵守规则，481、489、493。
列车松弛现象，481。
滑动部件，174；润滑方式，176；磨损情况，175。
滑阀，6、30；其动作原理，38；必须满足的条件，30；第一种形式的缺点，37；第一种形式的结构，30；如何使蒸汽保持密封状态，169；检查方法，472；其位置调整，40；中间位置，184；其运动受连杆运动比例的影响，248；润滑方式，169、492；比例关系，260；设置方式，264；移动距离，38。
史密斯，A. F.，441。
史密斯的真空制动装置，442。
烟雾，368；产生原因，372；预防措施，503。
烟箱，66、111；内部温度，396。
烟囱，66；结构，112；检查方法，465；比例关系，112；尺寸，69。
雪，497；融化过程，532。
暴风雪带来的封锁，532；在雪中行驶，497。
节制的重要性，545。
烟灰，371。
铆钉间距，96、98。
火花导向器，112。
机车的速度，450。
球形接头，160。
蜘蛛状结构，172。
车轮的间距，285。
弹簧，295、297；弹簧断裂，509、525；弹簧结构，297；弯曲程度，301、307；弹性，297、303、306；使用弹簧的必要性，295；弹簧片数量，306；比例关系，304；跨度，306；强度，303。
弹簧天平，137。
弹簧天平杠杆，138。
弹簧吊架，297；安装方式，308；弹簧吊架断裂，509。
弹簧带，300。
交错排列的铆钉，101。
启动阀，126。
车站：进入车站，494；经过车站，492；在车站停车，503。

固定螺栓，76；其断裂情况，79、463；所承受的应力，78。
蒸汽，10；其绝对压力，13、585；蒸汽的引入，30、155；利用蒸汽膨胀的优势，55；蒸汽的应用，1；蒸汽的冷凝，17；蒸汽的切断，41；蒸汽的有效压力，14；蒸汽的排出，30；蒸汽的膨胀，14、41、47；蒸汽的膨胀力，1；产生最大量蒸汽的方法，500；气缸内的压力，47、52、53、223；压力的极限值，134；蒸汽的压力，11；膨胀后的压力，16；蒸汽的特性，56、585；所需蒸汽量，420；蒸汽的释放，41；饱和蒸汽，13；过热蒸汽，13；蒸汽的总热量，29、57、585；蒸汽的温度，585；蒸汽的重量，585；蒸汽的体积，14、163、585；拉制而成的金属丝，59。
蒸汽穹顶，110；其位置，110。
蒸汽箱，6；蒸汽箱的破裂，509、522；蒸汽箱的构造，169；对蒸汽箱的保护措施，170。
蒸汽箱盖，169。
蒸汽压力表，140；其连接方式，145；蒸汽压力表的检查，465；蒸汽压力表的测试，145。
蒸汽指示器，231；其应用方法，234。
蒸汽管道，236。
蒸汽通道，165。
蒸汽管，111、155；蒸汽管的破裂，509、522；蒸汽管的构造，158。
蒸汽接口，5；接口的开启方式，217。
蒸汽空间，109。
蒸汽通路，5、122；蒸汽通路的作用，228。
蒸汽汽笛，146。
钢板，479。
带子，177。
冲程，16。
短端，179。
关于机械、机车部件等方面的研究，549。
填料箱，173；填料箱的检查，470。
郊区铁路，427；用于郊区铁路的机车，436、438。
吸水管，115。
吸阀，115。
中暑的防治，543。
过热蒸汽，13。
表面阀门，487。
悬挂链，250。

悬挂点，249。
悬挂连杆，318。
开关，269。
切换式机车，427、428；其运行方式，499；相关图示，553。
切线，209。
水箱，68、349；其容量与重量，69、346、359；加强措施，350。
水箱式机车，428、432、571、573、575、577、579、581、583。
汤顿机车制造公司，428。
火箱内的温度，387；点燃煤气的必要条件，387。
给水装置，68；其容量与重量，69、349、357；结构设计，349。
给水车，350、356。
给水阀，350。
拉伸应变，89。
十轮机车，430、565。
锅炉的测试，461；蒸汽压力表的测试，145。
螺纹（螺丝的），参见螺丝螺纹，341。
三腿原理，317。
节流管，111。
节流阀，155；其故障原因，510、530；检查方法，466；操作方式，158；应用场景，481。
节流阀操纵杆，158。
偏心轮的偏移量，31。
拇指工具，84。
轮胎，63、285；轮胎损坏情况，509、524；固定方式，286；标准尺寸，288。
发动机用工具，476。
俯视图，xiv。
总燃烧热，380、393；蒸汽的总燃烧热，29、57。
蒸汽的总压力，相关数据表，585。
止血带，537。
T形管，159。
牵引力，319。
牵引功率，321。
货运与客运流量，427。
从动轮，65；从动轮的损坏情况，524。

阀门的保护，514。
横截面，xv。
阀门的移动，38；其变化带来的影响，42、195、214、216；阀门如何发生变化，187。
车轮的踏面，277。
车体，268；其结构，314；对机车在弯道中行驶的影响，273；用于煤水车的车体，356；车体的横向运动，317；滚动阻力，280；车体的用途，269；单对轮子构成的车体，271、430。
车轴，280；车轴的断裂，524。
车体箱，292、314。
车体框架，314。
车体弹簧，314。
车体轮子，65、268；轮子的断裂，524；轮子的结构，291；轮子的尺寸，68；轮子的打滑现象，273；轮子所承受的重量，69；为何使用两个轮子，269。
桁架杆，316。
试压装置，130。
管道，66；管道的布置方式，81；管道的破裂或塌陷，509、516；管道的固定方式，83；管道的数量与尺寸，69、74。
管道扩张器，84。
转盘，451；转盘的结构，455。
药膏，360。
极限强度，90；弹簧的极限强度，302。
热量单位，58。
功的单位，23。
美国关于螺纹的标准，343。
真空制动器，442；真空制动器的结构，446。
真空管路，48。
滑动阀，6。（参见滑动阀。）
艾伦式阀门，224。
阀门表面，40。
阀门齿轮，181；阀门齿轮的结构，181；阀门齿轮的尺寸，216；阀门齿轮的损坏情况，510；阀门齿轮的检查方法，472；阀门齿轮的型号，250。
阀杆，7。
阀座，5。
阀杆柄，7；阀杆柄的损坏情况，529。

蒸汽，10。
可变排气系统，163。
静脉出血，536。
垂直截面，xiv。
体积，14。
车顶，109。
锅炉的腰部结构，67。
沃德式空气制动装置，442。
水：每磅煤所对应的蒸发水量，73, 394；水的结冰现象，507；
水中在锅炉内的高度，130, 484；含泥的水，486；“固态”水，487；水的供应与消耗，531。
水吊车，452。
水位计，130, 132。
水栅，152。
水空间，67；其大小，69, 75。
供水系统，453。
地下水位，399。
水箱：其重量对驱动轮的影响，433, 451。
楔子，294, 297；用于固定楔子的螺栓，475。
重量的分布，413。
焊接，100, 103。
西屋制动装置，442。
驱动轮，268；车轮的附着力，62；车轮的损坏情况，509, 524；车轮的承载能力，268；车轮的尺寸，68；从动轮，65；转向架，65, 268。
轮距，69, 285。
车轮中心点，63, 286。
车轮护罩，340。
野马发动机，498。
拉制的金属丝，59, 197, 482。
金属丝网，465；清洁方法，466。
功，22；可转化为热能，25。
工作用水，170。
腕销，175。
D. W. 怀曼设计的机车，583。
Y形结构，460。

之字形铆钉，101。

誊写者备注：

拼写、排版、连字符使用等方面的不一致之处均保留原样，除非在“下方更改”部分有特别说明。文中某些参考字母的大小写与插图中的不一致，且不同插图中对某些参考字母的使用也并不一致；除非另有说明，否则这些错误均未得到修正。本电子文本中的插图顺序并非总是按数字顺序排列，而是遵循原始文档的顺序。由于用于阅读此文本的硬件和软件及其设置不同，可能并非所有元素都能如预期般显示出来。本电子文本中插图所标注的比例未必准确。文中使用的某些字符仅用于表示符号或字母的形状，而非该符号（如⟂）或字母（如~U~）的实际含义。

第47页，……一个螺旋弹簧，s s，见图31，该弹簧处于压缩状态……：插图中看不到字母s的痕迹（不过可以看到弹簧）。

第52页，……如果我们构建一个比例尺S，S，见图38，……：原始文档的打印质量不佳，导致该比例尺在插图中无法完全显示；文本及图39或许能更清晰地展示它。那些能够辨认出的部分已进行了放大处理。

第77页：图41中出现了不同的参考字母h：两个位于烟囱处（插图的左侧），另一个位于蒸汽汽笛下方。文中都提到了这些字母。

第102页，……此时距离d f就相当于中心点……：可能有某个或多个单词缺失（……则应为……或类似表述）。

第154页，……带有两个把手，标记为l、l，见图71，这些把手是凸起的……：插图中标有l的符号并不存在（在插图后的零件清单中也没有列出）。
第166页，图93：最右侧的标记符号是一个倒置的W形，而非M形。
第181页，……另外两个则相反：很可能是某个地方出现了错误，另一个也是如此。
第258页，图145的说明文字：“比例尺为3/16英寸=1英尺”很可能是错误，正确应为“比例尺为3/16英寸=1英寸”。
第269页，……以及y，见图版II和图40中的中心销……：图版II中中心销是用Y来表示的。
第337页，踏板是由木板制成的，标记为ii，见图版I……：图版I中并未出现标记为ii的符号。
第430页，以“因此，由一对轮子构成的卡车……”开头的句子：与原文一致；可能有一些文字缺失。
第448/449页，表格及以“从这张表格可以看出……”开头的段落：表格的最后两列很可能显示的是小数而非百分比（例如，燃料费用可能是机车运营成本的0.3倍，而非0.3%）。
第544页：部件XL应该被命名为部件XXX。
附录：除非在“修改内容”部分有特别说明，否则这些表格均按原样呈现，尽管其中可能存在（轻微的）错误。
所做的修改：
脚注和插图已从正文段落中分离出来。部分插图已被旋转。
一些插图中的图号和比例尺标注已被移除，改为以（顶部或底部）的文字形式呈现。
在缺少标点符号的地方，已在插图说明后加上句号。编号的问题句在适当情况下已统一改为以问号结尾。

文中出现的引用字母均已统一用斜体表示。
一些明显缺失的标点符号已补充；一些细微的排版错误也在未作标注的情况下得到了修正。在某些表格和列表中，重复标记已被替换为相应的重复内容。

第iv页：“Die Schule des Locomotivfuhrers ...”已改为“Die Schule des Locomotivführers ...”。
第xvi页：“... as shown in the sections of the apple at A and B.”已改为“... as shown in the sections of the apple at C and D.”。
第1页：“The steam, if admitted at c ...”已改为“The steam, if admitted at C ...”。
第40页：“... those portions of the face h, i, and p, q, which cover the steam-ports, ...”已改为“... those portions of the face h, i, and h′, q, which cover the steam-ports ...”。
第56页：“... conditions which were used in the answer to Question 60 ...”已改为“... conditions which were used in the answer to Question 57 ...”。
第58页：“It was shown in answer to Question 56 ...”已改为“It was shown in answer to Question 57 ...”。
第102页：“... we will step off the distance d f f ...”已改为“... we will step off the distance d f ...”。
第111页：“... (shown also in fig. 43,) ...”已改为“... (shown also in fig. 40,) ...”。
第129页：在“a, a′, Heater Pipe.”处删除了第一个逗号。
第135页：图74中的引用字母J已改为j。
第162页：“... flanges, f f, cast on the pipes.”已改为“flanges, f, f, cast on the pipes.”。
第165页：“... _heads_, A and _B_, ...”已改为“_heads_, _A_ and _B_, ...”。
第176页：“... the tops guides are usually ...”已改为“the top guides are usually ...”。
第179页：“... the journals of the coupling-rods, the brasses at m, m, ...”已改为“... the journals of the coupling-rods, the brasses at n, n, ...”。

第195页：原来的“-o -o, ...”这一行已改为“-0 -0 ....”。
第216页，表格中第4行“Point of release, Backward stroke 20¹¹⁄₁₅”已改为“20¹¹⁄₁₆”。
第220页：“... the slide-valve and ink motion?”已改为“... the slide-valve and link motion?”。
第234页和236页：带有标题“图136”的第一幅插图已被重新编号为“图136a”，第二幅则被编号为“图136b”。
第236页，图136b中位于顶部中央的标记e已改为c。
第261页：“连接杠杆与垂直臂k的反向杆l′ k...”已改为“连接杠杆与垂直臂k的反向杆e k...”。
第281页：“...如果有两对轮子，a, a′, b, b′，见图151...”已改为“...如果有两对轮子，a a′, b b′，见图151,...”。
第292页：“...一种被称为‘缓冲木’的厚重木材，E E，以及I、II、III号板材...”已改为“...一种被称为‘缓冲木’的厚重木材，E′ E′，以及I、II、III号板材,...”。
第297页：“如图169中的B、B′所示，这些板材的长度各不相同...”已改为“如图169中的B、B′所示，这些板材的长度各不相同,...”。
第308页，对问题299的回答中，原本提及的“图178”已改为“图177”（共出现三次）。
第327页：“...图192中较长的杠杆EG′B的末端...”已改为“...图192中较长的杠杆EGB的末端,...”。
第337页：“扶手m m′ m′是由黄铜或铁制成的管道...”已改为“扶手m′ m′ m′是由黄铜或铁制成的管道,...”。
第345页：公式之后添加了闭合引号。
第346页，第一个公式中的1,266已改为1.266，与其他地方的写法一致。
第366页：同一条脚注在文中出现了两次，相应的脚注内容也被复制了。

第423页：……649,725单位的热量，……改为……
649,725单位的热量，……
第432页，第435题的答案：与其它地方一样，在“Consolidation”一词周围加上了引号。
第499页，脚注111：“Katechismus der Einrichtung und Betriebes der Locomotive”改为“Katechismus der Einrichtung und des Betriebes der Locomotive”。
第544页，脚注119：“Katechismus der Einrichtung und Betriebes der Locomotive”改为“Katechismus der Einrichtung und des Betriebes der Locomotive”。
第561页，图版VIII：比例尺“¹⁄₈英寸=英尺”改为“比例尺，¹⁄₈英寸=1英尺”。
附录：新增了附录I、附录II、附录III和附录IV这些章节标题。
索引：部分页码已更正。文本与索引之间的细微拼写差异则未作修改。

*** 古腾堡计划电子书《机车教义》内容结束 ***

后续更新的版本将取代旧版本，旧版本将会被重新命名。

由于这些作品源自不受美国版权法保护的印刷版，因此没有人拥有其美国的版权，所以该基金会（以及您本人）无需获得许可、也无需支付版税即可在美国复制和分发这些作品。本许可证的“通用使用条款”中规定了相关特殊规则，旨在保护古腾堡计划这一概念及商标。古腾堡是一个注册商标，如果您对电子书收取费用，则不得使用该商标，除非遵守商标许可条款，包括为使用古腾堡商标而支付相应费用。如果您不收取任何费用，那么遵守商标许可条款就非常简单。您可以将此电子书用于几乎任何用途，比如创作衍生作品、撰写报告、进行表演或研究。古腾堡计划的电子书可以被修改、打印并免费分发——对于不受美国版权法保护的电子书，您在美国几乎可以做任何事情。不过再分发时仍需遵守商标许可条款，尤其是商业性再分发。

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1.B. “古腾堡计划”是一项注册商标。只有那些同意遵守本协议条款的人才能将其用于电子作品上，或以任何方式与其关联。即便不遵守本协议的全部条款，您仍然可以对大多数古腾堡计划电子作品进行某些操作，详情见1.C段。如果您遵守本协议条款并协助确保未来人们能够继续免费获取古腾堡计划电子作品，那么您可以对其进行更多操作，详情见1.E段。

1.C. 古腾堡计划文学档案基金会（简称“该基金会”或PGLAF）拥有这些作品的汇编版权。

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1.D. 您所在国家的版权法同样决定了您可以对这些作品做些什么。大多数国家的版权法都在不断变化中。如果您不在美国境内，在下载、复制、展示、表演、分发或基于这些作品或其他古腾堡计划作品创作衍生作品之前，请先了解您所在国家的法律以及本协议的条款。对于美国以外的任何国家中的作品的版权状况，该基金会不作任何声明。

1.E. 除非您已删除所有与古腾堡计划相关的标识：

1.E.1. 每当有人访问、展示、表演、查看、复制或分发任何古腾堡计划作品（即任何标有“古腾堡计划”字样或与“古腾堡计划”相关的作品）时，都必须显著地显示以下句子，并提供通往完整古腾堡许可证的直接链接：

本电子书可供美国及世界其他大部分地区的任何人免费使用，几乎没有任何限制。您可以根据随附的古腾堡计划™许可证的条款来复制、赠送或重新使用它。

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1.E.4. 不得删除或移除本作品中的完整Project Gutenberg许可证条款，也不得删除或移除包含本作品部分内容或与Project Gutenberg相关的其他作品的任何文件中的这些条款。

1.E.5. 在不显著显示1.E.1段中所规定的文字，以及不提供通往完整Project Gutenberg许可证条款的直接链接的情况下，不得复制、展示、表演、分发或重新分发此电子作品或其任何部分。

1.E.6. 您可以将此作品转换为各种二进制格式、压缩格式、标记格式、非专有格式或专有格式进行分发，包括各种文字处理格式或超文本格式。不过，如果您以“纯ASCII格式”之外的其他格式来提供Project Gutenberg作品的副本或让其被他人访问，那么就必须遵守相关规定。

在Project Gutenberg官方网站（www.gutenberg.org）上发布的版本中，无需向用户收取任何额外费用，就必须以原始的“纯ASCII格式”或其他形式提供该作品的副本，或提供导出副本的途径，或是允许用户根据需求获取副本。任何其他格式的版本都必须包含第1.E.1段所规定的完整Project Gutenberg许可协议。

1.E.7. 除非符合第1.E.8段或1.E.9段的规定，否则不得对访问、查看、展示、播放、复制或分发任何Project Gutenberg作品收取费用。

1.E.8. 如果您愿意，可以针对Project Gutenberg电子作品的副本、访问权限或分发服务收取合理费用，但必须满足以下条件：

• 您需按照自己计算税款的相同方法，就使用Project Gutenberg作品所获得的毛利润支付20%的版税。该费用应支付给Project Gutenberg商标的所有者，但他已同意将此条款规定的版税捐赠给Project Gutenberg文学档案基金会。版税必须在您编制定期纳税申报表的日期之后的60天内支付。版税款项需明确标注为版税，并寄送到第4节“关于向Project Gutenberg文学档案基金会捐款的说明”中指定的地址。

• 如果有用户在收到作品后的30天内以书面形式（或电子邮件）告知您其不同意完整的Project Gutenberg™许可协议条款，您必须全额退还该用户所支付的款项。同时，您还必须要求该用户归还或销毁其所拥有的所有实体介质形式的作品副本，并停止使用及访问其他Project Gutenberg™作品副本。

• 如果在收到作品后的90天内发现电子作品存在缺陷并告知您，您必须根据第1.F.3段的规定，全额退还该用户为该作品或替代副本所支付的款项。

• 您在免费分发古腾堡计划™的作品时，必须遵守本协议中的所有其他条款。

1.E.9. 如果您希望收取费用，或以不同于本协议规定的方式分发古腾堡计划™的电子作品或系列作品，那么您必须获得古腾堡计划™商标的管理方——古腾堡文学档案基金会的书面许可。请按照下文第3节中的说明与该基金会取得联系。

1.F.

1.F.1. 古腾堡计划的志愿者和员工为打造古腾堡计划™作品集，付出了大量努力，他们会对那些不受美国版权法保护的作品进行版权调查、转录并校对。尽管如此，古腾堡计划™的电子作品及其存储介质仍可能存在“缺陷”，这些缺陷包括但不限于数据不完整、不准确或损坏、转录错误、版权或其他知识产权侵权问题、有缺陷或损坏的磁盘或其他存储介质、计算机病毒，以及会导致您的设备无法读取或受到损害的计算机代码。

1.F.2. 有限保修与责任免除——除1.F.3段中所述的“更换或退款权利”外，古腾堡文学档案基金会、古腾堡计划™商标的所有者，以及任何根据本协议分发古腾堡计划™电子作品的各方，均不对您因任何损害、成本或开支（包括法律费用）承担任何责任。您同意，对于因过失、严格责任、违反保修条款或合同违约而造成的损失，您除了可以依据1.F.3段的规定获得赔偿外，别无其他救济途径。您还同意，该基金会、商标所有者以及根据本协议进行分发的任何一方，均不对您所遭受的任何实际损失、直接损失、间接损失、后果性损失、惩罚性损失或附带损失承担责任。

即便您已事先告知可能出现此类损害的情况，也是如此。

1.F.3. 更换或退款的权利有限——如果您在收到该电子作品后的90天内发现其中存在缺陷，可以通过书面形式向您获取该作品的一方说明情况，从而获得相应款项的退款（如有）。如果您是通过实体介质获得该作品的，则必须将该介质连同书面说明一并退回。提供有缺陷作品的一方可以选择提供一份替代副本而非退款。如果您是通过电子方式获得该作品的，提供方可以选择再给您一次通过电子方式获取该作品的机会，而非退款。如果第二份副本也存在缺陷，您则可以书面要求退款，而无需再尝试解决该问题。

1.F.4. 除1.F.3条规定的有限更换或退款权利外，本作品是“按现状”提供给您的，不附带任何形式的明示或暗示担保，包括但不限于适销性或适用于特定用途的担保。

1.F.5. 某些州不允许免除某些暗示担保，或限制/排除某些类型的损害赔偿。如果本协议中的任何免责条款或限制条款违反了适用于本协议的州法律，则该条款应被解释为符合该州法律所允许的最大程度的免责或限制。本协议中任何条款的无效或不可执行性不会导致其余条款失效。

1.F.6. 赔偿责任——您同意赔偿并使基金会、商标所有者、基金会的任何代理人或员工、根据本协议提供古腾堡计划™电子作品副本的任何人，以及参与古腾堡计划™电子作品制作、推广和分发工作的所有志愿者，免于承担因您自身行为或过失直接或间接引发的所有责任、成本及费用，包括律师费。

(a) 分发本作品或任何古腾堡计划作品；(b) 对任何古腾堡计划作品进行修改、删减或添加内容；以及(c) 由您造成的任何缺陷。

第2节：关于古腾堡计划宗旨的信息

古腾堡计划意味着以各种计算机都能读取的格式免费分发电子作品，这些计算机包括那些已经过时、老旧或较新的计算机。该计划的运作离不开数百名志愿者的努力以及来自各行各业人士的捐助。

志愿者以及为志愿者提供所需支持的财政援助对于实现古腾堡计划的目标至关重要，也只有这样，古腾堡计划的作品集才能一直免费供后人使用。2001年，古腾堡文学档案基金会成立，旨在为古腾堡计划及未来世代创造一个安全且可持续的发展环境。如需了解更多关于古腾堡文学档案基金会的信息，以及您的贡献和捐助如何发挥作用，请参阅第3节和第4节，以及www.gutenberg.org上的基金会相关页面。

第3节：关于古腾堡文学档案基金会的信息

古腾堡文学档案基金会是一家非营利性501(c)(3)教育机构，根据密西西比州法律设立，并获得了美国国税局的免税资格。该基金会的联邦税号为64-6221541。根据美国联邦法律及您所在州的法律规定，向古腾堡文学档案基金会提供的捐款可在一定范围内享受税收减免。

该基金会的办公地址位于美国新泽西州蒙特克莱尔市Watchung Plaza #516，邮编07042，电话：+1 (862) 621-9288。可通过电子邮件联系他们。

相关链接及最新的联系方式可在该基金会的网站以及www.gutenberg.org/contact上的官方页面上找到。

第4节：关于为该项目捐款的说明
古腾堡文学档案基金会

古腾堡计划™的运作离不开公众的广泛支持与捐款。只有通过这些支持，才能实现其目标——增加可免费以机器可读格式分发的公共领域作品及获得许可的作品的数量，让包括老旧设备在内的各种设备都能读取这些作品。许多小额捐款（1美元至5,000美元）对于维持该机构在IRS处的免税地位尤为重要。

该基金会致力于遵守美国50个州关于慈善机构及慈善捐款的法律法规。不过，各州的合规要求并不统一，要满足这些要求需要付出大量精力、处理大量文件并支付诸多费用。在没有收到相关合规确认函的地区，我们不会寻求捐款。如需捐款或了解某个州的合规状况，请访问www.gutenberg.org/donate。

对于那些我们尚未达到捐款要求的州，我们既无法也不愿寻求捐款；不过，我们并未得知有任何规定禁止接受来自这些州的自愿捐款。

我们欢迎国际上的捐款，但无法就来自美国境外的捐款的税务处理问题给出任何说明。仅美国的法律就足以让我们的少量工作人员应接不暇。

请查看古腾堡计划的网页，了解当前的捐款方式与地址。除了现金捐款外，还可以通过支票、在线支付或信用卡等方式捐款。如需捐款，请访问：www.gutenberg.org/donate。

第5节：古腾堡计划的基本信息
电子作品

迈克尔·S·哈特教授是古腾堡计划的发起人，他提出了建立一个可让任何人自由共享的电子作品图书馆的理念。四十年来，他在仅有少量志愿者支持的条件下，持续制作并分发古腾堡计划的电子书。

古腾堡计划的电子书通常由多个印刷版本整合而成，而这些版本在美国均被认定不受版权保护，除非其中包含版权声明。因此，我们并不一定需要让电子书完全符合某个特定印刷版本的格式。

大多数人都是通过我们的网站开始了解古腾堡计划的，该网站提供了便捷的搜索功能：www.gutenberg.org。该网站还介绍了有关古腾堡计划的各种信息，包括如何向古腾堡计划文学档案基金会捐款、如何参与新电子书的制作，以及如何订阅电子邮件通讯以及时了解新发布的电子书信息。