【科普】采用“復(fù)式”傳動的美國賓夕法尼亞鐵路T1型蒸汽機(jī)車

文章作者:Forever Changzhensky(AcFun、Bilibili、百度、微博和知乎昵稱:寧柳跨越)
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4-4-4-4蒸汽機(jī)車輪式,傳動形式為兩套運(yùn)動副共用一組車架的“復(fù)式”傳動。本文提及的美國賓夕法尼亞鐵路T1型蒸汽機(jī)車為“復(fù)式”傳動。
美國賓夕法尼亞鐵路公司在本文簡稱“PRR”⑴;鮑爾溫機(jī)車廠簡稱“BLW”⑵。
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資料參考來源
《Pennsylvania 4-4-4-4, 6-4-4-6, etc. "Duplex Drive" Locomotives in the USA》:https://www.steamlocomotive.com/locobase.php?country=USA&wheel=Duplex&railroad=prr
《Pennsylvania Railroad 4-4-4-4 T1 Locomotive | Old Machine Press》:https://oldmachinepress.com/2020/06/20/pennsylvania-railroad-4-4-4-4-t1-locomotive/
《Pennsylvania Railroad Class T1 | Locomotive Wiki | Fandom》:https://locomotive.fandom.com/wiki/Pennsylvania_Railroad_Class_T1
《Pennsylvania Railroad T1 and T1a Duplex - Revivaler》:https://revivaler.com/pennsylvania-railroad-t1-t1a-duplex/
《PRR Steam Locomotive diagrams》:http://prr.railfan.net/diagrams/PRRdiagrams.html?sel=ste&sz=sm&fr=
《The T1 Trust》:https://prrt1steamlocomotivetrust.org/
概述
T1型蒸汽機(jī)車,是PRR使用的煤水車式蒸汽機(jī)車車型之一。本型機(jī)車流線型外觀由雷蒙·洛伊⑶設(shè)計(jì),機(jī)械部分由拉爾夫·P·約翰遜設(shè)計(jì),1942年到1946年間共計(jì)制造52臺機(jī)車,成為PRR最后投入運(yùn)用的蒸汽機(jī)車車型。

背景
在T1型蒸汽機(jī)車之前,PRR投入運(yùn)用的最后一款量產(chǎn)快速客運(yùn)蒸汽機(jī)車車型是1914年到1928年間制造的K4型蒸汽機(jī)車。1929年,阿爾圖納工廠和BLW生產(chǎn)了共計(jì)2臺的實(shí)驗(yàn)性K5型蒸汽機(jī)車,但它們被認(rèn)為不足以值得改進(jìn)。此后,PRR的注意力轉(zhuǎn)向了鐵路電氣化和FF1型、GG1型等型電力機(jī)車。
20世紀(jì)30年代中后期,PRR開始再次開發(fā)蒸汽機(jī)車,但與以前的保守式設(shè)計(jì)有所不同,PRR采用了激進(jìn)式設(shè)計(jì)。PRR的長期開發(fā)合作伙伴——BLW的設(shè)計(jì)師渴望在面對內(nèi)燃機(jī)車的新競爭時(shí)證明蒸汽機(jī)車的可行性,說服PRR采用BLW的最新想法:“復(fù)式”傳動機(jī)車。

PRR第一臺“復(fù)式”傳動機(jī)車是1939年的6-4-4-6輪式S1-6100號機(jī)車。它功能強(qiáng)大,在平道上達(dá)到了100 mile/h(162.50 km/h)的速度。盡管它的實(shí)用性受限,但其性能鼓勵了PRR繼續(xù)開發(fā)“復(fù)式”傳動機(jī)車。
制造與運(yùn)用
1940年6月26日,PRR以60萬美元的價(jià)格從BLW訂購了2臺試制T1型蒸汽機(jī)車——T1-6110號和T1-6111號機(jī)車。這2臺試制機(jī)都有很多問題,如果司機(jī)操作不當(dāng),它們?nèi)菀装l(fā)生空轉(zhuǎn)。

盡管如此,但是機(jī)車良好的測試報(bào)告讓PRR董事會于1944年12月20日批準(zhǔn)以14125000美元(每臺282500美元)的價(jià)格購買50臺T1型機(jī)車。50臺T1型機(jī)車的訂單由阿爾圖納工廠和BLW平分,于1946年8月制造完畢。T1型蒸汽機(jī)車使用PRR客運(yùn)機(jī)車的標(biāo)準(zhǔn)3階汽笛。
T1-5539號機(jī)車在1946年9月11日至9月14日間進(jìn)行的運(yùn)行測試表明,其功率達(dá)到了5012 hp(3737 kW)。1944年,T1-6110號機(jī)車在阿爾圖納工廠進(jìn)行的靜態(tài)測試表明,其在速度為85 mile/h(137 km/h)時(shí)的功率為6550 hp(4880 kW)。

問題
相比于其他蒸汽機(jī)車車型,T1型蒸汽機(jī)車因其設(shè)計(jì)的復(fù)雜性,維護(hù)并不容易。如果司機(jī)控制節(jié)流閥不當(dāng),輪對可能會發(fā)生劇烈的空轉(zhuǎn),造成對位于走行部的富蘭克林A型擺動式凸輪提升閥的損壞。它們因此被稱為“無需蒸汽的機(jī)車”,也就是說,它們可以保持鍋爐壓力無論節(jié)流閥設(shè)定如何。為此,PRR在一些T1型蒸汽機(jī)車加裝沙土,而熟練的司機(jī)則謹(jǐn)慎控制節(jié)流閥,以最大程度地減少輪對空轉(zhuǎn)。
盡管PRR將T1型蒸汽機(jī)車的最高運(yùn)行速度限定為100 mile/h(161 km/h),但一些負(fù)責(zé)維護(hù)T1型蒸汽機(jī)車的技術(shù)人員聲稱,目擊到它們以最高140 mile/h(225 km/h)的速度運(yùn)轉(zhuǎn)以彌補(bǔ)晚點(diǎn)造成的延誤。盡管目擊的真實(shí)性存疑,但T1型蒸汽機(jī)車如此強(qiáng)大,以至于很容易超過其技術(shù)設(shè)計(jì)和運(yùn)行速度的限制,所付出的代價(jià)無疑是更多的故障,以及更高的維護(hù)成本。

技術(shù)數(shù)據(jù)表

退役
1947年,PRR報(bào)告了1946年的凈虧損,這是PRR歷史上第一次沒有盈利。1948年初,PRR開始逐步部署內(nèi)燃機(jī)車。
T1-5500號機(jī)車在1948年7月被修改為旋轉(zhuǎn)凸輪閥系統(tǒng);而T1-5547號機(jī)車在1949年7月被更改為常規(guī)的沃爾沙特式氣門裝置,從而成為唯一一臺T1A型機(jī)車。但是這些改造對于T1型蒸汽機(jī)車甚至是PRR蒸汽機(jī)車來說,為時(shí)已晚。

到1949年底,大多數(shù)T1型蒸汽機(jī)車不再牽引旅客列車。1953年底,所有T1型蒸汽機(jī)車退役。1953年到1956年間,全數(shù)52臺T1型蒸汽機(jī)車被拆解,沒有一臺機(jī)車存留下來。
緩慢新造中的T1-5550號機(jī)車
于2013年成立的非營利性公共慈善機(jī)構(gòu)——T1 Trust,由專業(yè)鐵路工程師、歷史學(xué)家和蒸汽機(jī)車運(yùn)營商組成。T1 Trust正在制造T1型機(jī)車的第53臺機(jī)車——T1-5550號機(jī)車,旨在于美國境內(nèi)干線進(jìn)行動態(tài)展示。
考慮到通貨膨脹、人工成本、材料成本、制造成本、重新裝配成本和設(shè)計(jì)成本,T1 Trust計(jì)劃在17年的時(shí)間內(nèi)耗費(fèi)10000000美元,于2030年完成T1-5550號機(jī)車的制造。
2017年8月7日,T1 Trust從紐約西部鐵路歷史學(xué)會購買了一節(jié)來自于M1-6659號機(jī)車的煤水車,使得T1-5550號機(jī)車的總體成本降低了至少3000000美元。
到2020年底,T1-5550號機(jī)車的鍋爐竣工并焊接在一起,煙箱外罩、司機(jī)室和第四動軸也已完工。

注釋
⑴英語:Pennsylvania Railroad。
⑵英語:Baldwin Locomotive Works。
⑶法語:Raymond Loewy(1893年11月5日-1986年7月14日),法譯漢為“雷蒙·洛伊”,英譯漢則為“雷蒙德·洛威”;生于法國巴黎的美國工業(yè)設(shè)計(jì)師。
⑷英語:Altoona Works。
