世界铁路进化史（一）：从有轨马车到蒸汽列车

铁路自1804年诞生以来，已经走过了两百多年历史，几乎贯穿了人类整个近代工业化历程。一条条绵延无尽的钢铁大动脉，以其庞大的运输能力

铁路自1804年诞生以来，已经走过了两百多年历史，几乎贯穿了人类整个近代工业化历程。一条条绵延无尽的钢铁大动脉，以其庞大的运输能力，成为世界各大工业国获取资源的利器，深刻影响着世界政治经济格局。伴随着铁路的发展，铁路机械的技术含量和复杂程度日益提高，已经形成年产值高达上万亿元的的庞大产业体系。动辄投资数百亿元的高铁工程，更是各大工业巨头激烈争夺的战场。风驰电掣的高速列车，以其极限性能，摘下世界铁道工业的皇冠，甚至成为各大工业强国夸耀自身技术实力的“国家名片”。

一 世界铁路历史溯源

铁路起源于英国的“有轨马车”。早在16世纪，欧洲的采矿业逐渐兴起，随着运输量的增加，土质路面已经难以负荷。德国人便学习古罗马的经验，率先在哈兹煤矿铺设石质路面，使得马拉矿车摆脱了泥泞的土路，得以将大量煤炭从矿井运至码头。但是这样做施工量太大，后来改为只在车轮碾过的地方铺设两行石板，也就成了石轨。到1660年，英国纽卡斯尔附近的煤矿出现了采用木制轨道的马拉矿车，使得施工更为便利。1763年，英法七年战争结束后，由于军需锐减，使得英国铁价猛跌。矿主为了解决木制轨道容易磨损的问题，便将一层铁皮钉在木轨上，出现了世界最早的“铁轨”。但是随着运输量的增加，蒙铁皮的木轨，还是不堪重负。

直至20世纪初期，英国街头仍然行驶着马拉有轨公交车。第一次世界大战后，随着汽车、火车、地铁等现代交通工具的普及，马车才逐渐退出城市。

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1768年，英国什罗普郡煤溪谷（Coalbrookdale）铁工厂的老板，看到厂里堆积如山的生铁，既不能卖出去赚钱，又要占用很多地方，便命人把生铁浇铸成铁板，铺在工厂的路上，准备等到铁价上涨时再卖出去。没想到这种板式铁路，竟然在矿区得到推广应用，后来进一步改制成两根L型角铁铁轨卡住车轮，供马拉矿车行驶。但是角铁铁轨存在容易被煤屑、垃圾填塞的问题。1789年，英国土木工程师威廉·杰索普（William Josias，1745-1814），设计出凸型铁轨和外轮缘凸出的铸铁车轮，在拉夫堡—莱斯特的马拉铁路上得到应用。这就是现代铁路的雏形。杰索普后来还发明了内轮缘凸出的铸铁车轮和铁路道岔。（因为外轮缘凸出需要用紧固件锁紧，而内轮缘凸出时，铁轨自身就能约束车轮位置。）这成为现代铁路轮轨的标准形式。道岔系统则是无数工程人员经过120年的艰苦探索后发明的。在木轨时代，车辆要想转换线路，只能靠转车盘。

18世纪是英国工业革命的黄金年代，出现了众多影响人类发展的重要发明，其中首推蒸汽机。1712年，英国德文郡达特茅斯的铁器商人托马斯·纽科门（Thomas Newcomen），制造出活塞式蒸汽机，并安装在斯塔福德郡达德利堡附近的煤矿用于抽水。这台蒸汽机缸径30.48厘米，每分钟能够做12次往复运动，功率为5.5马力。蒸汽抽水机的出现，使得矿工们得以在煤矿深层开采煤炭。然而纽科门蒸汽机在发明初期安装的并不多，直至1733年，这项发明专利过期之后，仿制者才增多。纽科门蒸汽机还有个问题是热效率低下，需要消耗大量煤炭，这使得它在经济性上仅适用于煤矿。

1763年，格拉斯哥大学的技师詹姆斯·瓦特（时年27岁），在商人罗巴克和博尔顿的资助下，开始改进纽科门式蒸汽机。他相继发明了分离式冷凝器、可调节阀门、汽缸绝热层、行星式齿轮、平行运动连杆机构、离心式调速器、压力计等部件，并于1769年制造出第一台样机，其能效比纽科门蒸汽机提高了5倍以上。这意味着可以节约大量燃料，提高了蒸汽机的经济适用性。1776年3月8日，英国伯明翰，博尔顿-瓦特公司正式成立，开始批量生产蒸汽机。到1800年，瓦特的专利期满终止时，已有321台博尔顿-瓦特蒸汽机投入使用，总功率5210马力。其中38%的蒸汽机用于抽水，剩下的用于为纺织厂、炼铁炉、面粉厂和其他工业设备提供动力。到1825年，英国蒸汽机数量达到1.5万台，总功率37.5万马力，英国工业由此进入爆发式成长阶段。（这一年为清道光五年，15年后爆发中英第一次鸦片战争。）

蒸汽机提供的强大动力，推动了英国采矿、钢铁、机械、纺织行业的兴起，也进一步刺激了对铁路运输的需求。尤其是采煤业，工业扩张使得英国的煤炭产量从1700年的300万吨，增长至1800年的1100万吨。仅靠马拉矿车已经逐渐难以承担如此巨大的运输量。

二 蒸汽列车横空出世

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1804年2月，英国人理查·特里维西克（RichardTrevithick）制成了世界第一台蒸汽火车，由此人类迈入铁路时代。特里维西克于1771年生于英国康沃尔郡一个矿主家庭，排行老六，有5个姐姐。由于家庭影响，他自幼便能接触到矿井的抽水蒸汽机。少年时，特里维西克便在蒸汽机领域崭露头角，19岁就在矿上获得了技术顾问的职位。当时纽科门式蒸汽机已经被瓦特蒸汽机取代。而瓦特发明的是低压蒸汽机，体积庞大。特里维西克认为，如果在汽缸内使用高压蒸汽，就能制造出体积较小的蒸汽机。这种想法主要受他的邻居的影响。他的邻居是当时著名的蒸汽机工程师——威廉·默多克。默多克在瓦特公司工作，他曾在1784年研制出英国第一台三轮蒸汽汽车，使用高压蒸汽机。但是出于商业利益考虑，瓦特公司一直抵制高压蒸汽机，并且用专利诉讼打击对手。

1797年，特里维西克成为煤矿工程师，并与一位铁匠女儿结婚。他开始进行高压蒸汽机研制，在铸造厂协助下，制成第一台高压蒸汽装置“puffers”。为了避开瓦特的专利，他对锅炉和传动结构都进行了改进。圆柱体锅炉能够承受0.34兆帕的压力，体积比瓦特蒸汽机小得多，能够安装到车体上。特里维西克原本希望能够用高压蒸汽机，取代煤矿使用的瓦特低压蒸汽机，但是瓦特公司散布舆论说高压蒸汽机不安全，而且矿主们更新设备的意愿也不高。在饱受挫折后，他转而将高压蒸汽机应用到运输车辆上。

1801年，特里维西克制造出英国第一台四轮蒸汽汽车，绰号“Puffing Devil”，这比德国人本茨研制汽油发动机汽车要早78年。平安夜那天，他与表弟安德鲁·维维安开车出去兜风，行驶了八公里之后，到一家饭店喝酒吃饭。结果停在店外的蒸汽汽车，由于锅炉里的水烧干，引起了一场大火，将车辆完全烧毁。1802年，特里维西克和他的表弟，共同获得高压蒸汽机的专利，并在什罗普郡煤溪谷铸造厂，制造了第二台高压蒸汽机。1803年，他们制造出第二辆蒸汽汽车“LondonSteamCarriage”，引起公众关注。但这台汽车在一次表演中因驾驶失误，撞到了砖墙上，又损坏报废了。而他在矿里安装的一台固定式高压蒸汽机，由于锅炉爆炸造成四人受伤。为了解决安全问题，他在锅炉上设置了（铅铆钉式）安全阀，当温度过高时，铅阀熔化便能释放压力。

1804年，特里维西克在南威尔士的Pen-y-Darren铸造厂制成第三台蒸汽车辆，也是世界第一台轮轨式蒸汽列车“新城堡号”。该车重4.5吨，能牵引10吨货物，锅炉蒸汽压力为0.294兆帕，锅炉顶部装有一个平放的汽缸，旁边安装一个大飞轮，借助于它的旋转惯性动力，保持汽缸活塞的往复运动。活塞带动连杆齿轮，驱动车头下的两组动轮。2月21日，在梅瑟蒂德菲尔的一条运河旁，特里维西克亲自驾驶着新出厂的蒸汽机车，牵引着5节车厢，满载10吨货物和70名乘客，沿着16公里长的铸铁轨道，以时速3.9公里跑完全程。这就是世界第一次火车运行，用了4个小时，比马车慢得多。由于缺乏竞争优势，特里维西克的蒸汽火车在商业上一败涂地。这位天才发明家，一生饱受挫折。1810年时，他由于承包隧道工程发生事故而破产。当15年后，蒸汽铁路在英国兴起时，他只能眼睁睁地看着英国人将“火车之父”的桂冠，戴到乔治·斯蒂芬逊的头上。1833年4月22日，特里维西克在贫病交加中死去，连丧葬费都是朋友帮着支付的。