机车(卷名：机械工程)
locomotive
牵引或推送铁路车辆运行，而本身不装载营业载荷的自推进车辆，俗称火车头。按运送每吨公里消耗燃料量计算，机车是耗能最少的陆地运输工具。它一般由蒸汽机、柴油机、燃气轮机、牵引电动机等动力机械直接或通过传动装置驱动。动力机械使机车动轮产生力矩，同时钢轨又给动轮以大小相等、方向相反的反作用力。各个动轮反作用力之和称为机车牵引力。这个牵引力是由动轮周上作用力而产生的切向外力，所以又称为轮周牵引力。为不使动轮在钢轨上空转，轮周牵引力不应大于动轮与钢轨间的粘着力（摩擦阻力），即不应大于机车的粘着重量(机车所有动轮作用于钢轨上的垂直重量)与粘着系数（机车动轮不空转时的最大轮周牵引力与粘着重量之比）的乘积。
简史 世界上最早出现的机车是蒸汽机车，以后又出现电力机车、柴油机车、燃气轮机车。（见彩图）
蒸汽机车发展过程 1803年英国的R.特里维西克制造出第一台在轨道上行驶的蒸汽机车(图1)。1814年英国的斯蒂芬森，G.制造出一台5吨重的“皮靴”号蒸汽机车，被认为第一台成功的机车。但真正在铁路上使用并为现代蒸汽机车奠定基础的是以斯蒂芬森，G.和其子R.斯蒂芬森为主要设计者建造的、并于1829年在比赛中获奖的“火箭”号蒸汽机车(图2）。它行驶速度达 58公里/小时(36英里/小时)，创造了当时地面行驶车辆的最高速度。1831年美国土木工程师J.B.杰维斯首次在机车前部试装一引导转向架，使机车能够在弯道上安全行驶。1836年美国H.R.坎贝尔设计一台2轴引导转向架2轴联动的机车。但这一设计并不成功，直到同时代的机械工程师J.哈里森进行了加装车轴均衡机构的改进后，才成为完善的机车。不久这辆机车便成为美国的标准型机车，并命名为“美国人”型机车，被广泛应用到 19世纪90年代。该型999号机车于1893年创造了181公里/小时（115.2英里/小时）的最高速度。为了提高饱和蒸汽的利用率、加大机车的牵引力，并能更好地通过弯道，1888年瑞士造出第一台关节复胀机车，由工程师A.马勒设计，称马勒型机车。1904年美国引进并在山区使用了马勒型机车，后改为单胀式，制造出最大的蒸汽机车2-4-4-2型。
进入20世纪，采用过热蒸汽的蒸汽机车迅速推广，这时的机车已向大蒸发量、大尺寸、大锅炉的大型化发展。
中国于1881年制出自己的第一台蒸汽机车“中国火箭”号，运行于唐山-胥各庄铁路。
蒸汽机车虽经 100多年的发展，但运用热效率只有6％左右，加上保养维修量大、污染严重、日运行里程短，逐渐被热效率高、运用率高的电力机车和柴油机车取代。美国于1960年，英国于1968年，法国于1972年，日本于1975年，联邦德国和苏联均于1977年相继停止使用蒸汽机车。
电力机车发展过程
1835年荷兰的斯特拉廷和贝克尔两人试制以电池供电的2轴小型铁路电力机车。1842年苏格兰的R.戴维森制造出一台由40组电池供电的标准轨距的电力机车。1879年德国的W.von西门子设计制造了一辆小型电力机车，电源由机车外部的150伏直流发电机供给，并通过两轨道和其中间的第三轨道向机车输入，电力机车首次成功行驶。1890年英国伦敦首次用电力机车在 5.6公里长的一段地下铁道上牵引车辆。1895年美国的巴尔的摩铁路隧道区段采用的干线电力机车，功率为1070千瓦。20世纪初欧洲有几个国家曾建成几段以三相交流电供电的电气化铁路。20世纪初，电力牵引的优越性已被公认，到20年代末几乎每个欧洲国家都已有占不同比例的电气化铁路。因三相交流供电系统和机车变流装置复杂，电力机车逐渐趋向采用工频单向交流电。50年代以后，随着大功率汞弧整流器和引燃管整流器的出现，特别是硅二极管整流器的出现，促进了采用工频交流电的电力机车的发展。70年代以来，干线电力机车向大功率、高速度、耐用方向发展。客运电力机车的速度已从每小时160公里提高到200公里。中国1958年制成第一辆以引燃管整流的“韶山”型电力机车。1968年改用硅整流器成功，制成“韶山”1型电力机车（图3）。柴油机车发展过程 在柴油机车出现之前，1906年美国制造出电力传动的汽油动车（本身装载营业载荷的自推进车辆）。1913年瑞典制造出电力传动的柴油动车，这些动车与柴油机车的构造类似。1924年苏联用一台735千瓦潜水艇柴油机制成一辆电力传动的柴油机车。1923年美国制成220千瓦的电力传动的柴油机车。到30年代初，柴油机车进入了试用和实用阶段、功率多在1000千瓦以内，主要以调车机车为主。到30年代后期出现了单节机车多节联挂的干线客运柴油机车。柴油机车的运行表明，它的经济效益比同等功率的蒸汽机车高得多。1945年以后，柴油机车进入大发展的阶段。柴油机上多配装废气涡轮增压系统，功率普遍提高。一般中速柴油机配装直流电力传动装置；高速柴油机除电力传动装置外还配装液力传动装置。50年代末和60年代初，柴油机车向更大功率（2000千瓦以上）发展，但受到直流电力传动装置的直流牵引发电机的限制，功率难以突破2200千瓦。这时联邦德国制造出安装两台高速柴油机的2940千瓦的液力传动柴油机车。60年代中期，随着大功率硅整流器的出现，人们制造出不受功率和转速限制的交-直流电力传动、功率为2940千瓦的柴油机车。后来，苏联制造交-直流电力传动的柴油机车，单个柴油机的功率已达4000千瓦。随着电子技术的发展，联邦德国于70年代上半期制造出1840千瓦交-直-交电力传动柴油机车。中国东北地区在30年代曾试用柴油机车，1958年开始制造柴油机车。
燃气轮机车发展过程 最早的燃气轮机车是从使用复式燃气轮机开始的。1933年瑞典制成了480千瓦的自由活塞燃气轮机车。1951年法国先后制成735千瓦和1770千瓦自由活塞燃气轮机车。1954年苏联制造2210千瓦的自由活塞燃气轮机。1941年瑞士首先制造出开式燃气轮机车。40年代末和50年代，英国、美国、苏联和捷克斯洛伐克先后制造出不同功率的开式燃气轮机车。
分类 机车可按所采用的动力装置、用途和走行部形式分类。
按动力装置分类 机车分为热力机车和电力机车两大类。
① 热力机车：以热机为原动机的机车，主要包括蒸汽机车、柴油机车和燃气轮机车，都是自带能源的机车。热力机车受到轴重和铁路轨道的限制，不能制造得过重过大；而机车内的动力和传动装置的重量和尺寸也受到约束。以柴油机和燃气轮机为动力的机车又称为内燃机车。柴油机车和燃气轮机车按其中的传动装置不同，又分为机械传动的、电力传动的和液力传动的。
② 电力机车：由外部经轨道上空的接触网或敷设于行车轨道一侧的第三轨道供电、由牵引电动机驱动的机车。电力机车具有功率大、短时过载能力强、速度高、加速快、牵引力大、不污染环境等优点，适用于运输繁忙、坡度大或有长隧道的铁路线上，尤其适用于大城市城郊和地下铁道的运输。电气化铁路对其附近的电信通信有一定的干扰。
按用途分类 机车分为客运机车、货运机车、客货通用机车、调车机车和工矿机车5类。
① 客运机车：牵引旅客列车的机车，有较高的运行速度和起动加速度，并能长距离运行，但机车牵引力不一定很大。
② 货运机车：牵引货物列车的机车，有相当大的牵引力，能长距离运行，但运行速度不一定很高。
③ 客货通用机车：牵引重的（辆数多的）旅客列车或较轻的快运货物列车的机车，其性能介于客运机车和货运机车之间。
④ 调车机车：在车站内或编组站（场）内，用于车列的解体和编组的机车，例如用于车辆的牵出、转线和车辆的送取等作业。调车机车起动和停车、正向和反向行驶频繁，应有足够的粘着重量、牵引力、起动加速度和良好的换向性能。在车站进行客车车列或部分货车列车摘挂和牵出作业的机车称为站内调车机车。这种机车功率较小，也可用于工矿企业内部运输。用于编组站（场）内进行车列解体、编组和牵出作业的机车称为编组站调车机车，这种机车也可兼作短途运输。
⑤ 工矿机车：在采掘、冶金、石油、化工、林业等部门内部运输用的机车，如压缩空气机车、无火蒸汽机车和蓄电池机车等。工矿机车的功率较小、速度不高，但需要有足够的牵引力，运送易燃、易爆物品需要有防火、防爆设施。
按走行部形式分类 分为车架式机车和转向架式机车两类。
① 车架式机车：动轴（驱动轴）以固定位置装于刚性车架的机车。这类机车固定轴距（装在刚性车架上的最前轴和最后轴中心的水平距离）长，通过弯曲路线较困难、不适合高速行驶。因此蒸汽机车与老式的电力机车和柴油机车装有导轮转向架，但这种机车仍属于车架式机车。
② 转向架式机车：车架两端各装一台可水平旋转的转向架支撑的机车。电力机车、柴油机车和燃气轮机车都采用这种形式。
构造和功用 机车的类型不同，能源供给的形式也不相同，但各种机车的构造却有许多共同之处，如都包括车架、走行部、车体、车钩缓冲装置、制动装置和司机室等。蒸汽机车构造比较特殊。电力机车、柴油机车和燃气轮机车除动力装置、传动装置不同外，其他部分基本相同或相似。
蒸汽机车的构造和功用 蒸汽机车主要由锅炉、蒸汽机、车架、走行部和煤水车几部分组成，其他还有车钩缓冲装置、制动装置、控制和监测装置、司机室、辅助装置等部分。
① 锅炉：产生和储存蒸汽的装置，是蒸汽机车的心脏。锅炉由火箱、锅筒和烟箱3部分组成。火箱是燃烧燃料的地方，分内火箱和外火箱两部分，内、外火箱之间充以锅水。火箱的底部是燃烧煤炭的炉床和存灰的灰箱。锅筒在锅炉的中部，筒内排列有大烟管和小烟管，大烟管内有使蒸汽干燥和加热的过热管。锅炉工作时，火箱产生的热量经内火箱和小烟管传给锅水。锅筒的顶部设有聚集蒸汽的蒸汽包。烟箱位于锅炉的前部，内有烟筒、乏气喷口、反射板和火星网等通风和排烟装置。燃料投入炉床后，在火箱内与从灰箱风门进入的空气混合后燃烧。热能通过内火箱板和大小烟管传递给锅水和过热管。燃烧后的烟气经烟箱由烟筒排出。高压饱和蒸汽由蒸汽包经干燥管和过热蒸汽集汽箱的一侧进入过热管。加热后的过热蒸汽，再返回集汽箱装的调整阀的一侧。过热蒸汽经调整阀和蒸汽管进入蒸汽机。
② 蒸汽机：它将蒸汽的内能转变为机械功以推动机车运行。蒸汽机车一般装有两套蒸汽机，装于机车的两侧。蒸汽机主要由汽室、汽缸、传动机构、阀动装置（配汽机构）等组成。汽室在汽缸的上面，过热蒸汽经烟箱中的主蒸汽管，从汽室中部进入汽室。汽室与汽缸的两端都有汽口相通。与活塞协调动作的阀动装置带动汽室中的汽阀作纵向往复运动，同时向汽缸配汽。过热蒸汽在汽缸内膨胀作功，推动活塞与活塞杆运动，经传动机构（十字头、摇杆、连杆、曲拐销）将活塞的往复运动变成机车动轮的旋转运动。通过轮、轨接触产生的牵引力基本符合机车牵引特性，又能逆转，所以蒸汽机车不需要像内燃机车那样的传动装置。
③ 车架和走行部：车架是由两片棒式或板式侧梁和若干横梁组成的结构，它是安装锅炉和汽机的基础。走行部是机车承重和在轨道上走行的部分。车架和走行部主要由车架、弹簧悬挂装置、动轮、从轮、导轮、各轮的转向架、轴箱、牵引装置、基础制动装置等构成。
④ 煤水车：机车上装载煤、水、油脂和存放工具的部分，用牵引杆挂在车架后面。煤水车由煤槽和水柜组成。煤水车车架由两台转向架支承，车架后端装有车钩缓冲器以牵引列车。大功率蒸汽机车的煤水车上还装有推煤机和输煤机，能将煤从炉口均匀地喷到炉床各处。
⑤ 司机室:即司机、副司机、司炉工作的处所，装于锅炉后端车架上，有操纵控制和监视仪及座位。司机室与煤水车相连，便于司炉烧火。
电力机车的构造和功用 电力机车（图4）是靠外部供给电能由牵引电动机驱动的机车。电能由电力系统经传输线、牵引变电所、接触网或第三轨道输入机车的牵引电动机，再驱动机车前进。电力机车是非自带能源的机车。电力机车的机械部分主要由转向架、车架、车体、司机室、车钩缓冲装置和制动装置等组成。转向架上的每个动轴均由一台牵引电动机驱动。转向架上还装有制动基础装置，它将牵引力和制动力传给车架。车架一方面承受车体、司机室和设备重量，另一方面传递牵引力给车钩缓冲装置以牵引列车。电气部分主要由牵引电动机、牵引变压器、受电弓、主断路器、交流电力机车的整流装置、控制、辅助和监测装置等组成。
① 受电弓：电力机车从接触网上受取电能的装置。受电弓安装在车顶上，可分单臂弓和双臂弓两种。它的主要部件包括集电头、上框架、下臂杆底架、引弓弹簧、传动气缸和支持绝缘子等。受电弓的升降由压缩空气控制。
② 主断路器：电力机车上接通或分断电源的总开关，兼作各种过载、短路故障的主保护开关，安装在机车的顶部。
③ 牵引变压器：在工频单相交流电供电的机车上，用于改变电源电压的装置。它安装于车架上，能承受较强的冲击振动和较高的电磁负荷。改变牵引变压器的输出电压可以调节机车运行速度。
柴油机车的构造和功用 柴油机车(图5)是以柴油机为动力的机车，比蒸汽机车有更高的热效率，不需要频繁地加入燃料，持续工作时间较长。柴油机车主要由柴油机、传动装置、车架、车体、转向架、车钩缓冲装置、制动装置、辅助装置和控制与监测装置组成。
① 柴油机：柴油机车的动力装置，也是柴油机车中易损部件多、维修量大的设备。对机车柴油机的要求是：可靠性好，燃料消耗率低、灵敏性好和单位功率的重量与尺寸小。现代机车用的柴油机都装有废气涡轮增压器（见废气涡轮增压），它能大大提高柴油机的功率和热效率。
② 传动装置：用于变换车轴和原动机输出轴的转速比和转矩以传递动力的装置。柴油机不能在有负荷情况下起动，起动后达到一定工作转速后才有输出功率和转矩。柴油机必须通过传动装置来适应机车牵引特性的要求。机车的传动装置分为机械传动装置、液力传动装置和电力传动装置3类。机械传动装置主要是通过离合器和多档的齿轮变速箱来改变柴油机的输出转速和机车动轴间的转速比。机械传动装置简单、造价低，适用于小功率的机车。液力传动装置是用一个或数个液力变扭器与齿轮箱组合，来传递柴油机到机车动轴之间动力的装置。液力传动装置的优点是能自动无级调速，换档无冲击，起动加速快而平稳。电力传动装置将柴油机发出的机械功变换成电能，再由电能转换成机械功以驱动车轮的传动装置。柴油机带动牵引发电机，供电给牵引电动机驱动车轮。按所使用的牵引发电机和牵引电动机的类型，电力传动装置分为直-直流电力传动装置、交-直流电力传动装置和交-直-交流电力传动装置。
燃气轮机车的构造和功用
燃气轮机车是以燃气轮机为动力的机车（图6）。它与柴油机车相比，除用燃气轮机代替柴油机外，其他构造基本相同。燃气轮机车主要由燃气轮机、传动装置、车架、车体、转向架、车钩缓冲装置、制动装置、控制和监测装置以及柴油发电机组等组成。① 燃气轮机：它是燃气轮机车的动力装置，多用开式燃气轮机。复式燃气轮机(自由活塞式燃气轮机)已不再使用。开式燃气轮机主要由涡轮机、涡轮压气机和独立的燃烧室组成，有的还装有回热器。
② 传动装置：燃气轮机车的传动装置分为电力传动和机械传动两种，以用电力传动的为多。用电力传动装置的燃气轮机因燃气轮机的转速很高，在它的输出轴和牵引发动机之间需要装齿轮减速箱。用机械传动装置的燃气轮机车只有前进和后退的换向档，无变速档。
③ 柴油发电机组：它是燃气轮机车中的辅助动力装置，其作用是启动燃气轮机，当燃气轮机未开动或未达到工作转速时供电给辅助装置。在机车出入库低速运行时，不必开动燃气轮机，而由柴油发电机组供电给一两个牵引电动机。
轴（轮）排列式 简称轴（轮）列式，是用数字或字母标出机车走行部的结构特点的简单方法。排列的方法是以安装于同一刚性构架（车架或转向架）中的车轴（轮）数，用数字或符号划分成组。符号自左至右依次表示机车从前到后各组的车轴（轮）数。轴列式分车架式机车轴列式和转向架式机车轴列式两种表示法。
车架式机车轴（轮）列式表示法 这种方法多用于蒸汽机车，常用的有3种。① 数字轴数表示法：表示顺序为:导轴数-动轴数-从动轴数。② 数字轮数表示法:表示顺序为：导轮数-动轮数-从动轮数。③ 数字与字母轴数表示法：以数字表示导轴和从动轴数，以大写拉丁字母表示动轴数，如A代表1，B代表2，C代表3等，表示顺序为：导轴数-动轴数-从动轴数。
例如，某机车有1根导轴、4根动轴而无从动轴，用上面3种表示法分别为：1-4-0，2-8-0和1D；又如某关节式机车的前车架有1根导轴和4根动轴，后车架有4根动轴和2根从动轴，用上面表示法分别为1-4+4-2或1-4-4-2、2-8-8-4、1D-D2。
转向架式机车轴列式表示法 以数字或字母表示每台转向架的动轴数和非动轴数。以注脚“0”表示每一动轴为单独驱动，无注脚表示动轴为成组驱动。表示顺序为：前转向架轴数-后转向架轴数。
例如，某机车有两台转向架，每台由3根单独驱动的动轴构成，可用数字和字母分别表示为:30-30和C0-C0;如同样机车为成组驱动的转向架，则分别表示为:3-3，C-C。又如某机车由两台3轴转向架构成，每台转向架中间轴为非驱动轴，则分别表示为：l01l0-l01l0，Α01Α0-Α01Α0。
发展趋势 蒸汽机车由于热效率低、维修、整备频繁、经济效益低、对环境污染严重，在铁路运输中已让位给柴油机车、电力机车和专为客运使用的柴油动车组、燃气轮动车组、电力动车组。柴油机车和电力机车是现代牵引动力的主力，除向更大功率发展外，主要是进一步提高热效率、耐久性、可靠性和舒适性，从而提高经济效益。以燃气轮动车组和电力动车组以及电力机车为主力的客运机车，正向更高的速度发展，80年代已达到每小时200公里到250公里，正向每小时300公里的速度迈进。车轮与钢轨的相互作用问题，轮、轨间的粘着、粘着系数、转向架和受电弓与接触网等在高速运行中引起的各种问题，是机车发展中的重要研究课题。