蒸汽機車解說，徐仁濟；台鐵員工訓練中心主任，郭約義 先生 捐贈《Black Water Museum Collections | 黑水博物館館藏》
郭約義先生簡介
郭約義先生，生在日據時代--一個平凡的本省基督教長老會家庭，年幼曾隨家人赴福建廈門定居，並接受日本教育，光復後始遷居返台，就讀台北市國語實驗小學，奠定日後精熟國語與日文的基礎。民國46-49年，應召服海軍義務役三年，任PF41永泰軍艦輪機兵兼政戰文書，期間曾執行八二三台海戰役運補護航，並兩度參與南沙立威偵巡，為保衛台海安全，奉獻寶貴的青春歲月。
郭約義先生入伍前已在台鐵擔任練習生，退伍後重返台鐵仍從基層做起，因能耐勞吃苦，且學習領悟力強，遂由蒸汽機車司爐，先後通過檢定成為助理司機、司機，並獲挑選接受當時新引進的美製GM-R20柴電機車駕駛訓練。由於，柴電機車的發動機，與海軍永泰軍艦的主機都是GE-12-567系列柴油機，郭約義先生憑藉在海軍擔任輪機兵時的紮實訓練，學習與操作新型柴電機車格外駕輕就熟，自此奠定他在台鐵技術領導的地位。
郭約義先生服務台鐵40餘年間，先後擔任過各型機車司機員、指導司機員、員工訓練中心主任，並曾當選台鐵工會理事長；民國77年為爭取與捍衛員工權益，郭約義先生主導了歷史性的5/1台鐵罷工事件，並終使勞方遭積欠多年工資，得以補償而圓滿落幕。
郭約義先生退休後，基於對鐵路文化之熱忱與使命感，仍受邀擔任民間、大學鐵道社團之講師與顧問，致力推動蒸汽火車動態保存，並義務指導台鐵操作與維修古董蒸汽機車，榮獲交通部頒授「特殊貢獻獎」，台鐵並頒贈俗稱「金車票」的榮譽乘車証，得終身免費搭乘各級台鐵列車。
CT270型(4-6-2)過熱蒸汽機車
第一編 總論
第一章 機車之發展
輸送物體,利用車輛,可以節省勞力,故車輛自古即有之。當 時人口稀少,交通不繁盛,利用人力或牛馬之力曳車輛,卽 可達到輸送目的,漸漸人口增多,工商業發達,需於短時間內輸 送大量人物,幼稚之交通工具不適用,乃創修鐵路,並發明機 車,作原動力牽引車輛。
1769 年特(Watt)發明蒸汽機後,法人卡諾(Nicholas Cugnot)在運貨大車上裝設蒸汽機,行駛於普通道路上,以每小 時3.6公里速度能行15分鐘,堪稱蒸汽機車之鼻祖(圖1),因其 不合於實用故未成功。
1802年英國探礦工程師闕維克(Richard Trevithick) 完成蒸汽車一輛,搭客行駛於倫敦市區。當時正在擴充敷設馬 鐵路,該氏發覺如利用鐵路行駛蒸汽車,必大經濟,乃於 1803年製造蒸汽車行駛於軌道上,是為鐵路最初之蒸汽機車(圖 2)。該氏復繼續研究發見利用排汽勢力可使火勢旺盛,並在動輪上加相當重量即可利用動輪與 軌條間摩擦力(粘着力)牽引 車輛,於1804年製造第二輛蒸 汽機車,頗得世人贊賞,惟經濟價值,仍不及馬車。
當時又有英人布蘭肯索浦 (Blenkinsop)於1811年製造動 輪與軌條互相咬合之機車,成績勝於馬車,嗣後又製造數輛,使用甚久。
1814年英人煤礦技工史提芬孫(George Stephenson)熱心研究,得礦主资助,完成運動力第一號(Locomotion No.1)機車 (圖3),廣範圍使用於馬車之鐵路上,成績殊優,但僅用於私人經營之礦山,未供社會一般使用。1825年世界第一條正式鐵路—— 英國斯達克敦至達林敦(Stockton 至 Darlington)築成, 始成為公衆事業, 史提芬孫被聘為該路技師,親自駕, 牽引 90 公噸列車速度每小時可達16~19公里。
1829年利物浦至曼徹斯特(Liverpool 至 Manchester)鐵路開通,會以500英磅懸賞徵募優良機車,應募者計有五輛,其中二輛不及格,其餘三輛出場比賽,結果史提芬孫及其子勞勃( Robert)合造之火箭號(Rocket)(圖4),以最高46公里/時,平均22公里/時速度,安全完成112.6公里之規定距離,獲得優勝。經此次比賽以後機車之威力已舉世共認,於是美國於同年(1829 年)法國於1833年,比利時於1834年,德國於1835年起仿,進步之速,一日千里。
火箭號機車採用多管式鍋炉,藉十字頭,主連桿及曲拐銷轉動車輪,利用排汽誘起通風,並利用粘着力牽引車輛,已具備現代機車一切要素,故火箭號被認為係機車之原始,同時史提芬孫為機車之發明者。
中國於1880年開平煤礦公司成立,為輸送便利計,由該礦築路至胥各莊,銜接運河以通天津,長9公里,起初用螺馬拖曳, 1881年礦師英人金達製造機車,名中國火箭號(Rocket of China ),開始行駛,此為北寧鐵路之發軔。
第二章 機車種類
起初機車構造簡單不分種類。漸漸發達,用途殊異,構造各不相同,乃分許多種類。分述如下。
1.由構造分類,
A.裝煤水部分
分水櫃式機車及連結式機車二種。前者將運轉所需之煤水 裝載於機車引擎本身上。後者在引擎後部附掛煤水車,專為裝載煤水。
水櫃式機車之優劣如下。
優點:
a.前後方向皆便於行駛,折返運轉時可不轉向。
b.因無煤水車,逆行運轉亦便於瞭望。
c.車身較短,便於收容。
d.旣無煤水車,故能多牽引一輛客貨車。
缺點:
a.煤水裝載量少,須時常補充。
b.裝載煤水偏在機車後部,故於煤水減少時各車輪上之 重量卽不平均。
c.修理鍋爐時須先卸下水櫃,甚為不便。
d. 司機房狹小,工作不便。
此種機車適於短區間或站內車等工作。
連結式機車之優劣如下。
優點:
a.煤水裝載量多,適於長途運轉。
b.動輪上之重量與煤水增減無關,自始至終常無變化。
C.鍋炉兩側無水櫃,便於瞭望。
d.鍋炉修理時,無水櫃式機車之不便。
e.司機房寬大,工作方便。
缺點:
a.逆行運轉時煤水車阻碍瞭望。
b. 逆行運轉時煤水車容易出軌,速度須受限制。
C.折返處所必須轉向。
d. 為牽引煤水車,多耗牽引力。
e.車身較長,須較大之車房。
此種機車適於牽引位較重,並高速度之長列車。
B.蒸汽使用方法
分單式機車及復式機車二種。前者蒸汽只用一次成廢汽 排出,後者蒸汽使用二次,先在較小之高壓汽缸內工作後,再導 入較大之低壓汽缸工作,始成廢汽排出。依理論復式機車較單式 機車經濟,節省燃料,然因構造複雜,使用及保養方面,均較繁 難,實際並非盡如理想,一般仍以單式機車使用較廣。
C.蒸汽性質
分飽和蒸汽機車及過熱蒸汽機車二種。前者汽缸內所用之蒸汽為飽和蒸汽,鍋之蒸汽直接送至汽缸使用。後者汽缸內所用之蒸汽爲過熱蒸汽,鍋爐之蒸汽在大煙管內二往復,增高其溫度而後送至汽缸使用。過熱蒸汽流動性大,凝結較少,效率良好, 可以節省燃料,新式機車多屬此類。
飽和蒸汽乃蒸發達到飽和程度之蒸汽,此時之壓力與蒸汽 溫度恒有一定的關係。溫度稍一昇高,即有一部水分蒸發,壓力昇高。溫度稍一降低,即有一部蒸汽凝结,壓力降低。常自然達到新的飽和狀態。故饱和蒸汽經常與水共同存在,可認為恒有水分包含在內。
過熱蒸汽乃將飽和蒸汽與水分離,持原來壓力而加熱,使溫度超過飽和蒸汽固有溫度以上。其超過之溫度謂之過熱度。過熱蒸汽溫度雖稍降低,於其未降至飽和蒸汽之間有溫度以前,不致凝結,故過熱蒸汽時常乾燥,且富於流动性,其使用較飽和蒸汽經濟。
D. 汽缸數目
分二汽缸機車，三汽缸機車及四汽缸機車。
二汽缸機車在車架左右各裝設同形之汽缸一個。裝設於車架之內側者謂之內側二汽缸機車,裝設於車架外側者謂之外側二汽缸機車。內側二汽缸機車之後如下。
優點:
a.車架較為堅固。
b. 汽缸之保溫較好。
c. 運轉中動搖較小。
缺點:
a.汽缸之檢修注油等均不便。
b. 主動軸須用帶曲之車軸。
c.地位限制,不能採用較大汽缸。
因其不能用較大汽缸,不合於近代之要求,故採用甚少。外側二汽缸機車優劣與內側者相反,新式機車多屬此類。
三汽缸機車在車架左右外各汽缸一個外,更於中央裝設一個。與二汽缸機車比較,其優劣如下。
優點:
a.牽引力大。
b.廻力平均,較少空轉及動。
c.動輪一轉計排廢汽六次,通風平均,燃燒狀態良好,節省燃料。
缺點:
a.構造複雜,檢修注油等均感不便。
b.主動軸使用帶拐之車軸,容易折斷。
c.閥調整較為困難。
四汽缸機車乃活節式機車所採用,每二個汽缸運轉一組動輪。
E. 車輪數目
將導輪,動輪及從論之個數用數字排列表示,是謂華氏分類法。德國分類法則以英文字母A,B,C,D之順序表示動軸數目, 更在字母前後用數字表示導軸及從軸數目。
此外各式機車更有名,列表如下。
機車型式
2. 由用途分類
分客運機車,貨運機車及調車機車三種。
客運機車以能達到最高行駛速率為主要條件,故動輪直徑 較大,數目以六個最普通。導輪普通用四個,以便能引導動輪安全通過曲綫。動輪之後多設二個從輪,負擔部重量,以便 能採用廣火箱而不增高 鍋爐之重心。最通用之客運機車為4-6-2, 4-4-2等,旅客列車用之機車與快貨車相同,有用 4–8–2或4-8-4者。
貨運機車牽引力大能多拖為主要條件,速度尙次要, 故動輪直徑較小,數目較多,汽缸較大,導輪二個卽已足用,從輪可有可無。貨運機車最通用者為2-8-0，2-8-2，2-10-0等。
調車機車專為在車站調動車輛,編組或分解列車之用,以容 易瞭望,進退便利,及安全為主要條件。速度受一定之限制,但經 常始動及停止,牽引力大。故只需動輪數對,使全車重量皆集 中動輪上,增加粘着力,導輪及從輪尙非心要,又固定輪軸距應 小。最通用之調車機車為2-6-2，0-6-0，0-8-0等。
第三章 關於機車及路線主要術語
1. 運轉整備
具備運轉必需之一切條件,並適合以下各項狀態之機車稱為運轉整備之機車。
a. 常用壓力下鍋水位於頂級最高部上方150公里之處所。
b. 爐箆上燃料及灰箱內灰分之重量以每平方公尺 200公斤為標準。
c.煙箱煤爐不超過5公斤。
d. 砂箱滿砂,砂之重量以一立方公尺1500公斤為標準。
e.裝滿煤水。
f. 乘務員二人,每人以重70公斤標準。
g.裝載一切必要之工具。
2. 空車
除去鍋爐水,水水,燃料,灰,煤燃,砂,工具,乘務員等,稱 爲空車。
3.固定軸,固定轴距,動轴距,全軸距
車軸中心常與車架或直角,且無特之橫動游間者稱為固定軸。
按裝於一個無撓性車架上之固定,前最後位中心 水平距離,稱為固定軸距。
按裝於一個無撓性車架上之動輪軸,最前與最後他中心 水平距離,稱爲動軸距。
機車前後兩端車軸中心水平距離為全軸距,連結式機車 於拉長狀態下測量之。
4. 最大長,最大高,最大寬。
前後兩連結器在狀態時,結間之距離稱為最大長, 連結式機車在拉長狀態下之。
機車最高處距軌面之高稱為最大高,於運轉整備狀態下測量之。
機車側面最突出部份至中心距之二稱為最大寬,但號誌板及號誌燈不算在內。
5.煙管長及直徑
煙管長指前後管級間之內距離,直徑指煙管中部之外徑而言。
6. 蒸發傳熱面積
煙管,拱管及內火箱底图以上火側之面積稱為蒸發傳熱面積,不考慮爐撑之存在。
7. 過熱傳熱面積
過熱管插入煙管內部份火之面積稱為過熱傳熱面積。
8. 鍋水容量
指水位在頂最高部上方150公里處,水之容量而言。
9. 車輪直徑 指新換之輪箍,距一對車輪中心560公區處(軌距1067公厘之路線)踏面之直徑而言。
10.軌距
距軌條面16公厘以內,兩軌內側最小距能稱為軌距軌距 1.435公尺者為標準軌,小於此者為狹軌,大於此者為廣軌。世界各國鐵路之軌距如下。
7. 閥體閉斷及漲圈閉斷
鞲鞴閥對蒸汽口之開閉作用,分體閉斷及漲圈閉斷二種。 閥體閉斷者藉閥體邊緣司掌蒸汽供排,張圈不過用以防止漏汽,閥體與汽室内套相接觸,惟經久使用,閥體及內套均有摩耗,依修理限度閥體與內套直徑之差可達2公厘,即沿周各處均能有1公厘間隙,蒸汽之供排無形中操之於漲圈,作用必不正確,閉斷延遲,大者達7~10%之多,又排汽提早,壓縮遲延,頗不經濟。漲圈閉斷者閥體邊緣製造稍小,與內套有大間隙,蒸汽之供排完全由張圈司掌,正確而無變化,新式機車多屬之。
第七章閥裝置
1.關於閥運動之術語
閥按一定規則,常與鞲鞴保持相關的運動,司掌蒸汽口開閉之機構謂之閥裝置。研究閥運動時須先瞭解一下術語。
a. 曲拐。 以車軸為中心,曲拐銷中心運動所劃之圓稱為曲拐圓。曲拐圓之直徑等於鞲鞴行程。
b. 偏心半徑。 由偏心(偏心輪之中心或回動曲拐銷之中心)至車軸中心之距離稱為偏心半徑。
c. 偏心直徑。 偏心半徑之2倍稱為偏心直徑。偏心給予閥之運動等於偏心直徑。
d. 偏心圓。 偏心(偏心輪中心或回動曲拐銷中心)以車軸為中心,運動所之稱為偏心圓。
e. 閥行程。 閥在閥座上往復運動之距離謂之閥行程。 行程超過蒸汽口及餘面之2倍時,共超過之量謂之過行程。閥如直接受偏心之運動,閥行程等於偏心直徑。
f. 假想偏心。 閥並非恆直接受一個偏心之運動,有時受二個偏心之合成運動,並於中途改變運動量之大小而後傳與閥。此時閥所得之運動設係直接由一個偏心得來,此假設之心稱為假想偏心。假想偏心半徑恒為閥行程之一半。
g.給汽點,閉斷點,排汽點,壓縮點。
閥開放蒸汽口,起始向汽缸供汽之點稱為給汽點。閥關閉蒸汽口,遮斷向汽缸供汽之點稱為閉斷點。閥開放排汽口,起始排汽之點稱為排汽點。閥關閉排汽口,遮斷排汽之點稱為壓縮點。
由給汽點至閉斷點之期間稱為給汽期間。由閉斷點至排汽 點之期間稱為膨脹期間。由排汽點至壓縮點之期間稱爲排汽期間。由壓縮點至給汽點之期間稱為壓縮期間。
2. 偏心與曲拐之關係位置
A.標準閥。
閥與蒸汽口寬完全相同, 閥位於閥座中央時,恰好關閉前後蒸汽口,稍一移動,則一側供汽,他側排汽,此種稱為標準閥。
標準閥由中央移動至行程一端再回至中央之期間內,蒸汽口一側供汽,他側排汽,鞲鞴由一端至他端,完成一行程。閥由中央繼續移動至行程他端,再回至中央
10.汽笛
用以執行號訊及警告行人,拉司機房內把手,則開啓,蒸汽由筒口噴出,振動笛體而發音。笛體內部有區分為三部或五部者,高低不同,藉以發出不同之音調,以期悅耳,是謂諧音汽笛。
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