0 引言

1765年瓦特对蒸汽机进行了改进，大大提高了其工作效率，使蒸汽机实现了现代化，到1988年，我国停止生产蒸汽机车，蒸汽机车逐渐退出我们的生产生活，驶进了博物馆。在两个多世纪的历程中，蒸汽机促进了社会生产力的发展，提高了生产效率，推动了技术革命，改变了人类的生产生活方式，促使社会进入“蒸汽时代”。

蒸汽动力火车作为机器，其组成部件丰富，结构完整，设计美观，包含蒸汽动力装置、气压传动控制装置、双曲柄机构等，在一定程度上能揭示自然和人造机械的组成原理。通过该项目学生在机构应用、机构设计方面以及机加工、钳工、焊接等加工方法的实操，有了深层次的认识，初步具备研究机器特定性能的机构分析和设计理论的能力，为进一步学习应用探究现代机械装备提供基础理论和有效实用的方法。

1 蒸汽动力火车的工作原理

蒸汽动力火车（以下简称机车）是一种外燃式的热力机车，采用卧式火管锅炉与卧式单胀非凝式往复汽机，用铜管和通风装置将两者从结构与性能上联系起来，并采用摇连杆式直接传动[1]。

蒸汽机车的能量转化过程，先利用锅炉，将燃料的化学能转换为过热蒸汽的热能，通过汽机，再转变为鞲鞴动作的内机械能，最后通过轮轨关系转变为轮周牵引力所做的外机械功。

锅炉产生的具有一定压力的过热蒸汽进入汽缸，推动鞲鞴往复运动，再经摇杆曲柄机构变为轮对的回转运动，并在轮轨之间产生牵引力使机车前进。

2 机车的主要结构及尺寸

机车主要由锅炉、汽机部分、行走部分以及附属装置组成。

2.1 锅炉

机车锅炉由火箱、锅胴、烟箱等构成，如图1所示，配备锅炉安全监测装置，包括水表、气压表、安全阀等。火箱由燃烧室和加热管组成，通过烟管与烟箱相连。锅筒与火箱内壁、烟管、隔板间充满水和汽。燃料在火箱中燃烧，把热量传给加热管及火箱外围的水，产生蒸汽，燃烧后的烟气经烟管流入烟箱，同时把热量传给外围的锅水及蒸汽[2]。锅炉外壁采用直径φ60mm，壁厚为2mm的钢管加工，也可采用铜管，更为美观。

图1 机车锅炉剖面图1——燃烧室；2——加热管；3——锅胴；4——烟箱；5——烟管；6——烟筒；7——锅筒；8——汽包底盖；9——进汽管；10——控制杆支架；11——进水口；12——废弃喷口.

锅炉的工作与锅水流动有关。水分蒸发时，气泡离开内壁而上升，使另一部分新水流向气泡所脱离的传热面，形成锅水自然循环。

锅胴内贮有锅炉用水，烟箱管板将锅胴与烟箱隔开，锅胴里安装有烟管，以将烟气排向烟箱，高温的烟气在烟管里流过时，把热量传给管壁外围的水，使锅水蒸发[1]。烟管还兼有支撑前后管板的作用。

汽包用来汇集锅炉中的蒸汽，并经汽包内的铜管引出，向汽机供汽，并由调整阀控制蒸汽通路的通断和节流。汽包愈高，则所汇集的蒸汽含水分愈少；但汽包的高度受机车整体结构的限制。

烟箱的主要作用是通风。烟箱与锅胴相连，其内部以前管板与锅胴隔开，从烟管来的烟气在烟箱内汇集，从锥形烟筒排出。烟箱下部用紧配合螺栓与汽缸上方的烟箱鞍座连接，使锅炉与车架坚固地连接再一起。可以采用喷射通风装置，将汽缸排出的高速废汽引入烟箱，产生压力，从烟筒排出，但烟箱必须严密，以保证通风所需的真空度。烟箱不承受锅炉的蒸汽压力，它的工作条件较锅胴好。

2.2 汽机部分

蒸汽机车上采用双缸单胀式汽机，汽机部分包括汽缸、鞲鞴组、摇连杆以及阀装置[3]，如图2所示。

2.2.1 汽缸

图2 汽机部分

汽缸安装在主车架前部外侧，左右侧各安装一个。汽缸中心线在理论上应和动轴中心位于同一水平线上，为避免汽缸下部超出限界，视情况把汽缸中心线略加提高。为提高耐磨性、便于焊接以及机车的美观，采用黄铜加工汽缸，其高度和宽度均为33mm。

汽缸的前后盖通常其内部轮廓应与鞲鞴外形相符合，以保持鞲鞴与气缸盖之间的等距离。当鞲鞴在死点时，这个距离就称为汽缸余隙，在保证鞲鞴行程的前提下，汽缸余隙要保证安全容积，力求最小[3]。

2.2.2 鞲鞴组及摇连杆

鞲鞴组包括鞲鞴和鞲鞴杆，由于鞲鞴组尺寸结构较小，将鞲鞴和鞲鞴杆加工成一个整体，为了防止蒸汽由汽缸的一侧漏到另一侧，鞲鞴外表面应紧贴汽缸内表面。