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齿轮传动蒸汽机车是蒸汽机车中的一大类，和传统的蒸汽机车不同，齿轮传动蒸汽机车顾名思义不再采用驱动连杆而是采用了一种复杂的齿轮传动装置来驱动机车行驶。注意的是，齿轮传动蒸汽机车不是齿轨机车，不要将这两种机车混淆，齿轮传动蒸汽机车依然是依赖轮轨

齿轮传动蒸汽机车是蒸汽机车中的一大类，和传统的蒸汽机车不同，齿轮传动蒸汽机车顾名思义不再采用驱动连杆而是采用了一种复杂的齿轮传动装置来驱动机车行驶。

注意的是，齿轮传动蒸汽机车不是齿轨机车，不要将这两种机车混淆，齿轮传动蒸汽机车依然是依赖轮轨粘着力在普通的线路上行驶。

传统的蒸汽机车，主要依赖机车两侧的气缸通过驱动连杆带动主动轮上的曲柄来推动动轮转动，主动轮转动一周等于曲柄转动一圈，相对应的就是气缸内的鞲鞴（gōu bèi，德语Kolben活塞的音译）完成了两个动力冲程。

对于一台蒸汽机来说，最大转速是有固定值的。由于气缸和车轮之间仅仅通过驱动杆相连，没有任何的可变传动比装置，设计者就必须平衡蒸汽机车转矩和最大转速，取一个折中的值；另外主动轮的半径也决定了这一数值，因为曲柄长肯定不会超过动轮半径；曲柄的长度决定了气缸主鞲鞴的行程。这个行程不能太大，否则过大的气缸会导致蒸汽机无法产生足量的蒸汽；也不能太小，否则启动转矩和牵引力将太小，机车将无法启动列车。

机车走形部

许多工业运输需求的是高牵引力，对于速度的需求是次要的，这些行业主要包含了采矿采石作业、林业伐木作业。这些工业铁路的特点就是线况差，制造成本低，限速低，坡道陡，因此对于这类线路来说大牵引力机车更有优势。虽然可以通过减小主动轮的尺寸来调节速度和转矩之间的平衡，提高牵引力，但是传统的蒸汽机车如果鞲鞴行程不够短，则无法达到这种极限的要求。

那么解决的方法就是将曲柄和车轮分开，这样可以更灵活的选择鞲鞴行程和曲柄半径，其次可以利用齿轮传动来降低转速。大多数齿轮机车是单速的，但是有一部分齿轮机车增加了变速箱，具备了多个传动比。

一、齿轮蒸汽机车的分类

世界上绝大多数齿轮蒸汽机车是按照三种不同设计来归类制造的，三种型号分别是夏伊式蒸汽机车、高潮式蒸汽机车、海斯勒式蒸汽机车，即便是后期的其他类型机车也是基于这三种类型衍生而来，但是有意思的是齿轮蒸汽机车并不是世界上第一种利用齿轮传动的机车，理查德·特拉维斯克在此之前就研制了一种科布克代尔（Coalbookdale）机车，这种机车使用了大号的齿轮代替连杆驱动机车前进，传动比为1:1，并为早期的巴尔的摩和俄亥俄铁路公司制造了3款不同的机车，分别为1832年制造的蚱蜢型机车、1837年制造的螃蟹型机车以及1842年制造的挖掘机型机车，这三台机车采用的是2:1的传动比，即曲轴每转动一圈，驱动轴就转动两圈，这允许在不牺牲速度的情况采用更小的机车驱动轮。Steam上的一款模拟精英类游戏《铁路帝国》当中就有蚱蜢以及蚱蜢的改进汉考克型机车。由于这三个型号的蒸汽机车每个分型有很多而且篇幅较大，因此本篇主要介绍夏伊式蒸汽机车和其衍生型号。

二、夏伊式蒸汽机车

夏伊蒸汽机车是齿轮蒸汽机车里最常见的一个型号，这款机车是由伊法连·夏伊设计发明，他本人也被公认为是推广齿轮蒸汽机车概念的功臣。虽然说伊法连·夏伊早期设计和后来世纪制造出来的齿轮机车有所不同，但是基本都是夏伊机车概念的延续。

1、机车的开发

伊法连·夏伊，出生于1839年，1916年去世，他生前有多种身份，一名教师，一家内战时期医院的职员，一名公务员，一位伐木工人，一位商人，一家铁路公司所有者，一位发明家，是美国密歇根州人。

19世纪60年代，他成为了一名伐木工人，工作中他一直在追寻一种能够更高效的运输方式，那时候人们还是利用雪橇将原木运往磨坊。1975年夏伊发明了自己的车辆，这种车辆在一种轨距660mm的木质轨道上行驶，两年后，他又提出了自行式轨道车辆的想法，将一台锅炉布置在车上，并通过齿轮连接到车辆的转向架上，其中前转向架可以旋转，后转向架则是固定的。首先夏伊选择了一款直径914毫米，高1524毫米的锅炉，锅炉布置在车的中间位置，水箱位于前转向架上方，蒸汽机则放在后转向架附近，这台蒸汽机是由威廉·克里彭提供。夏伊首先在蒸汽机到车轴之间安装了一根链条进行传动，但是他很快发现链条传动很不实用，于是改进采用皮带，并取得了成功。

1881年感觉技术已经成熟的夏伊申请了齿轮机车的基本理念专利，1901年，他再次为了他的发明申请了齿轮传动蒸汽机车的专利。

位于美国俄亥俄州利马市的利马机车工厂在1880年根据夏伊的设计制造了一台夏伊式蒸汽机车，但是这个时期的机车都比较小，1884年之前，所有的利马制造夏伊机车重量均只有10到15短吨左右（8.9到13.4长吨，9.1到13.6公吨），每台机车只有两个气缸。1884年，利马公司交付了第一台三缸夏伊机车，1885年，第一台三组转向架（C型）夏伊机车下线。夏伊式蒸汽机车的成功对利马公司带来了巨大的影响，良好的销路和利润让利马公司大规模的扩张重组。其实夏伊刚开始跟利马公司进行交涉的时候，利马公司并没有对这款未知领域的蒸汽机车抱有兴趣，到后来一位名叫约翰·卡恩斯的人影响了公司高层的想法，从而和夏伊本人达成了一致。

1903年，利马公司对外宣称，他们制造了世界上最重的蒸汽机车，也是世界上第一款四组转向架（D级）的夏伊机车，该机车自重140短吨（120长吨、130公吨）。这款机车是专门为新墨西哥州阿拉莫戈多到考斯克峡谷的艾尔帕索岩石岛铁路制造的，这条线线况极差，坡度达到了60‰。而且由于沿线供水条件差，所以一般采用双机重联的方式保证充足的补给。

一位名叫刘易斯·费特纳的利马员工，在1908年到1909年改进了夏伊机车的蒸汽机支架和过热器，并获得了专利。（也有一个说法是他只是为这项改进申请了专利，并不是他本人参与改进）

这中间还发生了一起钻空子事件，夏伊机车的基本专利期满后，俄勒冈州波兰特的威拉米特钢铁厂钻空制造了几台夏伊型蒸汽机车，并在1927年申请了威拉米特改进型齿轮机车的专利。由于专利保护，这个款式的蒸汽机车被称为威拉米特蒸汽机车，之所以和夏伊式蒸汽机车分开命名，除了专利原因，更大的原因是由于“夏伊”已经是利马公司的注册商标，因此威拉米特蒸汽机车不再属于夏伊式蒸汽机车的范围，也不能用夏伊对机车进行命名。除此以外，密歇根州的凯迪拉克下属密歇根钢铁厂被授权制造了6台夏伊式蒸汽机车，这6台机车被称为亨德森风格的夏伊机车。

2、机车概况

夏伊式蒸汽机车的锅炉一般会偏左布置，这是因为机车的另外一端设置了双缸或者三缸的传动装置，这样可以平衡重心，传动装置呈垂直安装，纵向驱动轴在轮轴处连接曲轴，曲轴再通过万向节和方形滑动棱柱接头和转向架上轮轴的伞形齿轮相连来驱动车轮，由于每个轴都配置了伞形齿轮因此夏伊式蒸汽机车不需要连杆。

由于每根轴都是由传动装置直接驱动，而不像传统的蒸汽机车由驱动杆带动连杆驱动车轮，这样不用设置辅助轮（导轮等），所有的牵引质量全部由动轮承担（轴重最大化）。另外即便是某一组轮对发生了空转，也不会影响到其他动轮正常工作，而传统的蒸汽机车一旦发生空转则是所有动轮一起空转，会损失很大的动能。

夏伊式蒸汽机车的侧装式传动装置由于其外形被称为侧卷扬机或者绞盘机。主要的机车都是在美国国内使用，不过后面出口到了大约30个国家，出口机车一部分是利马工厂出售，还有一部分就是被美国铁路公司淘汰后转售。

3、机车种类

利马公司从1878年到1945年一共制造了2770台夏伊式蒸汽机车，机车从小到大相差很悬殊，机车质量从6到160短吨不等（5.4到142.9长吨、5.4到145.1公吨）。

（1）A型

这类机车侧面只有2个气缸，两组转向架，一般质量在6到24短吨之间（5.4到21.4长吨、5.4到21.8公吨）。

（2）B型

这类机车侧面3个气缸，双转向架，一般质量在10到60短吨（8.9到53.6长吨、36到54.4公吨）。

（3）C型

这类机车为3个气缸、三组转向架，一般质量在40到160短吨之间（36到143长吨、36到145公吨）。

（4）D型

这类机车为3个气缸、四组转向架，质量一般在100到150短吨之间（89到134长吨，91到136公吨）。D型机车其实比C型机车在输出功率上没有高出多少，但是由于有更大的燃油和水容量，因此提高了粘着力。

（5）特别定制型号

有2台15短吨（13长吨，14公吨）自重的轻型机车按照2个气缸、三组转向架的方式定制，轨距为600mm（1英尺11又5/8英寸）轨距，由位于墨西哥圣路易斯德巴拉斯的奥克塔维亚诺·布卡雷拉公司订购。

4、机车状态

大多数的夏伊式蒸汽机车都已经淘汰，但是截止到今日依然有115台机车幸存了下来，以下是清单：

（1）约塞米蒂木材公司保留了一台4号机车，该机车已经修复，并在加利福尼亚州阿诺德的内华达山脉伐木博物馆继续展出。这台机车目前在埃尔博特尔斜坡铁路上服役，主要任务就是将兰伯式松的原木运往斜坡铁路的顶部，这条铁路坡度很陡，满载的车厢在大约1.5英里的路程里下降了大约3000英尺的高度（我不知道这里是不是有误，原文就是1.5英里落差达到了3000英尺，这样的话坡度应该超过37%，太夸张了点），然后通过另外一条铁路转运到磨坊。

（2）位于密歇根州凯迪拉克市中心有一台被修复的夏伊式蒸汽机车，这台机车是免费提供给公众参观的，机车来自于凯迪拉克-苏木材公司。密歇根州官方为这台机车写了详细的历史。

（3）122号机车，现存最古老的夏伊式蒸汽机车，该机车1884年出厂，目前陈列在加州雷丁海龟湾探险公园。

（4）最古老的可运行夏伊式蒸汽机车目前存放于西佛吉尼亚州卡斯风景区州立公园，机车编号改成了5号。1905年西佛吉尼亚州制浆造纸公司前往卡斯收购了这台机车，但是这台机车一直在原线路运行。

（5）俄亥俄州利马的艾伦县博物馆保存了一台双转向架三英尺轨距的夏伊机车，这台机车曾经在当地的一个采石场服役，这台机车可能制造与1925年。1953年报废多年的机车即将要拆解，在临拆解工作开始几个小时前被铁路爱好者抢救了出来，鲍德温·利马·汉密尔顿免费修复了这台机车并保存至今

（6）一台三转向架的夏伊机车配属于卡米诺-维尔市及太浩湖铁路，编号为2号，目前保存在加州洛杉矶的旅游小镇博物馆展出。

（7）位于加利福尼亚州费尔顿市的咆哮山庄和大树窄轨铁路公司还有两台夏伊式蒸汽机车在运行，一台是B型夏伊式蒸汽机车，机车被命名为1号迪先纳，该机车于1912年出厂，车号2593，还有一台为C型机车，被命名为7号索诺拉，机车1911年出厂，车号2465。

（8）铁路城1897州立历史公园里保留了一台C型机车，车号塞利铁路2号，该机车偶然会牵引游览列车。

（9）科罗拉多铁路博物馆内保存了两台，12号和14号车，这两台机车在乔治敦环形铁路上运行了20年之久。

（10）位于阿莱尔州立公园的新泽西州交通博物馆正在修复一款36英尺轨距的夏伊式蒸汽机车，该机车曾经隶属于伊利托马斯木材公司，车号6号。这台机车从1955年一直运行到2002年，主要在松溪铁路上行驶，但是因为锅炉问题被停止使用。

（11）约塞米蒂山兰伯式松树铁路另外保存着两台机车，编号为10号和15号，机车原先在西区木材公司服役，目前机车保存在约塞米蒂国家公园的南部。

（12）奥斯丁州立大学在位于德克萨斯州纳科多克斯的阿瑟坦普尔林业农业学院内展出了一台夏伊机车，车号2005，制造于1907年。

（13）加拿大科学技术博物馆保留了一台组合夏伊机车，他的零部件分别来自于美林铃木材有限公司的3号车和4号车，目前机车在不列颠哥伦比亚大陆西奥多西亚林场作业。这台机车是由一个叫拜顿路志愿协会的志愿者在经营。

（14）位于北卡罗莱纳州斯宾塞的北卡罗来纳州运输博物馆内保存了一台编号为3256的C型夏伊机车，这台机车制造与1925年，这台机车保持者夏伊式蒸汽机车最高运行时速，这一记录是在1999年铁路博览会举办的伟大的夏伊比赛中创造的——18英里/小时。从1997年到2005年，这台机车一直在博物馆做动态展示，但是在那之后机车的万向节被拆除，变成静态展示。

（15）印第安纳州赫斯顿的蒸汽博物馆内保存这一台C型机车，车号3345，机车制造于1929年，这台机车是最后一台窄轨夏伊机车。退役后被拉伯特县历史蒸汽学会收购，从服役的铁路公司转移到了该博物馆，不过1985年的一场大火机车司机室受损，2006年修复之后机车恢复了动态展示。

（16）西侧木材公司9号机车，是在1966年从中西部中央铁路公司收购而来，机车制造于1923年，车号3199，在20世纪90年中期进行小规模翻新之后继续在爱荷华州东南部地区运营。机车前后牵引中西部旧脱粒者团聚号列车、中西部闹鬼列车以及北极快车，2011年1月，铁路公司和乔治敦环线铁路签订了7到10年的协议，这台9号车被重新翻新，2012年7月14日，机车进入到乔治敦环线铁路开始正式服役，牵引旅客列车，2019年返回爱荷华州，并在同年举办机车重逢聚会后开始服役。

（17）伊利诺伊州铁路博物馆是美国最大的铁路博物馆，管内保存这一台由利马机车公司于1929年制造的三转向架三缸机车，退役之前该机车一直在J·尼尔斯木材公司服役。

（18）草甸河木材公司1号机车保存于宾夕法尼亚州斯克兰顿的蒸汽镇国家历史遗址内，也是该遗址收藏的唯一一台夏伊式蒸汽机车。

（19）历史上最后一台出厂的夏伊机车配属于马里兰西部铁路公司，车号6号，该机车1945年出厂，原车号3354，目前该车仍然在卡斯风景区铁路上运行。这台重达162吨的C型机车是世界上第二大夏伊式蒸汽机车，退役之后机车动态展示了4年，就被放置在巴尔的摩和俄亥俄铁路博物馆，一直到1981年，机车从静态展示名单中剔除，换成了一台较小的夏伊机车（卡斯风景区1号机车）和一台H.K.波特型0-4-0T机车（圣伊丽莎白4号车），这台机车被派往卡斯风景区铁路服役，车号依然是6号，绰号大6，这台机车在风景区的服役时间甚至超过了退役前在铁路公司的运行时间。这台机车也是卡斯风景区铁路保留的最大一台夏伊式蒸汽机车，卡斯风景区也是世界上最大的齿轮传动蒸汽机车的集结地。

（20）台湾阿里山铁路修复了3台28吨重B型机车，车号25、26和31号。其中有一台被转售给了澳大利亚，机车目前被派往蓬松的比利铁路。

（21）台湾集集火车站展出一台22号车。

（22）田纳西州唐森德保存了一台自重70吨的机车，车号2147，来自于小河铁路木材公司。

（23）卡斯风景区除了前文提到的几台机车以外，还保存了几台夏伊机车。其中11号车于1923年制造，最初在加利福尼亚州羽毛河瀑布的哈金森木材公司服役，这台机车被称为羽毛河3号，机车自重103吨。另外风景区2号机车，来自于太平洋海岸铁路，这台机车是1928年7月出厂，由位于不列颠哥伦比亚省温哥华岛帕尔迪的梅奥木材公司订购，这台机车为C型机车，自重93吨。卡斯风景区4号车，最初车号5号，这台机车1922年出厂，由位于西弗吉尼亚州蒂奥加的桦树谷木材公司订购。和卡斯风景区7号车一样，4号车是一台C型机车，自重70到80吨之间。

（24）8号机车来自于纽约北部铁路历史学会，这台机车有个名字“利文斯顿兰辛”，为B型机车，一直在纽约州克罗恩的RHSNNY博物馆下辖的劳维尔市到比弗河的铁路上静态展示。

（25）不列颠哥伦比亚省邓肯市的BC森林探索中心保存着3台B型机车，其中一台机车编号3262，1924年出厂，1995年重建。

（26）古德曼木材公司9号车，目前在威斯康星州北部的自由中部大陆铁路博物馆展出。

（27）西澳洲朗维尤市公共图书馆在图书馆场地上展示了一台完全修复的机车，当附近的市民中心举办特殊活动的时候，图书馆就会向公众开放参观。

（28）机车编号2769，1914年出厂，一直爱大北方铁路公司服役到退役，目前在哥伦毕业瀑布BNSF公司治下的蒙大拿州干线上展出。

（29）一台C型机车在墨西哥城的布埃纳维斯塔火车站展出，这台机车曾经在特族特兰铜业公司服役，车号TCC-2号，机车自重45吨，动轮直径749.3mm，1946年之前这台机车的燃料是木材，之后被改造成了燃油机车，退役之后，公司将其捐赠给墨西哥国家铁路公司作为历史遗产保留了下来。

三、威拉米特蒸汽机车

威拉米特蒸汽机车是由俄勒冈州波特兰威拉米特钢铁厂制造的夏伊式蒸汽机车。这批机车是赶在夏伊机车的专利过期后，钻空生产的，被人们认为是盗版夏伊机车。

虽然机车被称为盗版夏伊，但是其实威拉米特蒸汽机车和夏伊式蒸汽机车还是有很多的不同之处，因为制造商在制造这批机车的时候就计划改良原版的夏伊机车，尽管后面利马公司制造的太平洋海岸夏伊机车也效仿的威拉米特蒸汽机车的一些特点，但是还是有很多区别可以区分两者的不同：

1、威拉米特蒸汽机车配备了过热器，而夏伊机车通常没有。

2、锅炉的零件是焊接的，而不像夏伊是螺栓连接。

3、威拉米特机车采用的是沃尔谢茨阀齿轮，而夏伊机车用的是斯蒂芬森阀齿轮。

4、转向架全部重新设计，威拉米特蒸汽机车在运行的时候会更平稳。

5、威拉米特机车的气缸都是朝向同一个方向，而夏伊机车的气缸一般都是前气缸朝前后气缸朝后。

6、威拉米特机车的后汽缸也在司机室前方，夏伊机车的后汽缸嵌在司机室下方

7、阀室是向外转动的

8、在夏伊机车和威拉米特机车性能对比的一项测试中，夏伊牵引了27辆空车，威拉米特则牵引了29辆空车，切威拉米特燃料消耗减少了40%

9、尽管威拉米特机车在一家木材公司服役，木材丰富，但是除了一台威拉米特机车烧燃煤以外剩余的都是以燃油作为燃料。由于燃油燃烧更充分且不会飞出火星，因此在木材公司服役期间安全系数也很高。唯一那台烧煤的威拉米特还在水蟒铜业公司服役。

最终6台威拉米特机车全员保存下来，但是只有一台在华盛顿州矿产雷尼尔山风景铁路运营，其他均处于封存。不过7号机车目前在蒙大拿州米苏拉市的米苏拉堡历史博物馆进行修复。

四、结束语

夏伊式蒸汽机车和威拉米特机车的特点都一样，就是超低速，超高牵引力，而且采用了传动系统来平滑蒸汽机的输出功率，也是机车传动系统的雏形。另外吐槽一下我当初第一次见到这款机车，可能是从小看惯了传统的蒸汽机车，第一次看到这种齿轮传动蒸汽机车我感觉我就像看到了一个心脏外露内脏在外面的畸形人，有一种莫名的恐怖感，不过习惯之后我不得不佩服机车发明者。下个章节我们再介绍剩下几个型号的齿轮转动蒸汽机车。