2.33 蒸汽机 I

    以火炮厂的生产能力要铸造出锅炉自然不是什么难事。早在几日前，蒸汽机的锅炉就已完成了铸造。这台锅炉看起来与李不伟所设计的完全一样，长度大约为两米，高度与宽度分别为一米左右，两端是类似球形的顶盖，一些连接处用铜质锣栓连接，又在连接面上加入了多层软铜质密封圈，从外表上看起来基本上类似一个油罐的形状。不过这个油罐的中间设计了一个燃烧室，燃烧室的正上方又有烟囱。当木炭在锅炉腹腔中燃烧时，会从锅炉的内部将水加热，同时木炭燃烧所产生的烟气又可以对蒸汽进行二次加热，基本上已将木炭燃烧时所发出的热量最大限度地利用起来。当然，李不伟深知这种锅炉的效率还是极低，日后有了更好的加工设备之后，一定要将锅炉重新设计一番。

    那台旧车床早已不再用于零件加工，此时正在被新来的几十个车工当作练手之用。这几十人轮流使用脚踏式绞盘驱动车床，其余人便在车床前练习各种车工技术，当铁制毛坯件数量不足的时候，便会有人去找些木头前来练习，显然这台旧车床又有了利用价值了。至于三台新车床，早已被安放在车间靠墙的一边，因此锅炉房也正好建在墙外的隔壁。此时锅炉房早已建好，除了安放锅炉的砖台之外，还有存放燃料的地方，另外有一个鼓风机及鼓风机管道。

    李不伟这次设计的蒸汽管道是采用铜合金铸造而成。主管道的内径大约十五厘米，最大长度约两米左右，除了管径稍大一些，以及铜管两端又多了法兰盘之外，其余的部分与火炮基本上差不多。法兰盘的接触面为椎形面，并且在接触面上又有三层纯铜制作的密封圈，铜圈之间还可以加入麻绳与石棉等密封材料，又采用十二根锣栓紧固，高压气密性几乎可以说是完美。主管线从锅炉中引出之后，经过地下挖好的地道进入车间，并且每经过一台蒸汽机时，便会留有一个三通接口，然后顺着这个接口再引入一根内径约四厘米的铜管，最终进入到蒸汽机中。蒸汽回收管路则会收集蒸汽机排放出的低温蒸汽，经冷凝之后再由主回收管汇入冷却罐中。至于弯头与三通等管件的铸造也无可挑剔，只是蒸汽阀门在开关过程中会存在轻微的漏汽现象，但如果阀门处于全关或全开的状态时，由于存在两个椎形面进行密封，反而密封得极好，并不存在蒸汽泄漏的现象。

    此时，所有的管线都已布完，车间内留了三个三通接口，正好位于三台车床下面，这些接口都被铜制封头临时封住，而布好的管线都已在其外面包上了隔热材料，这也是为了防止蒸汽在流经管道时温度会有所下降，从而影响蒸汽机的效率。

    第二台车床已工作了近十天，史可等人竟然真的用车床完成了汽缸的制作。不过因为用车床加工内孔毕竟不太方便，因此史可又专门制作了一个尾架与一个旋转刀架，将缸体固定在尾架之后，又将车刀装入旋转刀架中，并且将刀架用卡盘固定在主轴上，这才完成了缸体内孔的车制，但这种方法其实与镗床也差不多了。既然掌握了这种方法，史可等人索性一连制作了三台蒸汽机。

    这种小型蒸汽机的缸径大约十厘米，行程为二十厘米左右，采用了双向蒸汽驱动的方式。蒸汽机的缸体为球墨铸铁铸造，经过车床的多次车制之后，汽缸内壁已是极为光滑。史可等人也不再用砂轮进行内圆磨制，而是准备等到蒸汽机运行起来之后，由活塞环进行汽缸内壁的磨制，然后再更换一批新的活塞环即可。蒸汽机的活塞也是采用球墨铸铁铸造，但为了减少活塞往复运动时所带来的惯性，这个活塞制作得极薄，主体大约只有一厘米厚，与汽缸的接触面又稍有加宽，大约向一侧伸出四厘米左右，尽管如此，活塞的厚度仍然足够安装三个活塞环。活塞环全部为铜合金制作，这种铜合金的硬度要小于汽缸壁的硬度，这也是为了避免汽缸被过度磨损。这种活塞环的成品率极低，有些是在铸造时失败的，有些则是在打磨时无法掌握圆度而导致作废，后来史可等人干脆采用车制，然后再经斜刀切掉根部，这才用新的方法制造出了一批活塞环。由于活塞不并不是一个闭环，因此要装在活塞之上也不困难。

    蒸汽机主要由汽缸与齿轮箱组成，这两部分加起来比一台电脑主机稍大一些。看着眼前这三台机器，李不伟感慨万千，为了制作这三台蒸汽机，实验室众人总共忙了四个多月。先是要制造车刀与低精度车床，然后再制造出精度等级更高的车床，又要进行复杂的机械运动轨迹计算，还有蒸汽压力与管路耐压的设计，更有众学者与车工日夜加班的辛苦。用四个月制作出蒸汽机，在李不伟看来已是神速了，如果不是在晚上也在加班生产的话，恐怕半年出无法制造出这种精度的蒸汽机。

    为了将活塞的直线往复运动转化为圆周运动，这台蒸汽机采用了一个曲柄摇杆机构。活塞的一端固定有一个连杆，这个连杆从活塞缸体中穿出，然后在缸体的外面又穿过两个定位轴孔。蒸汽机的缸壳与活塞连杆之间因为存在相对运动，因此又要进行多级密封。连杆的密封圈是采用铜质与球墨铸铁材料，只不过此时密封圈并不是固定在连杆上，而是嵌入到蒸汽机缸体之内。当活塞在蒸汽的作用下做往复运动时，这根连杆也会跟着一起运动，因为连杆自由度的限制，又需要在这根连杆的端部通过转轴与另一根摇杆相连，再与曲柄组成曲柄摇杆机构，而曲柄又是直接固定在飞轮上的。飞轮的体积并不大，整个飞轮采用铜合金铸造，外圈做了加厚处理。为了制造这个飞轮，李不伟还参考轮胎******机的原理，制造了一个简单的******设备，如今飞轮快速转动时已基本没有发抖现象。

    蒸汽机并没有直接安装在机床上，而是在旁边的另一个平台上安装。蒸汽机的飞轮其实也是变速箱的一部分，在经过减速系统之后，最终的输出转速会下降五倍左右。蒸汽机的动力输出轴从变速箱中引出，又通过一个转接件与车床的驱动轴相连，不过现在这个连接件仍然没有安装，因此蒸汽机运转起来之后，车床主轴是不会跟着转动的。由于汽缸活塞的直线运动特性类似于正弦曲线，再加上有飞轮的稳定作用，因此从输出轴上所表现出来的就接近于匀速圆周运动。至于蒸汽机的启动与停止，则是由进汽阀门进行控制。将阀门关闭时，蒸汽机就停止运动；将阀门完全打开时，蒸汽机处于最大转速状态；如果将阀门调到其它中间位置，则蒸汽机的转速也将跟着发生变化。

    由于蒸汽管路早在几日前就已铺设完毕，因此众人只用了半天的时间就完成了蒸汽机的安装，同时蒸汽机的进汽与回汽管路也已妥善布置，各种管线的外面也都用隔热材料包了起来。等所有的零件与管路都已安装完毕，李不伟让人在锅炉里装了适量的水，然后开始烧了起来。因为这台锅炉仍是实验性的，因此李不伟也没有考虑锅炉的保温问题，锅炉就直接放置在泥砖结构的平台上。此时已有一名锅炉工已开始摇动了鼓风机，锅炉中的木炭烧得通红，不一会儿锅炉中的水便已烧开了。这时，另一名锅炉工又将锅炉盖拧紧，再将锅炉的总阀门关闭，只见压力计上的指示杆被慢慢地顶了起来，显然锅炉内已达到了一定的压力。为了安全起见，李不伟与众学者都退到了车间之内。

    又过了一会儿，众人听得锅炉房内的安全排气阀已传来‘咝咝’的声音，显然锅炉的保护装置已起作用了。李不伟命人将蒸汽机的放汽阀打开，同时又将锅炉的总阀门也慢慢打开，只听得排汽阀中又传来一阵‘咝咝’声，显然此时排出的正是管道中的空气。又过了片刻，已有蒸汽从的放汽阀中喷出，此时早已有人上前将放汽阀关闭。

    由于蒸汽机汽缸与管路的安全系数要远远高于锅炉，因此即使发生爆炸事故也不会从蒸汽机开始，此时众人都凑到了蒸汽机跟前，目不转睛地盯着这台意义重大的机器，只见它仍然一动不动，而此时活塞刚好处在中间位置，这正是最容易被蒸汽推动的状态。

    过了一会，只见蒸汽机的缸体与连杆处冒出了一丝白汽，紧接着就见连杆轻微地动了一下，旁边早已有人将飞轮朝着一个方向轻轻一转，便见这个飞轮已慢慢开始转动起来。众人眼睛也不敢眨一下，直勾勾地盯着眼前这台机器，李不伟此时激动难奈，毕竟这台蒸汽机第一次试制便已成功，虽说有了自己来自后世的知识，但更多功劳却要归于那台车床，以及实验室中的众学者了。此时蒸汽机的飞轮已转得越来越快，李不伟已能清楚地听到缸体内汽阀传出的“扑扑”声，这种声音极有节奏，与电影中蒸汽机车所发出的声音极其相似。

    众人一时都看得呆了，李不伟忽道：“范大人，检查一下各个磨擦面的润滑情况如何？另外还要观察一下蒸汽机的转速。”范东来猛地一醒，这才回过神来，又连忙检查了一阵，道：“润滑情况还算不错。活塞的润滑油面有所下降，但还在正常范围之内。曲柄连杆处的几个润滑点目前还算正常，不过估计每隔几分钟左右就要重新滴上润滑油。转速也仍然在继续增加，现在的读数是62。”李不伟‘嗯’了一声，也不再多说，又与众人一起仔细观察起来。

    李不伟这次设计的汽缸润滑系统，是采用活塞的往复运动来触发一个小的顶杆式阀门，这个阀门每打开一次，便会有少量的润滑油进入临时储油室。当活塞运动到最底端时，其上部产生负压，便会将润滑油吸入一小滴到缸体之内。润滑油先对连杆与缸体的磨擦面进行润滑，又由于汽缸是垂直排列，因此润滑油会顺着连杆自然流下，再流向活塞。而活塞的表面有润滑油的导槽，又可以将润滑油送到活塞的四周，从而实现活塞与汽缸的润滑。与后世的内燃机比起来，蒸汽机汽缸的工作温度并不算高，这也是因为汽缸内没有产生燃烧，只是单纯的高压蒸汽的作功。正因为如此，普通的硫化植物油也可以用作活塞与缸套的润滑。至于吸入缸体的润滑油，因为其粘度较高而不会被蒸汽带走，又流入了一个回收室，在流经回收室的过程中又可以对汽阀进行润滑。这个机构虽然极为复杂，但李不伟仍觉得十分有必要，因为如果润滑不良的话，蒸汽机的使用寿命必然大受影响，甚至连一天也维持不下去。

    其实，这套润滑系统是李不伟与众学者研究了一整天才决定下来的。最理想的润滑系统是采用油泵。润滑油经油泵打入到多孔加油机，分别对汽缸与活塞连杆等进行润滑，同时各个汽室的阀杆也要进行润滑，当然如果是蒸汽机车或是蒸汽船时，还要为轮轴、热水泵等也进行供油润滑。李不伟早已查看过多种蒸汽机润滑方法，最终还是决定先采用这种最简单的方式，等到加工技术再提高一些之后，又或是蒸汽机的用途再广泛一些，再开始制造复杂的润滑系统也不迟。其实这种负压式油泵在一些老式磨托车上也有使用，通常磨托车的油箱都处于发动机的上方，因此当发动机燃烧一次后，会形成一个负压，这个负压达到一定程度之后，会将油箱开关打开，从而使得汽油流入化油器。李不伟与众学者的设计也正是参考了这种负压工供油的方式。

    此时，蒸汽机已达到了每分钟近130转的转速，也就是说活塞每秒种要往复运动两次，这比历史上的第一批蒸汽机已经要好上许多了。原历史上的第一批蒸汽机转速只有40多，也就是说活塞每秒种往复还不到一次，这也是由于当时的加工条件所限制的，但大宋皇家实验室就不同了，此时实验室中已有了车床，而且又有了极为超前的理念，其中更是用到了一些内燃机的设计与加工经验，又哪是瓦特等人能赶得上的呢？其实，世界上第一台蒸汽机出现之时，大部分零件都是由手工打造，因此每台蒸汽机的规格都不一样，也就是说零件并不通用。到了后来的瓦特蒸汽机出现时，由于加工工艺跟不上去，因此其热效率也是极低，根本赶不上众学者设计制作的这三台蒸汽机，况且这些蒸汽机又是采用了球墨铸铁材料与机械加工方法制造出来的，精度与耐磨性自是要好上许多。李不伟对于蒸汽机的转速还是比较满意的，因为即使到了二十世纪，大多数蒸汽机也就是这个转速，虽然也有极少数蒸汽机达到了两千多的转速，但那也是采用多个汽缸来实现的了。如果要将转速再提高一些，就需要提高蒸汽的压力，或是设计出多缸的蒸汽机，但李不伟此时并不准备开始多缸蒸汽机的研制，因为这会涉及到一个配汽的问题，如果采用单胀式做功，则热效率太低，如果采用多胀式做功，则又会使得汽道与阀门的设计极为复杂，以目前的加工技术尚难实现。

    车间内的众人看得入神，外面锅炉房的两人也忙得不亦乐乎。此时锅炉的燃料早已加得充足，又在一人在旁边奋力地摇着鼓风机，但锅炉的压力却提高的不多，偶尔能看到压力指示器上升一下，但摇动鼓风机的人却已筋疲力尽了。至于蒸汽机的转速，也是始终稳定在130转左右，偶尔会上到150，但随着锅炉压力的下降，又重新回到了130的稳定状态。范东来旁边看得清楚，道：“大人，下官认为应该再造出一台专门用于鼓风机的蒸汽机，如此一来便能使得鼓风机始终保持高速运转，从而使锅炉内的压力大增。”李不伟点头道：“理当如此。如今这锅炉与蒸汽机是分体设计的，倘若日后要设计一体式蒸汽机，也要考虑锅炉鼓风机的问题。”

    接下来，几人又开始对蒸汽机的其它部件进行试验。范东来将进蒸汽机的进汽阀门关闭之后，蒸汽机也停止了运转，又过了不久，就听见锅炉房间传来“咝咝”的漏汽声，正是安全排汽阀在起作用了。然后他又试着将阀门调到不同的角度，只见蒸汽机也以不同的转速工作，而外面的泄汽阀也时开时闭地响应着，显然这套安全控制系统与进汽装置完全工作正常。最后，范东来又将进汽阀开到最大位置，空负荷工作了近半个小时之后，李不伟命人将蒸汽机停止，又叫众人拆下外层的隔热材料，准备对蒸汽机进行一次全面的检查。

    范东来几人将变速箱的盖子取下，观察一阵之后，道：“李大人，变速箱中的各个零件一切正常。由于每个连接件的转动轴与磨擦面一直在滴油润滑，因此并没有出现磨损现象，而齿轮的齿面与轴承部分也能够充分润滑。”石仲秋笑道：“这也是由于变速箱顶盖上设计的几个滴油漏斗，才能使得每个磨擦面都得以充分的润滑。”李不伟点了点头，又示意几人又将汽缸盖打开。等汽缸盖打开之后，众人又取出活塞，只见经过了一个小时的运转之后，缸壁已被磨得光亮无比，比刚安装时要好上许多，显然汽缸磨合得还是不错的。其实这也是因为汽缸采用直立式安放，因此活塞在运动过程中并未受径向作用力，从而使得活塞的各个方向都能得以充分磨合，而润滑油也能更为均匀地分布到各个磨擦面。

    众人此时惊喜之极，没想到经过一个小时的高速运转之后，汽缸壁竟然比刚安装时更加光滑，而且汽缸与活塞的配合也更为紧密。此时李不伟也有些等不及了，忙又叫人将蒸汽机装好，准备带动车床进行试验了。几人又是一阵忙碌，终于将蒸汽机与车床的驱动轴连接起来，又在车床的卡盘上也夹装了工件。等到再次开机时，只见车床的主轴也已跟着转了起来，显然已比手工驱动的方式要快上许多倍了。当初手工驱动时，车床主轴的转速大约不到一圈，现在经过蒸汽机与车床的两级减速之后，已能达到将近五圈的转速。史可早已在旁边将车刀慢慢地推进，只听得一阵切削声过后，工件表面已被车掉薄薄的一层。史可又将车刀慢慢向车头方向移动，不一会儿就将整个工件粗车了一遍，所用时间竟然不到以前的十分之一！

    围观的人早已惊得呆了，没想到蒸汽机驱动的车床竟然有如此效率。一时众人议论纷纷，已开始谈论着第三代车床的制作了，又有人建议马上将这种蒸汽机大批量生产，同时用到各个冶炼工厂与铸造厂的鼓风机上。李不伟在一旁笑而不语，心想蒸汽机的用途可不止于此，但此时尚未发展到那个阶段，一时也不便多说，笑道：“各位，眼下最重要的是为下一代的车床设计出变速系统。由于第二代车床没有设计离合与变速装置，因此只要驱动轴一转，车床主轴也自然会跟着转动。如此一来，车床主轴的转速要靠着蒸汽阀门来控制，显然是极不方便。另外，蒸汽机应该与变速箱分开设计，而不应像眼前这台机器一样将汽缸与变速箱做成一体，蒸汽机本身只是输出简单的圆周运动。”石仲秋一旁接口道：“李大人所言极是。蒸汽机的活塞做的是往复直线运动，再由曲柄摇杆机构将直线运动转变为圆周运动。而变速箱是将蒸汽机的输出转速加以改变，从而适应不同的需求。以目前的情况来看，李大人以前所说的标准化也该开始实施了。”众人听得连连点头，一时赞许之声四起。

    经过了一番检查之后，李不伟心头大定，笑道：“各位大人，这三台蒸汽机基本上可以说是制作成功了，不过为了验证其稳定性，还需要更长时间的试机。从现在开始，让这台蒸汽机带动车床连续运转上一整夜，各位可以在此期间试着制作一些轴与轴承，明日中午时分再进行一次检查，到时如果仍未出现多大问题，便可以小批量生产了。”

    （注：能动起来的蒸汽机，要制作其实不难。以前在实验室曾见过木头制作的蒸汽机模型。用空气泵吹进去代替蒸汽，便能让这个木模型动起来。而且最早的蒸汽机其实大部分零件也是木头制作。此时既然有了车床，要造蒸汽机是没问题的，更何况有球墨铸铁这一法宝。不过要制作汽轮机就不那么简单了，至少推力推力轴承就无法制造出来，更何况汇力盘、级间气封、高压气封、围带、拉筋等高精度零件了，此时恐怕单级汽轮机都制造不出来，当然主角不会只限于单级轮机的。另外，单缸柴油机应该可以制作吧？不对之处请高人指教）