【科普】史上最长、最重的“复式”传动机车——美国宾夕法尼亚铁路S1-6100号蒸汽机车
文章作者：Forever Changzhensky（AcFun、Bilibili、百度、微博和知乎昵称：宁柳跨越）
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美国宾夕法尼亚铁路公司在本文简称“PRR”⑴；美国鲍尔温机车厂简称“BLW”⑵，利马机车厂简称“LLW”⑶，美国机车公司简称“ALCO”⑷，美国通用钢铁铸件公司简称“CSI”⑸。
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资料参考来源
《Million-Pound Iron Horse Is 140 Feet Long》，佚名 著，《Popular Mechanics》1939年6月期，第862页~第863页
https://www.steamlocomotive.com/locobase.php?country=USA&wheel=Duplex&railroad=prr
https://www.steamlocomotive.com/locobase.php?country=USA&wheel=4-8-8-4&railroad=up
https://oldmachinepress.com/2018/07/05/pennsylvania-railroad-6-4-4-6-s1-locomotive/
https://locomotive.fandom.com/wiki/Pennsylvania_Railroad_Class_S1
http://prr.railfan.net/diagrams/PRRdiagrams.html?sel=ste&sz=sm&fr=
http://www.jitterbuzz.com/stream.html#essone
http://crestlineprr.com/duplexexperimentals.html#s2
概述
“大引擎”S1-6100号蒸汽机车，是PRR配备的1台实验性质的“复式”传动蒸汽机车，旨在展示BLW首席工程师Ralph P. Johnson所支持的“复式”传动蒸汽机车的优势。带有艺术装饰的S1-6100号机车流线型整流罩，由工业设计师Raymond Loewy设计。
S1-6100号机车具有独特的6-4-4-6机车轮式，这意味着它有2对气缸，每对气缸驱动2对驱动轮。为了在以超过160.93 km/h的速度牵引快速旅客列车时保证稳定性，S1-6100号机车未使用铰接，而是采用单副刚性框架。S1-6100号机车于1939年1月31日在PRR阿尔图纳工厂完成制造。
S1-6100号机车加上煤水车，总长42740 mm，是有史以来最长的“复式”传动蒸汽机车；它还拥有最重的煤水车（205 t）、最高的牵引力（339.86 kN）、直径最大的动轮（2134 mm），以及每组3对轴设计的导轮组和从轮组。
研制背景
1913年，PRR动力总管J.T.Wallis与首席机械工程师Alfred Wolcott Gibbs和Axel S.Vogt设计出使用相同设计锅炉以及许多其他机械部件的L1s型和K4型蒸汽机车，这意味着PRR有999台几乎相同的机车。但从20世纪30年代中期开始，K4s型机车的动力不足以应对越来越重的客运列车，因此它们通常是双机甚至三机连挂牵引，尽管有效，但需要数个乘务组，成本也随之上涨。
1936年6月，PRR领导层就决定建造一款新的干线客运蒸汽机车来取代其老化的K4s型蒸汽机车。他们还希望这款新型蒸汽机车具有与GG1型电力机车相当的性能，并且能够以160.93 km/h的速度牵引重量为1000 t的旅客列车。
BLW领导层与PRR领导层举行了一次会议，PRR要求新型蒸汽机车在宾夕法尼亚州保利—伊利诺伊州芝加哥区段上以160.93 km/h的速度牵引牵引15节客车车厢。BLW展示了为其他铁路运营商制造的几种4-8-4“北方”轮式和4-4-4-4轮式设计。
然而，PRR拒绝了“北方”轮式设计，转而采用单副刚性框架“复式”传动设计，并要求BLW考虑4-4-6-4轮式设计。1936年7月，PRR要求BLW提交一款能够在Colehour——新泽西州哈西姆斯湾区段牵引2000 t重的列车的“北方”轮式蒸汽机车的设计方案。
2个月后，BLW向PRR展示了4种蒸汽机车设计：
4-4-4-4轮式客运机车，可牵引1200 t重的列车，但超出了现有的重量和限界限制；
4-4-4-6轮式客运机车，同样可牵引1200 t重的列车，但也超出了现有的重量和限界限制；
4-8-4轮式货运机车，动轮重量与M1a型机车相同，但达不到牵引2000 t重的列车的要求；
4-6-6-4铰接式轮式机车
PRR更喜欢4-4-4-4轮式并要求BLW考虑设计带有2032 mm直径动轮的客运蒸汽机车，以及带有1829 mm直径动轮的货运蒸汽机车。然而，PRR和鲍德温在没有签署任何协议或合同的情况下，进行的新型高速“复式”传动蒸汽机车合作研发并不顺利。
1937年4月，PRR结束了对BLW的咨询，并根据联合合同将任务分配给了BLW、ALCO和LLW组成的财团。同年4月28日，PRR董事会为这个实验性高速客运蒸汽机车项目批准了 300000美元预算。设计从4-4-4-4轮式“复式”传动开始。
1937年6月2日，PRR正式宣布开发“宾夕法尼亚”型高速客运机车，该机车将定型为S1型。 PRR在讨论并确定了各种细节后，对机车设计进行更改，从而大大增加了机车的重量。当计划最终确定并获得批准时，机车轮式已修改为6-4-4-6。
设计概况
S1-6100号机车是有史以来制造的最大的干线客运蒸汽机车，制造成本为669780.00美元，相当于今天的12461433美元；而T1-6111号机车的制造成本仅为310676美元。
S1-6100号机车锅炉是PRR制造的最大的锅炉，具有面积为61 m²的大型A.J.Belpaire式平顶火箱、219根直径为57 mm的小烟管，和69根直径为57 mm的大烟管。S1-6100号机车的总受热面积为719.89 m²，是UP配备的4-8-8-4铰接轮式“大男孩”4000型蒸汽机车锅炉总受热面积的90%。在牵引力方面，S1-6100号机车比“大男孩”强13%，分别为7200 hp（5295.59 kW）和6345 hp（4666.74 kW）。
GSC为S1型机车制造的单副铸钢刚性框架是有史以来最大的机车单副铸钢刚性框架。对于S1-6100号机车而言，机车4对动轮分为2组动轮，每组动轮由2个小尺寸气缸和高效大汽门带动，这样一来就分摊了机车输出功率，提高汽缸效率，还减轻了汽缸和连杆之间以及动轮之间的联结部件负荷。 .
为了适应小半径曲线，S1-6100号机车的第一组动轮和第三组动轮上配备了ALCO制造的横向运动装置，允许动轴产生57.2 mm的横向游隙，但事实证明这些是不够的。与PRR的Q1-6130号机车等其他“复式”传动蒸汽机车不同的是，S1-6100号机车没有采用无轮缘动轮。
在1939年纽约世界博览会上的展示
S1-6100号机车制造出厂后，以“美国铁路”之名⑹，参加了于1939年4月30日~10月31日和1940年5月11日~10月27日在美国纽约市皇后区法拉盛草原可乐娜公园举行的1939年纽约世界博览会。在博览会上，S1-6100号机车动轮在机车本身的蒸汽动力下，以97 km/h的速度在滚动平台上连续运行。它最初积累的80467.2 km运行里程，就是从博览会现场展示中积累的。
1939年11月~1940年4月间，S1-6100号机车返回PRR进行运行测试以及牵引旅客列车。作为纽约世界博览会最重要的展品之一，S1-6100号机车被PRR用于各种宣传，其形象出现在日历、邮票、广告、小册子、拼图等宣传品中。《Popular Mechanics》1939年6月期刊载的《Million-Pound Iron Horse Is 140 Feet Long》一文，更是将S1-6100号机车描述为“美国铁路的骄傲”。
运用
S1-6100号机车从1940年12月开始，在伊利诺伊州芝加哥—宾夕法尼亚州匹兹堡区段牵引客运列车。但由于机车重量太大，而PRR大部分线路无法承受过重的机车重量，它最终被限制运用于长为446 km的伊利诺伊州芝加哥—俄亥俄州克雷斯特莱恩区段，配属于韦恩堡分部克雷斯特莱恩机务段。
特拉华州哈格利图书馆收藏的一份发表于1941年8月的PRR月度报告记载，S1-6100号机车每月的行驶里程为16718 km，相当于在芝加哥—克雷斯特莱恩区段往返20次。与K4s型机车的9656~12874 km月平均里程相比，S1-6100号机车的月行驶里程数对于实验发动机来说可谓是非常惊人。S1-6100号机车帮助PRR处理了二战结束前极度繁忙的战时交通，并在一年内还清自身的高额制造成本。
尽管PRR将S1-6100号机车的最高运行速度限定为193 km/h，但有未经证实的说法称S1-6100号机车在芝加哥—韦恩堡区段以最高251 km/h的速度运行。
问题
然而，S1-6100号机车一半以上的重量是由巨大的导轮组和从轮组承担。这使得两组动轮组容易发生空转。但是，在S1-6100号机车5年半的运用历史中，没有发生过因车轮空转造成的严重事故。为了增加黏着力并提高性能，PRR扩大了S1-6100号机车的砂箱，保证了砂的供应，并略微增加了动轮组的轴重，以及微调导轮组和从轮组的悬挂弹簧，以调整整体重量分布，实现更好的性能。
除了重量问题外，S1-6100号机车的单副刚性框架，以及弯道兼容性不强的走行部，导致 它无法用于其预期的长途快车牵引服务。事实上早在1941年8月，PRR西部地区副总裁James Miller Symes⑺批准扩建克雷斯特莱恩机务段圆形车库的30号车位以容纳S1-6100号机车，因为它只能借助三角线换向，不能在转盘上换向。
退役
1946年5月5日上午8:59，S1-6100号机车牵引列车前往芝加哥，这次运行是其最后一次运行。1949年，S1-6100号机车被报废拆解，未能留存下来。
事实上，当S1-6100号机车尚在纽约世界博览会上展示时，PRR于1940年6月26日以每台60多万美元的价格，从BLW订购了2台T1型蒸汽机车，后来又于1944年末从本家阿尔图纳工厂和BLW采购50台T1型机车。
与装用Franklin A型摆动凸轮汽门引起问题的T1型机车不同的是，S1-6100号机车没有安装任何形式的旋转凸轮汽门，尽管在其制造时有人提议安装Franklin B型旋转凸轮汽门，但最终因技术困难而被PRR领导层否决。这一否决出人意料地让S1-6100号机车反而避免了许多由Franklin B型旋转凸轮汽门引起的麻烦。
具有讽刺意味的是，S1-6100号机车的总服役年数或总服役里程，比其一些年轻的“复式”传动机车略长。
技术数据表
注释
⑴英语：Pennsylvania Railroad。
⑵英语：Baldwin Locomotive Works。
⑶英语：Lima Locomotive Works。
⑷英语：American Locomotive Company。
⑸英语：General Steel Castings。
⑹当时包括PRR在内的27家美国东部铁路运营商，在博览会上有一个占地69000 m²的展览。
⑺（1897年7月8日~1976年8月3日），1954年~1959年间出任PRR第13任总裁。
完稿时间：2021年8月7日
发表时间：2021年8月8日
