考驗(yàn)自己一下，可認(rèn)得上圖是什么？它是瓦特于1782年發(fā)明的蒸汽機(jī)，這里面藏有一個(gè)瓦特的秘密，在一般瓦特蒸汽機(jī)的書籍介紹里都會(huì)忽略。此裝備機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的秘密，會(huì)與瓦特氏直線機(jī)構(gòu)的發(fā)明有關(guān)，后續(xù)還會(huì)說明這個(gè)直線機(jī)構(gòu)是如何發(fā)揮臨門一腳的關(guān)鍵作用。上圖分別是，左邊為瓦特蒸汽機(jī)實(shí)體模型，右邊為蒸汽機(jī)的建造圖紙，指的都是同一件事，在英國伯明翰的索霍屋博物館里，就能看到這些展示品。在博物館的綜合展廳里有著最重要的展覽，講的是博爾頓與瓦特一起發(fā)明廣用型蒸汽機(jī)的歷史，傳頌千里馬遇上伯樂的雙贏故事。

話說1763年底，瓦特接受格拉斯哥大學(xué)的委托，修理一臺(tái)紐科門蒸氣機(jī)的模型，從此開啟瓦特改良蒸氣機(jī)的研究之路。當(dāng)時(shí)紐科門蒸汽機(jī)是用在礦井深處的提水泵，能將地下水大量汲出，但存有很大缺點(diǎn)，就是：活塞轉(zhuǎn)動(dòng)一次的時(shí)間太久、而且耗費(fèi)太多的燃料。瓦特經(jīng)過一次又一次的實(shí)驗(yàn)，在1765年瓦特改良這個(gè)模型蒸氣機(jī)終于成功的運(yùn)轉(zhuǎn)。此時(shí)瓦特的改良策略，乃采用分離式設(shè)計(jì)原理，將凝水冷卻過程從原汽缸壁上分離出來，在氣缸外另作一個(gè)凝結(jié)器。這項(xiàng)汽缸與凝汽器分離式設(shè)計(jì)的蒸汽機(jī)發(fā)明，能把氣缸里的蒸氣引入凝結(jié)器中加以冷卻，他還在汽缸外壁加裝夾層，用蒸汽加熱汽缸壁，以減少冷凝損失，這樣既防止了蒸汽的浪費(fèi)，同時(shí)也解決了燃料耗費(fèi)和活塞轉(zhuǎn)動(dòng)耗時(shí)的問題，并于1769年取得了英國的專利。初期的瓦特蒸汽機(jī)，還脫離不了紐科門蒸汽機(jī)的影子，因?yàn)檫@時(shí)瓦特蒸汽機(jī)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，尚保有原紐科門蒸汽機(jī)設(shè)計(jì)的扇形平衡杠桿和鏈條，并不是上圖展示的那個(gè)樣子。

為了讓紡織業(yè)等其他工業(yè)也可以用上蒸氣機(jī)，瓦特全力構(gòu)思如何發(fā)明廣用型蒸汽機(jī)，但接下來的蒸汽機(jī)研制過程使瓦特歷盡坎坷，已經(jīng)窮困潦倒到了山窮水盡的地步，為了繼續(xù)實(shí)驗(yàn)以及生活下去，瓦特只好去當(dāng)運(yùn)河工程的測量員。瓦特雖有悲觀的想法，但仍舊抱持著一絲希望，并在空余時(shí)陸陸續(xù)續(xù)思考如何改善蒸氣機(jī)。所幸在一次偶然的機(jī)遇中，瓦特巧遇了博爾頓，博爾頓對(duì)瓦特研究廣用型蒸汽機(jī)的技術(shù)贊賞有加，并且非常重視，他不但在各個(gè)方面投入巨資幫助瓦特繼續(xù)開發(fā)廣用型蒸汽機(jī)，還親自加入設(shè)計(jì)開發(fā)當(dāng)中，當(dāng)然，所有努力最后成功了。瓦特的創(chuàng)造性工作使蒸汽機(jī)迅速地發(fā)展，他使原來只能提水的器械，成為可以普遍廣用的蒸汽機(jī)，并使蒸汽機(jī)的熱效率成倍提高，煤耗則大大下降，因而在冶煉、紡織、機(jī)器制造等行業(yè)中都獲得迅速推廣，為18世紀(jì)工業(yè)革命奠定基石。這時(shí)如上圖所示的廣用型蒸汽機(jī)，已經(jīng)完全沒有紐科門蒸氣機(jī)的影子了，如果有人說不對(duì)呀！還是同樣有著燒煤的蒸汽鍋爐吧。其實(shí)這與在家里用水壺?zé)_是一樣的，只差量級(jí)不同罷了，所以，蒸汽鍋爐不算是紐科門蒸氣機(jī)的特有發(fā)明，要將其排除，因此，在實(shí)用意義與發(fā)明內(nèi)容來講，瓦特是發(fā)明了蒸汽機(jī)。

瓦特蒸氣機(jī)直線機(jī)構(gòu)與瓦特氏直線機(jī)構(gòu)的示意圖

雖說外行看熱鬧內(nèi)行看門道，且對(duì)蒸汽機(jī)不熟，還是得充當(dāng)一回看門道的本事。如上圖在公元1782年瓦特所發(fā)明的蒸汽機(jī)當(dāng)中，如果注意觀察它的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)不難發(fā)現(xiàn)，在大杠桿左側(cè)邊底下有個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)，至于瓦特氏直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)就很難發(fā)現(xiàn)其蹤跡了，如果把它鄰近相連的桿件一起關(guān)注，就能繪出如右圖上邊所示的平行四邊形機(jī)構(gòu)與瓦特氏直線機(jī)示意圖，如把其中英文字母上下對(duì)照，就能立刻發(fā)現(xiàn)，該平行四邊形機(jī)構(gòu)整合了瓦特氏直線機(jī)構(gòu)。以現(xiàn)代技術(shù)眼光來看，實(shí)在很簡單，但這可是當(dāng)初瓦特?cái)D掉腦汁想破頭才想出來的，該整合機(jī)構(gòu)能同時(shí)提供蒸汽機(jī)活塞桿與氣閥桿正確的垂直方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，解決了如何利用連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)的難題。關(guān)于這個(gè)瓦特開創(chuàng)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，其秘密雖然解釋還算不難，但還是有點(diǎn)復(fù)雜，因此就留到本次博文末尾段落再行說明。這里我們要介紹更加單純的瓦特氏直線機(jī)構(gòu)，右上圖下邊所示就是該機(jī)構(gòu)的示意圖。如圖所示為瓦特氏直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，它由三連桿所組成，其中AB與CD兩連桿長度要相等，而點(diǎn)P則在BC浮桿的正中央部位。當(dāng)傳動(dòng)時(shí)， CD擺桿帶動(dòng)AB連桿對(duì)A與D軸作同時(shí)上下?lián)u擺動(dòng)作，則BC浮桿上的點(diǎn)P會(huì)作出右上圖下邊所示那樣的反S形運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖所示，取其近似直線之一段EF來加以運(yùn)用。如將AB連桿上揚(yáng)過頭使CD連桿旋之轉(zhuǎn)向，之后再進(jìn)行上下?lián)u擺動(dòng)作，則BC浮桿上的點(diǎn)P則會(huì)作出正S形運(yùn)動(dòng)軌跡，而這前后兩種軌跡是個(gè)呈8字形運(yùn)動(dòng)的封閉曲線。這個(gè)運(yùn)動(dòng)曲線很容易用實(shí)驗(yàn)法來證明，如要進(jìn)階，可試著改用解析法證明看看。很簡單吧，因此容易實(shí)現(xiàn)于機(jī)構(gòu)動(dòng)力車?yán)?，然而我們是用了該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，但卻沒用上它的近似直線運(yùn)動(dòng)軌跡，這一點(diǎn)要特別注意。

 就讓瓦特氏直線機(jī)構(gòu)引領(lǐng)我們，順著中國高鐵的引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新的心法，共同一起動(dòng)手操作積木。首先，從零開始思考，新款機(jī)構(gòu)動(dòng)力車在車輪、平臺(tái)、動(dòng)力三方面，由于有著相同平臺(tái)化的底盤骨架，除了輪子不用重新發(fā)明，底盤骨架平臺(tái)也不用再重新發(fā)明，就只剩下動(dòng)力單方面著眼進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣就可以快速有效地把瓦特氏直線機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)安裝在新款車的框架里，這也是機(jī)構(gòu)動(dòng)力車集團(tuán)軍能夠經(jīng)濟(jì)有效創(chuàng)新智造的奧秘，當(dāng)然還要經(jīng)過多番的嘗試與犯錯(cuò)，以下就是創(chuàng)新智造出來具有瓦特氏直線機(jī)構(gòu)特色的新款機(jī)構(gòu)動(dòng)力車，但又把車剖成兩半，并把有關(guān)瓦特氏直線機(jī)構(gòu)在動(dòng)力車內(nèi)的實(shí)際設(shè)計(jì)內(nèi)容，完全暴露出來，這樣會(huì)比較理解瓦特氏直線機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)特征。這里還是要再一次強(qiáng)調(diào)，我們用該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，但沒用上它的近似直線運(yùn)動(dòng)軌跡，下一篇博文【瓦特連桿】會(huì)再介紹另一新款能將近似直線運(yùn)動(dòng)派上用場的機(jī)構(gòu)動(dòng)力車。

保有瓦特氏直線機(jī)構(gòu)特色處于待命狀態(tài)的新款機(jī)構(gòu)動(dòng)力車實(shí)際剖面圖

上圖是運(yùn)用瓦特氏直線機(jī)構(gòu)特色設(shè)計(jì)而成的新款機(jī)構(gòu)動(dòng)力車的半剖面機(jī)構(gòu)，這個(gè)部分完全呈現(xiàn)出瓦特氏直線機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)特征，也就是在中框架上的范圍內(nèi)，是存在著瓦特氏直線機(jī)構(gòu)，這里已經(jīng)將前面所提瓦特氏直線機(jī)構(gòu)的示意圖上下倒過來實(shí)現(xiàn)，雖然使用了該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，但沒用上它的近似直線運(yùn)動(dòng)軌跡，換言之，此處還加長了瓦特氏直線機(jī)構(gòu)中兩搖桿的桿件長度，其一在上頭多伸長出來的連桿，是當(dāng)下押觸發(fā)連桿之用；另一在下頭多伸長出來的連桿，則是當(dāng)卡榫之用，而這臺(tái)車的動(dòng)力灰色中齒輪是安排在后輪軸上，因此是一臺(tái)后輪驅(qū)動(dòng)車。由于此時(shí)瓦特氏直線機(jī)構(gòu)中下?lián)u桿延伸連桿的末端卡榫卡住了后輪軸上的中齒輪，這樣就形成處于待命狀態(tài)的情況。當(dāng)我們在車后頭垂直方向下押瓦特氏直線機(jī)構(gòu)中上搖桿長連桿尾端，這連桿觸發(fā)會(huì)起得瓦特氏直線機(jī)構(gòu)作用，使得卡榫順勢上提起，這就松開了尾端卡榫，實(shí)際情況就如下圖所示。此時(shí)卡榫脫離了后輪軸上灰色中齒輪的齒牙，進(jìn)而拋開束縛，現(xiàn)在已松動(dòng)后輪軸上的中齒輪了。這里要特別留意上下圖在中框架里的浮桿，它始終都是垂直豎著并進(jìn)行由下往上的直線運(yùn)動(dòng)，果然有著瓦特氏直線機(jī)構(gòu)的近似直線運(yùn)動(dòng)。

保有瓦特氏直線機(jī)構(gòu)特色已觸發(fā)啟動(dòng)的新款機(jī)構(gòu)動(dòng)力車實(shí)際剖面圖

瓦特氏直線機(jī)構(gòu)能從連桿搖擺動(dòng)作轉(zhuǎn)成近似直線運(yùn)動(dòng)，真是歪打正著，而這里所開發(fā)的機(jī)構(gòu)動(dòng)力車?yán)?，雖有此機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，卻是正打歪著，我們不用其特有的近似直線運(yùn)動(dòng)特性，反倒用上了其連桿搖擺動(dòng)作，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，妙就妙在這里，怎么用，在于你。話又說回來，現(xiàn)在要揭露在一般介紹瓦特蒸汽機(jī)時(shí)，大多沒有介紹的秘密檔案。前面提過，瓦特于1782年所發(fā)明的蒸汽機(jī)，此裝備的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與瓦特氏直線機(jī)構(gòu)的發(fā)明有關(guān)，這個(gè)直線機(jī)構(gòu)發(fā)揮了臨門一腳的關(guān)鍵作用。這臨門一腳得分取勝是怎么踢的？1782年瓦特主要是完成了蒸汽機(jī)兩項(xiàng)重要發(fā)明：①在活寒工作行程的中途關(guān)閉進(jìn)汽閥，使蒸汽膨脹作功以提高熱效率；②使蒸汽在活塞兩面都作功(雙作用式)以提高輸出功率。由于瓦特蒸汽機(jī)的活塞既要向下拉動(dòng)大杠桿又要向上推動(dòng)大杠桿，因此，無法向上傳遞運(yùn)動(dòng)的扇形平衡杠桿和鏈條已被瓦特淘汰不再適用,瓦特必須使用連桿系統(tǒng)來解決問題，上述第二項(xiàng)發(fā)明才能得以實(shí)現(xiàn)，為此瓦特便發(fā)明了平行四邊形機(jī)構(gòu)，該平行四邊形機(jī)構(gòu)還整合了瓦特氏直線機(jī)構(gòu)。在大杠桿左邊外側(cè)是帶動(dòng)比較粗條的蒸汽機(jī)活塞桿件，而在內(nèi)側(cè)則帶動(dòng)比較細(xì)支的氣閥桿件，經(jīng)由整合了平行四邊形與瓦特氏直線的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，能保證同時(shí)提供蒸汽機(jī)活塞桿與氣閥桿正確的垂直方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，解決了如何利用連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)的難題。一方面活塞桿的大力量，汽缸內(nèi)活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)通過整合機(jī)構(gòu)傳到大杠桿，由大杠桿帶動(dòng)連桿再通過齒輪傳到主軸。另一方面氣閥桿的小力量，推送著滑動(dòng)汽閥，這汽閥將能雙向控制汽缸內(nèi)蒸汽的一進(jìn)一出，使蒸汽在活塞兩面都作功以提高輸出功率。由此可見，若沒有直線機(jī)構(gòu)的臨門一腳功夫，就不能保證活塞桿件與氣閥桿件是垂直方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，那問題就沒解決。