【铁路电气化领域先驱——维尔纳·冯·西门子】

（维尔纳·冯·西门子）

历史上公认的首次电力机车载客试验是由德国发明家和企业家维尔纳·冯·西门子完成的，时间是1879年，地点是在德国柏林的工业展览会上面，并取得了很大成功。实际上，早在1870年，西门子就开始研究制造实用型的电力机车了，经过长达9年的努力，终于可以在实用中大显身手了。在柏林工业展览会上，西门子公司铺设了一条长约300米的环形铁路，在两根钢轨之间另外铺设第三条供电轨，供电电压采用直流150V，上面运行一台2.2KW的小型四轮电力机车，后面牵引3辆拖车，每辆拖车可以乘坐6人，机车最多能够运载30名乘客，运行速度约13公里/小时。

（1879年西门子发明的电力机车）

西门子电力机车的这次试水是非常成功的，机车在长达4个月的运行期间一直状态良好。西门子大受鼓舞，他在给自己的兄弟卡尔·西门子的信中写道：“在博览会上，我们修建的那条电气化试验铁路备受瞩目，电力机车工作状态之好超出了我的预期，每天机车可以运行几个小时，一天就有多达1000名乘客尝鲜，每个人只需要支付20芬尼就可以乘坐一次，这些钱都捐给了慈善机构。这台电力机车一次可以拉20~25人，运行速度与有轨马车相当，我们可以在这个领域继续大显身手了！”

由于在柏林展览会上的电力机车试验结果很令人振奋，西门子就准备再接再厉，真正将这项技术用在城市轨道交通之中。所以，一年之后的1880年，西门子就打算在柏林建造一条高架电力城轨铁路，然而却遭到了当地居民的坚决反对，理由是修建高架铁路会让当地的房地产贬值，西门子只好放弃了这个计划，他继续投入技术研发，等待更合适的推广时机。

【一个被遗忘的俄国电气工程师——费奥多·皮诺托斯基】

（费奥多·皮诺托斯基）

查阅相关史料就会发现，整个1880年代是欧美等国家大力推广电力应用并高速发展的十年，很多在铁路电气化领域名留史册的人物，都集中出现在这个时期，他们的很多影响巨大的发明，也是在这十年集中出现的。德国的电气化先驱西门子，美国电气化先驱史伯格，还有被后世忽略的美国发明家兼电气工程师利奥·达夫特，都曾经对在铁路领域推广电力牵引技术做出了重要贡献。

然而，还有一个人，生活在19世纪的俄罗斯——当时处于技术落后、封建农奴制度盛行的沙俄时代。这个人却能够以一人之力，完成了全套铁路电气化系统技术的研发，却仅仅因为找不到充足的资金，而让全世界第一条真正能够商业运营的电气化城轨铁路半途而废，让俄罗斯首条有轨电车线路晚修了11年，这个人就是军人出身的俄罗斯电气工程师费奥多·皮诺托斯基。作为全世界电气化技术的真正开拓者，费奥多已经被世人遗忘很久了。

1845年，费奥多·皮诺托斯基出生于俄罗斯波尔塔瓦古勃尼亚（今属乌克兰）的一个军医家庭，早期在圣彼得堡接受教育，后来进入康斯坦丁学生军训队和米哈伊尔炮兵学院继续深造，1866年毕业之后在基辅炮兵要塞服役。在那里他结识了俄罗斯著名的电气工程师帕维尔·亚布罗契柯夫，从他那里学到了很多电气方面的知识，并激发了他研究该领域的兴趣。1871年，费奥多回到了圣彼得堡，开始了技术研发之路，他涉猎领域比较广，从改进炼钢的鼓风炉，到铁路电气化设备的研发，再到铺设城市地下电缆，他都做出了重大贡献，可以好不夸张地说，费奥多的发明深刻影响了19世纪末期的俄罗斯社会。

1874年，费奥多在圣彼得堡的沃尔科夫地区开始铁路电气化实验，一年之后，他研制的铁路电车就在米勒铁路上面开始行车试验。这台铁路电车的电源来自1公里之外的格拉姆发电机，通过钢轨为电车供电。这两根钢轨平行铺设在地面之上，互相隔离，一个钢轨作为输电线，另一根钢轨作为回流线，构成一个完整的直流电力循环系统。

（费奥多·皮诺托斯基发明的全世界第一台有轨电车）

从1880年开始，费奥多在圣彼得堡选择了一条双层有轨马车线路作为实验对象，用电力机车替代马匹，这次试验被历史学家们认为是世界上首次开通的商业运营电车线路。到了当年的8月份，该条线路就尝试载客运营，这些尝鲜的乘客，除了普通的市民，还有很多高声抗议费奥多冲击传统运输业的有轨马车公司的业主们。整个试验持续了1年时间，到了1880年底，由于资金短缺，试验只好作罢。虽然费奥多首创的铁路电气化牵引技术没能在商业应用中延续下去，但是他开创性的思路和技术成果，对全世界的电气工程师和发明家们都是一个极好的启发和借鉴。其中有一个叫卡尔·海因里希·冯·西门子的人，对费奥多发明的电气化技术非常感兴趣，就询问了大量的技术细节，费奥多毫无保留，倾囊相授。也许在他看来，与其因为缺乏资金让技术束之高阁，还不如与志同道合之人互相分享，让这项技术继续发扬光大，造福万民。毋庸讳言，费奥多在保护自己知识产权方面考虑很少，这也使得他发明虽多，却没有从中获得一丁点收益，最终这位天才的发明家去世之时，竟然家徒四壁，连丧葬费都是别人勉强凑齐的。

这个向费奥多打听电气化技术的人不是别人，就是维尔纳·冯·西门子的亲哥哥——卡尔·西门子，他在免费获得这些宝贵技术资料之后，就分享给了弟弟维尔纳·西门子。有了费奥多奠定的基础，西门子公司的后续研发柳暗花明，取得了重大技术突破，并于1881年在柏林建设并开通了世界上第二条能够载客运营的电车线路——柏林至希特费尔德电车线路。线路全长2.4公里，采用100V直流电，电机安装在机车底部两个车轮之间的架子上面，提供的动能驱动机车的转动轴，进而牵引机车前进。这台机车能够载客26人，运行速度48公里/小时，在近代铁路历史上留下了浓重的一笔。而全套电气化技术的开创者费奥多·皮诺托斯基，则沉寂了百余年之久，如今应该为其正名，并给予其应有的历史地位。

【改良受电弓的发明家——查尔斯·范·德博莱】

（查尔斯·范·德博莱）

电车技术欧美争霸赛首个出场的人物就是仅次于史伯格的天才发明家和电气工程师查尔斯·范·德博莱。谈起这个人的成就和生平，我们可以用“过早燃尽的火炬”来形容，因为他只活了46岁，却在1879年至1887年这短短的8年时间里做出了91项发明，所有发明均是基于电能的开发利用，涵盖了电力照明、电动机、发电机、电动工具、变流器、电流控制设备等方方面面。

查尔斯·范·德博莱1846年出生于比利时西弗兰德斯的利赫特菲尔德，是一名家具商的儿子。在他求学期间，他的父亲就坚决让他继续做家具制造及销售生意，德博莱服从父命，很快就掌握了家具制造技术，并利用业余时间钻研电气化知识。1869年德博莱移民美国底特律，先是继续做老本行的家具生意，后来全身心投入到了电气技术研发之中。1874年，他开始涉猎有轨电车技术领域，经过多年研发便有了新突破，1883年在芝加哥建成了一条有轨电车线路。到了1887年的年底，北美已经开通运营了13条有轨电车线路，而其中的9条就是德博莱的杰作。德博莱在有轨电车领域最主要的贡献，就是在1885年发明了“悬空电线轮滑式受电系统”，解决了之前有轨电车在运行过程中接受电流不稳定的难题。

（德博莱发明的有轨电车架空受电装置）

在德博莱对受电系统改良之前，像西门子在1881年修建的柏林有轨电车线路和爱迪生在1880年修建的门洛帕克试验电车线路，采用的都是地面或者地下供电方式，其中柏林的有轨电车采用的是地面第三轨供电，爱迪生的电车采用的是地下供电方式。由于供电轨暴露在外面，对过往行人和动物造成了严重的威胁，为了将危险降到安全范围之内，就必须将电压降低，所以就限制了电能的应用。并且当时的受电设备采用电刷（或者电鞋）接触供电轨，从而为电动机提供原动力，而电刷（电鞋）故障频繁，尤其是很容易产生电火花，烧坏电气设备，造成供电中断。

基于上述原因，架空供电方式就替代了地面第三轨供电方式。这种供电技术与现在采用的接触网供电方式基本相同，那就是将供电柱子埋设在铁路一侧，上面张拉悬挂供电线，电车的顶部安装受电弓和集电器等设备，与供电线滑动接触，将电流引进机车，进而带动电动机运行，驱动机车前进。德博莱的贡献，就是发明了架空供电方式的轮滑式受电设备，这种轮滑受电装置通过压紧供电线，并随着机车前进而滚动，能够持续不断地接受电流，一劳永逸地解决了地面第三轨供电的弊端。

如今的第三轨供电已经成了城市地铁最常用的方式，这种技术重新焕发青春，说明有其过人之处。即使在一百多年前，第三轨供电也没有被完全摈弃，而是长时间应用着，只不过不再是主流供电方法而已。除了第三轨供电之外，还有一种地下供电方式也很流行，就是在铁路一侧、或者两根钢轨之间修建电缆槽，供电缆设置在槽中。一般来说，对于城市景观要求很高的城市，诸如美国的华盛顿、纽约等地，就严禁修建架空线路，那么采用电缆槽地下供电方式就是唯一的选择。

这种供电方法就是在地面下铺设椭圆形或者矩形的铸铁管，上面开槽，里面安装供电线，机车的底部或者车轮一侧安装受电器，受电器伸入电缆槽与电线滑动接触受电。这种有轨电车线路与城市缆车线路一模一样，甚至在有轨电车的普及之初，城市缆车和地下供电的有轨电车就共用一条铁路线，中间埋设两个电缆槽，一个用于缆索，另一个用于有轨电车。然而，这种供电方式虽然保证了城市景观，但是弊端也很多，一旦遇上阴天下雨或者电缆槽里掉进垃圾等异物，就是一个大麻烦，金属线很容易被腐蚀，造成设备损毁。气候干燥地区尚可应付，多雨阴湿地区就不适合采用该方法。

【美国传奇电气化工程师——利奥·达夫特】

（利奥·达夫特）

在美国，另一位不容忽视的争霸赛选手叫利奥·达夫特，他的经历也充满了传奇色彩，是在史伯格之前，对美国的有轨电车发展做出突出贡献的人物，当然他对整个有轨电车技术的进步也付出了很大心血。利奥·达夫特1843年出生于英国的伯明翰，他父亲是一名土木工程师，开办了一家公司，专门生产温室暖棚。达夫特从小也是在浓厚的技术氛围中长大成人的，后来他毕业于英国利物浦大学，并随后在伦敦大学继续深造。1866年，他家族的企业遭遇财务危机而破产，为了偿还债务，23岁的达夫特只身一人去往美国，买完船票之后身无分文。他一贫如洗，首先到了巴尔迪摩，在一个铁路建设工地卖苦力，挣够了钱之后，就买了一架相机，当起了旅行摄影师，后来到了纽约州的卡茨基尔山的一个农庄，这才安定了下来，与农场主的女儿结婚生子。

这种世外桃源生活没有维持多久，1878年，他的父亲去世，随后，达夫特返回了英国处理后事，从此之后，他才彻底投身到了电气技术发明中去了。回到美国之后，达夫特移师新泽西州的格林威尔，在那里他开始生产制造发电机等电气设备。1883年11月24日，达夫特在萨拉托加和麦克格雷戈山铁路上试验他的电力机车“Ampere”号，机车开往目的地之时很顺利，返程之时机车脱轨，但是没有人受伤。

（利奥达夫特研制的“AMPERE”电力机车）

1885年，达夫特制造了3台电力机车并提供配套发电设备，为巴尔的摩联合客运铁路的一条4.8公里的支线提供服务。达夫特之所以选择这条线路，是因为这是一条有轨马车线路，当时采用马力牵引，沿线地势凶险，坡度陡峭并且弯道很多，无数匹骏马命丧于此，被称为“马匹杀手”。达夫特的电力机车非常成功，整整跑了一年时间，也没出任何问题。

在此之前，也有电力机车断断续续在这条线路上使用，却都不成功，因此达夫特成了这条铁路提供常规服务的第一人。1885年8月10日，铁路开张纳客。很快，有轨电车的开通就吸引了很多客流，当年第一位乘坐有轨电车的旅客支付的那枚伍分镍币，现在还收藏在美国史密森研究院里。

1886年，达夫特研发成功一台160马力的电力机车“本杰明·富兰克林”号，在纽约城第九大道的高架铁路上试车，但是不太成功。到了1888年，电力机车重新被改造，才继续投入使用。此后，达夫特继续在无轨电车（公共电车）领域继续探索，并在新泽西州的阿什伯里公园以及奥林奇分别修建了无轨电车线路。

达夫特在有轨电车领域的成功至此告一段落，他的事迹不仅仅展示了一百多年美国那种朝气蓬勃的创新精神，更为难得的是，达夫特用自己的奋斗经历，谱写了一首不屈不挠、改变命运的交响诗。

【美国电力牵引之父——弗兰克·朱利安·史伯格】

（弗兰克·朱利安·史伯格）

在达夫特之后，真正将有轨电车技术臻于完善、并开始大规模商业推广的人物就要登场了，这个人就是“美国电力牵引之父”弗兰克·史伯格。弗兰克·朱利安·史伯格1857年出生于康涅狄格州的米尔福德，后来考入美国海军学院，毕业之后在海军服役，并担任工程师，在大学学习并参军那几年，史伯格展现出了超人的数学天赋，并接受了严谨学术训练，能够接触到当时科技的最新进展，这就为他以后能在电气领域创造奇迹打下了基础。

史伯格投身有轨电车的研发，也是从改良发电机开始的，早在海军服役期间，他就发明了一台倒置式直流发电机。后来他参加了1881年的巴黎国际电力博览会，1882年又参加了英国西德纳姆的水晶宫展览会，让他深受触动，并开始思考在电气化领域的研究方向。离开爱迪生的实验室之后，史伯格就成立了自己的公司，专门搞电气设备研发制造，并在1886年取得了系列技术成果。在那年，史伯格成功发明一台新型发电机，能够长期稳定运行，不产生电火花，采用再生制动技术。该机器一经推出，就取得了巨大成功，连爱迪生本人都对这台机器赞不绝口。而再生制动技术更是史伯格的首创，这种技术通过电能转化成机械能对机器进行制动，制动过程中摩擦产生的热量不散失，而是重新变成电能反馈回电路，属于环保节能的制动方式，这种独到的再生制动技术至今仍然在高速动车组和电梯中采用，而高速动车组的前身，就是起源于有轨电车。

史伯格对有轨电车的另一个关键贡献，就是改进了查尔斯·范·德博莱发明的高架供电线轮滑式受电装置，这个装置还有一个名称叫“弹簧承压触轮杆”。史伯格改进了其齿轮结构，使之性能更加优越，可以被大范围地装配到有轨电车上面。从前面介绍的有轨电车技术先驱的事迹就会知道，史伯格对有轨电车的最大贡献，就是将前辈们发明的技术设备进行优化组合，并改进提升，使全套电车供电系统整体性能最优，并且这套系统是完全成熟可靠的，可以放心大胆地大规模推广使用。

实话实说，搞单个发明固然重要，然而有本事将这些发明集合在一起进行商业化推广，也是功德无量的伟业。史伯格不但发明了很多电气设备，还能将迟迟不能形成规模效应的有轨电车走出了深闺，并将其推向了新世纪。从1887年底到1888年初，史伯格在弗吉尼亚州的里士满市修建完成并开通了里士满联合客运铁路，这是美国第一条非常成熟的商业化运营的有轨电车线路。

（1923年美国里士满的有轨电车）

1888年2月2日，里士满有轨电车开通运营，这条线路上一共投放了10辆电车，每辆电车安装两台7.5马力的电动机，采用高架电线供电，电压采用直流450V。有轨电车分为大小两种，大型的电车自重3.1吨，有40个座位，一次可运送100人；小型车辆重3吨，设置22个座位，可乘坐65人。电车一般运行速度12.1公里/小时，最高运行速度24公里/小时，可爬上30度的陡坡，也可通过半径为58.88米的弯道。到了1888年6月，里士满有轨电车投放量达到了40辆，线路长度延展到19公里，在商业上获得了空前的成功。

这条有轨电车线路有多成功呢？看一组数据就会一清二楚，在这条铁路开通仅仅1年时间，风靡一时的有轨马车以闪电般的速度在城市街头消失，而有轨电车线路雨后春笋般出现在美国各大城市之中。仅仅1年时间，美国就已经开通和正在修建110条有轨电车线路，用摧枯拉朽来形容史伯格有轨电车的扩散速度，一点都不夸张。

而与史伯格同时进行争霸赛的，还有德国发明家西门子，作为世界上第二条能够商业运营的电车线路的缔造者，西门子对供电系统的改良也是煞费苦心。我们前面说过，西门子的电车线路是采用地面供电轨供电，不但电压低，电车的速度还无法进一步提高，西门子最终也选择采用高架供电系统。不过他研发的电车受流装置与史伯格的发明雷同，而后者早已经申请了专利，西门子不得不修改自己的设计，将受电装置做成个矩形金属框架模样，称之为“集电器”。这种形式的受电弓在欧洲早期的电力机车上非常常见，几乎成了标配。

在进入20世纪的前20年间，欧美等国的发明家和电气工程师们前赴后继，终于将电力牵引技术应用到了城市轨道交通运输之中，让安全环保快速的有轨电车横空出世，并很快形成了燎原之势，城市交通也随之进入了电气化的新世纪，并且在长达50年中，一直是城轨交通中的执牛耳者。从20世纪30年代开始，一直到了1960年代，这种流行几十年的交通工具不断遭遇寒流，全世界很多城市开始大范围地拆除有轨电车线路，曾经必不可少的有轨电车为何受到如此冷落？原来，另一种新型交通工具经过多年的韬光养晦，最终形成了气候，现在过来争夺霸主宝座来了，这种交通工具就是汽车。

-THE END-