科普 | 电气化开启轨道交通发展新纪元|163

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科普 | 电气化开启轨道交通发展新纪元

本文节选自知名铁路科普作家王麟所著新书《轨道交通的前世今生》
中国铁道出版社2018年5月出版

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在进入20世纪之前，欧美城市的有轨马车就车粼粼马萧萧奔走了一百年，整个西方世界，也可以很形象的称之为在马力和蒸汽的双重牵引下前进了一百年。其中蒸汽机车雄霸了整个长途运输市场，有轨马车承载了城市内部及其近郊的短途运输。

虽然第一次工业革命在18世纪末就形成燎原之势，在19世纪上半叶蒸汽机车又横空出世，然而，伟大的工业革命和运输革命都没有给有轨马车这类城轨交通带来明显冲击。至于原因，在前面几节已经有详细分析和总结。不得不承认，存在的就是合理的，有轨马车虽然成本昂贵，牲畜作为牵引动力不好伺候，但确实是当时快捷环保的交通工具。即使有城轨缆车虎口抢食，但有轨马车的霸主地位从未被撼动过。

为了降低成本，用更加先进的技术手段解决城轨交通问题，改良后的轻型蒸汽机车、燃油机车、燃气机车、压缩空气作动力的机车均先后登场，但是都没有形成气候。直到一种革命性的牵引动力异军突起，这才彻底终结了有轨马车，并且在几十年后，又再次终结了蒸汽机车，这就是如今世界各国普遍采用的电气化牵引技术。

而这项技术的普及应用是在1880年代，在欧洲和北美，分别有两个旗舰人物同时推动电气化技术的进步，一个在德国艰难破冰，另一个在美国雄鹰展翅。德国那位电气化技术的开拓者名叫维尔纳·冯·西门子，而美国的那位天才人物叫弗兰克·朱利安·史伯格。西门子创建了一个百年商业帝国，而史伯格被誉为“美国电力牵引之父”。

【电气化技术领域的开拓者】

在铁路电气化应用的早期，无一例外都是以城轨交通领域作为试验田，在此基础上继续扩展到了普通铁路上面。这个也不难理解，因为发电机和电动机发明之初，功率都不大，并且还经过了一段不算短的用蓄电池作为牵引动力的年代。最初的电气化技术用在城市轨道交通领域非常合适，一来牵引功率不需要太大，二来城轨交通的车辆行车速度也不高，能够满足市民的通勤和出行要求。

但是要将电气化技术推向城市远郊铁路、或者跨地区的长途铁路运输，没有功率强大的发电机和电动机是万万不行的。但即使有了这些发电机和电动机等设备，还要想办法将其与机车完美结合，使之能够作为牵引动力驱动机车车轮，而这种机车牵引传动技术的进步，也让科研人员付出了年复一年的艰辛劳动，时间长达半个世纪。除此之外，要想将电力低损耗地传送到几百上千公里的远方，也需要更加先进的技术手段才行，长途输送电力也是一大技术难题，这个问题不解决，电力牵引用于铁路长途运输只是空谈。大家别看早在1881年德国就开通了世界上最早的商业运营的电气化城轨铁路，但是电气化技术真正用在铁路长途运输领域，又经过50多年的技术发展过程，其中的酸甜苦辣，成功与挫折自不必多言。那么，还是让我们将目光转向19世纪的上半叶，继续深入探讨一下城轨电气化技术的起源与发展吧。

直流发电机之父——耶德利克·阿纽什

人类进入电气化时代都要感谢一个人，那就是英国科学家迈克尔·法拉第，他在1821年发现了电磁感应现象，由此开启了全新的电力时代。法拉第的伟大发现如何美誉都不为过，如果说第一次工业革命以瓦特蒸汽机的大规模应用为标志，那么第二次工业革命的引擎非电力技术莫属。从法拉第发现电磁感应现象之后，仅仅过了8年时间，匈牙利发明家、工程师、物理学家耶德利克·阿纽什就研制完成世界上第一台直流电动机，还制造了一台与之配套的迷你车辆，电动机驱动车辆运行。这台电动机通过旋转的电磁铁产生电能，还属于玩具性质，然而却是世界上首次对电力的使用，意义重大。

耶德利克·阿纽什在布达佩斯大学工作了40年，在此期间，他做出了很多重要成就。历史并没有遗忘这位发明家，虽然他还兼任罗马天主教的牧师，却因为在电气化领域的突出贡献而被选为匈牙利科学院院士，被公认为是“直流发电机之父”。

耶德利克·阿纽什开启了电力应用的先河，后继的发明家纷纷投身到电力技术领域，使得19世纪末到20世纪上半叶，电力技术突飞猛进，彻底改变了人类文明的进程。到了1831年，美国科学家约瑟夫·亨利在研究电磁感应现象的时候，制造了一台直流电动机，将其在实用化之路上更推进了一步，而约瑟夫·亨利也是电铃的最早发明人。

世界首台电池驱动机车的发明人——托马斯·达文波特

亨利发明的电动机虽然还未能投入实用，却给了另外一个美国发明家以灵感，让他在电动机的实用中更前进了一步，发明了全世界第一台电池驱动的小型铁路机车，这个人是美国佛蒙特州的一名铁匠，名叫托马斯·达文波特。他在1834年制造了一台通过蓄电池驱动的电力模型机车，还修建了一条迷你的环形试验铁路。

不过他的发明并不太成功，因为电动机的功率太小，牵引自身重量都勉为其难。达文波特的成就很快便被遗忘了，一直到美国内战之后，他在电气化领域的地位才被重新认知，获得了应有的尊重，不过那时候他已经英年早逝很多年了。达文波特在电力机车研制中的首创虽然失败了，但是也给了后继者一个重要启示：通过蓄电池作为动力源是没有前途的，发展外部供电技术才是硬道理。

既然要发展外部供电，对大功率发电机的研发提上了日程。追根溯源，世界上第一台发电机的发明人是一个法国能工巧匠，名叫希波吕忒·皮克西，他是一个工业设备制造商，在1832年根据法拉第的电磁感应现象制造了一台交流发电机，通过手柄旋转线圈，进而产生交流电。不过在当时，人们还没有深入了解交流电的好处，感觉直流电比交流电更有用，所以后来者根据皮克西的发明做了改进，研制成功直流发电机，随着技术的不断提高，直流电机也变得越来越复杂，越来越实用。1844年，英国工程师约翰·斯蒂芬·伍尔奇设计出第一台能够商业应用的发电机，用于工厂电镀作业。

到了1860年，意大利比萨大学的物理学家安东尼奥·帕奇诺蒂对直流发电机进行了改良，使得机器产生的直流电更加连续平稳。此后，基于安东尼奥的发明，有三个人几乎同时对发电机完成了技术升级，发明了自供电的电磁铁，并引发了专利权之争，他们分别是英国的科学家和发明家查尔斯·惠特斯通、英国的电气工程师塞缪尔·阿尔弗雷德·瓦利和德国发明家维尔纳·冯·西门子。不过，上述发电机都存在一个很大的缺点，那就是发出的电流太弱，不足以投入工业应用。那些发电机发出的电流或者只能驱动玩具运转，或者用于电镀，或者只是实验室里的摆设，如果不能在发电机技术上取得突破，发出更强劲稳定的电流，电力时代只能是水中月镜中花。

交流发电机技术的革新者——齐纳布·格拉姆

幸运的是，这个问题在1873年的举办的维也纳世界博览会上被偶然解决了，解决这个问题的人叫齐纳布·格拉姆，这是一位没受过多少高等教育的比利时电气工程师。他在维也纳的世界博览会上安放展品的时候，将自己发明的直流发电机的接线弄错了，将别的发电机的电流错误的接入了自己的发电机，结果发现发电机竟然高速旋转起来，眨眼之间变成了电动机。这个发现意义极为重大，为何？因为之前的电动机大都是手摇发电，这才是电力不足的根本原因，如今发电机竟然能变成电动机，那么大规模的发电岂不是手到擒来？而齐纳布·格拉姆的偶然突破，让全世界真正进入了电力时代，后世所有的发电工业都是基于他这个发现而建立的。

除了这个发现之外，格拉姆还改进了发电机的电磁铁，减小气隙，产生的磁通量更大。从此之后，性能良好、功率强大的发电机成星火燎原之势，为电力机车的研发铺平了道路。

【电池驱动机车的最后一搏】

在讲述有轨电车在俄罗斯、欧美等地区展开争霸赛之前，还要介绍另外两位电力机车研发领域的先驱，一位是英国的发明家罗伯特·戴维森，还有一位是美国的发明家查尔斯·葛拉芙顿·佩奇。之所以将戴维森和佩奇放在这里讲述，是因为他们两个都是让电池驱动的电力机车成功载货运行的发明家。1837年，罗伯特·戴维森继美国发明家托马斯·达文波特之后，研制成功全世界首台通过电池驱动且能够投入实用的电力机车。随后在1842年，他对电池驱动的电力机车进行改良，起名“伽尔伐尼”号，这台机车有4个轮子，以锌酸电池作为动力源。1842年9月，“伽尔伐尼”号电力机车在爱丁堡至格拉斯哥铁路上开展行车试验，载重6吨，以时速6.4公里/小时的速度运行了2.4公里。有了这项成就，在19世纪末期有轨电车真正兴起之后，罗伯特·戴维森在很多公共场合都宣称自己是“电力机车之父”。实活实说，他的炫耀虽然让很多人摇头，但也谈不上有多夸张。

电池驱动机车技术的先驱——查尔斯·葛拉芙顿·佩奇

而查尔斯·佩奇和戴维森一样，具有深厚的名校教育背景。戴维森1804年出生于苏格兰亚伯丁郡，1821年毕业于该郡的马歇尔工学院，而佩奇1812年出生于美国的马萨诸塞州的赛伦，1832年毕业于哈佛大学，他虽然在大学里选择的专业是化学，却从小就对电气知识情有独钟，最终取得的成就也不在罗伯特·戴维森之下，甚至有的文献声称，佩奇发明的电池驱动的电力机车比戴维森更早，当然并没有更多的史料佐证这个结论。然而，和戴维森不同的是，查尔斯·佩奇发明之路却很坎坷，他一生中遭遇的那次最大失败，给电池驱动的电力机车敲响了丧钟。

佩奇在1840年代发明了一种新型的电动机，并成功应用在电锯和水泵上面，有了这些成绩，他就向美国参议院申请了一笔研发资金，准备利用该项技术制造实用的电力机车。佩奇的运气不错，参议院批准了他的资金申请，既然连参议院都看好佩奇的发明，大量私人资金也纷纷加入，资金问题圆满解决，佩奇终于可以放手一搏了。经过多年研发，佩奇取得了系列科研成果，还研制成功多种不同类型的电动机，都是通过蓄电池提供电力，并制造了相应的电力机车的样车。1850年，佩奇在美国科学促进会上介绍了他的研究进展，引起了不小的轰动，这对电力领域的其他顶尖的科学家是个很大的启发。

到了1851年4月29日，佩奇一鼓作气将电动机的功率从8马力提升到了20马力，用两台20马力的电动机驱动一台重达10吨的机车运行，速度达到了30公里/小时。佩奇亲自驾驶着这台机车从华盛顿开往布兰登堡，耗时19分钟，行程非常顺利。有了这个成功先例，佩奇更加信心百倍，就计划将这台10吨重的机车从华盛顿开往巴尔迪摩，返回的时候，顺便带上一批乘客。如果试验成功，佩奇的成就将一枝独秀，会将世界铁路运输进入电力时代的时间提前三十年，这个成绩可是划时代的。

从美国华盛顿特区到巴尔迪摩的距离是63公里，按照佩奇电力机车的运行速度为25公里/小时计算，跑完全程也需要2个半小时以上，这是一个巨大挑战，蕴含着很大的风险。这个挑战已经远远超过了城市轨道交通的范畴，是在向电气化铁路长途运输领域进军。而其中的风险更是显而易见，比如机车的性能如何？蓄电池的续航能力到底有多大？应急措施准备是否充分？每一环节的失误，都会让试验功亏一篑。不幸的是，历史没有给查尔斯·佩奇扬名立万的机会，他在这次史无前例的电气化铁路运载试验中遭遇了重大挫折，严重一点说是遭遇了一场事故，虽然没有人受伤，但是也为他的彪悍人生抹上了一层悲剧色彩。

佩奇和他的一位技工阿里·戴维斯一起驾驶这台电力机车朝着目的地前进，但是开行了没有多久，高压电火花就击穿了蓄电池的绝缘线圈，造成了短路，很快，蓄电池里面用易碎粘土做成的分配器在启动时发生破裂，蓄电池土崩瓦解，紧接着其他的电池也接连损坏。这场技术故障可忙坏了佩奇和戴维斯，他们开始竭尽全力维修机车，以保证其继续平稳运行。机车大约行驶了8公里左右，已经路过了布兰登堡和马里兰，行驶速度维持在了19公里/小时，但是要想成功开行到63公里之外的巴尔迪摩是不可能了。佩奇只好掉头返回，费了九牛二虎之力，才勉强将机车开回了华盛顿。

佩奇的这次失败为其他的发明家敲响了警钟，让他们放弃蓄电池电力牵引技术，去寻找更好的解决办法。其实早在查尔斯·佩奇信心满满地试验他的电力机车之前，英国物理学家詹姆斯·普莱斯考特·焦耳就在一次科学会议上为电池牵引技术做出了如下评价：“用电池作为动力的机器是没有实用前途的。”佩奇没理会焦耳的结论，自信心爆棚，却遭遇了失败。其实这也不能怪佩奇技不如人，在那个群星璀璨的年代，各类新思想和新发明令人目不暇接，光凭理论研究怎么能直接给一项创新判死刑？实践是检验真理的唯一标准，即使失败，也无怨无悔。

罗伯特·戴维森和查尔斯·佩奇的发明，证明了蓄电池的小容量、不稳定、安全性能不高与不断需要充电的缺点，使之根本无法满足电力机车牵引的需要，哪怕戴维森和佩奇的电力机车比达文波特的更加先进，动力更足，也无济于事，被淘汰是历史的必然。当然了，在21世纪的今天，通过蓄电池牵引的电力机车也在研发之中，即将投入实际运营。现在的蓄电池技术与1850年代的技术相比，早已经天上地下，大容量长续航电池的出现，让这种最早出现的电力机车有了咸鱼翻身的机会。

【西门子在铁路电气化领域的首创】

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。

铁路电气化领域先驱——维尔纳·冯·西门子

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。

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】

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。

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。

【发明大王爱迪生与早期电车试验】

在群星荟萃的19世纪末和20世纪初，欧美很多发明家和电气工程师前赴后继对电能进行开发，将其推广应用到电灯、电话、电报、电车、采矿、冶金等相关领域，技术进步一日千里，各类发明犹如井喷，促进了新旧世纪之交的社会大发展。

在这场旷日持久的电力争霸赛中，对电力应用普及的速度，美国的步伐要比欧洲快得多。就拿铁路电气化领域而言，早期做出重大发明的还是以美国人居多，这也在一定程度上证明了近现代科技中心正从欧洲向北美的转移的事实，这种技术转移持续了半个多世纪之久，直至美国成为新一代世界科技中心，一直到今天也没有明显的变化。而掀起了第一次工业革命的大英帝国，却在这场第二次工业革命的电力争霸赛中，明显处于下风。在欧洲大陆，德国一株独秀，长时间引领欧洲的技术潮流。

美国对铁路早期电气化的研究，也是从有轨电车开始的。有科学家、发明家约瑟夫·亨利、托马斯·达文波特以及查尔斯·佩吉在前面披荆斩棘，后继者利奥·达夫特、查尔斯·约瑟夫·范·德博莱、托马斯·爱迪生、弗兰克·史伯格更是当仁不让，纷纷在该领域大显身手。

除了托马斯·爱迪生之外，上面列举的这些名字，对很多人而言都非常陌生，然而在一百多年前，他们的成就并不比爱迪生差多少，尤其在有轨电车领域，他们做出的发明奠定了铁路未来电气化的基础。之所以这些发明家的名字被世人遗忘了，是因为同时代的托马斯·爱迪生的名号太响，声望太重，对其他人造成了无情的碾压。就拿“美国电力牵引之父”弗兰克·史伯格而言，那绝对是电气化技术领域一流的天才人物，刚出道的时候，也在爱迪生的实验室里当助手。我们知道，爱迪生是自学成才，没有受过系统的科技训练，他早期走的是不断试验、不断失败、再试验再失败的路子，这种科研手段耗时耗力，效率很低。所以史伯格加盟爱迪生的实验室之后，利用其超强的数学能力，让实验室的效率得以大幅度提升。当然了，爱迪生成名之后，他的实验室也补充了很多受过高等教育的科研人员，但是史伯格的水平明显更高一筹。

但是，史伯格在爱迪生的实验室呆了不到一年就忍无可忍了，很快和爱迪生决裂，主要原因就是，史伯格发现自己无论做出何种发明，专利权人的名字都是爱迪生，他连署名的资格都没有。雄心万丈的史伯格哪里受得了这种窝囊气，无论爱迪生怎么挽留，他还是毅然离开了，随后就成立了自己的公司，搞发明，做产业，与爱迪生分庭抗礼，最终功成名就。但即使这样，史伯格一辈子也生活在爱迪生巨大名望的阴影之下，心情并不愉快。

众所周知，“发明大王”爱迪生主要是以电灯、留声机、电影放映机等耳熟能详的发明为大众所熟知，其实他的研究领域涉及到电力技术的各个方面，基本上属于难得的全才。毫无疑问，有轨电车技术研发怎么能少得了爱迪生呢？实际上爱迪生不但和铁路的渊源非常深，他在电车领域也做出了很多重要发明，并申请了专利。爱迪生少年时代首次踏入社会某得的工作，就是在火车上面卖零食和报纸，后来与列车长熟悉了，才在火车上搞了一个简陋实验室。可惜后来试验不慎发生了爆炸事故，实验室被取消，据说爱迪生的耳朵为此还被列车长打聋了。

爱迪生参与有轨电车的研发时间并不算晚，时间在1880年，仅仅比西门子在柏林展览会上展出那条电气化环形铁路晚1年时间。而爱迪生研发有轨电车的最初目的，并非解决城市客运问题，而是为了帮助乡下的农夫运送粮食。这件事情还要从1878年说起，就在当年的某一天，爱迪生与几位天文学家朋友来到了怀俄明州的乡下，就注意到农民们收获粮食之后，要长途跋涉，通过马车和人力车拉往很远的火车站和销售市场，费时费力，十分辛苦。爱迪生便萌生了研发一种轻型有轨电车以解决农民奔波之苦的想法。

爱迪生说到做到，刚好那段时间他全力攻关的电灯技术已经取得了重大突破，有空暇时间来研究有轨电车问题。电力机车的研发与铁路的修建同时进行，研发的轻型机车是通过一台自动翻斗车改装的，上面安装了两台爱迪生发明的直流电动机，每台功率为12马力。而铁路试验线路铺设在了加州的门洛帕克，全长1200米，人为设置了很多陡坡和小半径弯道，用来检验电力机车的性能。这条试验性质的电气化铁路通过地下导线为机车供应电力，发电机则另外设置。

到了1880年的3月13日，一切准备就绪之后，爱迪生的有轨电车就开始试验运行了。这台电力机车牵引了3辆拖车，其中一辆平板车，一辆带雨棚的车，还有一辆比较奢华的普尔曼卧铺车，电车的制动方式采用爱迪生新发明的电磁制动技术。试验经过了一段时间的磨合期，爱迪生带领实验室的人员随时排除出现的故障，最终铁路试运行取得了成功，而电车的运行速度达到了惊人的64公里/小时。实际上，不同的文献资料对当时的电车试验速度记录差别很大，翻阅当天的报纸通讯可知，爱迪生竟然将电车速度开到了103公里/小时！

根据1880年3月30日《堪萨斯城日报》记者的报道文章和当时试验参与人的记录可知，爱迪生在进行电车试验的时候，真的是具有大无畏精神。首先，整个试验期间爱迪生本人自始至终就在车上坚守，随时排除故障，丝毫不惧。其次，电车经过陡坡和小半径弯道的时候，电车不但不不减速，反而加速，车上的乘客就像坐过山车，差点就从椅子上飞起来。乘客的感受是对的，记者也应该没有夸张，因为电车在通过弯道时产生的强大离心力，让一名叫克鲁齐的驾驶员直接翻着跟斗飞出了车外，一头扎进了路边的灌木丛里，脸部受了轻伤，而爱迪生却像孩子般地又跳又笑：“真是一场漂亮的事故！”最惊人的事实是，根据记者的报道，电车第一次试车的时候，1200米的距离跑了53秒，第二次试车的时候跑了42秒，换算下来电车的速度达到了不可思议的103公里/小时。

爱迪生的电车一直持续不断运行到了1880年的秋天，在此期间，无数的慕名者蜂拥到了门洛帕克，给当地带来了一段时间的繁荣。过了秋天，美国北太平洋铁路公司的董事长亨利·维拉德向爱迪生提出了一个要求，希望他能够在门洛帕克修建更长的铁路线路，试验更多不同性能的电力机车，为将来在美国这个西部小麦产区修建电气化铁路提供技术支持。爱迪生满口答应，到了1882年，爱迪生在门洛帕克修建了一条4.8公里的电气化铁路，同时还修建了配套的侧线用来临时停车，配置了转盘用来给机车转向，建造了货物站台以方便装卸货物，营造了车库用来停放和保养维修车辆。这条铁路要比第一条试验线更加先进，上面运行两台电力机车，一台用于货运，另一台负责客运，货运列车装货多，跑的也不慢；客运机车跑得快，一次能拉90个人，应该说是非常成功的。此时距离西门子开通运营柏林首条有轨电车线路仅仅1年时间，比史伯格首次开通美国大规模商业运营的里士满有轨电车线路早6年时间。但是为何爱迪生的发明没有被大规模地推广应用呢？其实，原因也不难理解，因为有更好的、造价更低、适用性更强的有轨电车技术就要现身人间了。

【欧美有轨电车技术争霸赛】

爱迪生发明的电力机车只是一个小插曲，真正的电车技术争霸赛已经在欧美同时展开了。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。

改良受电弓的发明家——查尔斯·范·德博莱

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。

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

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。

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

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。

史伯格发明的有轨电车走行部

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。

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。（完）

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