第五章 瓦特毕生追求得到了实现

1 最后的冲刺

功成名就的瓦特，没有满足于以往的成就。

他想在退休之前，再做最后的一次冲刺，那就是在索荷建设一座工序齐备的发动机制造厂，专门用来生产瓦特式发动机，以便用优质产品来满足日益扩大的市场需要。

后来，马修·博尔顿在索荷的企业，一直是按照行业组合起来的。这种形式经过一百五十多年之后，在今天的工业中又变得流行起来。那家著名的“索荷制造厂”里有一批公司，各家公司都要为它所占用的那一部分厂房逐年支付租金，此外还要分摊一部分总务办公费用。当瓦特开始与博尔顿经营时，原有两家公司，一家叫“博尔顿和福瑟吉尔公司”，生产银器和电镀器皿，另一家是“博尔顿和斯凯尔斯公司”，生产钮扣、带扣和钢制的“小装饰品”。后来又相继增加了“博尔顿和瓦特公司”，生产拷贝压印机的“詹姆斯·瓦特公司”，以及最后由博尔顿独自开办的硬币铸造厂。

回顾往事，早在 1769 年，博尔顿就在给瓦特的一封信里已谈到过：“在运河靠近我自己工厂的地方，建设一座制造厂，在那里我将为制造发动机提供一切必要的便利，我们将向全世界提供这家制造厂生产的各种规格的发动机。”这宏大的规化，在 1775 年为支持关于延长发动机发明专利权的法案时， 他曾再次提出过，其理由是，除非延长这项专利权的期限，否则，这座新工厂的基本建设费用就不会有保障。事实上，博尔顿在此后二十多年来所取得的一切成绩，只不过是对原有的索荷工厂稍加扩建而已。

索荷的第一座发动机车间的规模并不很大，内设两台铁匠炉，一个装配台和一台车床。后来又增添了一台车床，可能还有一两件其他的简易刀具。博尔顿曾委婉地把它称之为“我们的锻工车间”。铸造发动机用的木模，从一开始就是在索荷制作的。不过是否就在这个车间，还是在这家工厂内的其他地方制作的就不清楚了。不管情况如何，发动机在工地上进行安装的期间， 从一开始就采用已被接受的惯例，由顾主从推荐的供应厂商那里定购自己的发动机部件，这显然是比较慎重的。

自始至终都在索荷制造的部件只有阀门、阀体和传动装置上的零件。这是合乎情理的，因为按照当时的标准，并且同瓦特式发动机的其他部件相比， 这就是一些在制造方面需要高度精密，在装配方面要有熟练技艺的复杂部件了。这些部件在工艺方面的要求，与现代柴油发动机上的燃料调节泵有点类似，为了清楚起见，本书谈到这些部件都用了现代名称，然而在瓦特的时代， 所用的名称却不相同。那时把阀门叫做调节器，阀体叫做喷嘴，阀的传动装置被称为调节装置。

阀体是先在威尔金森的布拉德利工厂按索荷的模式铸造，然后再送到索荷去加工调整和装配的。“喷嘴”这个术语，往往也适用于装配好了的阀体、阀和内部传动装置的组合体。最初的引擎汽缸的顶部是开口的，只有两个这种组合装置，分别把蒸汽放进汽缸底部，并把它排到冷凝器里。后来，外层汽缸仅仅成为一个蒸汽套，且工作汽缸的顶部也被封起来时，就又加上了第三个阀的组合装置。使蒸汽通向汽缸的顶部，这样，汽缸就不再与锅炉相通。当时把这三个阀的组合装置，分别称为顶部调节器、中部调节器（平衡阀）

和底部调节器（排气阀）。这些精密而又起关键作用的部件，自然会使瓦特煞费苦心，鉴于在使用和制造方面的经验日益丰富，有关后来所进行的许多改进，在此恕不赘述。只要举一个例子，就足以说明瓦特的独具匠心。随着发动机规格的增大，阀门直径也要相应加大，其结果是，要打开排气阀，阀门就不得不承受相当大的压力。因此瓦特便使用了一个小辅助阀，让它先打开，把蒸汽引到主阀后面去，从而减轻了压力，就这样把这个难题解决了。这种装置于 1778 年第一次装配到波尔代斯矿井的一台 63 英寸的引擎上的。在活门时兴之前，很多引擎制造商在后来长期使用的所谓双阀门，就是由瓦特的这个装置沿袭下来的。

这就不难理解为什么斯米顿和其他的工程师曾批评瓦特式引擎太复杂。即使现在，人们把它与后来的往复式引擎相比，仍然会觉得它很复杂，那么在瓦特同时代人的眼里，它必定会显得令人望而生畏。这种发动机的工作原理及其主要部件的设计，都是够明确的，但是那些阀门装置却很不简单。请细想一下其运转情况吧：吊在横梁上的那个垂直“插杆”，每引起一次运动， 都要开关三个阀门，而复动式引擎则要开关四个阀门。由于这种引擎的运转缓慢，这些阀门必须保持足够的张开时间，这段“小停顿”时间的长短必须随时调整。就蒸汽吸入阀或者用当时的名称“顶部调节阀”而论，在引擎运转时，不仅“小停顿”时间的长短，而且阀门张开的大小，都必须是能够变化的，否则，如果其工作负荷减少，引擎本身就会受到严重毁坏。最后，阀的传动装置的连接部分不能是刚性的，因为要使引擎启动或停止，必须用手来控制它的惯性和阀门的工作。

要对瓦特的这种阀门装置的设计以及通过实践对它进行的改进加以解释，那就需要绘制一系列的图表，还不知要涉及多少技术上的细节。这里， 我们仅介绍一下瓦特经常提到的那个“时钟装置”，这种装置是根据当时钟表制造行业中用在时钟上的那些管报时的齿轮，或者叫做司行轮的设计演变而来的，因而它的部件名称也都用了钟表匠的术语。因此，控制杆上的枢轴被称为“芯轴”，而用来控制阀门在所需要时间内张开的那个杠杆锁扣装置， 则被叫做“擒纵器”，毫无疑问，当瓦特作为仪器制造工匠的时候，他已掌握了某些与钟表制作密切相关的知识，所以，当他在设计发动机阀门装置时， 就能充分利用那些知识。

这里要适当提一下喷射阀的控制问题。这个阀门的作用是调节喷进排汽管里冷却废气用的冷水。这种阀门是根据在康沃尔的纽科门式引擎上最先采用的水力制动装置仿造的。让水流进装在枢轴上的一个开口箱里，同时通过一个起重量平衡作用的杠杆和合适的连接件，使这个水箱保持在水平位置。当一定量的水流进这个水箱里的时候，其重量就超过了平衡重量，水箱便翘起来，使里面的水流出，从而将阀门打开。通过调整流进水箱的水量，就可以改变阀门启闭时间的长短，瓦特后来对这种原始却有效的装置进行了改进，但是装配工们根据经验很快就发现，这种喷射阀的自动控制装置用在复动式引擎上，就不再有必要了。由于每分钟的排汽次数增加了一倍，因此最好是连续不断地向排汽管里喷水，在引擎开动的时候，可以根据需要用来调节喷水量，但决不能完全断水。

在这家制造发动机的企业刚成立时，曾试图使用克里山炼铁厂的铁在索荷锻造活塞杆，但没有成功。在当时还不可能用一块铁坯生产出这样的锻件来，而必须把很多小铁条焊接在一起，当时称为“束铁”，因此要付出大量

的劳动力。每次活塞杆被重新加热时做进一步焊接，那么原先焊接的部分就会裂开。博尔顿得出的结论是，这种铁是不适用的，但也有可能与技术不当有很大关系。从此以后，活塞杆或者是坎伯兰的锡顿铁厂生产，或者是由伦敦的一位制锚匠用瑞典铁制作的。

尽管实际上一台发动机只有很少一部分是在索荷制造的，甚至连定购各种部件也由用户自己负责，但是在所有的部件运到安装的地点之前，仍然要做大量的工作和克服许许多多的困难。首先，必须向不同的供应厂商提供图纸和模型，其次是在各供应厂商把部件做好之后，要安排运输。可能耽搁的时间会长得令人失望，部件可能在运转过程中丢失或损坏，还可能把定货单送错，张冠李戴，往往弄得装配工迷惑不解。由伯沙姆运输大型汽缸，始终是一个最大的难题。前面已经提到过，在切斯特廷唐矿装船运送那个汽缸时， 遇到了困难。大型铸件只能靠数辆马车来缓慢地拖运，由于道路坎坷，蜿蜒数里，所以是人困马乏，艰辛无比。伯沙姆的人员在凡是能够这样做的地方， 都宁可动用他们的马车将汽缸拖运到目的地，而不愿靠海运或河运。这看起来似乎是种难以理解的选择，但从一位职员于 1791 年在伯沙姆写给博尔顿和瓦特的一封关于向伯明翰运送汽缸的信中，则清楚地说明了此事的原因，博尔顿和瓦特曾明确建议汽缸要从普雷斯顿布鲁克通过运河运到伯明翰，但那位职员却答复说：“上次为奥克尔山制造的那台汽缸，是由我们的马车送去的，把它卸在安装的现场附近。这台汽缸也可以这么办⋯⋯把一台汽缸从马车上卸到软地上是没有危险的，但在普雷斯顿布鲁克却不是这样，我相信与其使用他们的吊车还不如将汽缸从马车上卸到那里。”他这样写，显然是出自沉痛的教训。

由于从各供应厂商那里运到装配现场的部件很多，其中有些在精确程度方面还达不到标准，因此，为装配发动机的人员带来了大量的工作。由于机房已经建成，所以头一件事，就是要把巨大的木制横梁架起来安装在高悬的耳轴轴承上。然后让汽缸进入机房，架在为它准备的砖砌底座上。人们也许以为伯沙姆提供的汽缸及其顶盖，运来时就已组装好，但情况并非如此，这从瓦特 1778 年 2 月，在为柴郡劳顿的一家制盐厂安装的一台发动机所做的详尽描述中可见一斑。在汽缸凸缘和顶盖上的全部钻孔、攻丝和紧定工作，都是在安装现场完成的。此外，由于工作汽缸的下缘同外层汽缸的边缘合不上口，所以还得费九牛二虎之力把它凿去，因为这台早期的发动机上，这种外层汽缸是个整体铸件而不是组装件。此事完成后，就是填补接缝，所用的是令人作呕的畜粪和畜血的混合物。鉴于工作量很大，看来他们的安装速度确实是惊人的，那台引擎的横梁是 2 月 5 日瓦特到达后第二天架设并为它正式举行了命名仪式，3 月 12 日，当着“许许多多的观众”的面开机运转。

就在劳顿的这台引擎开始运转后那年，引擎的设计和安装工序已经最终确定，这就为瓦特撰写一本题为《最新发明的蒸汽机的装配和操作说明》的小册子，提供了充分的资料，这本小册子由博尔顿和瓦特联合署名出版，里面还附有各种零件的整页插图，这类的说明书，在世界上准是首次发行吧！ 需要补充说一句：它还比后来的很多说明书要清晰明了得多。

这份说明书还包括对锅炉制造的指导，因为这是要在安装现场完成的另一项工作，这本书一直没有谈到有关锅炉方面的情况，理由很简单，那是因为瓦特对锅炉制造技术的发展并未做出贡献。由于他反对使用“高压蒸汽” 的偏见，他对这方面的改进也就没有劲头。这本操作指导声明说：“当蒸汽

计上的指针在分度表上走 3 英寸的地方”，引擎就可以启动，并提出在引擎

全速运转时，蒸汽的最大压力不要超过 10 英寸。由于 3 英寸的压力相当于每

平方英寸上的压力不到 2 盎司，这就可以估计到，纽科门式引擎上使用的那种型号的锅炉，也就是在康沃尔流行的那种简单的“干草堆”式的，或称为内管式的锅炉，就足以满足要求了。它们是用铆接铜板做成的，因为当时还没有适用的铁板。然而，瓦特也确实曾为它做过一件事，那就是计算出了锅炉的供热面和汽缸体积之间的比率。他之所以肯做这件事，是因为有些他早期制造的发动机所使用的锅炉太小，蒸汽空间不够大，其结果，用他自己的话说是出现了“沸溢”现象，用我们的话说，就是锅炉里的水也被蒸汽带进发动机的汽缸里了。因此他确定的比率是：每立方英尺的汽缸体积，需要 4 平方英尺的锅炉供热面，对于复动式发动机，供热面则要增加一倍。

瓦特的说明书还详细解释了在启动他的发动机时所必须遵守的规程。在一开始，所有的阀门都要打开，使整个引擎加热并将排气管里的空气或水全部吹走。然后，关闭顶部阀门。这时，在冷凝器里的冷水，就把进到排气管里的蒸汽冷凝起来，从而形成了部分真空，然后通过打开的排气阀把汽缸里的空气引出来。这一步骤要重复几次，直到确定全部空气都已从汽缸的下部抽了出去为止。然后，把所有的阀门关起来，这时引擎操作工要观察冷凝计上的真空计。如果读数为 3 英寸，他就把注水开关打开并注意其效果。如果真空度增加，引擎就可以启动了。排气阀一打开，便使活塞开始第一个下落冲程，操作工们称之为“入库”。正像这本说明书所表明的那样，在此后的几分钟，操作工必须真正使出所有的解数，忙得不可开交才是。瓦特写道：

如果引擎的负荷很小，或者，假如泵机内没有水，那么一旦引擎开始快速运转时， 你就必须非常敏捷地把排气阀和顶部的调节器关掉，否则，引擎就会发生猛烈冲击，而可能造成破坏。为了防止发生这种情况，顶部和排气调节器只能微开，并且把栓塞放在塞架上，以便在活塞达到底部之前，能保证有足够的时间把这些调节器关掉。

所有这一切以及其他更多的材料将清楚地说明，为什么当时在引擎上的一个局部性隐患往往会酿成一场灾难性的事故。

引擎操作工的失职行为，特别在康沃尔是一件经常使瓦特头痛的事。在他从康沃尔给博尔顿写的一封信里，曾有这样一段话谈到关于活塞和活塞包装的问题：

填絮和绳索本来是很白的，也就是说上面不能带沥青，不过带非常少量的黄油还是难免的。尤其在此类物品就更难免了，因为那些引擎操作工满身皆是油污。再见吧。

旋转式引擎的问世，使得瓦特有必要在这本手册里做些补充说明。在博尔顿和瓦特收藏的一本手册中，某家工厂的一个爱说笑打趣的人附上了一些边注。当然这些边注决不会把作者逗乐的。例如，关于汽缸的清洗，他就附加了说明：“请不要把你的帽子、外衣或鞋子留在汽缸里。”在谈到关于重新填塞空气泵的活塞时，他补充了这么一句建议：“用旧假发和狗尾巴比用麻好。”第二十条说明本来是这样写的：“锅炉里的水，应该尽可能保持几乎是同样的高度，因为在这一点上如有疏忽，就会使锅炉在顷刻间遭到破坏⋯⋯”而这位无名氏则戏谑地补充说：“还有那通常匆忙的假日。”车间

里的诙谐并没有随着时间岁月的流逝而有多大的改变。

博尔顿预见到旋转式引擎将会开创一种新局面。于是在 1781 年批准扩建索荷的引擎车间。那种往复式泵机是供应给矿业主和水厂的，还有的是用着高炉鼓风机的。实际上，所有这些工作现场上都有那些过去安装纽科门式引擎积累了经验的人员。他们不仅能自己装配引擎（博尔顿—瓦特公司是不是派装配技师来监督，都没有什么关系），而且他们还能够制作很多零部件， 诸如简单的铸件和煅件，以及包括横梁在内的所有木制件。但是，那些工厂老板开始定购旋转式蒸汽引擎时，他们只有过去使用水轮机或马拉引擎的经验，因此情况是完全不同的。他们没有合适的技术工人，而博尔顿—瓦特公司则因为定购旋转式引擎的厂家增多，也就没有足够的人员来弥补这一缺陷了。在这种情况下，尽管顾主们仍然直接从制造厂商那里定购部件，但不是直接把加工的部件送交顾主，而是经常送到索荷来加工和组装。在此要回顾一下，那台首次向顾主提供的旋转式引擎完全是在索荷组装起来后，再拆开送到赫尔去的。而往复式抽水机则不能这样做了，它实际上是在机房里建造起来的，然而，就小型旋转式引擎来说，其横梁耳轴是靠“A”字型的木制结构支撑的，实际上它是引擎结构的一个组成部分。也就是说，蒸汽机第一次成了一部配套机器。

许多年前，博尔顿就设想在索荷建设一座引擎制造厂，但却耽搁了很久才如愿以偿。他之所以做出这一决定，其原因有三个。其一，引擎生意不断地发展。其二，该项发明专利期满之日临近，而且博尔顿认识到今后这家企业不得不与其他引擎生产厂家在平等条件下竞争，因为这些厂家不顾瓦特的专利垄断而已经纷纷建立起来。其三，也是最直接的原因，是威尔金森的伯沙姆炼铁厂停止了汽缸铸件的供应。不知何故，脾气都很暴躁的约翰·威尔金森和他的兄弟威廉之间，在 1795 年发生了一场激烈的争吵，威廉在伯沙姆

的这家企业中也占有股份。这场纷争的结果是，在该年 9 月，这家炼铁厂的股票以拍卖的方式售出。博尔顿和瓦特被迫另找货源。科尔布鲁克代尔公司铸造和加工的汽缸价格公道，质量令人满意，但其产量却无法满足全部需要， 而在别处制造的汽缸，又往往质量令人失望。所以博尔顿和瓦特认识到，惟一的出路是由本企业自己来生产铸件。

1795 年夏天，这座新型的索荷铸造厂开始动工兴建，厂址选在伯明翰运河畔的斯梅西威克，距离老厂约有一英里多。这座工厂的厂房规模宏大，其中包括一个配有热风炉和泥芯烘干炉的铸造车间，以及锻造车间、钳工车间、镗孔车间、车工车间、装配车间和木工车间。1796 年春天竣工时，曾举行过一次庆祝午宴，有二百多位客人应邀出席。这家工厂招聘了很多原伯沙姆炼铁厂的雇员，其中包括负责铸造的工头亚伯拉罕·斯托里。然而，尽管有了这座新厂，还是有一部分发动机的加工继续在索荷的老厂完成，直到 1850 年，才全部集中到了这座铸造厂里来。

到这座新建的索荷铸造厂开工时，瓦特和他的合伙人实际都已退休了， 虽然此后他们的合伙关系仍然还持续了 4 年。他们各自的儿子和威廉·默多克承担了全部技术领导工作。这家新工厂在初创时期，尽管有伯沙姆工人们的经验，但也并非一帆风顺，曾使这代年轻人感到恼火的是，索荷铸造厂的产品同其他生产厂家的产品相比，特别是同利兹的马修·默里厂的产品相比， 显然大为逊色，小瓦特曾费尽心机想窃取默里厂的诀窍，不过那是另外一回事了，随着煅铸技术的不断改进，蒸汽引擎发展起来了，同纽科门时代的安

装工匠们的最后联系也就失掉了。铸铁横梁取代了老式笨重的桁架木制横梁，连杆也用铸铁的代替了木制的，而瓦特的著名的平行运动装置也变成了由煅制并磨光的漂亮的连接件组装起来的一个闪闪发光的完整部件了。