斯蒂芬逊在总结和掌握了前人制造蒸汽机车的经验教训以后，便开始研 制新的蒸汽机车。他把当时的立式锅炉改成卧式锅炉，用扩大炉膛的办法， 来增加锅炉的受热面积和蒸汽。而且，把立式锅炉改成卧式，高度降低，行 走、转弯也就平稳、灵活多了。此外，他还在车轮的圆边加上了轮缘，防止 火车发生出轨事故，保证行车安全。
经过多年的研究和反复的试验，斯蒂芬逊在1814年，制造出了他的第一 台蒸汽机车“布鲁海尔”号。7月25日，斯蒂芬逊的机车进行了第一次试车， 吸引了不少人前往观看。这辆火车头运行在平滑的道轨上，载重30吨，牵引 着八节车厢，行驶时不会脱轨，但行驶的速度很慢。从坎林沃斯煤矿到港口， 距离不到15公里，要行驶近2个小时。由于没有装配弹簧，车开起来，震动 得很厉害。观看试车的人们议论开了。有人讥笑斯蒂芬逊“你的车怎么还不 如马车呀！”有的人找到他说：“你那玩艺儿拉东西不中用，可声音比打雷 还响，把牛马都给吓跑啦！”人们说的倒也是实情。试车时，由于震动太大， 连路基都震塌了；放汽时声音尖得吓人，把沿线附近的牲口惊得乱跑乱叫， 引起农民恐慌。一些原来赞成试验蒸汽机车的官员，现在也起劲反对，断言 用蒸汽机车作交通工具是不可能的。
斯蒂芬逊并没有因为试车的不理想而气馁，他相信，有志者事竟成。他 以巨大的勇气和毅力，决心总结经验，对火车头继续进行研究和改进。
为了减轻火车行进时的震动，斯蒂芬逊在火车上装置了减震弹簧。
为了进一步提高锅炉的受热面和蒸汽量，加大机车的牵引力和延长锅炉 的使用时间，斯蒂芬逊在锅炉里面增设了20多根小烟管。让炉膛里冒出来的 高温烟汽，从小烟管排出去。
经过改进，斯蒂芬逊于1815—1816年，又重新制造了两台更为完善的蒸 汽机车，分别是“威灵顿”号和“我的上帝”号。机车的牵引力和行驶速度 都有显著的提高。第一台机车的许多地方都是根据特莱维茨克的机械制作 的。而第二台机车则完全是斯蒂芬逊独立发明的，通过装在外部的连接杆连 接车轮，减免了许多粗制的齿轮。
斯蒂芬逊和其他的工程师不一样。他在研究蒸汽机车时也不忽视研究主 机以外的辅助系统，他同时还研究如何使路轨增加强度。他研制的火车虽然 较一般的为轻，速度也较快，但仍然会压损路轨。1816年，斯蒂芬逊和威廉·洛 施一道研究轨道的阻力和载重之间的关系。这一研究为他后来改进轨道结构 在理论上作了必要的准备。斯蒂芬逊和洛施因这一研究而取得铸铁路轨的专 利而将坎林沃斯的运输轨道予以重建。
斯蒂芬逊在坎林沃斯制作的蒸汽机车以及他和洛施合作制造的铁轨立即 风行英国各地。在1814年到1825年这段时间里，斯蒂芬逊为各地煤矿制作 了55台煤矿用机械，其中有16部蒸汽机车。
斯蒂芬逊铺设的第一条全新的铁道是1819年在纽塞附近的黑顿矿区。全 长8英里，其中有1英里半在山区使用固定引擎，有3英里 （4.8公里）仍 利用两面自然重力辅助，其余部分全用蒸汽机车牵引。关于这段铁路，有两 位德国工程师曾作过详尽的报道。爱丁堡著名的建筑师罗伯·斯蒂逊在参观 了铁道后写道：“铁路工程上一些了不起的发明都由纽塞的斯蒂芬逊发展出 来了，尤其是他的蒸汽机车，更令人称道。”
当时，许多国家都还停留在以马车为交通工具的阶段，斯蒂芬逊已经开 始独占矿冶蒸汽机车的使用和生产。虽然，他的机车很粗陋，而且仍在试验 改进中，但来自各国和各地的参观者络绎不绝。
斯蒂芬逊制作的蒸汽机车一经在煤矿上使用，很快地就显示出了它的无 比优越性，使运输效率大幅度上升，改变了煤矿原来运输落后的面貌，从而 为增长煤炭生产创造了极大的有利条件。
四、斯托克顿—达灵顿铁路的修建
1821年4月19日，英国议会通过了修建斯托克顿—达灵顿铁路的议案。 修建这条铁路的发起人爱德华·皮斯写信邀请斯蒂芬逊为这条铁路做一次测 量。斯蒂芬逊在回信中表示虽然目前工作繁忙。但愿意协助皮斯先生测量出 最佳路线，并协助修筑铁路。
斯蒂芬逊向皮斯先生推荐了他铺在黑顿矿区的平滑的金属轨道。斯蒂芬 逊知道如果想说服铁路公司采用他制造的蒸汽机车，而不再用马匹，他就必 须让铁路公司决定使用他的铁轨。
虽然皮斯私下里很向往蒸汽机车，但因为当时蒸汽机车在速度方面显示 不出优势，所以，铁路公司正式采用的标志上面画着一匹马，拖着四节车厢 行驶在路轨上，公司的格言是“牺牲小我，为社会服务”，说明这条铁路也 是使用兽力。
7月，斯蒂芬逊正式被委任担任该公司的工程师，负责测量和修筑这项 工程。
10月15日斯蒂芬逊开始了测量工作，26岁的年轻人约翰·迪克逊做他 的助手。刚刚从坎林沃斯煤矿经理尼古拉·伍德处见习回来的18岁的儿子罗 勃是斯蒂芬逊的另一位助手。他们在两周内就完成了野外的初步勘测工作。 在测量工作进行时，斯蒂芬逊仍然不忘使用蒸汽机车为动力，并为此进行了 设计。
斯蒂芬逊还为了能在这条铁路上使用机车为牵引动力，写信给伦敦的土 地经纪人，在国内推动铁路交通的先锋威廉·詹姆士先生，“我们十分期盼 这条铁路能行驶火车。”詹姆士提倡铁路运输，他原先构想在铁路上牵引的 动力仍然是马匹和固定式引擎，但很快就开始谈论起蒸汽机车来了，他公开 赞扬斯蒂芬逊的蒸汽机车。
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