蒸汽機車
蒸汽機車是一種利用蒸汽膨脹作為動力，以此驅動自身及其他鐵路車輛的鐵路機車。它透過燃燒可燃物（通常是煤、油，少數情況下使用木材或其他燃料）來加熱機車鍋爐中的水，使其汽化，體積膨脹1,600至1,700倍[1]。「火車」一詞即來自其燃火的特性[2]，過去也曾將此類機車稱為「汽車」、「火輪車」或「機關車」等[3]。就功能而言，它是一種能自力行駛的蒸汽機。
蒸汽機車最早出現於19世紀初的英國。多數蒸汽機車上，蒸汽交替進入汽缸的兩端，推動當中與車輪連接的活塞。燃料和水裝載於機車本身或附掛的煤水車之中。此設計的變體包括以電力作為熱源的鍋爐、以渦輪機取代活塞帶動車輪，以及取用非機車自身產生蒸汽的無火機車等。
20世紀初，日益發展的電力機車和內燃機車開始逐漸取代蒸汽機車。到了1980年代，大多數蒸汽機車已從常規服務中退役，部分成為觀光和文化資產鐵道中的亮點。
蒸汽機車的速度紀錄是由英國的倫敦及東北鐵路A4型4468號「野鴨號」機車在1938年創下。它牽引六輛客車和一輛動力試驗車，在一稍微下坡路段創下時速126英里（203公里）的紀錄。後德國與美國的蒸汽機車亦有接近的時速紀錄。
-
聯合太平洋鐵路4014號機車為世界上仍運行中的最大蒸汽機車 -
依蒸汽機車設計，火箱內的溫度可突破1,000 °C（1,830 °F）
.jpg)
发展
[编辑]英國
[编辑]
世界首部蒸汽機車是由英國人理查·特里維西克於1802年為施洛普郡內科爾布魯克代爾的鋼鐵廠設計[4]，但該車輛沒有留下運作的相關紀錄[5]。特里維西克設計的另一部機車在1804年2月21日，與安德魯·維維安一同駕駛，自梅瑟蒂德菲爾附近於彭尼達倫的鋼鐵廠開往南威爾斯的阿伯辛農[6][7][8]，成為首部有行駛紀錄並牽引車輛的蒸汽機車。該機車的設計融合了多項重要創新，減輕了機車重量並提高其運作效率，其中包括使用高壓而非低壓蒸汽。
後特里維西克在同年拜訪了泰恩河畔新堡，當地煤礦經營者與其中的工程師對他的先前成果十分欣賞，促成了該處成為當時蒸汽機車研發和實驗的主要中心[9]。此後特里維西克繼續研發，設計了另三台機車，1808年的「誰能趕上我」[10]成為史上第一部牽引付費乘客的機車。
此時期的著名機車還有1812年由馬修·莫瑞設計的雙缸齒軌機車「薩拉曼卡」[11]，與現存最古老，在1813與1814年間由工程師威廉·赫德利設計建造，藏於倫敦科學博物館的「吹氣比利」。
喬治·史蒂芬生
[编辑]
1823年，喬治·史蒂芬生與其子羅伯特·史蒂芬生等人成立了機車製造商羅伯特史蒂芬生公司。到了1825年，喬治為斯托克頓和達靈頓鐵路，世界上第一條公共運輸鐵路設計了「機車一號」。
此前他曾是一名礦工，後在基林沃思的煤礦擔任機車製造工，期間設計製造了多達十六台基林沃思機車。他也於1817年設計了蘇格蘭的首部蒸汽機車，運用於基爾馬諾克和特倫鐵路的「公爵號」（The Duke）。
由其子羅伯特設計的「火箭號」機車，是為參加即將開通的利物浦和曼徹斯特鐵路於1829年舉辦的雨山試車選拔賽而生，並且得勝。這一成功使該公司成為英國、美國和歐洲大部分地區鐵路蒸汽機車的主要製造商[12]。
美國
[编辑]
在自英國進口之前，美國當地也製造並測試了一些蒸汽機車原型，其中包括由約翰·菲奇（John Fitch）製作的比例縮小原型。一部著名的原型車是約翰·史蒂文斯在1825年於紐澤西州霍博肯所擁有地產上搭建的小環狀軌道上行駛的蒸汽機車[13]。
美國鐵路早期許多商用機車都從英國進口，包括最早的「斯托布里奇雄獅」和後來的「約翰公牛」機車。不過美國本土的鐵路機車製造業在那之後迅速發展。1830年，彼得·庫珀為巴爾的摩與俄亥俄鐵路設計的「湯姆拇指」機車成為美國第一部投入商業運營的自製機車，但它的目的並非盈利，而是為了展示蒸汽機車的潛力[14]。 1831年為莫霍克和哈德遜鐵路公司建造的「德威特·克林頓」機車則是美國早期著名正式投入運用的機車之一[12][15]。
截至2021年[update]，「約翰公牛」目前在華盛頓特區的美國國家歷史博物館以靜態展示[16]。一複製品則由賓夕法尼亞州鐵路博物館藏[17]。
其他地區的應用發展
[编辑]日本
[编辑].jpg)
日本最早的蒸汽機車是在1872年（明治5年）日本鐵道開業時，自英國引進的「1號機車」（日本國鐵150型蒸汽機車），其為第一輛抵達日本，5車款共10輛的其中一輛。
此前有以蒸汽為動力的大小不一機車模型在幕末時期出現。來自外國的最先是1853年（嘉永6年），由俄羅斯帝國的葉夫菲米·普提雅廷展示。隔年1854年（嘉永7年、安政元年）率領美國艦隊（黑船來航）的馬修·培里也曾向江戸幕府官員展示。日本境內則加賀國有過製作紀錄，另如田中久重等佐賀藩「精煉方」的數位理化學研究者曾依照外國文獻於1853（嘉永6年）、1855年（安政2年）製作130毫米軌距的模型。
在英國工程師的指導下，第一輛於日本生產的蒸汽機車860型於1893年（明治26年）完成。標誌著日本機車生產技術趨於成熟，完全自行生產的9600型貨運機車與8620型客運機車則在1913、1914年（大正2、3年）相繼問世。此後逐漸發展出如C57、D51型等多樣客、貨分別的機車型式。
日本最後以蒸汽機車牽引的常態列車在室蘭本線於1975年（昭和50年）12月14日開出。此後多數機車受靜態保存，少數則仍牽引固定營運，或如僅於冬季運行之JR北海道「SL冬之濕原號」等，僅特殊季節開行的觀光列車。為了與一般採用柴油或電力動力來源的列車作區隔，以蒸汽機車牽引營運的列車常見在列車名稱前標上「SL」（Steam Locomotive的縮寫）字樣。
截至2012年，仍存在蒸汽機車營運的日本鐵路公司包括JR集團（JR北海道、JR東日本、JR西日本、JR九州）、大井川鐵道、秩父鐵道、東武鐵道與真岡鐵道等。現今京都鐵道博物館也尚存多部可動態行駛的蒸汽機車。
苏联/俄罗斯
[编辑]1977年干线停止使用蒸汽机车。
中国大陆
[编辑]
英國商人杜蘭德（Trent）於清朝同治四年（1865年）為展示機車原理興建的展覽鐵路為中国大陆境內第一條鐵路。李嶽瑞在《春冰室野乘》記述了人們在蒸汽機車行駛時的負面反應，不久便受到拆除[19]，至1876年才有正式營運的鐵路系統。此至1949年間，中国大陆境內有产自9个国家30多家製造商的198种型号的4,069輛蒸汽机车。
1980年代，部分地區的煤炭價格仍相較燃油要低，使蒸汽機車有一定經濟價值。位於山西省大同市的車廠直至1988年12月21日仍生產干线蒸汽機車，使中華人民共和國一度成為全球最後一個製造大型蒸汽機車的國家。1990年代中期於哈尔滨火车站仍旧可見到为数不少的蒸汽机车，而位于同一个省份的牡丹江火车站则可以看到停放在一旁供人参观的1930年代日本小型蒸汽机车。在1992年，中国国家铁路集团公司才停止使用蒸汽机车。2005年12月9日最后运营的大型蒸汽机车在内蒙古的集通铁路退役，近年中國大陆蒸汽機車已所剩无几。
今日部分蒸汽機車由於觀光或歷史保存或其它理由，而特別被保留並繼續營運，四川的芭石铁路、黑龙江的桦南森林铁路[20]、内蒙古的阿里河森林铁路[21]和河南的豫见铁路以窄轨蒸汽机车为动力，牵引旅游列车；而辽宁铁岭市的铁法铁路则使用准轨蒸汽机车，每年举行国际蒸汽机车旅游节。
台灣
[编辑]
台灣境內最早的蒸汽機車是於臺灣清治時期，1888年（光緒14年）由福建臺灣巡撫劉銘傳向德國引進的「騰雲一號」、「御風二號」以及自英國購入的另6輛機車。後以自1895年起台灣日治時期投入台灣鐵路的蒸汽機車為大宗，其次是糖業鐵路與林業鐵路等。此時期車輛除日本及英德兩國，也來自美國與比利時等地，並有少量境內生產[22][23]。
1945年後，多數機車在臺灣戰後時期被納入臺灣鐵路管理局（現臺灣鐵路公司），最終在1984年（民國73年）停止應用於一般營運[24]: 129 ，其他鐵路今也已不再有以其牽引之常態班次，僅在例假日或特殊節日可見蒸汽機車行駛。
組成概觀
[编辑]
| 构造概觀 | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 編號 | 項目 | 編號 | 項目 | 編號 | 項目 | 編號 | 項目 |
| 1 | 煤水車 | 13 | 烟箱门 | 25 | 汽閥 | 37 | 煤台；煤槽 |
| 2 | 駕駛台；司机室 | 14 | 從輪轉向架 | 26 | 汽室 | 38 | 爐篦；炉床 |
| 3 | 安全阀 | 15 | 踏板；走板 | 27 | 火箱 | 39 | 灰箱 |
| 4 | 逆轉臂；回動拉桿 | 16 | 车架 | 28 | 烟管 | 40 | 轴箱 |
| 5 | 汽笛 | 17 | 閘瓦 | 29 | 锅炉 | 41 | 均衡樑 |
| 6 | 氣旋發電機；涡轮发电机 | 18 | 砂管 | 30 | 过热管 | 42 | 葉片彈簧；疊板彈簧 |
| 7 | 砂箱 | 19 | 連桿 | 31 | 汽門；调整阀 | 43 | 动轮 |
| 8 | 汽門拉桿；调整阀拉桿 | 20 | 閥裝置 | 32 | 過熱器；过热箱 | 44 | 擔簧；弹簧鞍 |
| 9 | 汽包 | 21 | 主連桿；摇桿 | 33 | 烟筒；煙囪 | 45 | 排氣筒口；废汽喷口 |
| 10 | 風泵；空气压缩机 | 22 | 鞲鞴桿 | 34 | 机车头灯 | 46 | 導輪轉向架 |
| 11 | 烟箱 | 23 | 鞲鞴；活塞 | 35 | 軔管；列车管 | 47 | 排障器 |
| 12 | 主蒸汽管 | 24 | 气缸 | 36 | 水柜 | 48 | 連結器；車鉤 |
司乘人員
[编辑].jpg)
蒸汽機車上通常有分別駕駛機車和操作鍋爐的司機和司爐各一名。現今運行時為確保安全操作，也常見二名以上人員。
鍋爐與蒸汽
[编辑]
多數蒸汽機車採用最初由馬克·塞甘於1823年發明的火管鍋爐[27]。此類鍋爐設計為水平擺放，一端為燃燒燃料的「火箱」，另一端為「煙箱」，其水容器包覆相通兩者之間的多根管道與火箱周圍[28]: 20 。火箱本身加上通往煙箱的管道共同構成了大接觸面積，當中高溫氣體因對流流向煙箱時，熱量得以透過火箱與管壁有效率地快速傳導至鍋爐內的水來產生蒸汽。火箱周圍由「爐撐」連接包覆火箱的鍋爐部分以抵抗爐內的壓力擠壓火箱[28]: 36-37 ，周圍的水也避免火箱本身或當中作為安全裝置的「熔塞」等過熱變形[28]: 32-33 。燃料的灰燼會落入火箱底部的「灰箱」[28]: 29 ，部分也隨氣體流動落至煙箱內。
「汽門」又稱「調節閥」，控制流向汽缸的蒸汽流量，常見位於汽包當中。該處蒸汽相對乾燥，也降低水流入供汽管道的機會[28]: 55-56 。蒸汽進入汽缸之前，會先充滿位於汽缸之外或周圍的「汽室」再供應汽缸。
汽缸使用後的蒸汽多自煙箱中的噴嘴迅速排向煙囪，利用文丘里效應夾帶、拖曳煙箱內的氣體衝向室外。每一發衝出的蒸汽使煙箱內的壓力降低，促使氣體流入當中，從而引入更多空氣自火箱底部流經煤層，助長或維持火勢。當汽缸未出力時，另有稱「送風器」的裝置可作為通風手段[28]: 55 。不同運轉情形使火箱中的溫度頻繁升降，多設計在當中裝設耐火磚助溫度變化平緩，也助氣體中的顆粒燃盡[28]: 30-32 。
為提升蒸汽離開鍋爐後的熱效率，機車可配備過熱器在蒸汽供向汽缸前又再次加熱成為更乾燥的過熱蒸汽，這也排除飽和蒸汽可能帶有水珠的情況。
鍋爐只能承受一定壓力，常見規範有如要求安裝安全閥，並在達該值以下之前以一定流速釋放壓力等。
蒸汽除了用於驅動車輪，也可供汽笛、發電機、自動潤滑器、蒸汽制軔、空氣壓縮機等裝置運作，或供應牽引列車作為暖氣等功能。
燃料與水
[编辑]
較大型蒸汽機車多緊密附掛一載運燃料及水的煤水車。將兩者裝載於自身的型式則稱「水櫃式」機車，常見於小型機車或為調車、短途行駛設計的蒸汽機車上。
機車所選用的燃料依據所處環境與當時的經濟效益而定。有著豐富礦產的英國和歐洲，煤自蒸汽機車初受運用即是燃料選擇。同時期的美國至1870年，最廣泛使用的燃料則是木材[29]，直到其東部森林受大量砍伐後才轉而以煤作為主要燃料。德國、俄國、澳洲及英國另又曾嘗試以細碎的煤塵作為機車燃料。採收甘蔗以其製糖產生的甘蔗渣也成為該產業鐵路所用燃料之一。
1900年後，產石油的美國西南方讓該處鐵路，尤其是南太平洋鐵路轉而取用價格相對低廉的油料。二戰後澳洲的維多利亞州所用的許多蒸汽機車也改用重油作為燃料。現今仍運轉的蒸汽機車則有選用輕質柴油作為燃料的例子[30]。
二戰期間的瑞士，因煤短缺又水力發電充沛，曾將部份蒸汽調車機車改以集電弓自電車線取用約480千瓦電力作為鍋爐的熱源[31]。
水
[编辑]
多數設計中蒸汽受汽缸使用後隨被排出，水的消耗非常迅速，必須不斷補充。在蒸汽機車被廣泛運用的時代，車站、車庫至鐵路各處常設有水鶴或水塔[32]。為減少停車必要，在英國、美國和法國，曾在一些有淨水來源的路段設置水槽（water trough），讓機車在不停車的情況下使用可用安裝於機車或煤水車之下的可伸縮水勺補水。機車速度足以將水壓入水櫃，待水滿後再將水勺提起[33]。另有為減少燃燒廢氣或延長可行駛距離，嘗試回收蒸汽並將其凝結為水的「冷凝式蒸汽機車」。
要將水注入有壓力的鍋爐內，蒸汽機車使用以蒸汽驅動的泵浦或運用蒸汽注水器為鍋爐補水。
.jpg)
水中的礦物質，或水質較硬時的較多碳酸鈣、氫氧化鎂、硫酸鈣等化學物質，長期而言會形成過多水垢等汙染，因此使用優質水源並定期清洗鍋爐，即使成本較高仍為可接受的作法。但隨鍋爐可承受的壓力提升，溶入水中的物質在鍋爐內部有機會形成一層厚實的氣泡，若帶入供汽管道可能損壞汽缸。一種解決方法式是定期在鍋爐蓄有壓力的狀態下排出鍋爐中富含雜質的熱水（boiler blowdown），但高溫高壓與水沸騰釋放的氧氣仍會使鍋爐更快生鏽，若要進一步改善則必須對用水進行額外處理。
應用於蒸汽機車的其中兩種水處理技術有「阿爾曼整合水處理技術」（Traitement Intégral Armand，簡稱TIA）與「波爾塔水處理技術」（Porta Treatment）。TIA由法國國家鐵路公司總工程師路易·阿爾曼於1940年代發明，在煤水車中加入由碳酸鈉、磷酸鈉、氫氧化鈉與單寧組成的複合藥劑，從而調控鍋爐內的水質，將硬水垢轉化為具流動性的泥渣並抑制鍋爐腐蝕。這使法國蒸汽機車的鍋爐清洗週期自每週一次大幅延長至每五個月一次。
1970年代，阿根廷蒸汽機車工程師利利維奧·丹特·波爾塔與阿根廷國立工業技術院延伸TIA技術開發出波爾塔水處理技術。其核心原則是無論給水軟硬，只要維持鍋爐水中特定化學濃度即可，且操作簡單又容錯率高。透過維持鍋爐內極高的總溶解固體量（10,000–20,000 ppm）與高鹼度，其效果包括：阻止新水垢產生並主動溶除舊垢、令礦物質保持懸浮而不沉積、抗腐蝕等。此水處理技術因採用消泡劑，它的一項特性是鍋爐內的氣泡會在水面改為形成一層緻密的「毯子」過濾產生的蒸汽，避免水及當中化學物質、懸浮磨蝕性物質被帶入蒸汽管道。這些物質與潤滑油混合後有如研磨膏，過多可使活塞環、過熱器等零件壽命縮短10%至15%。實際應用於阿根廷本地、南非、巴西、英國、蘇聯等處鐵路，觀察得出的管道壽命逾20年。這些處理方式省去了昂貴的外部軟水站，使機車維護成本最多降低92%，對蒸汽機車於現代動態保存及運轉效率具有深遠影響。[34][35][36][37][38]
在現今的環境規範下，若以重度化學方式進行水處理，視鍋爐水質，必須對排出的水進行回收或其他對應處理[38]: 23-25 。
行走裝置
[编辑]
| 華爾夏特式閥裝置概觀 | |||
|---|---|---|---|
| 編號 | 項目 | 編號 | 項目 |
| 1 | 滑環 | 5 | 十字頭 |
| 2 | 偏心曲拐 | 6 | 汽室 |
| 3 | 半徑桿 | 7 | 汽缸 |
| 4 | 連合桿；合併桿 | 8 | 逆轉臂；回动拉桿 |
最初的蒸汽機車設計上，出力與否多僅受不同蒸汽量如開關般切換[40]，不久便出現可受反向裝置操作，透過連桿調整汽缸內蒸汽施加時機與持續時間，種類繁多的「閥裝置」機構。史蒂芬生公司開發的史蒂芬生式閥裝置是最早受到廣泛應用的設計之一，後則多見相較簡易的華爾夏特式閥裝置及其變體，將「滑環」改為關節機構的貝克式閥裝置等。少數機車也採運用傳動軸、凸輪開閉提升閥的卡普羅蒂式等閥裝置。
無論何者都旨在調整汽閥的行程，在低速時供驅動車輪的活塞在往復全程中盡可能持續受蒸汽推動，中高速時則僅在活塞接近汽缸兩端時供給蒸汽，以此提升機車高速下的效率，同時一定程度降低蒸汽消耗。控制蒸汽流動的汽閥在19世紀多為扁平接觸面的滑閥，後圓柱形的活塞閥因較易潤滑成為主流。
搭載二汽缸於車側或車輪之間的蒸汽機車較為常見，為避免活塞靜止時處於止點而無法受蒸汽推動起步，兩側動輪上曲柄銷的位置相差90度。後發展出三或四汽缸設計，在提升機車動力的同時也使出力更為均勻，但機構相對複雜，當中亦有採「複式」利用蒸汽二次膨脹的型式。
此設計因汽缸處於鍋爐之外，溫度相對要低，若如在靜止多時之後起步，機車必須打開汽缸排水閥，以免缸內凝結的水受到擠壓而損害汽缸與活塞[39]: 5 。
在動力方面，此類機車汽缸內的活塞透過連桿直接帶動車輪旋轉。汽缸與活塞的直徑、車輪大小，以及曲柄銷在車輪上距車軸的安裝位置，皆會影響其機械利益，即活塞推動車輪時所能產生的力道與機車的最高時速。一般而言，較大車輪有助於以較低轉速高速行駛，但牽引力道相對較低；較小車輪雖讓最高車速受限，起步或爬坡時卻能提供較大力道。
牽引能力方面，因車輪與軌道的摩擦力有限，單有強大動力反而容易導致車輪空轉。因此機車在設計階段便會依預期功能，將整體重量納入考量，或採用不同數量的動輪以提升與軌道的接觸面積[39]: 60–61 。這樣的取捨成為不同用途的蒸汽機車在外觀與性能上呈現多樣差異的重要原因。
機車懸吊系統中常見彈簧、均衡樑等機構，讓車輪在軌道不平整時依舊貼合其表面，平均分散車輪負載，並穩定傳遞動力至軌道[39]: 237–238 。當以上手段仍不足時，司機則可撒砂以提高車輪與軌道的摩擦力。
當機車僅配有動輪時在高速下並不穩定，而動輪較多時除不穩定外，較大軸距更無法駛上小半徑彎道。行駛中的不穩定，可透過加設以彈簧或其他方式置中的無動力「導輪」與「從輪」加以改善[39]: 196–198 。至於過彎半徑的改善，雖能採用允許左右位移的車軸、連桿，或無輪緣的動輪等，效果仍相對有限。關節式機車設計因此出現，其能在保有一定牽引力的同時克服急彎。
在有陡峭上下坡的路線上，這樣仍可能不足以對應。如謝伊式蒸汽機車的齒輪傳動式蒸汽機車改以更慢的車速換取陡峭路線上的行駛能力。
車架
[编辑]
蒸汽機車車架常見為以橫桿連接的兩長縱向垂直結構，支撐鍋爐、汽缸和閥裝置，並做為車輪、軸箱與懸吊系統的安裝基礎，承受並傳遞運行時所產生的各種作用力。鍋爐部分完全固定於此，近火箱部分則多允許其受冷縮熱脹時些許前後移動[25]: 92 。
兩垂直結構大致分為片狀的「鈑式」和僅包含必要結構的「棒式」[25]: 87 。前者多見於歐洲蒸汽機車，輪軸使用稱「hornblocks」可上下滑動的軸箱安裝於專用槽位開口，當配有第三汽缸時多與垂直結構一同鑄造為一大單一構造[41]。後者以美國為大宗，較為開放的結構相對易於檢修。
美國在1920年代隨著利馬機車廠提出稱「超動力」（Superpower）概念的引入，漸改整體以鑄鋼製成的車架，其將車架本體、彈簧吊座、運動機構支架、煙箱承座與汽缸本體整合為強度高且剛性佳但較重的單一鑄件。法國國家鐵路公司另曾進行一次以焊接鋼管構成車架的設計研究，在維持足夠剛性的前提下，中空結構使重量減輕約30%。[42]
廣泛運用結束
[编辑]蒸汽機車自冷車至可行駛狀態多費數小時整備，熱效率也相對逐漸發展的內燃機要低許多。而鐵路網為維持機車運作必須供水，而這在如美國、澳洲、南非等部分為沙漠或乾燥地區成為難題，同時又存在各地水質差異與水垢產生等問題。機車在行駛途中，尤其雙汽缸往復運動的機構也會對軌道設施產生敲擊（hammer blow）而有額外基礎設施的維護成本。機車本身也必須接受頻繁的週期性保養，內容包括煙管、煙箱、鍋爐清潔，至儀表和各部件的檢查、校正與維修，種種都是耗時或需大量人工的作業[43]。
自20世紀初期出現的電力機車以及後來的內燃機車、柴電機車，因更易操作與保養，逐漸受鐵路運用而取代了蒸汽機車[44]。1930年代，柴電機車的可靠與穩定性在北美洲受到肯定[45]，標誌了1950年代後淘汰蒸汽動力的發展方向。此時蒸汽動力在歐洲大陸甚至世界各地依舊是可適應當地設施，可用多種燃料的成熟技術，自1970年代的大規模鐵路電氣化開始至20世紀末才被其他動力取代。
整修與新造
[编辑]
蒸汽機車不再廣泛受到運用後，多被作為文化資產或基於觀光目的，在少數地區或特定活動期間運行，並由政府、鐵路公司等企業、博物館或非營利組織保存維護。
隨著燃油成本的上漲，如1980年代的ACE 3000、2001年的「5AT先進技術蒸汽機車」等欲採新蒸汽動力技術的計畫曾被提出，但並未進展至應用階段。[46][47][48][49]
個人或團體以現存部件整修，或以過去設計為基礎打造全新機車的例子則並未停滯。
以英國為例，鐵路愛好者特崔弗·巴伯（Trevor Barber）於1975年製造了一輛運用於梅里恩磨坊鐵路的2英尺（610毫米）軌距蒸汽機車「崔西」（Trixie）[50]。1990年代，隨威爾斯的費斯蒂尼奧格和柯里斯等窄軌鐵路紛紛新造蒸汽機車，此類計畫在英國迅速增加。其中一具有代表性的新造機車是2008年完成，以現代工業技術重現的倫敦及東北鐵路A1型60163號「龍捲風」機車，為英國停止運用蒸汽機車後首輛新造幹線機車[51][52][53]。
截至2026年[update]，世界各地仍有類似計畫正在進行，其中一項位於美國，目標是重新打造賓夕法尼亞鐵路5500號蒸汽機車（賓夕法尼亞鐵路T1型）[54]。
其他部件
[编辑]蒸汽機車依製造年代、地區或用途搭配了多樣部件。
潤滑
[编辑]
早期蒸汽機車必須自煙箱中的汽缸排汽口投入動物脂為汽缸內的閥門與活塞提供潤滑。對此不久便有更易操作的潤滑方式，不過該成分有效黏附汽缸壁，較礦物油更不受水影響，至今仍是現代蒸汽汽缸油配方的一種成分。[55][56][57]
隨著車速和行駛距離增加，提供潤滑油料的機構開始受機車運用，並發展為「自動潤滑器」。最先出現的一種為「置換式潤滑器」（displacement lubricator），透過控制蒸汽流量使其於密封的油容器中凝結為水，使油浮上並被推入相應管道。後常見此安裝在駕駛室內，配有用於確認流量的觀察窗，和稱「流體靜力潤滑器」（hydrostatic lubricator）的其他型式。
隨設計發展，另外也有受汽缸連桿「十字頭」等驅動的機械泵浦，搭配延伸至機車各處的油道，此類裝置更可供位置相對固定的軸箱等機構和配件提供潤滑。無論何者，它們旨在使供油量與機車的運轉速度達成正比。
連桿等動態部分則由人工或透過油槍供應潤滑脂，並補充盛裝低黏度油料的油杯等容器。後者又有在容器中使用纏繞金屬絲上的精紡紗線仰賴毛細現象[58]: 126–127 ，供油量取決於紗線束的大小的型式，在駐車時必須將其移除。外部潤滑的缺點除需要人力，機車在行駛或靜止時，軌道也更有機會受滴垂油料沾染。
滾珠軸承
[编辑].jpg)
蒸汽機車動輪和連桿多見採用滑動軸承。20世紀後，滾珠軸承逐漸受到蒸汽機車運用。美國的軸承製造商Timken為展示其產品，1930年設計了由美國機車公司所製的Timken 1111蒸汽機車，為最早於全機車輪軸與連桿等處運用滾珠軸承的蒸汽機車之一。
反向裝置
[编辑]
蒸汽機車的閥裝置供應蒸汽的時機與持續時間受反向裝置控制，常見為槓桿式、螺桿式以及動力輔助式。三者最終都連接一控制滑環或當中滑塊等機構的升降臂[39]: 121-122 。前兩者為人力控制，仰賴卡榫在調整後固定，又槓桿式較易受閥裝置連桿重量及運動影響，在高速或高蒸汽壓力，尤其是動態未調整平均時，運動透過連桿傳回而使操作人員受傷的風險。此促使美國州際商務委員會規定自1939年後的新造重型蒸汽機車必須採用動力輔助的反向裝置。
-
日本國鐵D51型蒸汽機車所用的螺桿式反向裝置（F），附有供汽行程指示器（D） -
槓桿式反向裝置，可見供卡榫定位的有齒軌道
送風器
[编辑]蒸汽機車運轉時，汽缸使用後的蒸汽排向煙囪可帶動氣流自火箱底部進入。送風器在汽缸未出力時作為另一種帶動氣流的通風方式，可隨時用於提升火箱火勢，或將排出煙霧推遠機車[58]: 53 。此通常為位於煙囪底部或汽缸廢汽口上的環狀裝置，上設有向煙囪噴發蒸汽的噴嘴[28]: 66-67 。運轉過程中，汽門開啟時一般不需要送風器，但要關閉汽門之前，先將送風器開啟可避免因煙箱升壓使火箱發生回燃或壓力倒流（blowback）現象。此風險在滑行進入隧道時尤其要高，本身也並不罕見[59]。
火星過濾
[编辑]
燃料燃燒時，煤，尤其是木材，會產生大量飛濺的火星，因此降低其被排出機車的過濾裝置（spark arrestor）成為必要。此可裝置於煙囪內外，或於煙箱當中[28]: 68 。
-
「自清潔煙箱」（self-cleaning smokebox）設計 -
1857年美國逾千種專利過濾裝置的其中57項
集煙板
[编辑]
多裝置於機車煙箱兩側，當機車快速向前行進時，可導流撞向其正面的氣流吹向機車上方，將排氣煙霧一定程度吹離駕駛室的視線範圍。無此裝置時，煙箱兩側的氣流有機會形成渦旋將煙霧帶沿鍋爐遮蔽駕駛室視線[60]。
給碳機
[编辑]
20世紀初，有些機車設計體積龐大使司爐無法及時鏟煤，燃料的添加速度成為限制機車性能的一個因素，以給碳機（mechanical stoker）協助或自動化向火箱供煤。一種設計是多裝置於機車或煤水車底部的小蒸汽機，驅動兩車之間的多段螺旋桿將煤推向火箱，再由司爐操作多個不同角度的蒸汽噴嘴推送煤塊至火箱各處。此機構在美國部分機車設計成為標準裝備，世界各處也有機車採用。
輔助蒸汽機
[编辑]
輔助蒸汽機（booster engine）通常驅動機車從輪。由於蒸汽機車動力直接受動輪大小影響，有時不易起步，此即藉由驅動相對要小的機車從輪，利用機械利益克服前述起步遭遇的困難。
動力制軔
[编辑]發明齒軌鐵路的瑞士機車工程師尼克勞斯·里根巴赫發明了以蒸汽機車汽缸作為動力制軔（dynamic braking）機構的逆氣制動系統。長下坡時，列車若僅以閘瓦煞車，其在一段時間後便會因摩擦產生高熱而失效。此方式將空氣引入汽缸讓活塞擠壓，將動能轉為壓縮的熱能後排出，藉此減速。此多受齒軌鐵路等上下坡頻繁的鐵路所用機車應用。
自動控制系統
[编辑]
現今受鐵路相關規範而定，鐵路機車可能有必要安裝如列車自動警告（AWS）、列車自動停車（ATS）等系統，在遭遇危險或特定情形時與鐵路網上的控制系統互動[53]。美國的聯合太平洋鐵路4014號機車上現即裝備了行駛其幹線等級路線必須安裝的主動列車控制（PTC）系統[61]。
煙霧與燃燒效率
[编辑].jpeg)
蒸汽機車排出的氣體會受到火箱設計、燃料種類與品質和環境溫度等因素改變。一般而言，在燃料較完全燃燒時，排出煙囪的氣體通常較淡甚至近乎透明。反之，在如燃料加入時或進氣受阻等情形下，排出氣體可能夾帶較多顆粒因而趨濃且色深。|司爐可透過加入燃料並操作「送風器」與火箱門、火箱底部的「風戶」等[25]: 17 ，一定程度調整火箱的燃燒效率，特殊活動橋段中，也能藉此製造較濃煙霧增添視覺效果[62]。
風險與環境影響
[编辑]
現今蒸汽機車若要運轉必須配合各地的相關範進行，諸如相較常規鐵路車輛更嚴格的檢修標準，有限制的運轉時數，或僅允許以文化保存與觀光為目的運行等[63]。
蒸汽機車的最大風險在於其所使用的鍋爐，高溫環境以及明火的使用都可能造成人員傷害。又若爐中有較高壓力時因操作不當或其他因素受損，壓力可能一次洩出導致鍋爐爆炸。
一列牽引军用列車的蒸汽机车在1956年4月26日於红磡车辆段爆炸，此事促进了九广铁路柴油化的进程[註 1]。
近代的例子則有1995年6月16日美國宾夕法尼亚州的蓋茨堡鐵路所用1278号蒸汽机车於加德納斯附近發生爆炸，三名司乘人员生还但是遭严重烫伤，調查顯示其涉及設備維護不當及操作訓練不足、水位計受水垢影響流量而產生誤差等問題，鍋爐水位過低最終導致火箱頂板在高壓狀態下過熱變形並破裂[64]。
機車燃料的使用方式也製造較多如二氧化碳的溫室氣體，燃燒煤或木材機車所排出顆粒造成較顯著空氣汙染，也仍有造成火災的潛在風險[65]，儘管機車可能已配備降低火星飛出機率的過濾裝置。如杜蘭戈與錫爾弗頓窄軌鐵路等鐵路針對最後者有派遣機動臺車（railroad speeder）跟隨觀察周遭環境的作法。
煤的取用在現今也成為蒸汽機車運行的一大成本，因此在美國以觀光取向鐵路所用的許多蒸汽機車改為使用較易取得的燃油，除了減少火災意外也降低其碳足跡。其中如大峽谷鐵路所運用的蒸汽機車之一的4960號進一步採用了自當地回收並處理過後的食用植物油。
關聯條目
[编辑]注释
[编辑]參考資料
[编辑]- ^ Grainger Engineering Office of Marketing and Communications. Water Expanding the Most. van.physics.illinois.edu. [2026-01-09]. （原始内容存档于2026-01-14） （英语）.
- ^ 裨治文. 《美理哥合省國志略》 (PDF). 維基共享資源. 1838.
其外更有火車，不用馬匹，內以火力旋繞，日可行千餘里。
- ^ 徐珂. 《清稗類鈔》. 维基文库. 1916.
汽車，俗稱火車，又稱火輪車。其製以汽機為原動力，曳引客車、貨車行駛於鐵路之上。其裝設汽機之車，謂之機關車，俗稱車頭。
- ^ 比爾·布萊森; 陳炳盛. 《萬物簡史》. 源樺. 2007. ISBN 986828421X.
- ^ Francis Trevithick. Life of Richard Trevithick: With an Account of His Inventions, Volume 1. E.&F.N.Spon. 1872.
- ^ Richard Trevithick's steam locomotive | Rhagor. Museumwales.ac.uk. [2009-11-03]. （原始内容存档于2011-04-15）.
- ^ Steam train anniversary begins. BBC Tees. 2004-02-21 [2009-06-13]. （原始内容存档于2020-06-03）.
- ^ Payton, Philip. Oxford Dictionary of National Biography. 牛津大學出版社. 2004.
- ^ Garnett, A.F. Steel Wheels. Cannwood Press. 2005: 18–19.
- ^ Evonne Lin; Pirdou 林柏辰; Star Zhang; 盧秀娜. Locomotive 火車頭（國語日報111年12月1日第11版）. 國語日報. 2022-12-1.
- ^ Young, Robert. Timothy Hackworth and the Locomotive reprint. Lewes, UK: The Book Guild. 2000 [1923] （英国英语）.
- ^ 12.0 12.1 Hamilton Ellis. The Pictorial Encyclopedia of Railways. The Hamlyn Publishing Group. 1968: 24–30 （英语）.
- ^ John Stevens American Inventor. Encyclopedia Britannica （英国英语）.
- ^ Stover, John F. History of the Baltimore and Ohio Railroad. West Lafayette, IN: Purdue University Press. 1987: 35–36. ISBN 0-911198-81-4 （英语）.
- ^ "DeWitt Clinton" Locomotive. American Rails. 2020 [2020-03-02] （英语）.
- ^ John Bull Locomotive. National Museum of American History. 史密森尼學會. 2021 [2021-03-30]. （原始内容存档于2023-09-12） （英语）.
- ^ John Bull. Railroad Museum of Pennsylvania. 2021 [2021-03-30]. （原始内容存档于2021-04-29） （英语）.
- ^ 蒸気車雛形 附貨車他 一台. さがの歴史・文化お宝帳. [2026-04-28] （日语）.
- ^ 李嶽瑞. 《春冰室野乘》卷下.
同治四年七月，英人杜蘭德，以小鐵路一條，長可里許，敷於京師永寧門外平地。以小汽車駛其上，迅疾如飛。京師人詫所未聞，駭為妖物，舉國若狂，幾致大變。旋經步軍統領衙門，飭令拆卸，群疑始息。此事更在淞滬行車以前，可為鐵路輸入吾國之權輿。
- ^ 桦南林业局森林旅游小火车穿越今昔. epaper.hljnews.cn. [2025-04-06].
- ^ 曾经辉煌的森林铁路运输队，如今只剩一人在坚守. 微信公众平台. [2025-04-06].
- ^ 戰後臺灣機械公司的接收與早期發展（1945-1953）. 臺灣學術期刊開放取用平台. 2010-09 [2026-01-30]. （原始内容存档于2026-01-30）.
- ^ 1919年11月23日，臺灣鐵工所設立. 聚珍臺灣. [2026-01-30]. （原始内容存档于2026-01-29）.
- ^ 蘇昭旭. 《台灣鐵路蒸汽火車》. 人人出版. 2000-02-01. ISBN 9579767386.
- ^ 25.0 25.1 25.2 25.3 徐仁濟. 《蒸汽機車解說》. 榮泰印書館.
蒸汽機車解說，徐仁濟；台鐵員工訓練中心主任，郭約義 先生 捐贈. 黑水博物館. 2022-08-14 [2026-01-26].
蒸汽機車解說，徐仁濟編，中華民國四十五年六月十日(1956)初版，榮泰印書館. 黑水博物館. 2022-08-21 [2026-01-26]. （原始内容存档于2026-01-13）. - ^ 《蒸汽机车》编写组. 蒸汽机车 第1版. 北京: 人民铁道出版社. 1977-08.
- ^ Nuttle, William. Making "The Rocket" Fly - Marc Seguin. Eiffel’s Paris - an Engineer’s Guide. 2020-12-30 [2023-09-05] （英语）.
- ^ 28.0 28.1 28.2 28.3 28.4 28.5 28.6 28.7 28.8 也收錄於维基共享资源：NCL-000002898_機車要義_v.1.pdf
徐仁齊. 《機車要義》上冊. 國家圖書館 (中華民國) (臺灣鐵路員工訓練所). 1949-10 [2026-01-22]. - ^ White, John H. Jr. American Locomotives, an Engineering History 1830–1880, Revised and Expanded Edition. Baltimore, MD: 約翰霍普金斯大學出版社. 1997: 85. ISBN 0-8018-5714-7 （英语）.
- ^ West Coast and R711. Newsgroup: aus.rail （英语）.
- ^ The Swiss Electric–Steam Locomotives. 7 January 2010 [12 November 2015]. （原始内容存档于18 October 2010） （英语）.
- ^ 蒸汽機車時代的二水機務段. くろがねのみち. [2026-01-23]. （原始内容存档于2025-11-18）.
- ^ Vaughan, Adrian. Water troughs on the GWR. Railway World. Vol. 51. 1990: 278–80, 370–4 （英国英语）.
- ^ Porta Treatment. www.portatreatment.com. （原始内容存档于2014-01-07） （英语）.
- ^ Coalition for Sustainable Rail. （原始内容存档于2013-04-05） （英语）.
- ^ Porta’s Water Treatment (From Steam Railway Magazine May 2007 Issue 335 pages 78 and 79) (PDF). Advanced Steam Traction Trust. [2026-09-09]. （原始内容存档 (PDF)于2026-03-08） （英语）.
- ^ Porta’s Water Treatment – Extending the Life of Locomotive Boilers. Advanced Steam Traction Trust. [2026-09-09]. （原始内容存档于2026-03-08） （英语）.
- ^ 38.0 38.1 M.Bane. Porta Treatment Internal Boiler Water Treatment for the 21st Century (PDF). A.U.'s Steam Site. 2006-12-11 [2026-09-12]. （原始内容存档 (PDF)于2026-05-11） （英语）.
- ^ 39.0 39.1 39.2 39.3 39.4 39.5 也收錄於维基共享资源：NCL-000002899_機車要義_v.2.pdf
徐仁齊. 《機車要義》下冊. 國家圖書館 (中華民國) (臺灣鐵路員工訓練所). 1950-05 [2026-01-22]. - ^ Snell, John B. Mechanical Engineering: Railways. London: Longman. 1971 （英国英语）.
- ^ P.W.B. Semmens; A.J. Goldfinch. How Steam Locomotives Really Work. 牛津大學出版社. 2000: 172. ISBN 0-19-856536-4 （英国英语）.
- ^ "La Locomotive a Vapeur", Andre Chapelon, English Translation by George W. Carpenter, Camden Miniature Steam Services 2000, ISBN 0-9536523-0-0, Fig. 37
- ^ YouTube上的《General Repair》，記述1938年英國的倫敦、米德蘭和蘇格蘭鐵路所用蒸汽機車的檢修過程（英式英语）
- ^ Meiklejohn, Bernard. New Motors on Railroads: Electric and Gasoline Cars Replacing the Steam Locomotive. World's Work. 1906-01, XIII: 8437–8454 [2009-07-10] （英语）.
- ^ The Construction of and Performance Obtained from the Oil Engine. [2026-01-27]. （原始内容存档于2020-10-03） （英语）.
- ^ The 5AT project to develop a modern steam locomotive for British railways. [2006-11-06]. （原始内容存档于2012-08-15） （英国英语）.
- ^ The Ultimate Steam Page. Trainweb.org. [2026-01-27]. （原始内容存档于2019-10-03） （英语）.
- ^ American Coal Enterprises – ACE3000 et al. Martynbane.co.uk. [2009-11-03]. （原始内容存档于2025-08-09） （英国英语）.
- ^ Railway Extension Across the Andes: reactivation and modernisation of existing fleet of 75 cm gauge 2-10-2 steam locomotives. （原始内容存档于2007-09-28） （英国英语）.
- ^ Dan Quine. Trixie and the Meirion Mill Railway. Narrow Gauge World. 2016-11 （zen-gb）.
- ^ Staff. 60163 Tornado is on the go. BBC Tees. 2008-09-22 [2008-10-01]. （原始内容存档于2025-12-30） （英国英语）.
- ^ Glancy, Jonathan. New steam locomotive unveiled. 衛報 (London). 2008-08-02 [2008-08-04] （英国英语）.
- ^ 53.0 53.1 籃貫銘. 百年蒸汽機車首度導入數位訊號 古老鐵道邁向智慧新生. CTIMES. 2025-04-20 [2026-01-27]. （原始内容存档于2025-07-14）.
- ^ Our Story. The T1 Trust. [2026-01-30]. （原始内容存档于2025-12-16） （英语）.
- ^ L. T. C. Rolt. Red for danger: a history of railway accidents and railway safety 3rd. Newton Abbot: David & Charles. 1976: 33. ISBN 978-0-7153-7292-0 （英语）.
- ^ Niño, Emanuel. Industrial Lubrication. Manila, Philippines: Rex. 1997: 46. ISBN 978-971-23-2178-8 （英语）.
- ^ Rigg, Arthur. A practical treatise on the steam engine. London: Spon. 1878. OCLC 1251342932 （英国英语）.
- ^ 58.0 58.1 Handbook for Railway Steam Locomotive Enginemen. London: British Transport Commission. 1957. OCLC 4431123 （英国英语）.
- ^ 1955 Dunstable accident report (PDF). [2026-01-25]. （原始内容存档 (PDF)于2024-09-18） （英国英语）.
- ^ YouTube上的「Why do locos have smoke deflectors?」（英文）
- ^ Historic Steam Locomotive Outfitted with Cutting-Edge Technology. 聯合太平洋鐵路. 2024-06-13 [2026-01-26]. （原始内容存档于2026-01-15） （英语）.
- ^ Angela Cotey. Why does locomotive smoke change color?. trains.com. 2017-12-15 [2026-01-23]. （原始内容存档于2025-12-08） （英语）.
- ^ 國營臺灣鐵路股份有限公司蒸汽機車管理及租借要點. 臺鐵公司. 2021-09-07 [2026-01-21]. （原始内容 (PDF)存档于2025-05-16）.
- ^ 美国国家运输安全委员会. STEAM LOCOMOTIVE FIREBOX EXPLOSION ON THE GETTYSBURG RAILROAD NEAR GARDNERS, PENNSYLVANIA JUNE 16, 1995 (PDF). 美国国家运输安全委员会(NTSB). 1996-11-15 [2026-01-21]. （原始内容存档 (PDF)于2021-03-08） （英语）.
- ^ Steam railway 'causes seventh summer fire'. 2025-07-15 [2026-01-21]. （原始内容存档于2025-07-16） （英国英语）.
外部連結
[编辑]
维基共享资源上的相關多媒體資源：蒸汽機車- JR東日本的C61 20簡介
- YouTube上的The Steam Locomotive播放列表，圍繞歐洲蒸汽機車的講解系列影片（英文）
- YouTube上的视频，一位美國科羅拉多鐵路博物館的志願者概略講解排氣煙霧與英美機車火箱設計差異（英文）
- YouTube上的《Little & Often》，英國倫敦、米德蘭和蘇格蘭鐵路講述所用機車使用燃料的原理、最佳時機與操作方式（英式英语）
- YouTube上的紀錄片《Driving and Firing》其中The Art of Firing章節，採訪英國文化資產鐵道之一的藍鈴鐵路一位曾任機車司乘人員的志願者（英式英语）
| |||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||
