蒸汽機車

1938年7月3日，倫敦及東北鐵路A4 4468號，「野鴨號」機車駛達時速126英里（203公里），為有紀錄的最快蒸汽機車

1934年11月30日，倫敦及東北鐵路A3 4472號，「飛翔的蘇格蘭人」機車成為紀錄中首輛時速達100英里（160公里）的蒸汽機車

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）來加熱機車鍋爐中的水，使其汽化，體積膨脹1,600至1,700倍。就功能而言，它是一驅動自身的蒸汽機。

概述

蒸汽機車最早出現於19世紀初的英國，並成為鐵路運輸的要角直至20世紀中期。

多數蒸汽機車上，蒸汽交替進入汽缸的兩端，推動內部與車輪連接的活塞。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。

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  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
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  依蒸汽機車設計，火箱內的溫度可突破1,000 °C（1,830 °F）

发展

英國

世界首部蒸汽機車是由英國人理查·特里維西克制造，并於1804年2月21日進行第一次上軌測試。之後經過多年的改進，蒸汽機車的經濟效益才足以在商業上的營運使用。羅伯特·史蒂芬生在1829年製造的火箭號便是最早在商業成功使用的蒸汽機車之一。

蒸汽機車的速度紀錄是由英國的倫敦及東北鐵路A4型，4468號機車「野鴨號」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。

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  理查·特里維西克於1802年設計的「科爾布魯克代爾」（Coalbrookdale）蒸汽機車
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  史蒂芬森於1829年設計的火箭號蒸汽機車

美國

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（John Stevens）在1825年於紐澤西州霍博肯搭建的小環線軌道上行駛的「蒸汽貨車」（steam wagon）。

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」（Stourbridge Lion）機車和後來的「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（Peter Cooper）為巴爾的摩與俄亥俄鐵路設計的「拇指湯姆」（Tom Thumb）機車成為美國第一台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。 1831年為莫霍克和哈德遜鐵路公司（Mohawk and Hudson Railroad）建造的「德威特·克林頓」（DeWitt Clinton）機車則是美國早期著名正式投入運用的機車之一。

截至2021年 (2021-Missing required parameter 1=month!)，「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。一複製品則由賓州鐵路博物館藏。

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  斯托布里奇雄獅

中国大陆

清朝同治四年（1865年）的展覽鐵路為中国大陆境內第一條鐵路。李岳瑞在《春冰室野乘》記述了人們在蒸汽機車行駛該鐵路上時的負面反應，不久便受到拆除。至1949年，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4069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、内蒙古的阿里河森林铁路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。

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  於美國的上游型1658M号蒸汽机车，現為Valley Railroad 3025
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  人民型蒸汽机车RM 1163

日本

日本的蒸汽機車於1975年12月14日在室蘭本線開出最後一班列車後已經全部退出一般列車的運行。後來部份機車頭修復後重新上路做為觀光列車行駛，其中有部分為針對特殊季節才運行（例如JR北海道的「SL冬之濕原號」（SL冬の湿原号）列車僅於冬天運行），其他則為大部份都為全年營運的固定觀光列車班次。截至2012年底為止，仍然在使用蒸汽機車的鐵路公司包括JR集團的JR北海道、JR東日本、JR西日本、JR九州，和大井川鐵道、秩父鐵道、東武鐵道與真岡鐵道等私鐵業者。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會特別在列車名稱前標上「SL」（「Steam Locomotive」的縮寫）字樣。

台灣

臺灣所用蒸汽機車以台鐵蒸汽機車最具代表性，另外林業鐵路及糖業鐵路等亦曾使用過蒸汽機車。於一般營運上，臺鐵今雖未有以蒸汽機車牽引之常態班次，惟特殊節日及路線仍偶可見CK124等蒸汽機車做為觀光用列車行駛。

苏联/俄罗斯

1977年干线停止使用蒸汽机车。

組成概觀

整體，以附掛煤水車的蒸汽機車為例。

The main components of a steam locomotive (click to enlarge)

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	阀装置	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

德意志国铁路01型蒸汽机车的駕駛室，兩側分別用於駕駛和操作鍋爐

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。

鍋爐與蒸氣

水位計例，水的折射使斜線以不同角度顯示，此處水位已高於此計頂端，過高或過低會對機車造成不同危險與影響

多數蒸汽機車鍋爐採用最初由馬克·塞甘（Marc Seguin）於1823年發明的火管鍋爐。常見設計一端為燃燒燃料的「火箱」，另一端為「煙箱」，其水容器包覆火箱與前兩者之間的多根相通管道。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氣。包覆火箱的水也避免「火箱頂板」或作為安全裝置的「熔塞」過熱變形。燃料的灰燼會落入火箱底部的「灰箱」，部分也隨氣體流動落至煙箱內。

「汽門」又稱「調節閥」控制流向汽缸的蒸氣流量，常見位於汽包當中，該處蒸氣相對乾燥，也降低水流入供汽管道的機率。蒸氣進入汽缸之前，會先充滿位於汽缸之外或周圍的「汽室」再供應汽缸。

日本國鐵C61形20號機車左側的空氣壓縮機

汽缸使用後的蒸氣多自煙箱中的噴嘴迅速排向煙囪，利用文丘里效應夾帶或拖曳煙箱內的氣體與衝向室外。每一發衝出的蒸氣使煙箱與火箱內的壓力降低，促使空氣自火箱底部流經煤層，從而助長或維持火勢持續燃燒。當汽缸未出力時仍需要氣流，另有稱「送風器」的裝置可在煙箱內排出蒸氣。

為提升蒸汽離開鍋爐後的熱效率或去除飽和蒸汽可能帶有的水珠，機車可配備過熱器在蒸汽供向汽缸前又再次加熱。

鍋爐只能承受一定壓力，常見規範要求安全閥在該值之前開啟釋放壓力。

蒸氣除了用於驅動車輪，也供汽笛、發電機、自動潤滑器（automatic lubricator）、制軔（steam brake）、空氣壓縮機等裝置運作，或供應牽引列車作為暖氣等功能。

水

水櫃式機車使用水鶴補水

較大型蒸汽機車多附掛一載運燃料及水的煤水車，而若為小型機車或短途行駛的調車機車等則有稱「水櫃式」將兩者裝載於自身的型式。

因蒸氣受汽缸使用後隨被排出，水的消耗非常迅速，蒸汽機車必須不斷補水，在它們被廣泛運用的時代，車站、車庫或鐵路各處常設有水鶴或水塔。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。另有為減少燃燒廢氣或嘗試回收蒸氣並將其凝結為水的「冷凝式蒸汽機車」（condensing steam locomotive）。

煤水車上裝有冷凝器的南非25型蒸汽機車

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。

日本國鐵C61形20號機車右側的泵浦

水中含有的礦物質等長期而言會造成汙染，因此使用優質水源並定期清洗鍋爐，即使維護成本較高仍是可接受的作法。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（blow down）鍋爐中富含雜質的熱水。但高溫高壓與水沸騰產生的氧氣仍會使鍋爐更快生鏽，若要完全降低以上問題，則必須對所用水源進行額外處理。

1970年代，阿根廷蒸汽機車工程師利維奧·丹特·波爾塔（Livio Dante Porta）開發了一種添加進鍋爐內的精密重化學水處理方式，不僅能保持鍋爐內部清潔並防止腐蝕，能使泡沫改為在水面上形成一層緻密的「毯子」過濾產生的蒸汽，保持蒸汽純淨，防止水和懸浮磨蝕性物質被帶入汽缸。

行走裝置

圖例為華爾夏特式閥裝置。

華爾夏特式閥裝置概觀
編號	項目	編號	項目
1	滑環；月牙板	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

最初的蒸汽機車只能全力前後移動，不久便出現透過連桿和閥門調整汽缸內蒸氣施加時機與持續時間的「閥裝置」機構。此機構種類繁多，斯蒂芬森式閥裝置最早受到廣泛應用，此多設於車輪內側，後受機構位於車側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取代。

閥裝置讓機車在低速時能讓活塞在往復行程中全力受到持續推動，中高速時調整（cut-off）至僅活塞近汽缸兩端時給予蒸氣，提升機車高速下的效率同時一定程度降低蒸氣消耗。

雙汽缸德意志國鐵路41型與後端作為輔助機車的三汽缸德意志國鐵路01.10型一同爬上路德維希南北鐵路一處著名上坡路段（影片，34.4 MB）

搭載二汽缸於車側或車輪之間的蒸汽機車較為常見，而為避免活塞靜止時處於止點而無法受蒸氣推動起步，兩側動輪連接連桿的位置相差90度。後發展出提升機車動力並有更平均出力但機構也更加複雜的三或四汽缸設計，也有採「複式蒸汽機」（compound steam engine）多次利用蒸氣的型式。

有巨大動輪的紐約中央鐵路與哈德遜河鐵路999號機車

此設計因汽缸處於鍋爐之外溫度相對要低，蒸汽機車若如在靜止多時候起步，必須打開其排水閥免得當中凝結的水受到損害汽缸與活塞。

動力方面，汽缸內的活塞透過連桿直接帶動車輪旋轉，車輪的直徑大小，以及連桿在車輪上相對車軸的安裝位置會影響其機械利益：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，較大車輪有助高速行駛但力道較低，反之較小車輪雖車速受限，起步或爬坡時卻提供較大力道。

垂直式的均衡樑

懸吊系統中的彈簧和均衡樑等機構確保車輪在不完全平整的軌道上依舊貼合其表面，平均分散車輪負載，也讓動力穩定透過車輪傳遞至軌道之上。然而，車輪與軌道的接觸面積有限，若要在輸出較大動力時避免打滑，除了使用撒砂提高摩擦力外，也可透過增加動輪數量來分散動力。不同用途的蒸汽機車會依其預期功能，採用不同尺寸與數量的動輪配置。這樣的取捨，也成為蒸汽機車在外觀與性能上呈現多樣差異的重要原因之一。

配置多個較小動輪的SS 800型蒸汽機車，印尼安巴拉哇鐵路博物館

配有多組走行裝置的蒸汽機車例

動輪太多也會出現別的問題，如高速時的不穩定和無法駛上小半徑彎道。前者可搭配無動力並以彈簧或其他方式置中轉向架的「導輪」和「從輪」，而後者雖能採允許左右挪動的車軸和連桿裝置處，效果相對有限。多組行走裝置的機車（articulated locomotive）因此出現，其能保有分散的一定動力，同時克服多彎路線。

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

與汽缸為一體的鑄造車架

蒸汽機車車架常見為以橫桿連接的兩長垂直結構，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。

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」。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。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年代隨著稱「超動力」（Superpower）概念的引入，漸改以整體鑄鋼製成的車架，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%。

其他部件

潤滑

参见：潤滑

一種「置換式潤滑器」，右側的觀察窗可以看到一滴油正向上穿過當中的水

早期蒸汽機車必須自煙箱中的汽缸排汽噴嘴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，不過此潤滑成分有效黏附汽缸壁，且較礦物油更有效不受水影響，至今仍是現代蒸汽汽缸油配方的一種成分。

隨著車速和行駛距離增加，出現了其他將黏稠礦物油注入蒸汽系統的裝置（automatic lubricator）。一種是安裝在駕駛室內，通常配有用於確認供油量觀察窗的「置換式潤滑器」（displacement lubricator），透過控制蒸氣流動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。後發展出另受汽缸連桿「十字頭」驅動的機械式泵浦。無論何者，旨在使供油量與機車的運轉速度達成正比。

以軟木塞密封潤滑油容器的英國SR西郡型蒸汽機車

為車輪的軸承與連桿提供潤滑，有以油槍將潤滑脂推入油道的方式，另有整合至連桿中盛裝油料容器的設計。。

輪軸機構等曾有使用精紡紗線（worsted yarn）仰賴毛細現象的型式，供油量取決於紗線束的大小而非機車速度，缺點是在機車靜止時必須清除纏繞在金屬絲上的碎屑，駐車時也會有油漬滲入軌道等問題。

送風器

蒸汽機車運轉時，汽缸使用後的蒸氣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。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。

在運轉過程中，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。

火星過濾

等比例縮小蒸汽機車煙箱內的金屬網

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。

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  「自清潔煙箱」（self-cleaning smokebox）設計
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  1857年美國逾千種專利過濾裝置的其中57項

給碳機

波蘭蒸汽機車通入火箱的給碳機

20世紀初，有些機車體積龐大，以致於司爐無法及時鏟煤，燃料的添加速度成為限制機車性能的一個因素。給碳機（mechanical stoker）是一多裝置於煤水車底部的小蒸汽機，驅動一機車與煤水車之間的多段螺旋桿將煤推向火箱，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。

滾珠軸承

諾福克西方鐵路J型611號連桿上較大面積的滾珠軸承

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。

動力制軔

發明齒軌鐵路的瑞士機車工程師尼克勞斯·里根巴赫發明了在上下坡頻繁的鐵路系統中以蒸汽機車汽缸作為動力制軔（dynamic braking）機構的「反壓煞車」（counter-pressure brake）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。

煙霧與效率

冒濃煙的台鐵CT270型蒸汽機車

蒸汽機車排出的氣體會受到火箱設計、燃料種類與品質和燃燒的完全程度等因素改變。一般而言，在燃料較完全燃燒時，排出煙囪的氣體通常較淡或近乎透明。反之，若加入大量燃料或如自激烈運轉改為滑行等情形下，排出氣體可能夾帶較多顆粒，趨濃而色深。特殊活動橋段中，司乘人員有時也會特意製造較濃的煙霧增添視覺效果。

風險與環境影響

一輛鍋爐爆炸的蒸汽機車，約1850年攝

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。

蒸汽機車的最大風險在於其所使用的鍋爐，溫度以及明火都可能造成人員傷害。又若當中有較高壓力時，若因操作不當或受損，壓力可能一次洩出導致爆炸。1956年4月26日，一列军用蒸汽机车在红磡车辆段爆炸，此事促进了九广铁路柴油化的进程。近代的例子則有如葛底斯堡客运服务公司（Gettysburg Railroad）所用1278号蒸汽机车於1995年6月16日在宾夕法尼亚州加德納斯（Gardners）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。

另外蒸汽機車的熱效率較低，燃料使用方式製造較多如二氧化碳的溫室氣體，也造成較多空氣汙染。燃燒煤或木材的蒸汽機車還有造成火災的風險，，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為此有派遣另一小型車輛（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。大峽谷鐵路所運用的蒸汽機車中的4960號更是採用回收並處理過的食用植物油。

關聯條目

• 蒸汽机
• 華氏式別
• 中國蒸汽機車列表
• 台鐵蒸汽機車

外部連結

• 维基共享资源上的相關多媒體資源：蒸汽機車
• 東日本旅客鐵路的C61 20簡介