蒸汽机车
蒸汽机车是一种利用蒸汽膨胀作为动力，以此驱动自身及其他铁路车辆的铁路机车 。它透过燃烧可燃物（通常是煤、油，少数情况下使用木材）来加热机车锅炉中的水，使其汽化，体积膨胀1,600至1,700倍[1]，“火车”一词也因此而来[2]。就功能而言，它是一驱动自身的蒸汽机[3]。
概述[编辑]
蒸汽机车最早出现于19世纪初的英国。多数蒸汽机车上，蒸汽交替进入气缸的两端，推动内部与车轮连接的活塞。燃料和水装载于机车本身或附挂的煤水车之中。此设计的变体包括以电力作为热源的锅炉、以涡轮机取代活塞带动车轮，以及取用非机车自身产生蒸汽的“无火机车”（fireless locomotive）等。
20世纪初，日益发展的电力机车和内燃机车开始逐渐取代蒸汽机车。到了1980年代，大多数蒸汽机车已从常规服务中退役，部分成为观光和文化资产铁道中的亮点。
蒸汽机车的速度纪录是由英国的伦敦及东北铁路格雷斯利A4型4468“野鸭号”机车创下。它牵引六辆客车和一辆动力试验车，在一稍微下坡路段创下时速126英里（203千米）的纪录。后德国与美国的蒸汽机车亦有接近的时速纪录。
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联合太平洋铁路4014号机车为世界上仍运行中的最大蒸汽机车
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依蒸汽机车设计，火箱内的温度可突破1,000 °C（1,830 °F）
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发展[编辑]
英国[编辑]
世界首部蒸汽机车是由英国人理查·特里维西克于1802年为什罗普郡科尔布鲁克代尔（Coalbrookdale）的钢铁厂设计[4]，但该车辆没有留下运作的相关纪录[5]。特里维西克设计的另一部机车在1804年2月21日，与安德鲁·维维安（Andrew Vivian）一同驾驶，自梅瑟蒂德菲尔附近于彭尼达伦（Pen-y-Darren）的钢铁厂开往南威尔士的阿伯辛农（Abercynon）[6][7][8]，成为首部有行驶纪录并牵引车辆的蒸汽机车。该机车的设计融合了多项重要创新，减轻了机车重量并提高其运作效率，其中包括使用高压而非低压蒸汽。
后特里维西克在同年拜访了泰恩河畔纽卡斯尔，当地煤矿经营者与其中的工程师对他的先前成果十分欣赏，促成了该处成为当时蒸汽机车研发和实验的主要中心[9]。此后特里维西克继续研发，设计了另三台机车，1808年的“谁能抓住我”（Catch Me Who Can）成为史上第一部牵引付费乘客的机车。
此时期的著名机车还有1812年，马修·莫瑞（Matthew Murray）设计的双缸齿轨机车“萨拉曼卡”（Salamanca）[10]，与现存最古老，在1813与1814年间由工程师威廉·赫德利（William Hedley）设计建造，藏于伦敦科学博物馆的“吹气比利”（Puffing Billy）。
乔治·史蒂芬森[编辑]
1823年，乔治·史蒂芬森与其子罗伯特·史蒂芬森等人成立了机车制造商，罗伯特史蒂芬森公司（Robert Stephenson and Company）。
1825年，乔治·史蒂芬森为斯托克顿和达灵顿铁路，世界上第一条公共运输铁路设计了“机车一号”。在此之前他曾是一名矿工，后在基灵沃斯（Killingworth）的煤矿担任机车制造工，期间设计制造了多达十六台基灵沃斯机车。1817年他也设计了苏格兰的首部蒸汽机车，运用于基尔马诺克和特伦铁路（Kilmarnock and Troon Railway）的“公爵号”（The Duke）。
由其子罗伯特设计的“火箭号”机车，是为参加即将开通的利物浦和曼彻斯特铁路于1829年举办的雨山考验（Rainhill trials）而生，并且得胜。这一成功使该公司成为英国、美国和欧洲大部分地区铁路蒸汽机车的主要制造商[11]。
美国[编辑]
在自英国进口之前，美国当地也制造并测试了一些蒸汽机车原型，其中包括由约翰·菲奇（John Fitch）制作的比例缩小原型。一部著名的原型车是约翰·史蒂文斯（John Stevens）在1825年于新泽西州霍博肯所拥有地产上搭建的小环状轨道上行驶的蒸汽机车[12]。
美国铁路早期许多商用机车都从英国进口，包括最早的“斯托布里奇雄狮”（Stourbridge Lion）和后来的“约翰公牛”（John Bull）机车。不过美国本土的铁路机车制造业在那之后迅速发展。1830年，彼得·库珀（Peter Cooper）为巴尔的摩与俄亥俄铁路设计的“汤姆拇指”（Tom Thumb）机车成为美国第一部投入商业运营的自制机车，但它的目的并非盈利，而是为了展示蒸汽机车的潜力[13]。 1831年为莫霍克和哈得孙铁路公司（Mohawk and Hudson Railroad）建造的“德威特·克林顿”（DeWitt Clinton）机车则是美国早期著名正式投入运用的机车之一[11][14]。
截至2021年[update]，“约翰公牛”目前在华盛顿特区的美国国家历史博物馆以静态展示[15]。一复制品则由宾夕法尼亚州铁路博物馆藏[16]。
其他地区的应用发展[编辑]
日本[编辑]
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日本最早的蒸汽机车是在1872年（明治5年）日本铁道开业时，自英国引进的“1号机车”（日本国铁150型蒸汽机车），其为第一辆抵达日本，5车款共10辆的其中一辆。
此前有以蒸汽为动力的大小不一机车模型在幕末时期出现。来自外国的最先是1853年（嘉永6年），由俄罗斯帝国的叶夫菲米·普提雅廷展示。隔年1854年（嘉永7年、安政元年）率领美国舰队（黑船来航）的马修·培里也曾向江戸幕府官员展示。日本境内则加贺国有过制作纪录，另佐贺藩“精炼方”的化学研究者田中久重等人曾依照外国文献于1853（嘉永6年）、1855年（安政2年）制作130毫米轨距的模型。
日本于英国工程师的指导下第一辆自行生产的机车860型在1893年（明治 26 年）完成。大正初期的1910年代，其生产技术成熟的指标8620型客运机车与9600型货运机车问世，后发展出如C57、D51型等多样客、货分别的机车型式。
日本最后以蒸汽机车牵引的常态列车在室兰本线于1975年（昭和50年）12月14日开出。此后多数机车受静态保存，少数则仍牵引固定营运，或仅特殊季节开行（如仅于冬季运行之JR北海道“SL冬之湿原号”（SL冬の湿原号））的观光列车。截至2012年，仍存在蒸汽机车营运的日本铁路公司包括JR集团（JR北海道、JR东日本、JR西日本、JR九州）、大井川铁道、秩父铁道、东武铁道与真冈铁道等。此外京都铁道博物馆也尚存可动态行驶的蒸汽机车。为了与一般采用柴油或电力动力来源的列车作区隔，以蒸汽机车牵引营运的列车会特别在列车名称前标上“SL”（“Steam Locomotive”的缩写）字样。
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]
英国商人杜兰德（Trent）于清朝同治四年（1865年）为展示机车原理兴建的展览铁路为中国大陆境内第一条铁路。李岳瑞在《春冰室野乘》记述了人们在蒸汽机车行驶时的负面反应，不久便受到拆除[18]，至1876年才有正式营运的铁路系统。此至1949年间，中国大陆境内有产自9个国家30多家制造商的198种型号的4,069辆蒸汽机车。
1980年代，部分地区的煤炭价格仍相较燃油要低，使蒸汽机车有一定经济价值。位于山西省大同市的车厂直至1988年12月21日仍生产干线蒸汽机车，使中华人民共和国一度成为全球最后一个制造大型蒸汽机车的国家。1990年代中期于哈尔滨火车站仍旧可见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，近年中国大陆蒸汽机车已所剩无几。
今日部分蒸汽机车由于观光或历史保存或其它理由，而特别被保留并继续营运，四川的芭石铁路、黑龙江的桦南森林铁路[19]、内蒙古的阿里河森林铁路[20]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。
台湾[编辑]
台湾境内最早的蒸汽机车是于台湾清治时期，1888年（光绪14年）由福建台湾巡抚刘铭传向德国引进的“腾云一号”、“御风二号”以及自英国购入的另6辆机车。后以自1895年起台湾日治时期投入台湾铁路的蒸汽机车为大宗，其次是糖业铁路与林业铁路等。此时期车辆除日本及英德两国，也来自美国与比利时等地，并有少量境内生产[21][22]。
1945年后，多数机车在台湾战后时期被纳入台湾铁路管理局（现台湾铁路公司），最终在1984年（民国73年）停止应用于一般营运[23]:129，其他铁路今也已不再有以其牵引之常态班次，仅在例假日或特殊节日可见蒸汽机车行驶。
组成概观[编辑]
| 构造概观 | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 编号 | 项目 | 编号 | 项目 | 编号 | 项目 | 编号 | 项目 |
| 1 | 煤水车 | 13 | 烟箱门 | 25 | 汽阀 | 37 | 煤台；煤槽 |
| 2 | 驾驶台；司机室 | 14 | 从轮转向架 | 26 | 汽室 | 38 | 炉篦；炉床 |
| 3 | 安全阀 | 15 | 踏板；走板 | 27 | 火箱 | 39 | 灰箱 |
| 4 | 逆转臂；回动拉杆 | 16 | 车架 | 28 | 烟管 | 40 | 轴箱 |
| 5 | 汽笛 | 17 | 闸瓦 | 29 | 锅炉 | 41 | 均衡梁 |
| 6 | 气旋发电机；涡轮发电机 | 18 | 砂管 | 30 | 过热管 | 42 | 叶片弹簧；叠板弹簧 |
| 7 | 砂箱 | 19 | 连杆 | 31 | 气孔；调整阀 | 43 | 动轮 |
| 8 | 气孔拉杆；调整阀拉杆 | 20 | 阀装置 | 32 | 过热器；过热箱 | 44 | 担簧；弹簧鞍 |
| 9 | 汽包 | 21 | 主连杆；摇杆 | 33 | 烟筒；烟囱 | 45 | 排气筒口；废汽喷口 |
| 10 | 风泵；空气压缩机 | 22 | 鞲鞴杆 | 34 | 机车头灯 | 46 | 导轮转向架 |
| 11 | 烟箱 | 23 | 鞲鞴；活塞 | 35 | 轫管；列车管 | 47 | 排障器 |
| 12 | 主蒸汽管 | 24 | 气缸 | 36 | 水柜 | 48 | 连结器；车钩 |
司乘人员[编辑]
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蒸汽机车上通常有分别驾驶机车和操作锅炉的司机和司炉各一名。现今运行时为确保安全操作，也常见二名以上人员。
锅炉与蒸汽[编辑]
多数蒸汽机车锅炉采用最初由马克·塞甘（Marc Seguin）于1823年发明的火管锅炉[26]。常见的设计为水平摆放，一端为燃烧燃料的“火箱”，另一端为“烟箱”，其水容器包覆前两者之间的多根相通管道与火箱周围[27]:20。火箱本身加上通往烟箱的管道共同构成了大接触面积，当中高温气体因对流流向烟箱时，热量得以透过火箱与管壁有效率地快速传导至锅炉内的水来产生蒸汽。火箱周围由“炉撑”连接包覆火箱的锅炉部分以抵抗炉内的压力挤压火箱[27]:36-37，周围的水也避免火箱本身或当中作为安全装置的“熔塞”等过热变形[27]:32-33。燃料的灰烬会落入火箱底部的“灰箱”[27]:29，部分也随气体流动落至烟箱内。
“气孔”又称“调节阀”，控制流向气缸的蒸汽流量，常见位于汽包当中。该处蒸汽相对干燥，也降低水流入供汽管道的机会[27]:55-56。蒸汽进入气缸之前，会先充满位于气缸之外或周围的“汽室”再供应气缸。
气缸使用后的蒸汽多自烟箱中的喷嘴迅速排向烟囱，利用文丘里效应夹带或拖曳烟箱内的气体冲向室外。每一发冲出的蒸汽使烟箱内的压力降低，促使更多空气自火箱底部流经煤层，助长或维持火势持续。当气缸未出力时，另有称“送风器”的装置可作为通风手段[27]:55。不同运行情形使火箱中的温度频繁升降，多设计在当中装设耐火砖助温度变化平缓，也助气体中的颗粒燃尽[27]:30-32。
为提升蒸汽离开锅炉后的热效率，机车可配备过热器在蒸汽供向气缸前又再次加热，同时可去除饱和蒸汽可能带有的水珠。
锅炉只能承受一定压力，常见规范诸如要求安装安全阀并在达该值以下之前以一定流速释放压力等。
蒸汽除了用于驱动车轮，也可供汽笛、发电机、自动润滑器（automatic lubricator）、蒸汽制轫（steam brake）、空气压缩机等装置运作，或供应牵引列车作为暖气等功能。
燃料与水[编辑]
较大型蒸汽机车多紧密附挂一载运燃料及水的煤水车。将两者装载于自身的型式则称“水柜式”机车，常见于小型机车或为调车、短途行驶设计的蒸汽机车上。
机车所选用的燃料依据所处环境与当时的经济效益而定。有着丰富矿产的英国和欧洲，煤自蒸汽机车初受运用即是燃料选择，同时期的美国至1870年，最广泛使用的燃料则是木材[28]，直到其东部森林受大量砍伐后才转而以煤作为主要燃料。德国、俄国、澳洲及英国另又曾尝试以细碎的煤尘作为机车燃料。采收甘蔗以其制糖产生的甘蔗渣也成为该产业铁路所用燃料之一。
1900年后，产石油的美国西南方让该处铁路，尤其是南太平洋铁路转而取用价格相对低廉的油料。二战后澳洲的维多利亚州所用的许多蒸汽机车也改用重油作为燃料。现今仍运行的蒸汽机车则有选用轻质柴油作为燃料的例子[29]。
二战期间的瑞士，因煤短缺又水力发电充沛，曾将部分蒸汽调车机车改以集电弓自电车线取用约480千瓦电力作为锅炉的热源[30]。
水[编辑]
多数设计中蒸汽受气缸使用后随被排出，水的消耗非常迅速，必须不断补充。在蒸汽机车被广泛运用的时代，车站、车库至铁路各处常设有水鹤或水塔[31]。为减少停车必要，在英国、美国和法国，曾在一些有净水来源的路段设置水槽（water trough），让机车在不停车的情况下使用可用安装于机车或煤水车之下的可伸缩水勺补水。机车速度足以将水压入水柜，待水满后再将水勺提起[32]。另有为减少燃烧废气或延长可行驶距离，尝试回收蒸汽并将其凝结为水的“冷凝式蒸汽机车”（condensing steam locomotive）。
要将水注入有压力的锅炉内，蒸汽机车使用以蒸汽驱动的泵浦或运用蒸汽注水器为锅炉补水。
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水中的矿物质或水质较硬时的较多碳酸钙、氢氧化镁、硫酸钙等化学物质，长期而言会形成过多水垢等污染，因此使用优质水源并定期清洗锅炉，即使成本较高仍为可接受的作法。但随锅炉可承受的压力提升，溶入水中的物质在锅炉内部有机会形成一层厚实的气泡，若带入供汽管道可能损坏气缸。一种解决方法式是定期在锅炉蓄有压力的状态下排出锅炉中富含杂质的热水（boiler blowdown），但高温高压与水沸腾释放的氧气仍会使锅炉更快生锈，若要进一步改善则必须对所用水源进行额外处理。
1970年代，阿根廷蒸汽机车工程师利维奥·丹特·波尔塔（Livio Dante Porta）开发了一种添加进锅炉内的精密重化学水处理方式，不仅能保持锅炉内部清洁并防止腐蚀，能使气泡改为在水面上形成一层致密的“毯子”过滤产生的蒸汽，保持蒸汽纯净，避免水和悬浮磨蚀性物质被带入气缸[33][34]。
行走装置[编辑]
| 华尔夏特式阀装置概观 | |||
|---|---|---|---|
| 编号 | 项目 | 编号 | 项目 |
| 1 | 滑环 | 5 | 十字头 |
| 2 | 偏心曲拐 | 6 | 汽室 |
| 3 | 半径杆 | 7 | 气缸 |
| 4 | 连合杆；合并杆 | 8 | 逆转臂；回动拉杆 |
最初的蒸汽机车设计上，出力与否多仅受不同蒸汽量如开关般切换[36]，不久便出现可受反向装置操作，透过连杆调整气缸内蒸汽施加时机与持续时间，种类繁多的“阀装置”机构。史蒂芬森公司开发的史蒂芬森式阀装置是最早受到广泛应用的设计之一，后则多见相较简易的华尔夏特式阀装置及其变体，将“滑环”改为关节机构的贝克式阀装置等。少数机车也采卡普罗蒂式（Caprotti）等，运用传动轴、凸轮开闭提升阀的阀装置。
无论何者都旨在调整汽阀的行程，在低速时供驱动车轮的活塞往复全程受蒸汽持续推动，中高速时仅活塞近气缸两端时给予蒸汽，以此提升机车高速下的效率同时一定程度降低蒸汽消耗。控制蒸气流动的汽阀在19世纪多为扁平接触面的滑阀，后圆柱形的活塞阀因较易润滑成为主流。
搭载二气缸于车侧或车轮之间的蒸汽机车较为常见，为避免活塞静止时处于止点而无法受蒸汽推动起步，两侧动轮连接连杆的位置相差90度。后发展出提升机车动力并有更平均出力但机构也更加复杂的三或四气缸设计，也有采“复式蒸汽机”（compound steam engine）多次利用蒸汽的型式。
此设计因气缸处于锅炉之外温度相对要低，蒸汽机车若如在静止多时候起步，必须打开其排水阀免得当中凝结的水受到挤压而损害气缸与活塞[35]:5。
在动力方面，此类机车气缸内的活塞透过连杆直接带动车轮旋转。车轮的直径大小，以及连杆在车轮上相对车轴的安装位置会影响其机械利益，即活塞推动车轮时所能产生的力道与机车的最高时速。一般而言，较大车轮有助以较低转速高速行驶但力道较低，反之较小车轮虽车速受限，起步或爬坡时却提供较大力道。
悬挂系统中的弹簧和均衡梁等机构确保车轮在不完全平整的轨道上依旧贴合其表面，平均分散车轮负载[35]:237-238，让车轮稳定传递动力至轨道之上。然而，车轮与轨道的接触面积有限，若要在输出较大动力时避免打滑，除了撒砂提高摩擦力外，也可透过增加动轮数量分散动力。
机车设计依其预期功能，采用不同尺寸与数量的动轮配置，这样的取舍成为不同用途的蒸汽机车在外观与性能上呈现多样差异的重要原因。
动轮太多时会出现别的问题，如高速时的不稳定和无法驶上小半径弯道。行驶中的不稳定可搭配其转向架以弹簧或其他方式置中的无动力“导轮”和“从轮”改善。而要改善过弯半径，虽能采允许左右挪动的车轴、连杆轴心或无轮缘的动轮，效果相对有限。多组行走装置的机车设计（articulated locomotive）因此出现，其能保有分散的一定动力，同时克服多弯线路。
在有陡峭上下坡的线路上，这样仍可能不足以对应。如谢伊式蒸汽机车的齿轮传动式蒸汽机车改以更慢的车速换取陡峭线路上的行驶能力。
车架[编辑]
蒸汽机车车架常见为以横杆连接的两长纵向垂直结构，支撑锅炉、气缸和阀装置，并做为车轮、轴箱与悬挂系统的安装基础，承受并传递运行时所产生的各种作用力。锅炉部分完全固定于此，近火箱部分则多允许其受冷缩热胀时些许前后移动[24]:92。
两垂直结构大致分为片状的“钣式”和仅包含必要结构的“棒式”[24]:87。前者多见于欧洲蒸汽机车，轮轴使用称“hornblocks”可上下滑动的轴箱安装于专用槽位开口，当配有第三气缸时多与垂直结构一同铸造为一大单一构造[37]。后者以美国为大宗，较为开放的结构相对易于检修。
美国在1920年代随着利马机车厂提出称“超动力”（Superpower）概念的引入，渐改整体以铸钢制成的车架，其将车架本体、弹簧吊座、运动机构支架、烟箱承座与气缸本体整合为强度高且刚性佳但较重的单一铸件。法国国家铁路公司另曾进行一次以焊接钢管构成车架的设计研究，在维持足够刚性的前提下，中空结构使重量减轻约30%。[38]
广泛运用结束[编辑]
蒸汽机车自冷车至可行驶状态多费数小时整备，热效率也相对逐渐发展的内燃机要低许多，铁路网得提供多处水源才能持续运作，却又存在水垢等问题，在美国、澳洲、南非等部分为沙漠或干燥地区更是难以供应。而燃煤机车的烟管、烟箱等必须受定期清洁，机车上的运动机构，尤其是双气缸机车，行驶中会对轨道设施产生敲击（hammer blow）。总总使其本身以及铁路基础设施都仰赖大量人工维护。
电力机车以及后出现的内燃机车、柴电机车自20世纪初期逐渐取代了蒸汽机车受到铁路运用[39]。1930年代，柴电机车的可靠与稳定性在北美洲受到肯定[40]，促成了1950年代后淘汰蒸汽动力的发展方向。此时蒸汽动力在欧洲大陆甚至世界各地依旧是可适应当地设施，可用多种燃料的成熟技术，自1970年代的大规模铁路电气化开始至20世纪末才被其他动力取代。
整修与新造[编辑]
蒸汽机车不再广泛受到运用后，多被作为文化资产或基于观光目的，在少数地区或特定活动期间运行，并由政府、铁路公司等企业、博物馆或非营利组织保存维护。
随着燃油成本的上涨，如1980年代的ACE 3000、2001年的“5AT先进技术蒸汽机车”（5AT Advanced Technology Steam Locomotive）等欲采新蒸汽动力技术的计划曾被提出，但并未进展至应用阶段。[41][42][43][44]
个人或团体以现存部件整修，或以过去设计为基础打造全新机车的例子则并未停滞。
在英国，铁路爱好者特崔弗·巴伯（Trevor Barber）于1975年制造了一辆运用于梅里恩磨坊铁路（Meirion Mill Railway）的2英尺（610毫米）轨距蒸汽机车“崔西”（Trixie）[45]。1990年代，随威尔士的费斯蒂尼奥格（Ffestiniog Railway）和柯里斯（Corris Railway）窄轨铁路纷纷新造蒸汽机车，此类计划在英国迅速增加。
其中一具有代表性的新造机车是2008年完成，以现代工业技术重现的伦敦及东北铁路佩珀科恩A1型60163号“龙卷风”机车，为英国停止运用蒸汽机车后首辆新造干线机车。[46][47][48]
截至2025年[update]，世界各地仍有类似计划正在进行，其中一项位于美国，目标是重新打造宾夕法尼亚铁路T1型蒸汽机车5500号[49]。
其他部件[编辑]
蒸汽机车依制造年代、地区或用途也搭配多样部件。
润滑[编辑]
早期蒸汽机车必须自烟箱中的气缸排汽口投入动物脂为气缸内的阀门与活塞提供润滑。对此不久便有更易操作的润滑方式，不过该成分有效黏附气缸壁，较矿物油更不受水影响，至今仍是现代蒸汽气缸油配方的一种成分。[50][51][52]
随着车速和行驶距离增加，提供润滑油料的机构开始受机车运用，并发展为“自动润滑器”（automatic lubricator）。最先出现的一种为“置换式润滑器”（displacement lubricator），透过控制蒸汽流量使其于密封的油容器中凝结为水，使油浮上并被推入相应管道。后常见此安装在驾驶室内，配有用于确认流量的观察窗，和称“流体静力润滑器”（hydrostatic lubricator）的其他型式。
随设计发展，另外也有受气缸连杆“十字头”等驱动的机械泵浦，搭配延伸至机车各处的油道，此类装置更可供位置相对固定的轴箱等机构和配件提供润滑。无论何者，它们旨在使供油量与机车的运行速度达成正比。
连杆等动态部分则由人工或透过油枪供应润滑脂，并补充盛装低黏度油料的油杯等容器。后者又有在容器中使用缠绕金属丝上的精纺纱线（worsted yarn）仰赖毛细现象[53]:126–127，供油量取决于纱线束的大小的型式，在驻车时必须将其移除。外部润滑的缺点除需要人力，机车在行驶或静止时，轨道也更有机会受滴垂油料沾染。
滚珠轴承[编辑]
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蒸汽机车动轮和连杆多见采用滑动轴承。20世纪后，滚珠轴承逐渐受到蒸汽机车运用。美国的轴承制造商Timken为展示其产品，1930年设计了由美国机车公司所制的Timken 1111蒸汽机车，为最早于全机车轮轴与连杆等处运用滚珠轴承的蒸汽机车之一。
反向装置[编辑]
蒸汽机车的阀装置供应蒸汽的时机与持续时间受反向装置控制，常见为杠杆式、螺杆式以及动力辅助式。三者最终都连接一控制滑环或当中滑块等机构的升降臂[35]:121-122。前两者为人力控制，仰赖卡扣在调整后固定，又杠杆式较易受阀装置连杆重量及运动影响，在高速或高蒸汽压力，尤其是动态未调整平均时，运动透过连杆传回而使操作人员受伤的风险。此促使美国州际商务委员会规定自1939年后的新造重型蒸汽机车必须采用动力辅助的反向装置。
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日本国铁D51型蒸汽机车所用的螺杆式反向装置（F），附有供汽行程指示器（D）
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杠杆式反向装置（右侧）
送风器[编辑]
蒸汽机车运行时，气缸使用后的蒸汽排向烟囱可带动气流自火箱底部进入。送风器在气缸未出力时作为另一种带动气流的通风方式，可随时用于提升火箱火势，或将排出烟雾推远机车[53]:53。此通常为位于烟囱底部或气缸废汽口上的环状装置，上设有向烟囱喷发蒸汽的喷嘴[27]:66-67。运行过程中，气孔开启时一般不需要送风器，但要关闭气孔之前，先将送风器开启可避免因烟箱升压使火箱发生回燃或压力倒流（blowback）现象。此风险在滑行进入隧道时尤其要高，本身也并不罕见[54]。
火星过滤[编辑]
燃料燃烧时，煤，尤其是木材，会产生大量飞溅的火星，因此降低其被排出机车的过滤装置（spark arrestor）成为必要。此可装置于烟囱内外，或于烟箱当中[27]:68。
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“自清洁烟箱”（self-cleaning smokebox）设计
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1857年美国逾千种专利过滤装置的其中57项
集烟板[编辑]
多装置于机车烟箱两侧，当机车快速向前行进时，可导流撞向其正面的气流吹向机车上方，将排气烟雾一定程度吹离驾驶室的视线范围。无此装置时，烟箱两侧的气流有机会形成涡旋将烟雾带沿锅炉遮蔽驾驶室视线[55]。
给碳机[编辑]
20世纪初，有些机车设计体积庞大使司炉无法及时铲煤，燃料的添加速度成为限制机车性能的一个因素，以给碳机（mechanical stoker）协助或自动化向火箱供煤。一种设计是多装置于机车或煤水车底部的小蒸汽机，驱动两车之间的多段螺旋杆将煤推向火箱，再由司炉操作多个不同角度的蒸汽喷嘴推送煤块至火箱各处。此机构在美国部分机车设计成为标准装备，世界各处也有机车采用。
辅助蒸汽机[编辑]
辅助蒸汽机（booster engine）通常驱动机车从轮。由于蒸汽机车动力直接受动轮大小影响，有时不易起步，此即借由驱动相对要小的机车从轮，利用机械利益克服前述起步遭遇的困难。
动力制轫[编辑]
发明齿轨铁路的瑞士机车工程师尼克劳斯·里根巴赫发明了以蒸汽机车气缸作为动力制轫（dynamic braking）机构的逆气制动系统。长下坡时，列车若仅以闸瓦制动，其在一段时间后便会因摩擦产生高热而失效。此方式将空气引入气缸让活塞挤压，将动能转为压缩的热能后排出，借此减速。此多受齿轨铁路等上下坡频繁的铁路所用机车应用。
自动控制系统[编辑]
现今受铁路相关规范而定，铁路机车可能有必要安装如列车自动警告、列车自动停车等系统，在遭遇危险或特定情形时与铁路网上的控制系统互动[48]。美国的联合太平洋铁路4014号机车上现即装备了行驶其干线等级线路必须安装的，称“主动列车控制”（positive train control）的安全系统[56]。
烟雾与效率[编辑]
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蒸汽机车排出的气体会受到火箱设计、燃料种类与品质和环境温度等因素改变。一般而言，在燃料较完全燃烧时，排出烟囱的气体通常较淡甚至近乎透明。反之，在如燃料加入时或进气受阻等情形下，排出气体可能夹带较多颗粒因而趋浓且色深。司炉可透过加入燃料并操作“送风器”与火箱门、火箱底部的“风户”等[24]:17，一定程度调整火箱的燃烧效率，特殊活动桥段中，也能借此制造较浓烟雾增添视觉效果[57]。
风险与环境影响[编辑]
现今蒸汽机车若要运行必须配合各地的相关范进行，诸如相较常规铁路车辆更严格的检修标准，有限制的运行时数，或仅允许以文化保存与观光为目的运行等[58]。
蒸汽机车的最大风险在于其所使用的锅炉，高温环境以及明火的使用都可能造成人员伤害。又若炉中有较高压力时因操作不当或其他因素受损，压力可能一次泄出导致锅炉爆炸。
一列牵引军用列车的蒸汽机车在1956年4月26日于红磡车辆段爆炸，此事促进了九广铁路柴油化的进程[注 1]。
近代的例子则有1995年6月16日，美国宾夕法尼亚州盖茨堡铁路（Gettysburg Railroad）所用1278号蒸汽机车于加德纳斯（Gardners）附近发生爆炸，三名司乘人员生还但是遭严重烫伤，调查显示其涉及设备维护不当及操作训练不足、水位计受水垢影响流量产生误差等问题，锅炉水位过低最终导致火箱顶板在高压状态下过热变形并破裂[59]。
机车燃料的使用方式也制造较多如二氧化碳的温室气体，燃烧煤或木材机车所排出颗粒造成较显著空气污染，也仍有造成火灾的潜在风险[60]，尽管机车可能已配备降低火星飞出几率的过滤装置。如杜兰戈与锡尔弗顿窄轨铁路等铁路针对最后者有派遣另一小型车辆（railroad speeder）跟随观察周遭环境的作法。
煤的取用在现今也成为蒸汽机车运行的一大成本，因此在美国以观光取向铁路所用的许多蒸汽机车改为使用较易取得的燃油，除了减少火灾意外也降低其碳足迹。大峡谷铁路所运用的蒸汽机车中的4960号更是采用回收并处理过的食用植物油。
关联条目[编辑]
注释[编辑]
参考资料[编辑]
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外部链接[编辑]
- File:Commons-logo.svg 维基共享资源上的相关多媒体资源：蒸汽机车
- 东日本旅客铁路的C61 20简介
- YouTube上的The Steam Locomotive播放列表，围绕欧洲蒸汽机车的讲解系列影片（英文）
- YouTube上的视频，一位美国科罗拉多铁路博物馆的志愿者概略讲解排气烟雾与英美机车火箱设计差异（英文）
- YouTube上的《Little & Often》，英国伦敦、米德兰和苏格兰铁路讲述所用机车使用燃料的原理、最佳时机与操作方式（英式英语）
- YouTube上的纪录片《Driving and Firing》其中The Art of Firing章节，采访英国受保存蓝铃铁路（Bluebell Railway）一位曾任机车司乘人员的资深志愿者（英式英语）
