蒸汽機車操作
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本書是操作功能性蒸汽機車的操作手冊。這裡描述的術語和程式將使人們能夠安全地操作 19 世紀或 20 世紀的蒸汽機車，並將其安全地使用到未來。
為了有效、高效且安全地操作、燃火或駕駛機車，人們應該充分了解蒸汽機車的構造和產生運動的物理學原理，以及正常操作技術。
一種常見的後期（1940 年代）鍋爐設計是徑向撐杆延伸式平頂型機車鍋爐，它由一個長方形的箱體和一個圓形的頂部組成，由鋼板製成，連線到一個圓柱形部分，通常稱為鍋爐的筒體。包圍火箱的那部分鍋爐被稱為外殼或外筒。火箱的形狀與外殼或外筒的後端和兩側相對應，在火箱板和外殼板之間留出空間，使火箱被水包圍。鍋爐的前面或圓柱形部分包圍著煙管，這些煙管在前面固定在前面煙管板上，在後面固定在內部或火箱煙管板上。
這種佈置確保了火箱的所有部分以及煙管都被水完全包圍，並且在火箱中燃燒燃料時，熱量將透過煙管和火箱板傳遞到水中；未使用的氣體和煙霧可以從火箱自由地透過煙管流入煙箱和煙囪。
煙箱是由鍋爐的圓柱形部分延伸到前面煙管板以外形成的。鍋爐外殼在頂部設有一個蒸汽穹頂，它形成一個腔室，蒸汽可以在那裡收集並從鍋爐中的水裡分離出來，然後再透過節流閥進入汽缸。
機車鍋爐中的煙管被稱為火管，因為熱量會穿過它們，而每個火箱中通常有四個拱管，被稱為“水管”，因為火在外面，水會穿過它們。
火箱板和煙管構成了所謂的受熱面。除了這個受熱面外，許多鍋爐中還有額外的過熱器受熱面，在蒸汽離開鍋爐並從鍋爐流向汽缸的過程中對其進行過熱。比較煙管受熱面積與火箱板面積發現，板受熱面積僅佔煙管受熱面積的 5%，但火箱受熱面積產生約 40% 的蒸汽。這一點應該記住。
在機車鍋爐中，採用大量的細煙管而不是幾個粗煙管，這是為了使從火箱流向煙箱的熱量和氣體分散開來，並與更大的煙管表面接觸。如果使用粗煙管，大量的熱量會在煙管中心透過，而不會與煙管表面接觸，這種熱量會流失並損失。大量細管還能使熱量在鍋爐外殼水空間中更均勻地分佈。細煙管可以用更薄的材料製成，這使得熱量更容易傳遞到包圍煙管的水中。在延伸式平頂型機車鍋爐中，後部或外殼的直徑明顯大於前部或圓柱形部分；而直頂式鍋爐的外殼和圓柱形部分的直徑幾乎相同。因此，延伸式平頂型鍋爐允許更大的蒸汽和水空間，並且在水產生泡沫的情況下具有更好的效能。
機車鍋爐完全由鋼製成，除了拉桿和撐杆，它們由鐵製成。鍋蓋由稱為徑向撐杆支撐，這些撐杆從鍋蓋延伸到外部外包板。
一般使用三種常見的火箱設計。狹窄、深火箱，位於車架之間，並延伸到車架上軌以下。半寬、淺火箱，位於車架頂部，並延伸到車架上軌外緣。寬火箱，火箱寬度大於車架，兩側延伸到車架上軌以外，並位於車架上軌頂部或固定在車架頂部的膨脹支架上。
大型機車的燃燒室最初是為了其名稱所暗示的目的而引入的，即為燃燒提供更大的火箱面積。隨著機車尺寸越來越大，軸距越來越長，限制煙管長度成為一個問題。發現當煙管長度超過 21 或 22 英尺時，洩漏問題會明顯增多，為了使煙管長度保持在這些範圍內，就必須延長火箱，這可以透過將煙管區域延伸到鍋爐內來實現。
除了允許使用更短的煙管外，燃燒室還具有另一個優點，即構成燃燒室的火箱板受熱面比不使用燃燒室的更長的煙管受熱面效率要高得多。
燃燒室還有助於保護煙管末端免受從火箱前端的爐篦向上吹來的冷空氣，此外，它還為燃燒氣體提供了一個較長的火焰通道，這對於使用燃油或含大量揮發性物質的煤炭來說特別有利。
當鍋蓋或火箱板沒有被水覆蓋時，它們在火箱內燃著旺火時會很快過熱。如果由於任何原因沒有在鍋蓋上保持水位，並且鍋蓋過熱，必須立即熄滅或降低火勢，並且在任何情況下都不應將冷水強行灌入鍋爐。應該冷卻鍋爐，然後再嘗試對其進行注水，因為在鍋爐非常熱的時候強行灌入冷水會導致鍋爐各部分溫度發生突然變化，併產生破壞性應力。
防止或減少破壞性應力和應變的幅度應該引起所有參與機車維護的人的注意。為了清楚、簡單地說明破壞性應力的原因，應該充分理解金屬體在溫度發生變化時收縮或膨脹是不可阻擋的。火箱板因溫度變化而膨脹或收縮是無法阻止的。它肯定會找到釋放的途徑，要麼是自毀，要麼是破壞阻礙其運動的障礙物。
機車鍋爐或火箱的使用壽命在很大程度上取決於其在使用過程中的維護。在機車操作中不可能完全避免所有應力和應變，但可以減少應力發生的頻率，並降低其幅度。換句話說，如果以某種方式減輕應變的嚴重程度，即使增加其發生的頻率，故障之間的間隔也會延長，維修間隔也會延長，火箱和鍋爐的使用壽命也會延長。
圖 3 是圖 1 所示鍋爐的示意圖，它闡明瞭金屬在加熱和冷卻過程中發生的現象。可以注意到，鍋爐被分成了幾個部分。當鍋爐內產生的蒸汽壓力達到每平方英寸 200 磅時，可以發現鍋爐膨脹了近一英寸，這表明金屬在加熱時會膨脹，而在冷卻時會收縮。金屬的膨脹和收縮會在鍋爐的各個部位產生應力和應變，因此，重要的是要緩慢地產生這些應力，以確保加熱或冷卻的影響能夠在整個鍋爐中均勻分佈，從而使膨脹或收縮在所有部件中儘可能均勻。
在機車靜止的情況下，執行水 噴射器 或水泵會導致鍋爐內部溫度分佈更加頻繁和不均勻，併產生比其他任何原因都更具破壞性的應力。舉例說明：機車鍋爐在 190 psi 壓力下，蒸汽溫度為 383 華氏度（195 攝氏度）。這也對應著該蒸汽壓力下的水溫。當噴射器工作時，水透過噴射器進入鍋爐的途中，溫度從 160 華氏度升至 200 華氏度（71 攝氏度至 93 攝氏度）。因此，它比鍋爐內水的溫度低 183 華氏度至 223 華氏度（102 攝氏度至 124 攝氏度）。來自噴射器的水更冷，比鍋爐內高溫的水更重，因此進入鍋爐後會向下流動，並一直向下流動，直到到達最低點。從噴射器進入鍋爐的水的每立方英尺重量為 60 1/8 磅，而 190 psi 蒸汽壓力或 383 華氏度下的水的每立方英尺重量為 54 1/4 磅，比從噴射器送入鍋爐的 200 度水的重量輕 9%。這種重量差異清楚地說明了為什麼較冷較重的水會尋求較低的位置並取代較熱較輕的水。
Boiling point 212 F 100.0 C 100 psi 337.8 F 169.9 C 160 psi 370.6 F 188.1 C 180 psi 379.5 F 193.1 C 200 psi 387.8 F 197.7 C 220 psi 395.6 F 202.0 C 250 psi 406 F 207.8 C 300 psi 421.7 F 216.5 C |
- 快速參考水沸點（非蒸汽溫度）在不同壓力下的變化 - 水的沸點每增加一磅平方英寸壓力就會升高 3 華氏度。例如：在海平面，水的沸點為 212 華氏度（100 攝氏度）。在海平面以上 +1 PSI，沸點會升高 3 華氏度，達到 215 華氏度（1.7 攝氏度，至 101.7 攝氏度）。在海平面以上 +5 PSI，水的沸點將為 227 華氏度（108.3 攝氏度）。以此類推。這就是為什麼在海拔較高地區煮麵條和烘焙食品的說明需要更長的烹飪時間，或在混合物中新增更多水的原因。
調車員每天負責準備機車投入運營。這通常包括點火、給蒸汽機車的所有潤滑點加註潤滑油和機油。在傳統上，這是加入機車乘務員的起點。
此外，調車員還負責給機車加燃料和水，以及沙子和潤滑油，並確保機車上提供所有必要的工具和訊號裝置。到達機車後，根據需要清潔或封存火室。
司爐負責維護機車鍋爐的蒸汽壓力。這是透過仔細調節火勢，並定期給鍋爐加水來實現的。加水是透過使用噴射器或給水泵來實現的。在沒有工程師的情況下，司爐將負責機車的安全和保障。機車司爐不得在沒有合格工程師的直接監督下操作機車。
工程師負責確保機車在任何機車移動之前和過程中都適合執行。工程師負責機車在公路上行駛的維護、加油和正常執行，以確保機車最省油，並對機械裝置最友善。工程師控制機車的執行，但列車員控制列車的移動，兩者都負責列車的安全執行。蒸汽汽笛、前照燈、節氣門、空氣制動器、反向杆和司爐通常在工程師的直接控制之下。
司爐的工作包括照管鍋爐，確保始終有足夠的蒸汽供工程師使用。當司爐熟練時，他們應該專注於高效操作，以節約燃料和水，並延長髮動機壽命。這一點在 21 世紀尤為重要，因為執行的蒸汽機車很少，而且往往處於岌岌可危的財務狀況。
機車的鍋爐由鋼合金製成，可以容納數千加侖水。鍋爐必須始終小心處理，因為它必須承受巨大的熱量、壓力和振動。司爐應該注意在安全允許的情況下儘量減少施加在鍋爐上的熱應力。
無火機車通常使用一個水箱（代替鍋爐和火室），水箱內裝有過熱的水，當工作蒸汽的壓力降低時，這些水會迅速變成蒸汽（參見上面的壓力錶）。無火機車需要在能夠獲得高於沸點的熱水的區域執行，而由於安全原因，火是不允許使用的。它們主要用於工業或一組工業，由於這種限制，它們在幹線上牽引列車並不常見。它們被防爆柴油機車或電力機車所取代。作者沒有發現目前正在執行的無火機車的參考資料。
當美國向西部平原州擴張時，木柴燃燒機車在美國逐漸失寵，主要是因為木柴機車從燃料中獲得的熱能總量通常較低，以及平原州的森林稀少。
蒸汽時代燃油機車主要使用“重油”。（重油也稱為 6 號油或 6 號油）。[1] 雖然一些現今儲存完好的蒸汽機車（大約 2005 年）仍然使用重油，但大多數已改用各種替代燃料，因為重油難以找到、運輸和儲存。替代燃料包括 4 號燃油、煤油或柴油（有時是柴油/煤油混合物），其他燃料使用廢機油。
無論使用哪種油，大多數機車都會將燃料儲存在一輛位於煤水車的油箱中。油箱配備蒸汽加熱盤管，用於在燃燒前對燃料進行加熱。這樣做是為了使燃油的粘度保持在燃油能夠自由流入燃燒室的狀態。重油非常粘稠，如果不預熱就很難使用。
燃油機車的火爐由兩個閥門控制：燃油閥控制燃油流向霧化器，霧化器閥控制蒸汽將燃油強制噴射成小液滴以便燃燒。
司爐工必須控制燃燒室內蒸汽、燃油和空氣的量，以產生最有效的火焰來燒水。司爐工透過觀察煙囪排出的煙霧顏色來判斷火爐需要什麼。濃厚的、難聞的黑色煙霧表明燃燒不充分，燃油過多。司爐工可以使用風門和鼓風機來增加通風量，或者減少注入燃燒器的燃油量。藍色煙霧表明霧化器中輸入了過多的蒸汽，他必須降低蒸汽壓力。淺灰色煙霧表明調節良好，而完全沒有煙霧則意味著火勢過小，需要增加。
值得注意的是，在某些情況下，司爐工可能會因錯誤調節火爐而導致一系列空洞的轟鳴聲或小爆炸。如果有人在此時開啟爐門觀看，會看到火焰被從燃燒器中撕裂並進入煙道。這也可能導致大量的煙塵沉積在煙道中，降低鍋爐的效率。可以透過向燃燒室中投沙來清理煙塵，但這會導致煙道和任何過熱器過度磨損。
- Semmens, P.W.B. 和 Goldfinch, A.J. (2000). 蒸汽機車的工作原理. 紐約牛津：牛津大學出版社. ISBN 978-0-19-860782-3.
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