Lokomotif uap adalah lokomotif yang menyediakan tenaga untuk menggerakkan dirinya sendiri dan kendaraan lain melalui ekspansi uap.: 80 Lokomotif ini berbahan bakar dengan membakar bahan yang mudah terbakar (biasanya batu bara, minyak, atau, jarang, kayu) untuk memanaskan air dalam ketel lokomotif hingga menjadi gas dan volumenya meningkat 1.700 kali lipat. Secara fungsional, ini adalah mesin uap di atas roda.
Pada sebagian besar lokomotif, uap dimasukkan secara bergantian ke setiap ujung silindernya di mana piston terhubung secara mekanis ke roda utama lokomotif. Pasokan bahan bakar dan air biasanya dibawa bersama lokomotif, baik pada lokomotif itu sendiri atau dalam tender yang digabungkan dengannya. Variasi dalam desain umum ini termasuk boiler bertenaga listrik, turbin sebagai pengganti piston, dan menggunakan uap yang dihasilkan secara eksternal.
Lokomotif uap pertama kali dikembangkan di Inggris pada awal abad ke-19 dan digunakan untuk transportasi kereta api hingga pertengahan abad ke-20. Richard Trevithick membangun lokomotif uap pertama yang diketahui mengangkut beban jarak jauh di Pen-y-darren pada tahun 1804, meskipun ia memproduksi lokomotif sebelumnya untuk uji coba di Coalbrookdale pada tahun 1802. Salamanca, yang dibangun pada tahun 1812 oleh Matthew Murray untuk Kereta Api Middleton, merupakan lokomotif uap pertama yang sukses secara komersial. Lokomotif No. 1, yang dibangun oleh George Stephenson dan perusahaan putranya, Robert Stephenson and Company, adalah lokomotif uap pertama yang mengangkut penumpang di jalur kereta api umum, Kereta Api Stockton dan Darlington, pada tahun 1825. Perkembangan pesat pun terjadi; pada tahun 1830 George Stephenson membuka jalur kereta api antar kota pertama, Kereta Api Liverpool dan Manchester, setelah keberhasilan Rocket pada Uji Coba Rainhill tahun 1829 membuktikan bahwa lokomotif uap dapat melakukan tugas tersebut. Robert Stephenson and Company adalah pembangun lokomotif uap terkemuka pada dekade pertama penggunaan uap untuk perkeretaapian di Inggris, Amerika Serikat, dan sebagian besar Eropa.
Menjelang akhir era uap, penekanan Inggris yang sudah berlangsung lama pada kecepatan memuncak pada rekor, yang masih belum terpecahkan, yaitu 126 mil per jam (203 kilometer per jam) oleh LNER Class A4 4468 Mallard. Di Amerika Serikat, alat pengukur pemuatan yang lebih besar memungkinkan pengembangan lokomotif yang sangat besar dan berat seperti Union Pacific Big Boy, yang memiliki berat 540 ton panjang (550 t; 600 ton pendek) dan memiliki tenaga penggerak sebesar 135.375 pon-gaya (602.180 ton).
Dimulai pada awal 1900-an, lokomotif uap secara bertahap digantikan oleh lokomotif listrik dan diesel, dengan jalur kereta api yang sepenuhnya beralih ke tenaga listrik dan diesel mulai akhir 1930-an. Mayoritas lokomotif uap dipensiunkan dari layanan reguler pada tahun 1980-an, meskipun beberapa masih beroperasi di jalur wisata dan warisan.
Sejarah
Kereta api paling awal menggunakan kuda untuk menarik gerobak di sepanjang rel kereta api. Pada tahun 1784, William Murdoch, seorang penemu asal Skotlandia, membuat prototipe lokomotif jalan uap berskala kecil di Birmingham. Lokomotif uap kereta api berskala besar diusulkan oleh William Reynolds sekitar tahun 1787. Sebuah model awal lokomotif rel uap dirancang dan dibangun oleh perintis kapal uap John Fitch di Amerika Serikat pada tahun 1794. Beberapa sumber menyatakan bahwa model Fitch sudah dapat dioperasikan pada tahun 1780-an dan bahwa ia mendemonstrasikan lokomotifnya kepada George Washington. Lokomotif uapnya menggunakan roda berbilah bagian dalam yang dipandu oleh rel atau rel. Model ini masih ada di Museum Ohio Historical Society di Columbus, AS. Keaslian dan tanggal lokomotif ini diperdebatkan oleh beberapa ahli dan kereta api uap yang dapat digunakan harus menunggu penemuan mesin uap bertekanan tinggi oleh Richard Trevithick, yang memelopori penggunaan lokomotif uap.
Lokomotif uap kereta api skala penuh pertama yang bekerja adalah Lokomotif Coalbrookdale dengan ukuran 3 kaki (914 mm), yang dibangun oleh Trevithick pada tahun 1802. Lokomotif ini dibangun untuk pabrik besi Coalbrookdale di Shropshire, Inggris Raya, meskipun tidak ada catatan tentang lokomotif ini yang masih ada. Pada tanggal 21 Februari 1804, perjalanan kereta api dengan tenaga uap pertama yang tercatat terjadi ketika lokomotif Trevithick lainnya menarik kereta api di sepanjang jalur trem sepanjang 4 kaki 4 inci (1.321 mm) dari pabrik besi Pen-y-darren, dekat Merthyr Tydfil, menuju Abercynon di Wales Selatan. Didampingi oleh Andrew Vivian, proyek ini berjalan dengan kesuksesan yang beragam. Desain ini menggabungkan sejumlah inovasi penting yang mencakup penggunaan uap bertekanan tinggi yang mengurangi berat mesin dan meningkatkan efisiensinya.
Trevithick mengunjungi daerah Newcastle pada tahun 1804 dan bertemu dengan para pemilik dan insinyur tambang batu bara. Kunjungan tersebut sangat sukses sehingga jalur kereta api tambang di timur laut Inggris menjadi pusat eksperimen dan pengembangan lokomotif uap yang terkemuka. Trevithick melanjutkan eksperimen penggerak uapnya sendiri melalui trio lokomotif lainnya, yang diakhiri dengan Catch Me Who Can pada tahun 1808, lokomotif pertama di dunia yang mengangkut penumpang yang membayar ongkos.
Pada tahun 1812, lokomotif rak silinder ganda Matthew Murray yang sukses, Salamanca, pertama kali beroperasi di jalur kereta api Middleton Railway dengan rel tepi. Lokomotif awal lainnya yang terkenal adalah Puffing Billy, yang dibuat pada tahun 1813-14 oleh insinyur William Hedley. Lokomotif ini dimaksudkan untuk bekerja di Wylam Colliery dekat Newcastle upon Tyne. Lokomotif ini adalah yang tertua yang diawetkan, dan dipajang secara statis di Science Museum, London.
George Stephenson
George Stephenson, mantan penambang yang bekerja sebagai ahli mesin di Killingworth Colliery, mengembangkan hingga enam belas lokomotif Killingworth, termasuk Blücher pada tahun 1814, satu lagi pada tahun 1815, dan (yang baru saja diidentifikasi) Killingworth Billy pada tahun 1816. Dia juga membangun The Duke pada tahun 1817 untuk Kereta Api Kilmarnock dan Troon, yang merupakan lokomotif uap pertama yang bekerja di Skotlandia.
Pada tahun 1825, Stephenson membangun Lokomotif No. 1 untuk Kereta Api Stockton dan Darlington, Inggris timur laut, yang merupakan kereta api uap publik pertama di dunia. Pada tahun 1829, putranya, Robert, membangun The Rocket di Newcastle, yang diikutsertakan dan memenangkan Rainhill Trials. Keberhasilan ini membuat perusahaan ini muncul sebagai pembangun lokomotif uap terkemuka yang digunakan di jalur kereta api di Inggris, Amerika Serikat, dan sebagian besar Eropa. Kereta Api Liverpool dan Manchester dibuka setahun kemudian dengan menggunakan tenaga uap secara eksklusif untuk kereta penumpang dan barang.
Amerika Serikat
Sebelum kedatangan impor dari Inggris, beberapa prototipe lokomotif uap domestik dibuat dan diuji di Amerika Serikat, termasuk prototipe miniatur John Fitch. Contoh ukuran penuh yang menonjol adalah "kereta uap" milik Kolonel John Steven yang didemonstrasikan di sebuah lintasan di Hoboken, New Jersey pada tahun 1825..
Banyak lokomotif paling awal untuk penggunaan komersial di jalur kereta api Amerika diimpor dari Britania Raya, termasuk pertama-tama Stourbridge Lion dan kemudian John Bull. Namun, industri pembuatan lokomotif dalam negeri segera didirikan. Pada tahun 1830, Tom Thumb dari Baltimore and Ohio Railroad, yang dirancang oleh Peter Cooper, merupakan lokomotif komersial buatan AS pertama yang beroperasi di Amerika; lokomotif ini dimaksudkan sebagai demonstrasi potensi traksi uap dan bukan sebagai lokomotif yang menghasilkan uang. DeWitt Clinton, yang dibangun pada tahun 1831 untuk Mohawk and Hudson Railroad, merupakan lokomotif awal yang terkenal.
Pada tahun 2021, John Bull yang asli dipamerkan secara statis di Museum Nasional Sejarah Amerika di Washington, D.C. Replikanya disimpan di Museum Kereta Api Pennsylvania.
Benua Eropa
Layanan kereta api pertama di luar Britania Raya dan Amerika Utara dibuka pada tahun 1829 di Prancis antara Saint-Etienne dan Lyon; pada awalnya terbatas pada traksi hewan dan diubah menjadi traksi uap pada awal tahun 1831, dengan menggunakan lokomotif Seguin. Lokomotif uap pertama yang beroperasi di Eropa di luar Prancis dinamai The Elephant, yang pada tanggal 5 Mei 1835 mengangkut kereta api di jalur pertama di Belgia, yang menghubungkan Mechelen dan Brussel.
Di Jerman, lokomotif uap pertama yang bekerja adalah mesin rack-and-pinion, mirip dengan Salamanca, yang dirancang oleh perintis lokomotif Inggris, John Blenkinsop. Dibangun pada bulan Juni 1816 oleh Johann Friedrich Krigar di Pabrik Besi Kerajaan Berlin (Königliche Eisengießerei zu Berlin), lokomotif ini berjalan di atas lintasan melingkar di halaman pabrik. Lokomotif ini adalah lokomotif pertama yang dibangun di daratan Eropa dan layanan penumpang bertenaga uap pertama; para pengunjung yang penasaran dapat menaiki gerbong yang tersedia dengan biaya tambahan. Lokomotif ini digambarkan pada lencana Tahun Baru untuk Royal Foundry tertanggal 1816. Lokomotif lain dibangun menggunakan sistem yang sama pada tahun 1817. Lokomotif ini akan digunakan di jalur kereta api di Königshütte dan di Luisenthal di Saar (sekarang bagian dari Völklingen), tetapi tidak ada yang dapat dikembalikan ke kondisi semula setelah dibongkar, dipindahkan, dan dirakit kembali. Pada tanggal 7 Desember 1835, Adler beroperasi untuk pertama kalinya antara Nuremberg dan Fürth di Jalur Kereta Api Ludwig Bavaria. Itu adalah mesin ke-118 dari lokomotif karya Robert Stephenson dan berada di bawah perlindungan paten.
Di Rusia, lokomotif uap pertama dibangun pada tahun 1834 oleh Cherepanovs, namun, lokomotif ini mengalami kekurangan batu bara di daerah tersebut dan digantikan dengan traksi kuda setelah semua hutan di dekatnya ditebang. Jalur kereta api uap Tsarskoye Selo Rusia pertama dimulai pada tahun 1837 dengan lokomotif yang dibeli dari Robert Stephenson and Company.
Pada tahun 1837, kereta api uap pertama dimulai di Austria dengan Kereta Api Utara Kaisar Ferdinand antara Wina-Floridsdorf dan Deutsch-Wagram. Mesin uap tertua yang masih beroperasi di dunia juga beroperasi di Austria: GKB 671 yang dibangun pada tahun 1860, tidak pernah berhenti beroperasi, dan masih digunakan untuk perjalanan khusus.
Pada tahun 1838, lokomotif uap ketiga yang dibuat di Jerman, Saxonia, diproduksi oleh Maschinenbaufirma Übigau di dekat Dresden, yang dibangun oleh Prof. Johann Andreas Schubert. Lokomotif pertama yang dirancang secara independen di Jerman adalah Beuth, yang dibangun oleh August Borsig pada tahun 1841. Lokomotif pertama yang diproduksi oleh Henschel-Werke di Kassel, Drache, dikirim pada tahun 1848.
Lokomotif uap pertama yang beroperasi di Italia adalah Bayard dan Vesuvio, yang beroperasi di jalur Napoli-Portici, di Kerajaan Dua Sisilia.
Jalur kereta api pertama yang melintasi wilayah Swiss adalah jalur Strasbourg-Basel yang dibuka pada tahun 1844. Tiga tahun kemudian, pada tahun 1847, jalur kereta api pertama yang sepenuhnya milik Swiss, Spanisch Brötli Bahn, dari Zürich ke Baden dibuka.
Australia
Alam kering di Australia selatan memberikan tantangan tersendiri bagi jaringan kereta api uap awal mereka. Konsentrasi magnesium klorida yang tinggi dalam air sumur (air bor) yang digunakan dalam boiler lokomotif di Jalur Kereta Api Trans-Australia menyebabkan masalah perawatan yang serius dan mahal. Tidak ada titik di sepanjang rutenya yang melintasi aliran air tawar permanen, sehingga air sumur harus diandalkan. Tidak ada perawatan yang murah untuk air yang sangat termineralisasi yang tersedia, dan ketel uap lokomotif hanya bertahan kurang dari seperempat dari waktu yang biasanya diharapkan. Pada masa lokomotif uap, sekitar setengah dari total beban kereta api adalah air untuk mesin. Operator jalur ini, Commonwealth Railways, merupakan pengguna awal lokomotif diesel-listrik.
Komponen
Ketel uap
Ketel pipa api adalah praktik standar untuk lokomotif uap. Meskipun jenis ketel lainnya dievaluasi, namun tidak banyak digunakan, kecuali sekitar 1.000 lokomotif di Hungaria yang menggunakan ketel Brotan tabung air.
Ketel uap terdiri dari kotak api tempat bahan bakar dibakar, tong tempat air diubah menjadi uap, dan kotak asap yang dijaga pada tekanan yang sedikit lebih rendah daripada di luar kotak api.
Bahan bakar padat, seperti kayu, batu bara atau kokas, dilemparkan ke dalam kotak api melalui pintu oleh petugas pemadam kebakaran, ke satu set kisi-kisi yang menahan bahan bakar di tempat tidur saat terbakar. Abu jatuh melalui jeruji ke dalam tempat abu. Jika bahan bakar yang digunakan adalah minyak, maka diperlukan pintu untuk mengatur aliran udara, merawat kotak api, dan membersihkan semburan minyak.
Ketel tabung api memiliki tabung internal yang menghubungkan kotak api ke kotak asap di mana gas pembakaran mengalir mentransfer panas ke air. Semua tabung bersama-sama menyediakan area kontak yang besar, yang disebut permukaan pemanas tabung, antara gas dan air di dalam boiler. Air boiler mengelilingi kotak api untuk menghentikan logam agar tidak menjadi terlalu panas. Ini adalah area lain di mana gas memindahkan panas ke air dan disebut permukaan pemanas kotak api. Abu dan arang terkumpul di kotak asap saat gas ditarik ke atas cerobong asap (cerobong atau cerobong asap di AS) oleh uap buangan dari silinder.
Tekanan di dalam ketel harus dipantau dengan menggunakan pengukur yang dipasang di dalam kabin. Tekanan uap dapat dilepaskan secara manual oleh pengemudi atau petugas pemadam kebakaran. Jika tekanan mencapai batas kerja desain boiler, katup pengaman akan terbuka secara otomatis untuk mengurangi tekanan dan menghindari kecelakaan yang dahsyat.
Uap buangan dari silinder mesin menyembur keluar dari nosel yang mengarah ke cerobong asap di kotak asap. Uap tersebut masuk atau menyeret gas-gas kotak asap yang mempertahankan tekanan yang lebih rendah di dalam kotak asap dibandingkan tekanan di bawah perapian. Perbedaan tekanan ini menyebabkan udara mengalir ke atas melalui lapisan batu bara dan menjaga api tetap menyala.
Pencarian efisiensi termal yang lebih besar daripada boiler tabung api biasa membuat para insinyur, seperti Nigel Gresley, mempertimbangkan boiler tabung air. Meskipun ia menguji konsep tersebut pada LNER Class W1, kesulitan selama pengembangan melebihi keinginan untuk meningkatkan efisiensi dengan rute tersebut.
Uap yang dihasilkan di dalam ketel tidak hanya menggerakkan lokomotif, tetapi juga digunakan untuk mengoperasikan perangkat lain seperti peluit, kompresor udara untuk rem, pompa untuk mengisi air di ketel dan sistem pemanas gerbong penumpang. Permintaan uap yang konstan membutuhkan penggantian air secara berkala di dalam ketel. Air disimpan di dalam tangki di tender lokomotif atau dililitkan di sekitar ketel jika menggunakan lokomotif tangki. Pemberhentian berkala diperlukan untuk mengisi ulang tangki; alternatif lainnya adalah sendok yang dipasang di bawah tender yang mengumpulkan air saat kereta melewati track pan yang terletak di antara rel.
Saat lokomotif menghasilkan uap, jumlah air dalam ketel terus dipantau dengan melihat ketinggian air dalam tabung transparan, atau kaca penglihatan. Pengoperasian ketel yang efisien dan aman memerlukan penjagaan ketinggian di antara garis-garis yang ditandai pada kaca penglihatan. Jika ketinggian air terlalu tinggi, produksi uap akan turun, efisiensi akan hilang dan air terbawa bersama uap ke dalam silinder, sehingga dapat menyebabkan kerusakan mekanis. Lebih serius lagi, jika ketinggian air terlalu rendah, lembaran mahkota (lembaran atas) kotak api menjadi terbuka. Tanpa air di atas lembaran untuk memindahkan panas pembakaran, lembaran ini akan melunak dan gagal, membiarkan uap bertekanan tinggi masuk ke dalam kotak api dan kabin. Pengembangan fusible plug, perangkat yang peka terhadap suhu, memastikan pelepasan uap yang terkendali ke dalam kotak api untuk memperingatkan petugas pemadam kebakaran agar menambahkan air.
Kerak menumpuk di dalam boiler dan mencegah perpindahan panas yang memadai, dan korosi pada akhirnya menurunkan material boiler ke titik di mana ia perlu dibangun kembali atau diganti. Penyalaan pada mesin besar mungkin memerlukan waktu berjam-jam untuk pemanasan awal air ketel sebelum uap yang cukup tersedia.
Meskipun ketel biasanya ditempatkan secara horizontal, untuk lokomotif yang dirancang untuk bekerja di lokasi dengan lereng yang curam, mungkin lebih tepat untuk mempertimbangkan ketel vertikal atau ketel yang dipasang sedemikian rupa sehingga ketel tetap horisontal tetapi rodanya dimiringkan agar sesuai dengan kemiringan rel.
Sirkuit uap
Uap yang dihasilkan di dalam ketel mengisi ruang di atas air di dalam ketel yang terisi sebagian. Tekanan kerja maksimumnya dibatasi oleh katup pengaman pegas. Kemudian dikumpulkan dalam tabung berlubang yang dipasang di atas permukaan air atau dengan kubah yang sering menjadi tempat katup pengatur, atau throttle, yang tujuannya adalah untuk mengontrol jumlah uap yang keluar dari ketel. Uap kemudian bergerak langsung di sepanjang dan menuruni pipa uap ke unit mesin atau dapat terlebih dahulu masuk ke header basah superheater, peran yang terakhir adalah untuk meningkatkan efisiensi termal dan menghilangkan tetesan air yang tersuspensi dalam "uap jenuh", keadaan saat meninggalkan boiler. Saat meninggalkan superheater, uap keluar dari header kering superheater dan melewati pipa uap, memasuki peti uap yang berdekatan dengan silinder mesin bolak-balik. Di dalam setiap peti uap terdapat katup geser yang mendistribusikan uap melalui port yang menghubungkan peti uap ke ujung ruang silinder. Peran katup ada dua: masuknya setiap dosis uap baru, dan pembuangan uap yang digunakan setelah selesai bekerja.
Silindernya bekerja ganda, dengan uap yang masuk ke setiap sisi piston secara bergantian. Pada lokomotif dua silinder, satu silinder terletak di setiap sisi kendaraan. Engkol diatur 90° di luar fase. Selama putaran penuh roda penggerak, uap memberikan empat langkah tenaga; setiap silinder menerima dua suntikan uap per putaran. Langkah pertama adalah ke bagian depan piston dan langkah kedua ke bagian belakang piston; oleh karena itu ada dua langkah kerja. Akibatnya, dua pengiriman uap ke setiap permukaan piston di dua silinder menghasilkan satu putaran penuh roda penggerak. Setiap piston dipasang ke poros penggerak di setiap sisi dengan batang penghubung, dan roda penggerak dihubungkan bersama dengan batang penghubung untuk menyalurkan daya dari penggerak utama ke roda lainnya. Perhatikan bahwa pada dua "pusat mati", ketika batang penghubung berada pada sumbu yang sama dengan crankpin pada roda penggerak, batang penghubung tidak memberikan torsi pada roda. Oleh karena itu, jika kedua crankset berada di "titik mati" pada saat yang sama, dan roda harus berhenti pada posisi ini, lokomotif tidak dapat mulai bergerak. Oleh karena itu, crankpins dipasang pada roda dengan sudut 90° satu sama lain, sehingga hanya satu sisi yang dapat berada di tengah pada satu waktu.
Setiap piston menyalurkan tenaga melalui crosshead, batang penghubung (batang utama di AS) dan crankpin pada roda penggerak (penggerak utama di AS) atau ke engkol pada gandar penggerak. Pergerakan katup di dalam ruang uap dikontrol melalui satu set batang dan penghubung yang disebut roda gigi katup, yang digerakkan dari poros penggerak atau dari engkol; roda gigi katup mencakup perangkat yang memungkinkan membalikkan mesin, menyesuaikan gerakan katup, serta waktu masuk dan keluarnya gas. Titik potong menentukan saat ketika katup memblokir port uap, "memotong" uap masuk dan dengan demikian menentukan proporsi langkah di mana uap masuk ke dalam silinder; misalnya, cut-off 50% menerima uap untuk setengah langkah piston. Sisa langkah didorong oleh kekuatan ekspansif uap. Penggunaan cut-off yang cermat memberikan penggunaan uap yang ekonomis dan pada gilirannya, mengurangi konsumsi bahan bakar dan air. Tuas pembalik (Johnson bar di AS), atau pembalik sekrup (jika dilengkapi), yang mengontrol cut-off, oleh karena itu, melakukan fungsi yang mirip dengan perpindahan gigi pada mobil - cut-off maksimum, yang memberikan upaya traksi maksimum dengan mengorbankan efisiensi, digunakan untuk menarik diri dari posisi diam, sementara cut-off serendah 10% digunakan saat jelajah, memberikan upaya traksi yang lebih sedikit, dan oleh karena itu konsumsi bahan bakar / air yang lebih rendah.
Uap buang diarahkan ke atas keluar dari lokomotif melalui cerobong asap, melalui nosel yang disebut blastpipe, sehingga menciptakan suara "chuffing" yang familiar dari lokomotif uap. Pipa sembur ditempatkan pada titik strategis di dalam kotak asap yang pada saat yang sama dilalui oleh gas pembakaran yang ditarik melalui ketel dan parut oleh aksi semburan uap. Penggabungan dua aliran, uap dan gas buang, sangat penting untuk efisiensi lokomotif uap, dan profil internal cerobong asap (atau, tepatnya, ejektor) memerlukan desain dan penyesuaian yang cermat. Hal ini telah menjadi objek studi intensif oleh sejumlah insinyur (dan sering diabaikan oleh orang lain, terkadang dengan konsekuensi bencana). Fakta bahwa aliran udara bergantung pada tekanan gas buang berarti bahwa pengiriman daya dan pembangkitan daya secara otomatis menyesuaikan diri. Di antara hal-hal lainnya, keseimbangan harus dicapai antara mendapatkan aliran udara yang cukup untuk pembakaran dan memberikan waktu yang cukup bagi gas buang dan partikel untuk dikonsumsi. Di masa lalu, aliran udara yang kuat dapat mengangkat api dari perapian, atau menyebabkan keluarnya partikel bahan bakar yang tidak terbakar, kotoran, dan polusi yang membuat lokomotif uap memiliki reputasi yang tidak menyenangkan. Selain itu, aksi pemompaan knalpot memiliki efek berlawanan dengan memberikan tekanan balik pada sisi piston yang menerima uap, sehingga sedikit mengurangi tenaga silinder. Merancang ejektor knalpot menjadi ilmu yang spesifik, dengan insinyur seperti Chapelon, Giesl dan Porta membuat peningkatan besar dalam efisiensi termal dan pengurangan yang signifikan dalam waktu perawatan dan polusi. Sistem serupa digunakan oleh beberapa produsen traktor bensin/minyak tanah awal (Advance-Rumely/Hart-Parr) - volume gas buang dilepaskan melalui menara pendingin, yang memungkinkan knalpot uap menarik lebih banyak udara melewati radiator.
Roda gigi berjalan
Roda gigi berjalan meliputi roda gigi rem, set roda, kotak as, pegas dan gerakan yang meliputi batang penghubung dan roda gigi katup. Transmisi daya dari piston ke rel dan perilaku lokomotif sebagai kendaraan, yang mampu melewati tikungan, titik, dan ketidakteraturan di lintasan, merupakan hal yang sangat penting. Karena daya bolak-balik harus diterapkan secara langsung ke rel dari 0 rpm ke atas, hal ini menimbulkan masalah daya rekat roda penggerak ke permukaan rel yang halus. Berat perekat adalah bagian dari beban berat lokomotif yang dibebankan pada roda penggerak. Hal ini menjadi lebih efektif jika sepasang roda penggerak mampu memaksimalkan beban gandarnya, yaitu bagian masing-masing dari berat perekat. Balok penyeimbang yang menghubungkan ujung pegas daun sering dianggap sebagai komplikasi di Inggris, namun, lokomotif yang dilengkapi dengan balok tersebut biasanya tidak terlalu rentan terhadap hilangnya traksi karena selip roda. Suspensi menggunakan tuas penyeimbang antara gandar penggerak, dan antara gandar penggerak dan truk, merupakan praktik standar pada lokomotif Amerika Utara untuk menjaga beban roda yang merata saat beroperasi di jalur yang tidak rata.
Lokomotif dengan perlekatan total, di mana semua roda digabungkan menjadi satu, umumnya kurang stabil pada kecepatan tinggi. Untuk mengatasi hal ini, lokomotif sering kali menggunakan roda pengangkut yang tidak bertenaga yang dipasang pada truk roda dua atau bogie roda empat yang dipusatkan oleh pegas/rocker terbalik/roller roda gigi yang membantu memandu lokomotif melalui tikungan. Roda ini biasanya menambah berat - silinder di bagian depan atau kotak api di bagian belakang - ketika lebarnya melebihi lebar rangka utama. Lokomotif dengan beberapa roda berpasangan pada sasis yang kaku akan memiliki gaya flensa yang tidak dapat diterima pada tikungan yang sempit sehingga menyebabkan keausan flensa dan rel yang berlebihan, penyebaran lintasan, dan tergelincirnya roda. Salah satu solusinya adalah dengan menghilangkan atau menipiskan flensa pada gandar. Yang lebih umum adalah dengan memberikan permainan ujung gandar dan menggunakan kontrol gerakan lateral dengan pegas atau perangkat gravitasi bidang miring.
Perusahaan kereta api umumnya lebih menyukai lokomotif dengan gandar yang lebih sedikit, untuk mengurangi biaya perawatan. Jumlah gandar yang dibutuhkan ditentukan oleh beban gandar maksimum dari jalur kereta api yang bersangkutan. Pembuat biasanya akan menambahkan gandar hingga berat maksimum pada satu gandar dapat diterima oleh pemuatan gandar maksimum kereta api. Lokomotif dengan susunan roda dua gandar utama, dua gandar penggerak, dan satu gandar belakang adalah mesin berkecepatan tinggi. Dua gandar utama diperlukan untuk memiliki pelacakan yang baik pada kecepatan tinggi. Dua gandar penggerak memiliki massa bolak-balik yang lebih rendah daripada tiga, empat, lima, atau enam gandar yang digabungkan. Dengan demikian, mereka dapat berbelok pada kecepatan yang sangat tinggi karena massa bolak-balik yang lebih rendah. Gandar belakang mampu menopang kotak api yang besar, oleh karena itu sebagian besar lokomotif dengan susunan roda 4-4-2 (American Type Atlantic) disebut kapal uap bebas dan mampu mempertahankan tekanan uap terlepas dari pengaturan throttle.
Sasis
Sasis, atau rangka lokomotif, adalah struktur utama tempat ketel uap dipasang dan yang menggabungkan berbagai elemen roda gigi. Ketel uap dipasang dengan kokoh di atas "pelana" di bawah kotak asap dan di depan laras ketel uap, tetapi kotak api di bagian belakang dibiarkan bergeser ke depan dan ke belakang, untuk memungkinkan pemuaian saat panas.
Lokomotif Eropa biasanya menggunakan "rangka pelat", di mana dua pelat datar vertikal membentuk sasis utama, dengan berbagai spacer dan balok penyangga di setiap ujungnya untuk membentuk struktur yang kaku. Ketika silinder bagian dalam dipasang di antara rangka, rangka pelat adalah satu pengecoran besar yang membentuk elemen pendukung utama. Kotak as roda bergeser ke atas dan ke bawah untuk memberikan suspensi pegas, pada jaring yang menebal yang terpasang pada rangka, yang disebut "hornblocks".
Praktik di Amerika selama bertahun-tahun adalah menggunakan rangka batang bawaan, dengan struktur pelana/silinder smokebox dan drag beam yang terintegrasi di dalamnya. Pada tahun 1920-an, dengan diperkenalkannya "negara adidaya", tempat tidur lokomotif baja tuang menjadi norma, menggabungkan rangka, gantungan pegas, kurung gerak, sadel kotak asap dan blok silinder ke dalam satu pengecoran tunggal yang kompleks, kokoh namun berat. Sebuah studi desain SNCF yang menggunakan rangka tubular yang dilas menghasilkan rangka yang kokoh dengan pengurangan berat sebesar 30%.
Bahan bakar dan air
Umumnya, lokomotif terbesar digabungkan secara permanen ke tender yang membawa air dan bahan bakar. Seringkali, lokomotif yang bekerja pada jarak yang lebih pendek tidak memiliki tender dan membawa bahan bakar di dalam bunker, dengan air yang dibawa di dalam tangki yang ditempatkan di sebelah ketel. Tangki bisa dalam berbagai konfigurasi, termasuk dua tangki di samping (tangki samping atau tangki pannier), satu di atas (tangki pelana) atau satu di antara rangka (tangki sumur).
Bahan bakar yang digunakan tergantung pada apa yang tersedia secara ekonomis untuk kereta api. Di Inggris dan bagian Eropa lainnya, pasokan batu bara yang melimpah menjadikannya pilihan yang jelas sejak masa-masa awal mesin uap. Hingga tahun 1870, mayoritas lokomotif di Amerika Serikat membakar kayu, namun seiring dengan pembukaan hutan di wilayah Timur, batu bara secara bertahap menjadi lebih banyak digunakan hingga menjadi bahan bakar yang dominan di seluruh dunia untuk lokomotif uap. Kereta api yang melayani operasi pertanian tebu membakar ampas tebu, produk sampingan dari penyulingan gula. Di Amerika Serikat, ketersediaan dan harga minyak yang murah menjadikannya bahan bakar lokomotif uap yang populer setelah tahun 1900 untuk jalur kereta api barat daya, khususnya Pasifik Selatan. Di negara bagian Victoria, Australia, banyak lokomotif uap yang dikonversi ke bahan bakar minyak berat setelah Perang Dunia II. Kereta api Jerman, Rusia, Australia, dan Inggris bereksperimen dengan menggunakan debu batu bara untuk menyalakan lokomotif.
Selama Perang Dunia 2, sejumlah lokomotif shunting uap Swiss dimodifikasi untuk menggunakan boiler yang dipanaskan secara elektrik, mengkonsumsi sekitar 480 kW daya yang dikumpulkan dari saluran udara dengan pantograf. Lokomotif ini secara signifikan kurang efisien dibandingkan lokomotif listrik; lokomotif ini digunakan karena Swiss mengalami kekurangan batu bara akibat Perang, tetapi memiliki akses ke pembangkit listrik tenaga air yang berlimpah.
Sejumlah jalur wisata dan lokomotif warisan di Swiss, Argentina, dan Australia telah menggunakan bahan bakar jenis diesel ringan.
Air dipasok di tempat pemberhentian dan depo lokomotif dari menara air khusus yang terhubung ke derek air atau gantry. Di Inggris, Amerika Serikat dan Prancis, palung air (track pans di Amerika Serikat) disediakan di beberapa jalur utama untuk memungkinkan lokomotif mengisi ulang pasokan air tanpa henti, dari air hujan atau lelehan salju yang memenuhi palung karena cuaca buruk. Hal ini dicapai dengan menggunakan "gayung air" yang dapat dipindahkan yang dipasang di bawah tender atau tangki air belakang pada mesin tangki besar; petugas pemadam kebakaran menurunkan gayung dari jarak jauh ke dalam palung, kecepatan mesin memaksa air masuk ke dalam tangki, dan gayung dinaikkan lagi setelah penuh.
Air sangat penting untuk pengoperasian lokomotif uap. Seperti yang dikatakan Swengel:
Air memiliki panas spesifik tertinggi dari semua zat yang umum; yaitu, lebih banyak energi panas yang disimpan dengan memanaskan air ke suhu tertentu daripada yang akan disimpan dengan memanaskan massa baja atau tembaga yang sama ke suhu yang sama. Selain itu, sifat menguap (membentuk uap) menyimpan energi tambahan tanpa meningkatkan suhu... air adalah media yang sangat memuaskan untuk mengubah energi termal bahan bakar menjadi energi mekanik.
Swengel selanjutnya mencatat bahwa "pada suhu rendah dan output boiler yang relatif rendah", air yang baik dan pencucian boiler secara teratur adalah praktik yang dapat diterima, meskipun pemeliharaan tersebut tinggi. Namun, ketika tekanan uap meningkat, masalah "pembusaan" atau "priming" berkembang di dalam boiler, di mana padatan terlarut di dalam air membentuk "gelembung berkulit keras" di dalam boiler, yang kemudian terbawa ke dalam pipa-pipa uap dan dapat meledakkan kepala silinder. Untuk mengatasi masalah ini, air panas yang mengandung mineral sengaja dibuang (dihembuskan) dari ketel secara berkala. Tekanan uap yang lebih tinggi membutuhkan lebih banyak pembuangan air dari ketel. Oksigen yang dihasilkan oleh air mendidih menyerang ketel, dan dengan meningkatnya tekanan uap, laju karat (oksida besi) yang dihasilkan di dalam ketel meningkat. Salah satu cara untuk membantu mengatasi masalah ini adalah pengolahan air. Swengel menyatakan bahwa masalah ini berkontribusi pada ketertarikan pada elektrifikasi rel kereta api.
Pada tahun 1970-an, L.D. Porta mengembangkan sistem canggih pengolahan air kimia tugas berat (Porta Treatment) yang tidak hanya menjaga bagian dalam ketel tetap bersih dan mencegah korosi, tetapi juga memodifikasi busa sedemikian rupa sehingga membentuk "selimut" padat pada permukaan air yang menyaring uap saat diproduksi, menjaganya tetap murni dan mencegah terbawanya air ke dalam silinder air dan bahan abrasif yang tersuspensi.
Beberapa lokomotif uap telah dijalankan dengan bahan bakar alternatif seperti minyak goreng bekas seperti Grand Canyon Railway 4960, Grand Canyon Railway 29, U.S. Sugar 148, dan Lokomotif Kereta Api Disneyland.
Disadur dari: en.wikipedia.org