蒸汽机车操作
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本书是操作功能性蒸汽机车的操作手册。这里描述的术语和程序将使人们能够安全地操作 19 世纪或 20 世纪的蒸汽机车，并将其安全地使用到未来。
为了有效、高效且安全地操作、燃火或驾驶机车，人们应该充分了解蒸汽机车的构造和产生运动的物理学原理，以及正常操作技术。
一种常见的后期（1940 年代）锅炉设计是径向撑杆延伸式平顶型机车锅炉，它由一个长方形的箱体和一个圆形的顶部组成，由钢板制成，连接到一个圆柱形部分，通常称为锅炉的筒体。包围火箱的那部分锅炉被称为外壳或外筒。火箱的形状与外壳或外筒的后端和两侧相对应，在火箱板和外壳板之间留出空间，使火箱被水包围。锅炉的前面或圆柱形部分包围着烟管，这些烟管在前面固定在前面烟管板上，在后面固定在内部或火箱烟管板上。
这种布置确保了火箱的所有部分以及烟管都被水完全包围，并且在火箱中燃烧燃料时，热量将通过烟管和火箱板传递到水中；未使用的气体和烟雾可以从火箱自由地通过烟管流入烟箱和烟囱。
烟箱是由锅炉的圆柱形部分延伸到前面烟管板以外形成的。锅炉外壳在顶部设有一个蒸汽穹顶，它形成一个腔室，蒸汽可以在那里收集并从锅炉中的水里分离出来，然后再通过节流阀进入汽缸。
机车锅炉中的烟管被称为火管，因为热量会穿过它们，而每个火箱中通常有四个拱管，被称为“水管”，因为火在外面，水会穿过它们。
火箱板和烟管构成了所谓的受热面。除了这个受热面外，许多锅炉中还有额外的过热器受热面，在蒸汽离开锅炉并从锅炉流向汽缸的过程中对其进行过热。比较烟管受热面积与火箱板面积发现，板受热面积仅占烟管受热面积的 5%，但火箱受热面积产生约 40% 的蒸汽。这一点应该记住。
在机车锅炉中，采用大量的细烟管而不是几个粗烟管，这是为了使从火箱流向烟箱的热量和气体分散开来，并与更大的烟管表面接触。如果使用粗烟管，大量的热量会在烟管中心通过，而不会与烟管表面接触，这种热量会流失并损失。大量细管还能使热量在锅炉外壳水空间中更均匀地分布。细烟管可以用更薄的材料制成，这使得热量更容易传递到包围烟管的水中。在延伸式平顶型机车锅炉中，后部或外壳的直径明显大于前部或圆柱形部分；而直顶式锅炉的外壳和圆柱形部分的直径几乎相同。因此，延伸式平顶型锅炉允许更大的蒸汽和水空间，并且在水产生泡沫的情况下具有更好的性能。
机车锅炉完全由钢制成，除了拉杆和撑杆，它们由铁制成。锅盖由称为径向撑杆支撑，这些撑杆从锅盖延伸到外部外包板。
一般使用三种常见的火箱设计。狭窄、深火箱，位于车架之间，并延伸到车架上轨以下。半宽、浅火箱，位于车架顶部，并延伸到车架上轨外缘。宽火箱，火箱宽度大于车架，两侧延伸到车架上轨以外，并位于车架上轨顶部或固定在车架顶部的膨胀支架上。
大型机车的燃烧室最初是为了其名称所暗示的目的而引入的，即为燃烧提供更大的火箱面积。随着机车尺寸越来越大，轴距越来越长，限制烟管长度成为一个问题。发现当烟管长度超过 21 或 22 英尺时，泄漏问题会明显增多，为了使烟管长度保持在这些范围内，就必须延长火箱，这可以通过将烟管区域延伸到锅炉内来实现。
除了允许使用更短的烟管外，燃烧室还具有另一个优点，即构成燃烧室的火箱板受热面比不使用燃烧室的更长的烟管受热面效率要高得多。
燃烧室还有助于保护烟管末端免受从火箱前端的炉篦向上吹来的冷空气，此外，它还为燃烧气体提供了一个较长的火焰通道，这对于使用燃油或含大量挥发性物质的煤炭来说特别有利。
当锅盖或火箱板没有被水覆盖时，它们在火箱内燃着旺火时会很快过热。如果由于任何原因没有在锅盖上保持水位，并且锅盖过热，必须立即熄灭或降低火势，并且在任何情况下都不应将冷水强行灌入锅炉。应该冷却锅炉，然后再尝试对其进行注水，因为在锅炉非常热的时候强行灌入冷水会导致锅炉各部分温度发生突然变化，并产生破坏性应力。
防止或减少破坏性应力和应变的幅度应该引起所有参与机车维护的人的注意。为了清楚、简单地说明破坏性应力的原因，应该充分理解金属体在温度发生变化时收缩或膨胀是不可阻挡的。火箱板因温度变化而膨胀或收缩是无法阻止的。它肯定会找到释放的途径，要么是自毁，要么是破坏阻碍其运动的障碍物。
机车锅炉或火箱的使用寿命在很大程度上取决于其在使用过程中的维护。在机车操作中不可能完全避免所有应力和应变，但可以减少应力发生的频率，并降低其幅度。换句话说，如果以某种方式减轻应变的严重程度，即使增加其发生的频率，故障之间的间隔也会延长，维修间隔也会延长，火箱和锅炉的使用寿命也会延长。
图 3 是图 1 所示锅炉的示意图，它阐明了金属在加热和冷却过程中发生的现象。可以注意到，锅炉被分成了几个部分。当锅炉内产生的蒸汽压力达到每平方英寸 200 磅时，可以发现锅炉膨胀了近一英寸，这表明金属在加热时会膨胀，而在冷却时会收缩。金属的膨胀和收缩会在锅炉的各个部位产生应力和应变，因此，重要的是要缓慢地产生这些应力，以确保加热或冷却的影响能够在整个锅炉中均匀分布，从而使膨胀或收缩在所有部件中尽可能均匀。
在机车静止的情况下，运行水 喷射器 或水泵会导致锅炉内部温度分布更加频繁和不均匀，并产生比其他任何原因都更具破坏性的应力。举例说明：机车锅炉在 190 psi 压力下，蒸汽温度为 383 华氏度（195 摄氏度）。这也对应着该蒸汽压力下的水温。当喷射器工作时，水通过喷射器进入锅炉的途中，温度从 160 华氏度升至 200 华氏度（71 摄氏度至 93 摄氏度）。因此，它比锅炉内水的温度低 183 华氏度至 223 华氏度（102 摄氏度至 124 摄氏度）。来自喷射器的水更冷，比锅炉内高温的水更重，因此进入锅炉后会向下流动，并一直向下流动，直到到达最低点。从喷射器进入锅炉的水的每立方英尺重量为 60 1/8 磅，而 190 psi 蒸汽压力或 383 华氏度下的水的每立方英尺重量为 54 1/4 磅，比从喷射器送入锅炉的 200 度水的重量轻 9%。这种重量差异清楚地说明了为什么较冷较重的水会寻求较低的位置并取代较热较轻的水。
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 |
- 快速参考水沸点（非蒸汽温度）在不同压力下的变化 - 水的沸点每增加一磅平方英寸压力就会升高 3 华氏度。例如：在海平面，水的沸点为 212 华氏度（100 摄氏度）。在海平面以上 +1 PSI，沸点会升高 3 华氏度，达到 215 华氏度（1.7 摄氏度，至 101.7 摄氏度）。在海平面以上 +5 PSI，水的沸点将为 227 华氏度（108.3 摄氏度）。以此类推。这就是为什么在海拔较高地区煮面条和烘焙食品的说明需要更长的烹饪时间，或在混合物中添加更多水的原因。
调车员每天负责准备机车投入运营。这通常包括点火、给蒸汽机车的所有润滑点加注润滑油和机油。在传统上，这是加入机车乘务员的起点。
此外，调车员还负责给机车加燃料和水，以及沙子和润滑油，并确保机车上提供所有必要的工具和信号设备。到达机车后，根据需要清洁或封存火室。
司炉负责维护机车锅炉的蒸汽压力。这是通过仔细调节火势，并定期给锅炉加水来实现的。加水是通过使用喷射器或给水泵来实现的。在没有工程师的情况下，司炉将负责机车的安全和保障。机车司炉不得在没有合格工程师的直接监督下操作机车。
工程师负责确保机车在任何机车移动之前和过程中都适合运行。工程师负责机车在公路上行驶的维护、加油和正常运行，以确保机车最省油，并对机械设备最友善。工程师控制机车的运行，但列车员控制列车的移动，两者都负责列车的安全运行。蒸汽汽笛、前照灯、节气门、空气制动器、反向杆和司炉通常在工程师的直接控制之下。
司炉的工作包括照管锅炉，确保始终有足够的蒸汽供工程师使用。当司炉熟练时，他们应该专注于高效操作，以节约燃料和水，并延长发动机寿命。这一点在 21 世纪尤为重要，因为运行的蒸汽机车很少，而且往往处于岌岌可危的财务状况。
机车的锅炉由钢合金制成，可以容纳数千加仑水。锅炉必须始终小心处理，因为它必须承受巨大的热量、压力和振动。司炉应该注意在安全允许的情况下尽量减少施加在锅炉上的热应力。
无火机车通常使用一个水箱（代替锅炉和火室），水箱内装有过热的水，当工作蒸汽的压力降低时，这些水会迅速变成蒸汽（参见上面的压力表）。无火机车需要在能够获得高于沸点的热水的区域运行，而由于安全原因，火是不允许使用的。它们主要用于工业或一组工业，由于这种限制，它们在干线上牵引列车并不常见。它们被防爆柴油机车或电力机车所取代。作者没有发现目前正在运行的无火机车的参考资料。
当美国向西部平原州扩张时，木柴燃烧机车在美国逐渐失宠，主要是因为木柴机车从燃料中获得的热能总量通常较低，以及平原州的森林稀少。
蒸汽时代燃油机车主要使用“重油”。（重油也称为 6 号油或 6 号油）。[1] 虽然一些现今保存完好的蒸汽机车（大约 2005 年）仍然使用重油，但大多数已改用各种替代燃料，因为重油难以找到、运输和储存。替代燃料包括 4 号燃油、煤油或柴油（有时是柴油/煤油混合物），其他燃料使用废机油。
无论使用哪种油，大多数机车都会将燃料储存在一辆位于煤水车的油箱中。油箱配备蒸汽加热盘管，用于在燃烧前对燃料进行加热。这样做是为了使燃油的粘度保持在燃油能够自由流入燃烧室的状态。重油非常粘稠，如果不预热就很难使用。
燃油机车的火炉由两个阀门控制：燃油阀控制燃油流向雾化器，雾化器阀控制蒸汽将燃油强制喷射成小液滴以便燃烧。
司炉工必须控制燃烧室内蒸汽、燃油和空气的量，以产生最有效的火焰来烧水。司炉工通过观察烟囱排出的烟雾颜色来判断火炉需要什么。浓厚的、难闻的黑色烟雾表明燃烧不充分，燃油过多。司炉工可以使用风门和鼓风机来增加通风量，或者减少注入燃烧器的燃油量。蓝色烟雾表明雾化器中输入了过多的蒸汽，他必须降低蒸汽压力。浅灰色烟雾表明调节良好，而完全没有烟雾则意味着火势过小，需要增加。
值得注意的是，在某些情况下，司炉工可能会因错误调节火炉而导致一系列空洞的轰鸣声或小爆炸。如果有人在此时打开炉门观看，会看到火焰被从燃烧器中撕裂并进入烟道。这也可能导致大量的烟尘沉积在烟道中，降低锅炉的效率。可以通过向燃烧室中投沙来清理烟尘，但这会导致烟道和任何过热器过度磨损。
- Semmens, P.W.B. 和 Goldfinch, A.J. (2000). 蒸汽机车的工作原理. 纽约牛津：牛津大学出版社. ISBN 978-0-19-860782-3.
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