Ηατμάμαξα (ή απλά "ατμομηχανή") αποτέλεσε τον πρώτο τρόπο έλξης σιδηροδρομικών συρμών. Ο όρος ατμομηχανή αναφέρεται σε οποιαδήποτε αυτοκινούμενη συσκευή που χρησιμοποιεί ως μέσο κίνησης τον ατμό.
Ως μέσο κίνησης η ατμάμαξα χρησιμοποιεί τον ατμό, ο οποίος παράγεται με θέρμανση νερού μετη χρήση άνθρακα, ξύλων ή πετρελαίου ως καυσίμου. Το υλικό αυτό καίγεται σε ειδικά διαμορφωμένο χώρο, τον θάλαμο καύσης (αγγλ. firebox) καιο ατμός παράγεται στον ατμολέβητα (αγγλ. boiler). Ο ατμός στη συνέχεια κινεί έμβολα, τα οποία μεταδίδουν την κίνηση στους τροχούς της ατμομηχανής. Καύσιμο υλικό και νερό φέρονται είτε επί της ίδιας της ατμάμαξας είτε σε ειδικά διαμορφωμένο βαγόνι, την εφοδιοφόρο, (κοινώς "καρβουνιέρα", αγγλ. tender) που σύρεται συζευγμένο πίσω από την ατμάμαξα.
Η χρήση των ατμαμαξών γενικεύτηκε σε παγκόσμια κλίμακα κατά το 19οκαι τις αρχές του 20ού αιώνα, με αλλεπάλληλες βελτιώσεις και προσθήκες, αλλά λόγω υψηλού κόστους συντήρησης και άλλων μειονεκτημάτων η χρήση τους άρχισε να περιορίζεται σταδιακά, καθώς ήδη από το 1930 είχαν αρχίσει να χρησιμοποιούνται άλλου τύπου κινητήριες μηχανές, γιανα εγκαταλειφθεί οριστικά στα τέλη της δεκαετίας του 1960. Σήμερα ορισμένες ατμάμαξες παραμένουν σε χρήση, κυρίως για τουριστικούς λόγους.
Η χρήση της ατμομηχανής ως μέσου προώθησης σιδηροδρομικών συρμών έγινε προσπάθεια να εκκινήσει όχι από τη Βρετανία, όπως ίσως είναι ευρύτερα γνωστό, αλλά από τις ΗΠΑ.[1]ΟΤζον Φιτς (John Fitch), μεταξύ 1780 και 1790, κατασκεύασε μια μικρή ατμομηχανή ως μοντέλο επίδειξης στην Κυβέρνηση τουΤζωρτζ Ουάσιγκτον. Η μικρή αυτή ατμομηχανή κυλούσε πάνω σε ξύλινες τροχιές και είχε την προεξέχουσα στεφάνη προς το εξωτερικό των τροχιών (και όχι προς το εσωτερικό, όπως αργότερα επικράτησε). Διέθετε ένα μικρό λέβητα από χαλκό και ένα μηχανισμό γνωστό ως "Grasshoper Lever" (αργότερα χρησιμοποιήθηκε ως μηχανισμός μετάδοσης σε ατμόπλοια) γιατη μετάδοση της κίνησης του εμβόλου στους τροχούς. Η μηχανή αυτή, λόγω του υπερσυντηρητισμού και της δυσπιστίας απέναντι στις εφευρέσεις που επικρατούσε τότε στις ΗΠΑ, παρέμεινε ξεχασμένη καιδε χρησιμοποιήθηκε ποτέ. Σήμερα εκτίθεται στοOhio Historical Society Museum.
Η πρώτη επιτυχημένη προσπάθεια χρήσης ατμομηχανής για σιδηροδρομική χρήση έγινε στηΜεγάλη Βρετανία στις αρχές του 19ου αιώνα. Ως τότε, ως μέσο ελκυσμού οχημάτων επί σιδηροτροχιών χρησιμοποιούνταν άλογα. Καθώς ηατμομηχανήτουΤζέιμς Βατ βελτιωνόταν, άρχισαν οι προσπάθειες χρήσης της γιατην έλξη οχημάτων επί σιδηροτροχιών. Το πρώτο σιδηροδρομικό δρομολόγιο με ατμομηχανή ως μέσο έλξης πραγματοποιήθηκε στις 21 Φεβρουαρίου 1804 με ατμομηχανή που είχε κατασκευάσει οΡίτσαρντ Τρέβιθικ (Richard Trevithick). Το δρομολόγιο κάλυψε απόσταση εννέα μιλίων από το σιδηρουργείο "Penydarren" μέχρι το κανάλι Μέρθιρ - Κάρντιφ (Merthyr-Cardiff Canal) της Νότιας Ουαλίας.[2] Αντίγραφο αυτής της ατμομηχανής εκτίθεται σήμερα στο "National Waterfront Museum".
Ακολούθησε, το 1812, η πρώτη εμπορικά επιτυχημένη ατμάμαξα τουΜάθιου Μάρεϊ (Matthew Murray), την οποία ο κατασκευαστής της επονόμασε "Salamanca". Ο Μάρεϊ πλήρωσε τα δικαιώματα χρήσης του σχεδίου του Τρέβιθικ και έκανε βελτιώσεις βασιζόμενος σε αυτό, προσθέτοντας έναν ακόμη κύλινδρο γιαπιο ομαλή λειτουργία και κατοχυρώνοντας αρκετές ευρεσιτεχνίες για επιμέρους εξαρτήματα.[3]
Σκίτσο της ατμομηχανής Rocketτου Τζορτζ Στέφενσον
Το 1825 εμφανίζεται η ατμάμαξα "Locomotion" τουΤζορτζ Στέφενσον (George Stephenson). Ήταν η πρώτη ατμάμαξα που προσαρμόστηκε σε σιδηρόδρομο μεταφοράς επιβατών. Ο Στέφενσον βελτίωσε την κατασκευή τουκαιτο 1829 παρουσίασε το διάδοχο της "Locomotion" που επονόμασε "Rocket". Η ατμάμαξα αυτή κέρδισε το διαγωνισμό έλξης σιδηροδρομικών συρμών που ήταν γνωστός ως "Rainhill Trials" (γιατην ακρίβεια ήταν η μόνη που ολοκλήρωσε τις δοκιμασίες του διαγωνισμού) επιτυγχάνοντας μέσο όρο ταχύτητας 19 km/h, ανώτατη ταχύτητα 48 km/h, όλα αυτά ρυμουλκώντας συρμό βάρους 13 τόνων. Μετη νίκη του αυτή ο Στέφενσον όχι μόνο κέρδισε το έπαθλο του διαγωνισμού (£500), αλλά και συμβόλαιο γιατην κατασκευή ατμαμαξών για λογαριασμό της εταιρείας "Liverpool & Manchester Railway". Ο Στέφενσον έγινε κατασκευαστής ατμαμαξών για τους σιδηροδρόμους τόσο της Βρετανίας, όσο και της ΕυρώπηςκαιτωνΗΠΑ.[4]Η εταιρεία "Liverpool & Manchester Railway" ξεκίνησε ένα χρόνο μετά την υπογραφή του συμβολαίου θέτοντας σε υπηρεσία τόσο φορτηγά όσο και επιβατηγά τραίνα.
Στις Ηνωμένες Πολιτείεςη πρώτη προσπάθεια υιοθέτησης ατμάμαξας γιατην έλξη συρμών έγινε το 1829 στηΒαλτιμόρη, με ατμάμαξα έλξης που επονομάστηκε "Tom Thumb", κατασκευασμένη από τον Πίτερ Κούπερ (Peter Cooper). Η ατμάμαξα αυτή διάνυσε μια απόσταση 13 μιλίων σε λιγότερο από μια ώρα, στις σιδηροτροχιές της εταιρείας "Baltimore & Ohio Railroad" (κάποια τμήματα της διαδρομής έγιναν σε δρόμο), έλκοντας ένα βαγόνι με 36 επιβάτες συνολικού βάρους 13 τόνων. Η όλη προσπάθεια έλαβε το χαρακτήρα περισσότερο επίδειξης παρά μελλοντικά κερδοφόρου επιχείρησης.[5] Ένα χρόνο αργότερα, εκτελέστηκε το πρώτο δρομολόγιο της "South Carolina Railroad" (25 Δεκεμβρίου 1830) με ατμάμαξα έλξης που επονομάστηκε "Best Friend of Charleston". Το δρομολόγιο που εκτελούσε είχε μήκος έξι μιλίων στοΤσάρλεστον της Νότιας Καρολίνα. Η ατμάμαξα αυτή είναι αξιομνημόνευτη καιγιατο γεγονός ότι προκάλεσε και ένα από τα πρώτα σιδηροδρομικά δυστυχήματα στις ΗΠΑ: Τον Ιούνιο του 1831 ο λέβητάς της εξερράγη και τραυμάτισε το μηχανοδηγό της και τους δύο μαύρους θερμαστές.[6]
Αυτά τα γεγονότα αποτέλεσαν την απαρχή της εποχής των σιδηροδρόμων στις ΗΠΑ. Αρχικά οι πρώτες ατμάμαξες εισάγονταν από την Αγγλία, σύντομα όμως άρχισε να αναπτύσσεται ανάλογη εγχώρια βιομηχανία, όπως η ατμάμαξα "DeWitt Clinton" που κατασκευάστηκε τη δεκαετία του 1830.[4]
Στην Ευρώπη (εκτός Βρετανίας) η πρώτη σιδηροδρομική γραμμή λειτούργησε στοΒέλγιο στις 5 Μαΐου 1835, μεταξύ των πόλεων ΜέχελενκαιΒρυξελλών. Η ατμάμαξα που χρησιμοποιήθηκε επονομάστηκε "The Elephant" (ελέφαντας).[7]
Στην Ελλάδα το πρώτο σιδηροδρομικό δίκτυο λειτούργησε το 1869, καλύπτοντας τη διαδρομή Αθήνα - Πειραιάς. Ανήκε στην «Εταιρία τουαπ' Αθηνών εις Πειραιά σιδηροδρόμου» και διέθετε μόνο δύο σταθμούς, αυτόν του Θησείου στην Αθήνα και αυτόν του Πειραιά, στο χώρο που βρίσκεται σήμερα ο σταθμός του ηλεκτρικού σιδηροδρόμου. Χρειάστηκε να περάσουν περισσότερα από 20 χρόνια γιανα αποκτήσει στοιχειώδες σιδηροδρομικό δίκτυο η Ελλάδα.[8]
Ο θάλαμος καύσης (αγγλ. firebox) είναι ο χώρος όπου καίγεται το καύσιμο που χρησιμοποιεί η ατμάμαξα γιατη θέρμανση του νερού καιτην παραγωγή ατμού. Το καύσιμο αυτό μπορεί να είναι κάποιας μορφής άνθρακας, ξύλα ή πετρέλαιο. Το σχήμα του θαλάμου καύσης είναι συνήθως παραλληλεπίπεδο (εξουκαιτο αγγλικό συνθετικό "box" (κουτί)). Ο θάλαμος καύσης στην πραγματικότητα αποτελείται από δύο "κουτιά", το ένα περικλειόμενο από το άλλο, που ονομάζονται, αντίστοιχα, εσωτερικός και εξωτερικός θάλαμος καύσης. Οι δύο αυτοί θάλαμοι συγκρατούνται μεταξύ τους από ειδικά μπουλόνια (αγγλ. stays), που φέρουν περιέλιξη καιστα δύο άκρα τους και βιδώνουν τόσο στον εσωτερικό όσο καιστον εξωτερικό θάλαμο καύσης. Όταν η αρμολόγηση των δύο θαλάμων ολοκληρωθεί, τα άκρα τους σφυρηλατούνται ώστε να παρέξουν πλήρη μόνωση. Τα μπουλόνια αυτά κατασκευάζονταν είτε από χαλκό (περισσότερο εύκαμπτα γιανα αντιμετωπίζουν τις ποικίλες διαστολές / συστολές, αλλά με μεγαλύτερο συντελεστή κόπωσης) είτε από χάλυβα (μεγαλύτερη αντοχή, μικρότερη ευκαμψία). Σημαντική βελτίωση προσέφερε η χρήση κράματος χαλκού - νικελίου, που επονομάστηκε "monel metal"[9]
Το υλικό των θαλάμων καύσης μπορεί να είναι χαλκός (ήταν αρχικά συνήθης πρακτική στις βρετανικές ατμάμαξες) αλλά στις ΗΠΑ αρχικά κατασκευάζονταν από σφυρήλατο σίδηρο ενώ αργότερα χρησιμοποιήθηκε χάλυβας, ο οποίος δοκιμάστηκε αρχικά και χρησιμοποιήθηκε στη συνέχεια από τον Αλεξάντερ Άλλαν (Alexander Allan) των Σκωτικών Σιδηροδρόμων γύρω στα 1860.
Ο εξωτερικός θάλαμος περιβάλλει τον εσωτερικό και, στην πραγματικότητα, είναι προέκταση του λέβητα. Ο εξωτερικός θάλαμος γεμίζει με νερό ώστε να γίνεται η μέγιστη δυνατή εκμετάλλευση της θερμότητας που παράγεται στον εσωτερικό. Από την πρόσθια όψη του εσωτερικού θαλάμου εκκινεί μια δέσμη σωλήνων, οι οποίοι διασχίζουν το λέβητα και καταλήγουν στην καπνοδόχη. Μέσω αυτών των σωλήνων διέρχονται τα θερμά καυσαέρια του θαλάμου καύσης πριν καταλήξουν στην καπνοδόχη όπου, μέσω του καπναγωγού θα περάσουν στον αέρα. [10]
Τα δύο τμήματα του θαλάμου καύσης συνενώνονται στη βάση τους μετον αποκαλούμενο "θεμελιώδη δακτύλιο" (αγγλ. foundation ring), ονομασία που προέρχεται από το σχήμα της απόθεσης αλάτων που παρατηρείται εκεί, εφόσον αυτό το τμήμα στην πραγματικότητα αποτελεί το χαμηλότερο τμήμα του λέβητα. Σε ορισμένους θαλάμους καύσης νερό υπάρχει και γύρω από τη βάση τους (με εξαίρεση, φυσικά, το σημείο όπου υπάρχει η εσχάρα εκκένωσης). Αυτού του τύπου οι θάλαμοι αποκαλούνται "υγροί θάλαμοι" (wet fireboxes) ενώ σε άλλους νερό δεν υφίσταται καθόλου στη βάση. Αυτοί είναι οι "ξηροί θάλαμοι" (dry fireboxes).[11]
Το σχήμα του θαλάμου καύσεως διαμορφώθηκε μετην πάροδο του χρόνου. Οι παλαιότεροι θάλαμοι είχαν μεγάλο μήκος αλλά ήταν σχετικά στενοί, καθώς έπρεπε να υπάρχει και εσχάρα απομάκρυνσης της στάχτης. πράγμα που δυσκόλευε την τροφοδοσία τους με καύσιμη ύλη (η τροφοδοσία αρχικά γινόταν χειροκίνητα), καθώς, παρά την κλίση του δαπέδου του θαλάμου καύσης, το καύσιμο συσσωρευόταν κοντά στη θυρίδα τροφοδοσίας στο πίσω μέρος του. Σε μεταγενέστερους σχεδιασμούς συναντούμε πλατύτερους θαλάμους καύσης με μικρότερες εσχάρες με παράλληλη τροποποίηση του πλαισίου της ατμάμαξας, το οποίο χαμήλωνε στο άκρο του θαλάμου καύσης. Σε ορισμένες βρετανικές σχεδιάσεις, ο θάλαμος καύσης είχε καμπύλες ακμές στενεύοντας στο κάτω άκρο του.
Θάλαμος καύσης (αριστερά) ενσωματωμένος στο λέβητα. Διακρίνονται οι σωλήνες διοχέτευσης καυσαερίων (οριζόντιοι) καιτα μπουλόνια προσαρμογής (κατακόρυφα μεταξύ λέβητα - θαλάμου καύσης). Στο δεξιό άκρο της εικόνας η καπνοδόχη μετον καπναγωγό
Στην οπίσθια όψη του θαλάμου καύσης υπάρχει μια θυρίδα, μέσω της οποίας ο θάλαμος τροφοδοτείται μετην καύσιμη ύλη. Κάτω από τη θυρίδα υπάρχει μια οπή, η οποία φράσσεται με συρόμενη θυρίδα, συνήθως από ειδικό πυρίμαχο γυαλί, μέσω της οποίας είναι δυνατή η παρακολούθηση της καύσης στο θάλαμο. Όταν η θυρίδα ανοίξει, παρέχει πρόσβαση γιατον καθαρισμό της στάχτης που έχει παραμείνει στο θάλαμο.[11]
Ο λέβητας είναι το τμήμα της μηχανής στο οποίο παράγεται ο ατμός. Πρέπει να είναι γεμάτος νερό σχεδόν μέχρι την κορυφή του. Όταν το νερό βράσει, ο ατμός που παράγεται συσσωρεύεται στο χώρο ανάμεσα στο άνω τμήμα του λέβητα και της στάθμης του νερού. Όταν συσσωρευτεί επαρκής ποσότητα ατμού, η πίεσή του αυξάνει, μέχρις ότου φθάσει ένα "ωφέλιμο σημείο". Ατμός βέβαια θα συνεχίσει να παράγεται μέχρις ότου η πίεση φθάσει στο μέγιστο επιτρεπτό όριο (καθορίζεται από τον κατασκευαστή του λέβητα και κυμαίνεται από 55 ως 300 psi). Γιανα συμβεί αυτό, όταν η ατμάμαξα πρόκειται να εκκινήσει, χρειάζονται από μία έως μερικές ώρες (χρόνος προθέρμανσης), πράγμα που αποτελεί το πρώτο μεγάλο μειονέκτημα της ατμάμαξας. Ο χώρος στον οποίο "αποθηκεύεται" ο έτοιμος προς χρήση ατμός ονομάζεται "ατμοδόμος" (steam dome), τον οποίο ο παρατηρητής μπορεί ναδει ως "εξόγκωμα" στο άνω μέρος του περιβλήματος του λέβητα.
Ατμοδόμος
Στο άνω μέρος του δόμου υπάρχει καιμια βαλβίδα ασφαλείας, η οποία ανοίγει αυτόματα όταν η πίεση του ατμού τείνει να υπερβεί τη μέγιστη τιμή της, εκτονώνοντας έτσι τον ατμό στην ατμόσφαιρα και εμποδίζοντας την έκρηξη του λέβητα. Η βαλβίδα αυτή, σύμφωνα μετην αρχική νομοθεσία περί ατμομηχανών στη Βρετανία, ήταν μία από αυτές πουδεν ήταν δυνατό να ελεγχθούν από το πλήρωμα της ατμάμαξας, αλλά λειτουργούσε αυτόματα.[5]Η πίεση του ατμού ήταν δυνατό να μετράται ανά πάσα στιγμή με μανόμετρο συνεχούς ένδειξης μέσα στο θάλαμο οδήγησης. Στον ατμοδόμο υπάρχει ένας ανεστραμμένος σίφωνας, ώστε να παρεμποδίζεται η είσοδος νερού πουδεν έχει ατμοποιηθεί, επειδή αν υγρό νερό εισέλθει στους κυλίνδρους των εμβόλων ή στις βαλβίδες, μπορεί να προκαλέσει σοβαρές ζημίες, καθώς είναι μη συμπιέσιμο. Στον ατμοδόμο βρίσκεται επίσης καιο ρυθμιστής ροής ατμού προς το έμβολο (αγγλ. throttle).[12]
Το κεντρικό τμήμα του λέβητα διασχίζεται από μια σειρά σωλήνων, κατασκευασμένων από μπρούντζο, χαλκό ή χάλυβα (αγγλ. flues = "μπουριά"). Μέσω αυτών των σωλήνων τα θερμά καυσαέρια από το θάλαμο καύσης διοχετεύονται στην καπνοδόχη, η οποία βρίσκεται στο αντιδιαμετρικό τμήμα του λέβητα σε σχέση μετο θάλαμο καύσης. Από την καπνοδόχη μέσω του καπναγωγού (κοινώς "φουγάρο", "καμινάδα" ή "τσιμινιέρα" (ο τελευταίος όρος χρησιμοποιείται περισσότερο στα ατμόπλοια), αγγλ. chimney, αμερ. stack) ο παραγόμενος καπνός διοχετεύεται στην ατμόσφαιρα.
Η πρόσθια και οπίσθια πλευρά του λέβητα απαρτίζονται από ειδικές πλάκες, στις οποίες μπορούν να προσαρμοστούν οι σωλήνες εξασφαλίζοντας έτσι τόσο τη δυνατότητα προσαρμογής τους όσο καιτη στεγανότητα του λέβητα. Η οπίσθια όψη στην πραγματικότητα είναι τμήμα του εσωτερικού θαλάμου καύσης, καθώς από εκεί θα διαφύγουν τα θερμά καυσαέρια. Οι πλευρές αυτές κατασκευάζονται από χαλκό στηΜ. Βρετανία, ενώ στις ΗΠΑ χρησιμοποιείται χάλυβας.
Στην παραδοσιακή του μορφή ο λέβητας είναι τέλειος κύλινδρος, δηλ. έχει σταθερή διάμετρο καθ' όλο το μήκος του. Σε μεταγενέστερες κατασκευές εμφανίστηκαν λέβητες των οποίων η διάμετρος σταδιακά μειωνόταν προς το πρόσθιο άκρο τους. Η σχεδίαση αυτή επέτρεπε να περιέχεται περισσότερο νερό στην οπίσθια πλευρά του λέβητα, όπου η εστία θέρμανσης είναι πιο ισχυρή.
Λόγω του πολύ μεγάλου μεγέθους του, ο λέβητας μπορεί να αποτελέσει τη βασική αιτία απωλειών θερμότητας. Γιατον περιορισμό των απωλειών αυτών ο λέβητας φέρει εξωτερικό μονωτικό περίβλημα. Αυτό αρχικά κατασκευαζόταν από ειδικά επεξεργασμένες ξύλινες σανίδες. Αργότερα χρησιμοποιήθηκε ως μονωτικό υλικό οαμίαντος. Σήμερα, πουη χρήση αμιάντου είναι εν γένει απαγορευμένη, χρησιμοποιούνται άλλα μονωτικά υλικά.[10]
Ο λέβητας δεν ήταν "μονοκόμματος". Για κατασκευαστικούς λόγους, το μέγιστο μήκος κάθε τμήματος δεν υπερέβαινε τα τρία μέτρα. Αν χρειαζόταν μεγαλύτερο μήκος λέβητα, τότε δύο ή περισσότερα τμήματα συναρμολογούνταν μεταξύ τους με στεφάνες που συγκρατούνταν στα άκρα κάθε τμήματος με ειδικά σιδηρόκαρφα (πριτσίνια), ειδικά καρφιά για μέταλλα με πεπλατυσμένη κεφαλή. Πολύ αργότερα τα σιδηρόκαρφα αντικαταστάθηκαν από ηλεκτροκολλήσεις.
Το αποτέλεσμα εκρηξης ατμάμαξας πιθανόν λόγω χαμηλής στάθμης νερού στο λέβητα. Ατμομηχανή τύπου Kitson, Βρετανία, περ. 1850
Γιανα παραμένει συνέχεια γεμάτος νερό ο λέβητας αντλούσε νερό (συνήθως αυτόματα) από τη δεξαμενή νερού (δεν βρισκόταν υπό πίεση). Η δεξαμενή αυτή έπρεπε να παραμένει συνεχώς γεμάτη. Τη στάθμη της μπορούσε να παρακολουθήσει το πλήρωμα της καμπίνας οδήγησης με όργανο συνεχούς ενδείξεως. Η πλήρωση της δεξαμενής γινόταν ανά τακτά χρονικά διαστήματα από ειδικές δεξαμενές νερού τοποθετημένες σε επιλεγμένες θέσεις της διαδρομής. Ανη στάθμη του νερού χαμήλωνε, ιδιαίτερα μέσα στο λέβητα, η θερμότητα από το θάλαμο καύσης ήταν δυνατό να προκαλέσει τήξη σε τμήμα του λέβητα, με συνέπεια τη διάνοιξη οπής, η οποία οδηγούσε σε έκρηξη του λέβητα, συχνά με ολέθρια αποτελέσματα τόσο γιατο πλήρωμα της καμπίνας όσο καιγιατον ίδιο το συρμό.
Ο λέβητας είναι συνήθως τοποθετημένος οριζόντια. Μόνο ατμάμαξες για ειδικές χρήσεις - έλξη σε πολύ απότομες κλίσεις - είχαν λέβητες τοποθετημένους κατακόρυφα ή και υπό γωνία.
Ο λέβητας είναι το τμήμα της μηχανής όπου παράγεται ο ατμός. Ανη ποσότητα του ατμού αυξηθεί, η πίεσή τουθα ξεπεράσει το όριο αντοχής των τοιχωμάτων του λέβητα και αυτός θα εκραγεί. Συνηθέστερη αιτία για παρόμοιες εκρήξεις αναφέρεται η χαμηλή στάθμη νερού σε αυτόν. Η "στέψη" (crown sheet) του θαλάμου καύσης καιτου λέβητα, δηλ. το περίβλημά τους, πρέπει να παραμένει πάντα καλυμμένο με νερό. Ανη στέψη δεν καλύπτεται από νερό, η παραγόμενη θερμότητα προκαλεί ημίτηξη (ορισμένες φορές και πλήρη τήξη) στο τμήμα αυτό καιο λέβητας εκρήγνυται. Αυτή είναι η βασική αιτία έκρηξης στους λέβητες των ατμαμαξών.[13]Μια από τις σφοδρότερες εκρήξεις συνέβη στοΚεντάκιτωνΗΠΑτο 1922: Ο βάρους 130 τόνων λέβητας εκτοξεύτηκε 180 μέτρα μακριά από την ατμάμαξα και καρφώθηκε σεμια ανισόπεδη διάβαση της εθνικής οδού. Καιτα δύο μέλη του πληρώματος βρήκαν το θάνατο[12], ενώ η καταστροφικότερη έκρηξη έγινε στις 18 Μαρτίου 1912 στοΣαν ΑντόνιοτουΤέξας όταν διαλύθηκε στην κυριολεξία ο σταθμός συντήρησης ατμαμαξών και μερικά τετράγωνα κατοικιών γύρω από αυτόν.[14]
Ατμάμαξα σε τομή. Διακρίνονται λέβητας, ατμοδόμος και, στο πρόσθιο τμήμα, η καπνοδόχη
Το πρόσθιο τμήμα μιας ατμάμαξας αποτελεί την καπνοδόχη. Όπως υποδηλώνει το όνομά της, είναι ο θάλαμος στον οποίο οδηγούνται τα αέρια της καύσης από το θάλαμο καύσης, συχνά υποβοηθούμενα από έναν ειδικό φυγοκεντρικό ανεμιστήρα, ώστε να διαφύγουν, μέσω του καπναγωγού (καμινάδας) στην ατμόσφαιρα. Στην καπνοδόχη καταλήγει, επίσης, καιο ατμός που έχει εκτονωθεί στον ατμοθάλαμο, μέσω ενός ειδικού σωλήνα. Η διαφυγή του ατμού προς την καπνοδόχη είναι που παράγει το χαρακτηριστικό ήχο μιας ατμάμαξας (γνωστό στη λαϊκή κουλτούρα ως "τσαφτσουφ"). Η διαφυγή του ατμού όσο καιη χρήση ανεμιστήρα γιατα καυσαέρια βοηθά στην καλύτερη διατήρηση της καύσης στο θάλαμο καύσης, καθώς λόγω της δημιουργούμενης υποπίεσης σε αυτόν αναρροφάται περισσότερος αέρας.
Η καύση στο θάλαμο καύσης απέχει πολύ από τονα είναι πλήρης, ειδικά αν χρησιμοποιείται άνθρακας κατώτερης ποιότητας ή ξύλο ως καύσιμη ύλη. Είναι, κατά συνέπεια, βέβαιο ότι στην καπνοδόχη μετην πάροδο του χρόνου θα συσσωρευτούν κατάλοιπα της καύσης (κυρίως στερεά σωματίδια άνθρακα, γνωστά ως "αιθάλη" ή "φούμο", τα οποία θα οδηγήσουν σε βαθμιαία απόφραξη του καπναγωγού. Γιατο σκοπό αυτό στο πρόσθιο άκρο της καπνοδόχης υπάρχει μια θυρίδα, σχετικά μεγάλου μεγέθους, στηριζόμενη σε στροφείς (μεντεσέδες). Περιοδικά, η θυρίδα αυτή ανοίγεται και ακολουθεί καθαρισμός της καπνοδόχης από τα συσσωρευμένα κατάλοιπα.
Ιδιαίτερα κατά τις πρώτες διαδρομές των σιδηροδρόμων στις ΗΠΑ, οι ατμάμαξες των οποίων χρησιμοποιούσαν κατά κύριο λόγο ξύλο ως καύσιμο, παρατηρήθηκαν συχνά φαινόμενα πυρπόλησης καλλιεργημένων ή μη εδαφών από τη διέλευση του συρμού. Οι πυρκαγιές αυτές προκαλούνταν από τους σπινθήρες που διέφευγαν από τον καπναγωγό μαζί μετον καπνό. Γιατο λόγο αυτό στην καπνοδόχη τοποθετήθηκε ένας "παγιδευτής σπινθήρων" (spark arrester). Αυτός δεν είναι τίποτα περισσότερο από ένα κυλινδρικό μεταλλικό πλέγμα, το οποίο εμποδίζει τη διαφυγή μεγάλων σπινθήρων μαζί μετον καπνό.[12] Ωστόσο η μελέτη σχεδίασης ενός τέτοιου πλέγματος δεν είναι ιδιαίτερα εύκολη, καθώς στον καπναγωγό εμφανίζονται ανεπιθύμητα θερμοδυναμικά φαινόμενα, τα οποία μειώνουν την αποδοτικότητα της μηχανής.
Στην καπνοδόχη, επίσης, στις πιο σύγχρονες ατμομηχανές, τοποθετήθηκε καιο υπερθερμαντής (superheater), μια διάταξη που παγιδεύει τον ατμό που έχει υποστεί εκτόνωση καιτον στέλνει ξανά στο λέβητα, ώστε να επαναθερμανθεί καινα ξαναχρησιμοποιηθεί. Ο υπερθερμαντής είναι ιδιαίτερα χρήσιμος σε ατμάμαξες μεγάλων αποστάσεων, καθώς εξοικονομεί καύσιμα και, κυρίως, νερό.
Πλαίσιο ατμομηχανής έτοιμο να δεχτεί τα επιμέρους εξαρτήματα. Ντονκάστερ, Βρετανία, 1928
Το πλαίσιο, γνωστότερο ως "σασί" είναι η βασική δομή στην οποία στηρίζονται όλα τα προηγούμενα μέρη καθώς καιτα διάφορα εξαρτήματα του συστήματος μετάδοσης. Ο λέβητας στηρίζεται σταθερά και άκαμπτα σεμια ειδική εσοχή του πλαισίου, που σχηματίζεται μεταξύ της καπνοδόχης καιτου κυλίνδρου του λέβητα, σε αντίθεση μετο θάλαμο καύσης, ο οποίος έχει τη δυνατότητα να ολισθαίνει προς τα εμπρός ή πίσω, γιατην αντιμετώπιση του φαινομένου της ισχυρής διαστολής / συστολής του.
Η σχεδίαση του πλαισίου διέφερε σημαντικά στους ευρωπαϊκούς τύπους σε σχέση με τους αμερικανικούς: Στην Ευρώπη το πλαίσιο της ατμάμαξας κατασκευαζόταν από δύο μεγάλες δοκούς, που σχημάτιζαν το κυρίως πλαίσιο και συνδέονταν μεταξύ τους με άλλες δοκούς, διαχωριστικά, κυλίνδρους και άλλα συναφή εξαρτήματα. Στην αμερικανική σχεδίαση αρχικά το κύριο σώμα του σασί το αποτελούσε ο ίδιος ο λέβητας. Η σχεδίαση αυτή άλλαξε γύρω στα 1920, οπότε υιοθετήθηκε η σχεδίαση τύπου "κλίνης", δηλ. ενός συστήματος από πλαίσια σφυρήλατου χάλυβα γιατη στήριξη του λέβητα, της ανάρτησης των τροχών, των βραχιόνων κίνησης, της καπνοδόχης καιτου θαλάμου καύσης. Το σύστημα ήταν πολύ ανθεκτικό αλλά και μεγάλου βάρους. Πολύ αργότερα έγινε προσπάθεια αντικατάστασης του συστήματος στερέωσης των πλαισίων με ειδικού τύπου οξυγονοκόλλησης αντί με ατσαλόκαρφα, που μείωνε κατά 30% το βάρος της κατασκευής, αλλά λόγω εγκατάλειψης της ατμάμαξας εγκαταλείφθηκε καιτο σύστημα αυτό.
Ο ατμός που παράγεται στον λέβητα συγκεντρώνεται αρχικά στο κενό διάστημα μεταξύ ανώτατου τοιχώματος του λέβητα και της στάθμης του νερού καιστη συνέχεια διοχετεύεται στον ατμοδόμο. Η μέγιστη πίεση του ατμού καθορίζεται από τον κατασκευαστή. Για λόγους ασφαλείας υπάρχουν βαλβίδες - με ελεγχόμενες από το πλήρωμα της ατμάμαξας - τόσο στο λέβητα όσο καιστον ατμοδόμο, ώστε η πίεση του ατμού ναμην υπερβεί το καθοριζόμενο από τον κατασκευαστή όριο σε κανένα σημείο. Στον ατμοδόμο υπάρχει μια ρυθμιστική βαλβίδα, ελεγχόμενη από τον μηχανοδηγό, η οποία ρυθμίζει την ποσότητα του ατμού πουθα φύγει από αυτόν (throttle). Ο ατμός, περνώντας από τη βαλβίδα εισέρχεται στον ατμοσωλήνα ο οποίος τον κατευθύνει στον ατμοθάλαμο. Σε ορισμένες βελτιωμένες ατμάμαξες ο ατμός μπορεί να περνά και από υπερθερμαντή, γιατη βελτίωση της θερμοδυναμικής του απόδοσης αλλά καιτην απαλλαγή του από τυχόν σταγονίδια υγρού νερού που διέφυγαν από το σίφωνα του ατμοδόμου. Στη συνέχεια, ο ατμός περνά στον ατμοθάλαμο, ο οποίος βρίσκεται (συνήθως) στο άνω μέρος του συστήματος κυλίνδρου - εμβόλου. Στον ατμοθάλαμο υπάρχει, υπό τύπο βαλβίδας, ένας ολισθαίνων σωλήνας, ο οποίος συνδέει τον ατμοθάλαμο είτε μετον κύλινδρο είτε μετο σωλήνα διαφυγής του "χρησιμοποιημένου" ατμού.
Από τον ατμοθάλαμο ο ατμός περνά στον κύλινδρο και, εκτονούμενος, ωθεί το έμβολο προς την αντίθετη φορά της πλευράς εισόδου του. Παράλληλα, μετη βοήθεια ενός συστήματος ράβδων, ο ολισθαίνων σωλήνας μετακινείται ανοίγοντας, μετά την εκτόνωση του ατμού, το σωλήνα απ' όπου αυτός απομακρύνεται, ενώ από την αντίθετη πλευρά εισέρχεται εκ νέου θερμός ατμός, που ωθεί ξανά το έμβολο προς την αντίθετη φορά. Μετον τρόπο αυτό είναι εκμεταλλεύσιμες καιοι δύο πλευρές του εμβόλου.[15]
Τα κινούμενα από ατμό μέρη της ατμάμαξας
Το έμβολο είναι συνδεδεμένο με μεταλλική ράβδο, η άκρη της οποίας στερεώνεται στον τροχό της ατμάμαξας. Περισσότεροι άξονες είναι δυνατό να συνδέουν τον κύριο κινητήριο τροχό με τους γειτονικούς του.
Η σχεδίαση και κατασκευή του συστήματος εμβόλων ήταν από τα πλέον δυσχερή σημεία των ατμαμαξών. Κατά τη συντήρησή τους απαιτούνταν εξονυχιστικός έλεγχος και ιδιαίτερα προσεκτική λίπανση σε συγκεκριμένα σημεία, καθώς μια σχετικά μικρή βλάβη σε αυτό το σύστημα ήταν δυνατό να ακινητοποιήσει την ατμάμαξα.
Όταν εκκινεί η ατμάμαξα είναι πιθανό το έμβολο να βρίσκεται σε τέτοια θέση πουο εισερχόμενος ατμός ναμην είναι δυνατό νατο ωθήσει περισσότερο (νεκρό σημείο). Αν αυτό συμβεί καιστον κύλινδρο της άλλης πλευράς, η ατμάμαξα δενθα είναι δυνατόν να εκκινήσει. Γιανα αποφευχθεί η πιθανότητα αυτή (δηλ. καιοι δύο κύλινδροι σε νεκρό σημείο) οι ράβδοι κάθε πλευράς διατάσσονται έτσι ώστε να παρουσιάζουν διαφορά φάσης 90ο. Έτσι, αντο ένα έμβολο βρίσκεται σε νεκρό σημείο, το άλλο θα βρίσκεται περίπου στη μέση της διαδρομής του.[16]
Δεν είναι όλοι οι τροχοί της ατμάμαξας κινητήριοι. Η κλάση μιας ατμάμαξας προσδιορίζεται ακριβώς από τους κινητήριους καιμη τροχούς με σημειογραφία που αποκαλείται "σημειογραφία Whyte". Ο συμβολισμός, π.χ., 2-8-4 καταδεικνύει ότι υπάρχουν δύο μη κινητήριοι τροχοί στο εμπρός τμήμα, οκτώ κινητήριοι στη συνέχεια και άλλοι τέσσερις μη κινητήριοι στο πίσω τμήμα. Ο αριθμός των τροχών που αναπαριστώνται στη σημειογραφία είναι ο συνολικός αριθμός (τροχοί καιτων δύο πλευρών).[17]Οιμη κινητήριοι τροχοί τις περισσότερες φορές είναι μικρότεροι από τους κινητήριους και χρησιμεύουν απλά ως υποστηρίγματα του βάρους της ατμάμαξας. Οι μεγαλύτεροι, κινητήριοι, τροχοί φέρουν ένα αντίβαρο, τοποθετημένο στην εσωτερική τους στεφάνη, ώστε να εξισορροπείται το "κτύπημα" (hammer blow) από την αρχική ώση του εμβόλου.
Οι ατμάμαξες διέθεταν ανεξάρτητο σύστημα πέδησης (φρένα), το οποίο συνίστατο από μεγάλα πέλματα κατασκευασμένα από υλικό τριβής, τα οποία κατά την πέδηση επενεργούσαν στην αύλακα των κινητήριων τροχών. Στα αρχικά στάδια της χρήσης συρμών, τα ελκόμενα οχήματα (βαγόνια) δε διέθεταν σύστημα πέδησης καιη τεχνική πέδησης, ιδιαίτερα σε φορτηγούς συρμούς, απαιτούσε ιδιαίτερες ικανότητες και συνεργασία θερμαστή - οδηγού. Χαρακτηριστικά αναφέρεται ότι προκειμένου να σταματήσει φορτηγός συρμός με βαγόνια χωρίς φρένα, η διαδικασία πέδησης ήταν δυνατό να αρχίζει και 10 χιλιόμετρα πριντη στάθμευση, καθώς έπρεπε να υπερνικηθεί η αδράνεια των βαγονιών. [18]Αν αυτό δε συνέβαινε η απότομη καιμη υπολογισμένη πέδηση ήταν εύκολο να οδηγήσει σε εκτροχιασμό. Αργότερα καιμετην εφεύρεση των φρένων αέρα ο οδηγός μπορούσε να ελέγξει την πέδηση τόσο στην ατμάμαξα όσο καιστα βαγόνια. Τα φρένα ενεργοποιούνταν αρχικά μετη βοήθεια ατμού από το λέβητα καιστην περίπτωση των αερόφρενων υπήρχε ένας αεροσυμπιεστής με ειδική δεξαμενή, ο οποίος επίσης λειτουργούσε με ατμό από το λέβητα. Το σύστημα αυτό είχαν υιοθετήσει κυρίως οι ατμάμαξες στις ΗΠΑ.
Παραλλαγή του αερόφρενου ήταν η πέδη κενού (vacuum brake): Σε αυτό το σύστημα ένας εξολκέας (ejector), επίσης ενεργοποιούμενος με ατμό, δημιουργούσε κενό (υποπίεση) ενεργοποιώντας έτσι τα πέλματα. Το σύστημα αυτό είχαν υιοθετήσει κυρίως οι βρετανικές ατμάμαξες.
Σε ορισμένες ατμάμαξες παρατηρείται ένα επιπλέον εξόγκωμα στο άνω μέρος του λέβητα, κοντά στον ατμοδόμο. Το "εξόγκωμα" αυτό στέγαζε την αμμοδόχο, ένα δοχείο στο οποίο περιεχόταν άμμος. Σε περιπτώσεις όπου απαιτείτο μεγάλη τριβή μεταξύ σιδηροτροχιών και τροχών, στις σιδηροτροχιές εκτοξευόταν άμμος, αυξάνοντας έτσι την τριβή. Η διάταξη αυτή ήταν ιδιαίτερα χρήσιμη σε σιδηροτροχιές υγρές (από βροχή) ή φέρουσες πάγο. Αμμοδόχους διέθεταν όλες οι ατμάμαξες (διαθέτουν καιοι σύγχρονοι συρμοί). Στις ΗΠΑη αμμοδόχος βρισκόταν επάνω στο λέβητα, στη Βρετανία βρισκόταν κοντά στους κινητήριους τροχούς.
Οι πρώτες ατμάμαξες διέθεταν μια βαλβίδα διαφυγής ατμού η οποία ήταν αρκετά "πρωτόγονη": Επρόκειτο για ένα βραχίονα που έφερε ένα εμφράκτη κωνικού σχήματος κοντά στο άκρο του ενώ ακριβώς στο άκρο του είχε αναρτημένο ένα βαρίδι. Όταν η πίεση του ατμού υπερνικούσε το βάρος του βαριδιού, ο βραχίονας ανασηκωνόταν, ο κωνικός εμφράκτης μετατοπιζόταν προς τα άνω καιο ατμός διέφευγε. Το βασικό μειονέκτημα αυτής της απλής βαλβίδας ήταν η αναπόφευκτη ταλάντωση του βαριδιού καθώς η ατμάμαξα βρισκόταν σε κίνηση, γεγονός που απελευθέρωνε τη βαλβίδα με συνακόλουθη απώλεια ατμού. Προβληματική ήταν, επίσης, η χρήση της σε διαδρομές με κλίσεις. Για τους λόγους αυτούς το αναρτημένο βαρίδι αντικαταστάθηκε από βαριά ράβδο περικλειόμενη από ελατήριο. Ωστόσο ο κίνδυνος αυτής της διάταξης ήταν ότι το πλήρωμα της ατμάμαξας μπορούσε να "μπειστον πειρασμό" να προσθέσει ένα επιπλέον βάρος στην άκρη του βραχίονα, γιανα αυξήσει την πίεση του ατμού καιτην ταχύτητα της ατμάμαξας. Γι' αυτό και σχεδόν από τα πρώτα βήματα της χρήσης ατμάμαξας εγκαταστάθηκε μια ακόμη βαλβίδα ασφαλείας, η οποία αποτελείτο από μια σφαίρα έμφραξης, καλυπτόμενη από ειδικό κάλυμμα, στην οποία το πλήρωμα δεν είχε δυνατότητα πρόσβασης. Στα τέλη της δεκαετίας του 1850 ο Βρετανός Τζον Ραμσμπότομ (John Ramsbottom) επινόησε μια βαλβίδα στην οποία δεν είχε πρόσβαση το πλήρωμα αλλά ακόμη καιαν αποκτούσε, μετην έμφραξή της η πίεση του ατμού μειωνόταν αντί να αυξηθεί.[19] Ανάλογη εφεύρεση έγινε και από τονΤζον Ρίτσαρντσον (George Richardson) το 1875 στις ΗΠΑ, η οποία άνοιγε μόνον όταν ο ατμός έφθανε τη μέγιστη προκαθορισμένη από τον κατασκευαστή πίεση και όχι βαθμιαία, όπως οι υπόλοιπες. Η βαλβίδα αυτή υιοθετήθηκε παγκοσμίως με εξαίρεση τις ατμάμαξες της Βρετανικής "Great Western Railway" (GWR).
Ο εγχυτής (injector) ήταν η συσκευή που τροφοδοτούσε το λέβητα με νερό. Το νερό του λέβητα καταναλώνεται, μετατρεπόμενο σε ατμό καιγι' αυτό ο λέβητας πρέπει να έχει σταθερή τροφοδοσία. Αρχικά η τροφοδοσία γινόταν με χειροκίνητες αντλίες ή με αντλία που λειτουργούσε παίρνοντας κίνηση από τους τροχούς. Αυτό όμως δημιουργούσε πρόβλημα όταν η ατμάμαξα σταματούσε, καθώς η αντλία έπαυε να λειτουργεί. Στα πρώτα στάδια χρήσης ατμαμαξών με τέτοιου τύπου εγχυτές οι γραμμές κάτω από τους κινητήριους τροχούς επαλείφονταν με γράσο καιοιμη κινητήριοι τροχοί σταθεροποιούνταν με "τάκους". Διοχετευόταν στη συνέχεια λίγος ατμός στο έμβολο ώστε να κινούνται οι τροχοί αλλά όχι καιη ατμάμαξα. Μετον τρόπο αυτό λειτουργούσε καιο εγχυτής και διατηρούσε την πληρότητα του λέβητα.
Το 1858 ο Γάλλος μηχανικός Ανρί Ζιφάρ (Henri Giffard) εφηύρε τον αυτόματο εγχυτή, ο οποίος απαρτιζόταν από μια σειρά σωλήνων που αναμίγνυαν νερό από τη δεξαμενή ή την εφοδιοφόρο με ατμό υπό πίεση από το λέβητα, κι έτσι το νερό ωθούνταν από τον ατμό από τη δεξαμενή στο λέβητα. Η ποσότητα του ατμού που διοχετευόταν στους σωλήνες του εγχυτή ελεγχόταν από ένα περιστροφικό ρυθμιστή στην καμπίνα οδήγησης. Αργότερα ο ατμός που δημιουργούσε στην πίεση δεν ήταν ο παραγόμενος στο λέβητα αλλά ο ήδη χρησιμοποιημένος από το έμβολο, πράγμα που μείωνε το λειτουργικό κόστος της ατμάμαξας.
Η αρχή λειτουργίας του εγχυτή βασίστηκε στο γεγονός ότι ο ατμός που διαφεύγει από ένα ακροφύσιο έχει μεγαλύτερη ταχύτητα από το ρεύμα νερού (υπό την αυτή πίεση) που διαφεύγει από το ίδιο ακροφύσιο. Ανστον ατμό διοχετευθεί ψυχρό νερό, ο ατμός αρχίζει να συμπυκνώνεται καιη ταχύτητά του αυξάνεται αρκετά ώστε να υπερνικήσει την πίεση του νερού που ήδη υπάρχει στο λέβητα κι έτσι νερό μπορεί να εισαχθεί στο λέβητα παρά την πίεση του εκεί υπάρχοντος νερού.[10]Σε ορισμένες ατμάμαξες χρησιμοποιήθηκε και μίγμα ατμού υπό πίεση και ατμού που είχε υποστεί εκτόνωση, ώστε να περιορίζεται το λειτουργικό κόστος αλλά καινα εξασφαλίζεται επαρκής πίεση γιατην πλήρωση του λέβητα.
Ο χειρισμός του εγχυτή ήταν αρκετά δύσκολος και απαιτούσε σχετικά υψηλή δεξιότητα από το χειριστή (συνήθως ήταν ο θερμαστής). Όταν η ατμάμαξα εκκινούσε, χρειαζόταν να επιτευχθεί η σωστή "ισορροπία" μεταξύ παρεχόμενου νερού και κατανάλωσής του προς ατμό. Η ισορροπία αυτή εξασφαλιζόταν με τις σωστές ρυθμίσεις πίεσης τόσο του νερού όσο καιτου ατμού. Βασικό σημείο ήταν η μόνιμη επικάλυψη του λέβητα με νερό: Αν υπήρχε λίγο νερό, εμφανιζόταν ο κίνδυνος τήξης κάποιου σημείου του θαλάμου καύσης ή του λέβητα (με συνακόλουθη την έκρηξή του), περισσότερο νερό σήμαινε ότι ο προς χρήση ατμός συμπαρέσυρε λεπτά διαμερισμένα σταγονίδια υγρού νερού στο έμβολο, με συνακόλουθο τη γρήγορη φθορά του.
Οι ατμάμαξες ήταν εφοδιασμένες με όργανα ένδειξης. Σε όλες υπήρχαν ενδείκτες γιατη στάθμη του νερού στο λέβητα (συνήθως διπλοί για λόγους ασφαλείας), την πίεση του ατμού στο λέβητα καιτην πίεση του αέρα στα φρένα. Κάποιες επίσης διέθεταν και πρόσθετα όργανα ενδείξεων γιατην πίεση του ατμού στο σύστημα υπερθέρμανσης, την πίεση του ατμού στον ατμοδόμο καιτη στάθμη νερού στη δεξαμενή.[10] Στις παλαιότερες ατμάμαξες δεν υπήρχε καθόλου μετρητής πίεσης ατμού στο λέβητα, καθώς αυτή ήταν δυνατό να υπολογιστεί (χονδρικά) από το βραχίονα της βαλβίδας ασφαλείας που έφθανε μέχρι την οπίσθια πλευρά του θαλάμου καύσης. Ορισμένοι από αυτούς τους βραχίονες έφεραν χαραγματιές βαθμονόμησης, αλλά από το 1849 υιοθετήθηκε ευρύτατα η χρήση μετρητή πίεσης. Μερικές ατμάμαξες διέθεταν επίσης και μετρητή πίεσης ατμού στον ατμοθάλαμο.
Μετρητές ένδειξης πίεσης ατμού και ρυθμιστικά τροφοδοσίας ατμού σε ατμομηχανή τύπου Blackmore Vale
Ένα από τα καθήκοντα του θερμαστή ήταν η τροφοδοσία του θαλάμου καύσης με καύσιμο. Η εργασία αυτή γινόταν συνήθως μετη βοήθεια ενός ειδικού πτύου (φτυαριού) μετο οποίο ο θερμαστής μετέφερε κάρβουνο από την εφοδιοφόρο ή το χώρο αποθήκευσής τουστο θάλαμο καύσης. Προς τα τέλη του 19ου αιώνα, όμως, και ιδιαίτερα στις ΗΠΑ, οι ατμάμαξες μεγάλωσαν τόσο ώστε η επαρκής τροφοδοσία τους με στερεό καύσιμο ήταν ανέφικτη μετο χέρι. Κατασκευάστηκαν ειδικοί μηχανισμοί τροφοδοσίας (stokers), οι οποίοι κινούνταν με ατμό, γιανα είναι δυνατή η επαρκής τροφοδοσία του θαλάμου καύσης με καύσιμο. Στις αρχές του 20ού αιώνα οι μηχανικοί τροφοδότες αποτελούσαν στάνταρ εξοπλισμό στις ατμάμαξες τωνΗΠΑ, της Αυστραλίας και της Νότιας Αφρικής.
Όταν οι συρμοί άρχισαν να διανύουν μεγαλύτερες αποστάσεις, οι εταιρίες σιδηροδρόμων εφοδίασαν τις ατμάμαξες με φώτα, ώστε ο οδηγός να μπορεί να βλέπει αν υπάρχουν εμπόδια στη γραμμή αλλά καιγιανα γίνεται αντιληπτή η ατμάμαξα όπου πλησίαζε. Τα φωτιστικά σώματα στην αρχή ήταν λάμπες ασετυλίνης, τα οποία αργότερα (γύρω στο 1880) αντικαταστάθηκαν από λαμπτήρες τόξου που λειτουργούσαν με ηλεκτρικό ρεύμα. Γιατο σκοπό αυτό υπήρχε μια μικρή ηλεκτρογεννήτρια που έπαιρνε κίνηση από τον ατμό της μηχανής και βρισκόταν κοντά στην καμπίνα στο επάνω μέρος του λέβητα. Ορισμένα φωτιστικά σώματα ήταν ιδιαίτερα ισχυρά. Η εγκατάσταση αυτών των φωτιστικών σωμάτων δεν υιοθετήθηκε από τη Βρετανία, καθώς θεωρήθηκε (μάλλον ορθά) ότι η χρήση τους θα εμπόδιζε τον οδηγό ναδει τις ασθενείς φωτεινές ενδείξεις των σημαφόρων (semaphores) που λειτουργούσαν με λαμπτήρες ασετυλίνης. Θεωρήθηκε, επίσης, ότι η απόσταση πέδησης ενός συρμού ήταν πολύ μεγαλύτερη από την απόσταση που κάλυπτε το φωτιστικό σώμα, ενώ οι γραμμές είχαν πλήρη σηματοδότηση και ήταν περιφραγμένες σε όλο τους το μήκος, εμποδίζοντας έτσι την πρόσβαση τόσο σε ζώα όσο καισε ανθρώπους. Τα μόνα φώτα που έφεραν οι ατμάμαξες ήταν μικρές λάμπες πετρελαίου, οι οποίες καταδείκνυαν την κλάση τους.
Προκειμένου να ειδοποιεί τους πεζούς όταν βρισκόταν σε αστικές περιοχές η ατμάμαξα έπρεπε να διαθέτει μια ηχητική συσκευή, παρά το γεγονός ότι η ατμάμαξα κατά τη λειτουργία της κάθε άλλο παρά αθόρυβη μπορούσε να χαρακτηριστεί. Ήδη από το 1835 θεσπίστηκε στην Πολιτεία της Μασαχουσέτης νόμος που υποχρέωνε όλες τις ατμάμαξες να έχουν μια συσκευή ηχητικής προειδοποίησης. Γιατο σκοπό αυτό εγκαταστάθηκαν μικρές καμπάνες (αγγλ. bells) στο άνω μέρος του λέβητα, που ενεργοποιούνταν με συρματόσχοινο από τον οδηγό. Η ένταση του ήχου που δημιουργούσαν οι καμπάνες ήταν επαρκής για μικρές αποστάσεις, δεν ήταν όμως καθόλου επαρκής σε περιστάσεις όπως πνοή ισχυρών ανέμων, διέλευση πλησίον δρόμων με πυκνή κυκλοφορία οχημάτων (μηχανοκίνητων ή ιπποκίνητων) την παρεμβολή φυσικών εμποδίων κτλ. Ως ηχητική σήμανση τοποθετήθηκε επιπλέον μια "σφυρίχτρα" (αγγλ. whistle) η οποία λειτουργούσε μετη διαφυγή μικρής ποσότητας ατμού και παρήγαγε ένα συριστικό ήχο, διακριτό από αρκετά μεγάλες αποστάσεις.<[12]
Οι ατμάμαξες σχετικά μικρών αποστάσεων μεταφέρουν το (στερεό) καύσιμο σεμια ειδική υποδοχή στο πίσω μέρος της καμπίνας, η οποία αποκαλείται "bunker" καιτο απαιτούμενο νερό σε ειδικές υδατοδεξαμενές στο πλάι ή επάνω από τον λέβητα. Οι ατμάμαξες αυτές αποκαλούνται "tank engines".
Αντίθετα, οι ατμάμαξες μεγάλων αποστάσεων, που απαιτούν μεγάλους χρόνους ανάμεσα σε διαδοχικούς ανεφοδιασμούς, χρησιμοποιούν την εφοδιοφόρο (tender), ένα μικρό ειδικό βαγόνι στο οποίο αποθηκεύεται τόσο η καύσιμη ύλη (στο πρόσθιο τμήμα του, ώστε να υπάρχει η δυνατότητα απευθείας τροφοδοσίας του θαλάμου καύσης) όσο καιτο απαιτούμενο νερό.
Ανεφοδιασμός ατμάμαξας με νερό σε σημείο υδροληψίας
Η καύσιμη ύλη εξαρτιόταν, κατά περιόδους, από τους διαθέσιμους πόρους σε κάθε χώρα. Στην Ευρώπη καιστη Βρετανία η χρήση του γαιάνθρακα ήταν η προφανής επιλογή. Αντίθετα, στις ΗΠΑη πλειοψηφία των ατμαμαξών χρησιμοποιούσαν ως καύσιμο το ξύλο μέχρι το 1870,[20] οπότε η χρήση του γαιάνθρακα γενικεύτηκε. Στις ΗΠΑη ανακάλυψη του πετρελαίου έκανε δημοφιλέστερο καύσιμο από τις αρχές του 1900 το βαρύ πετρέλαιο.
Συχνά γινόταν διάκριση καυσίμου ανάμεσα σε ατμάμαξες (ίδιου τύπου) ανάλογα μετοαν αυτές προορίζονταν για έλξη επιβατηγών ή φορτηγών συρμών. Οι επιβατηγοί συρμοί είχαν προτεραιότητα απέναντι στους φορτηγούς, μολονότι η ικανότητα έλξης που απαιτείτο για τους τελευταίους τις περισσότερες φορές ήταν μεγαλύτερη. Αυτό γινόταν με κύριο γνώμονα το οικονομικό κόστος.[18]
Σημαντικό στοιχείο της ατμάμαξας ήταν η τροφοδοσία της με νερό. Κατά μήκος μιας σιδηροδρομικής γραμμής υπήρχαν συγκεκριμένα σημεία (σημεία υδροληψίας) στα οποία σταματούσαν οι ατμάμαξες προκειμένου να πάρουν νερό. Γιατο σκοπό αυτό υπήρχαν ειδικές υδροδεξαμενές με κατάλληλες απολήξεις προκειμένου να γεμίσουν οι δεξαμενές της ατμάμαξας με νερό (water towers). Αργότερα εγκαταστάθηκαν στη Βρετανία, στη Γαλλία και στις ΗΠΑ ειδικές δεξαμενές (troughs), από τις οποίες μπορούσε να ανεφοδιαστεί η ατμάμαξα με νερό χωρίς να σταματήσει.[21]
Το σύνηθες πλήρωμα μιας ατμάμαξας περιλάμβανε τουλάχιστον δύο άτομα: Τον μηχανοδηγό (driver) καιτον θερμαστή (fireman). Ο μηχανοδηγός ήταν υπεύθυνος γιατην εκκίνηση, την ομαλή κύλιση καιτο σταμάτημα της ατμάμαξας (καιτου συρμού), ενώ ο θερμαστής ήταν υπεύθυνος γιατην τροφοδοσία του θαλάμου καύσης με καύσιμη ύλη, την πίεση του ατμού και τις στάθμες νερού τόσο στο λέβητα όσο και στις υδατοδεξαμενές. Τόσο η οδήγηση όσο και σωστή τροφοδοσία της ατμάμαξας απαιτούσαν ειδικές δεξιότητες από το πλήρωμα. Στη Βρετανία οι καλύτεροι μηχανοδηγοί προορίζονταν για τις επιβατηγές αμαξοστοιχίες, ώστε να διασφαλίζεται η μεγαλύτερη δυνατή άνεση στους επιβάτες. Στον αντίποδα, οι θερμαστές ήταν οι κύρια υπεύθυνοι γιατην πέδηση (φρενάρισμα) των εμπορικών αμαξοστοιχιών, καθώς για μεγάλο χρονικό διάστημα τα περισσότερα φορτηγά βαγόνια δεν διέθεταν δικό τους σύστημα πέδησης και έπρεπε να υιοθετηθεί ειδική τεχνική προκειμένου η εμπορική αμαξοστοιχία να σταματήσει με ασφάλεια - ο θερμαστής εκκινούσε τη διαδικασία πέδησης αποκόπτοντας ελαφρά την παροχή ατμού, πριν αναλάβει την πέδηση ο οδηγός. Το πλήρωμα της ατμάμαξας στεγαζόταν στην "καμπίνα" (cabin), η οποία στην αρχή ήταν ανοικτή, αργότερα όμως μετατράπηκε σε κλειστή, προκειμένου να προστατεύεται το πλήρωμα από τις καιρικές συνθήκες. Σε μεγάλες διαδρομές υπήρχε πάντα διπλό πλήρωμα προκειμένου να αντικαθίσταται το αρχικό περίπου στο μέσον της διαδρομής (σε ακόμη μεγαλύτερες διαδρομές η οδήγηση γινόταν με βάρδιες). Η καμπίνα σε ορισμένες ατμάμαξες επικοινωνούσε μετον υπόλοιπο συρμό μέσω ενός "διαδρόμου", χάρη στον οποίο η αλλαγή πληρώματος μπορούσε να γίνει χωρίς να χρειαστεί να σταματήσει ο συρμός, συνηθέστερα όμως η αλλαγή αυτή γινόταν σε κάποιο σταθμό.[18]
Ο συντηρητής ήταν υπεύθυνος γιατην προετοιμασία της ατμάμαξας πριν αυτή εκκινήσει. Συνήθως δεν εργαζόταν μόνος αλλά διέθετε μια μικρή ομάδα βοηθών. Αρμοδιότητά του ήταν η έναυση του καυσίμου στο θάλαμο καύσης, η λίπανση όλων των κινουμένων τμημάτων της μηχανής, η πλήρωση της αμμοδόχου με άμμο (όπου υπήρχε αμμοδόχος) και όφειλε να βεβαιώνεται ότι όλος ο εξοπλισμός που τυχόν θα χρειαζόταν από το πλήρωμα ήταν διαθέσιμος. Ήταν,επίσης, υπεύθυνος γιατην πλήρωση των αντίστοιχων δεξαμενών με νερό και καύσιμα καιτον καθαρισμό (ή το άδειασμα) του θαλάμου καύσης όταν η ατμάμαξα έφθανε στον προορισμό της. Συνήθως αποτελούσε την αρχική ειδικότητα του πληρώματος πριν αναλάβει καθήκοντα θερμαστή ή οδηγού.
Ήταν αρμόδιος να ελέγξει ανη ατμάμαξα ήταν κατάλληλη να εκκινήσει με συρμό. Στις περισσότερες περιπτώσεις δεν συμμετείχε στο ταξίδι της, αλλά μόνον ανη προβλεπόμενη διαδρομή ήταν μεγάλη. Ήταν υπεύθυνος γιατηνεν γένει καλή λειτουργία της ατμάμαξας, ανκαι ποτέ δεντην οδηγούσε. Οι αρμοδιότητές του κάλυπταν την καλή λειτουργία του λέβητα, των βαλβίδων, της βαλβίδας ρύθμισης ροής ατμού (throttle), της προειδοποιητικής σφυρίκτρας, των φρένων, των φωτιστικών σωμάτων καιτου μοχλού αναστροφής πορείας (όπισθεν). Αν συμμετείχε στο πλήρωμα, είχε υπό τις εντολές τουτον θερμαστή.[9]
Οι ατμάμαξες αυτές (αγγλ. fireless) δεν διαθέτουν θάλαμο καύσης και, φυσικά, δεν έχουν ούτε καύσιμα ούτε λέβητα ούτε καπνοδόχη (συχνά η "καμινάδα" που υπάρχει σε αυτές προορίζεται μόνο γιατη διαφυγή ατμού ή είναι διακοσμητική). Αντ' αυτών διαθέτουν θάλαμο αποθήκευσης συμπιεσμένου και έτοιμου προς χρήση ατμού, τον οποίο προμηθεύονται σε ειδικά σημεία εφοδιασμού (boiler plants). Οι περισσότερες ατμάμαξες αυτού του τύπου είχαν τον ατμοθάλαμο καιτο έμβολο τοποθετημένα κάτω από την καμπίνα οδήγησης. Η ακτίνα δράσης τέτοιων ατμαμαξών ήταν επαρκής για τους χώρους που προορίζονταν: Συνήθως χρησιμοποιήθηκαν σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις όπως βιομηχανίες χάρτου, χημικών προϊόντων, εκρηκτικών κτλ. όπου η τυχαία παρουσία ενός σπινθήρα θα μπορούσε να είναι καταστρεπτική. Ένας ακόμη πιο ειδικός τύπος αυτών των ατμαμαξών εμφανίστηκε στον υπόγειο τουΛονδίνουκαι διέθετε ένα ειδικό συμπυκνωτή (steam condenser), αποτελούμενο από μια σειρά παχέων σωλήνων, μέσα στους οποίους ο "χρησιμοποιημένος" ατμός συμπυκνωνόταν και αποθηκευόταν σεμια δεξαμενή υπό μορφή νερού. Οι λόγοι χρήσης αυτών των ατμαμαξών σε υπόγειες στοές (τούνελ) είναι προφανείς, καθώς δεν άφηναν παρά ίχνη ατμών να διαφύγουν στο περιβάλλον, στο οποίο διακινούνταν επιβάτες. Η σχετική νομοθεσία προέβλεπε ότι "οι ατμάμαξες οφείλουν να καταναλώνουν τον καπνό που παράγουν" (locomotives have to consume their own smoke).[22]
Καθώς η τεχνολογία εξελισσόταν, οι κατασκευαστές αντιλήφθηκαν ότι μεγάλο τμήμα της ενέργειας που κατανάλωνε η ατμάμαξα δαπανούνταν γιατην υπερνίκηση της αντίστασης του αέρα, ιδιαίτερα σε υψηλές ταχύτητες. Ως συνέπεια άρχισαν να εμφανίζονται ατμάμαξες με ειδικά διαμορφωμένο σχήμα ώστε να εμφανίζουν μικρότερο συντελεστή αεροδυναμικής αντίστασης, ενώ ο τρόπος κατασκευής κατά βάση παρέμενε ο ίδιος. Χαρακτηριστικές ατμάμαξες αυτού του τύπου ήταν η κλάση "Castle" (αναπτύχθηκε και χρησιμοποιήθηκε από την εταιρεία "Great Western Railway") καιη κλάση "Pacific" (αναπτύχθηκε και χρησιμοποιήθηκε από την εταιρεία "London and North Eastern Railway"). Ατμάμαξες αυτού του τύπου έφθασαν ταχύτητες 120 μιλίων / ώρα (195 km/h), ενώ η ατμάμαξα "Mallard" έφθασε τα 126 μίλια / ώρα (210 km/h) το 1935.[18]
Οι αρθρωτές ατμάμαξες (articulated locomotives) διέθεταν περισσότερες της μιας ατμομηχανές και ομάδες κινητήριων τροχών, καθεμιά από τις οποίες μπορούσε να εργάζεται ανεξάρτητα από την άλλη. Κατασκευάστηκαν γιατην παροχή περισσότερης ισχύος, ανκαιδεν ήταν ιδιαίτερα συνηθισμένες στην Ευρώπη, όσο στις ΗΠΑ.[23]Οι ατμάμαξες αυτές είχαν ειδικές χρήσεις, π.χ. την έλξη πολλών βαγονιών σε σιδηροτροχιές με κλειστές στροφές. Στη σημειογραφία Whyte η αρθρωτή ατμάμαξα συμβολίζεται με τέσσερις αριθμούς αντί τριών, π.χ. ο συμβολισμός 4-6+6-4 δείχνει ότι η ατμάμαξα διαθέτει τέσσερις υποστηρικτικούς τροχούς, έξι κινητήριους, έξι ακόμη κινητήριους και τέσσερις ακόμη υποστηρικτικούς ενώ το σύμβολο (+) δείχνει πως κάθε ομάδα είναι τοποθετημένη σε ξεχωριστό υποπλαίσιο.[22]
↑Thomas Tredgold, The steam engine: comprising an account of its invention and progressive improvement, printed for J. Taylor, 1827. Google books free edition
↑ 4,04,1Hamilton Ellis, The Pictorial Encyclopedia of Railways The Hamlyn Publishing Group, 1968
.jpg)
