thumbtime=0:07|thumb|Bioscoopjournaal uit 1923. Diverse stoomlocomotieven. Een stoomlocomotief is een locomotief die als energiebron een stoommachine gebruikt. Stoomlocomotieven waren gedurende circa een eeuw tot de opkomst van efficiëntere locomotieven als diesel- en elektrisch aangedreven treinen heer en meester op de sporen.
De belangrijkste onderdelen van de stoomlocomotief zijn: de stoomketel met aangebouwde vuurkist, het frame met de daarin gelagerde assen en de stoommachine met de stoomverdeling.
Werking Hoewel er diverse typen stoomlocomotieven zijn ontwikkeld, is de werking steeds gelijk. Uitzonderingen zijn hybride stoom- en diesellocomotieven en locomotieven met aandrijving door een snellopende stoommotor. Verder zijn er locomotieven die aangedreven worden door een stoomturbine.
Stoomvorming thumb|300px|Afb. 1: Indeling van stoomlocomotief De nummers in de volgende beschrijving verwijzen naar afbeelding 1. Een stoomlocomotief heeft een stalen frame, met daarop een cilindervormige stoomketel. Achter en onder de ketel (3), deels in het machinistenhuis (5), bevindt zich de vuurkist (1). Hierin wordt de brandstof verbrand. De rook stroomt door een groot aantal vlampijpen naar de rookkamer (4) en vandaar naar de schoorsteen. De schoorsteen is niet hoog, maar de afgewerkte stoom gaat hier ook langs en trekt de rook mee, zodat de schoorsteen toch goed trekt. De hitte van het vuur wordt rechtstreeks en via de vlampijpen afgegeven aan het water in de ketel. Door de verhitting verdampt het water en verandert het in stoom. Stoom neemt 1325 maal zoveel ruimte in als water, maar aangezien de ketel afgesloten is, kan de stoom niet expanderen en daardoor stijgt de druk, tot 15 à 20 bar.Hollingsworth, B. How to drive a steam locomotive, London 1979, p. 11 De stoom, die een temperatuur heeft van circa 200 graden, wordt verzameld in de bovenkant van de ketel, zo hoog mogelijk, zodat er geen waterdruppels meekomen, bij voorkeur in een aparte stoomdom (7), dat is een verhoging op de ketel. Bij de meeste moderne stoomlocs wordt die stoom nog extra verhit tot meer dan 300 graden Celsius door een oververhitter.
Daarvandaan gaat de stoom naar de cilinders (11), waarbij de stoomverdeling (13) zorgt voor de toevoer van stoom naar de cilinders (op het juiste moment en in de juiste hoeveelheden).
Apparatuur Om een stoomlocomotief goed te laten functioneren is een veelheid aan apparatuur nodig. Hiervan is (onder meer) te noemen: De veiligheidsklep (8), die bij een bepaalde druk in de ketel opengaat, stoom afblaast en daarmee de druk in de ketel beperkt. Gaat de klep open, dan is de druk maximaal en dan weet de stoker dat hij zijn werk goed heeft gedaan. De veiligheidsklep moet echter niet te vaak opengaan, want er gaat stoom mee verloren. De reeds genoemde stoomverdeling (13), die de stoom zo efficiënt mogelijk in de cilinders leidt. Tevens kan men hiermee de loc vooruit of achteruit laten rijden. De oververhitter (10), die de gevormde stoom droogt en verder verhit, waarmee een grotere expansiegraad wordt bereikt, hetgeen de efficiëntie verhoogt. De injecteur en de voedingspomp (21), die ervoor zorgen dat water in de ketel gepompt wordt. Bij sommige stoomlocs wordt het water eerst voorverwarmd door een voorverwarmer die zijn warmte krijgt van de afgevoerde stoom of rookgassen. De luchtpomp, voor de instandhouding van de druk in het remsysteem van de trein. De loodnagels. In de bovenwand van de vuurkist bevinden zich gaten die met loodnagels – loden proppen – zijn afgesloten. De loodnagels staan onder water en kunnen dus niet heter worden dan 200 graden (de temperatuur van het water bij een druk van 15 bar). Bevat de ketel te weinig water, dan smelten de loodnagels. De stoom blaast dan de vuurkist in en dooft het vuur. De stoker heeft dan wel wat uit te leggen, maar de schade blijft beperkt. De stoomfluit (23).
Brandstof Als brandstof wordt meestal steenkool gebruikt, maar soms ook stookolie, hout of bruinkool. Meestal moet de stoker de brandstof op het vuur scheppen, maar bij grotere kolengestookte stoomlocomotieven gebeurt de aanvoer van brandstof automatisch, door middel van een schroef van Archimedes, die door een eigen kleine stoommachine aangedreven wordt.
Verder is er water nodig. Dit wordt met een voedingspomp aangevoerd.
Het is de taak van de stoker erop te letten dat er steeds voldoende stoomdruk is.
Aandrijfmechanisme thumb|300px|Afb. 2: Schematische werking Walschaerts schaarbeweging In de cilinder bevindt zich een zuiger met dubbele werking: de zuiger wordt heen en weer geduwd door er beurtelings stoom voor en achter te blazen. De stoomschuif (6, afbeelding 2) zorgt ervoor dat de verse stoom (rood) beurtelings voor en achter de zuiger komt, terwijl de afgewerkte stoom (wit) aan de andere kant via de stoomschuif naar de schoorsteen wordt geleid.
De zuiger is met een drijfstang verbonden met een kruk op een wiel, waardoor de heen-en-weergaande beweging van de zuiger wordt omgezet in een draaiende beweging. De andere wielen zijn met koppelstangen met het aangedreven wiel verbonden.
Een aparte kruk (2) op het wiel zorgt via de schaar (1) voor het bedienen van de stoomschuif. De schaar is nodig om achteruit te kunnen rijden en men treft deze dan ook alleen aan op een locomotief, niet op de stoommachine in een fabriek. In de afbeelding beweegt de drijfstang (3) van de stoomschuif (6) tegengesteld aan de kruk, doordat de schaar (1) de beweging omkeert. Met hendel 8 kan de machinist de drijfstang (3) van de stoomschuif naar de onderkant van de schaar verplaatsen. De drijfstang beweegt dan in dezelfde richting als de kruk en de locomotief rijdt achteruit.
De afgewerkte stoom gaat via de rookkast (4, afbeelding 1) (aan de voorzijde van de locomotief) naar de schoorsteen. Een industriële stoommachine heeft vaak een zeer hoge schoorsteen die nodig is voor de trek. Bij een locomotief is een hoge schoorsteen niet haalbaar en wordt de trek veroorzaakt doordat de afgewerkte stoom de rookgassen meezuigt (zie venturi-effect).
Vanuit stilstand Op het eerste gezicht lijkt het onnodig dat de zuiger in de cilinder zowel heen als terug wordt geduwd. Door de snelheid zal de machine immers toch wel doorlopen. Het is dan echter niet mogelijk de machine vanuit stilstand in beweging te krijgen. Om ook vanuit het dode punt (als de zuiger in de uiterste positie staat) in beweging te kunnen komen, heeft een locomotief twee cilinders, een links en een rechts, met een faseverschil van 90°. Dit faseverschil blijft in stand doordat de zuigerstangen aan de wielen zijn gekoppeld, en doordat de aangedreven wielen samen op een as zijn geklemd. Er zijn ook locomotieven met drie of vier cilinders.
Bemanning De bemanning van de stoomlocomotief bestaat uit twee mensen, namelijk de machinist, die in Nederland (ook bij de hedendaagse diesel- en elektrische tractie) wordt aangesproken met “meester” en de stoker, officieel leerling-machinist. In sommige landen, bijvoorbeeld Rusland, worden ze door een derde bemanningslid, de machinisthelper, bijgestaan.
De machinist bedient de regulateur (met de lat) en de remkraan. De stoker zorgt ervoor, door de aanvoer van brandstof en water, dat de stoomdruk steeds voldoende is. De stoker heeft niet direct invloed op de beweging van de locomotief, al kan hij de locomotief tot stilstand laten komen door zijn werk slecht te doen. Is de stoker nog een beginner, dan zal de machinist toezicht op hem houden, loopt hij al wat langer mee, dan zal hij af en toe op de plaats van de meester plaats mogen nemen – hij is immers ook leerling-machinist en het is de bedoeling dat hij doorstroomt, een opleiding die tot wel zes jaar kon duren. Verder zorgt de stoker voor hand-en-spandiensten, zoals het bijvullen van kolen en water, het omleggen van wissels en het draaien van de draaischijf. Bij een onbeveiligde overweg kan hij uitstappen om het wegverkeer te waarschuwen.
Typen stoomlocomotief Bij de meeste stoomlocomotieven worden het water en de brandstof meegevoerd in een achter de locomotief aangekoppelde tender. Locomotieven waar water en brandstof op de locomotief zelf zijn, worden aangeduid als tenderlocomotieven. Meestal zijn dit kleinere locomotieven, voor gebruik op korte afstanden of op rangeerterreinen. Er zijn echter ook zware tenderlocomotieven gebouwd, bijvoorbeeld de NS 6300 van de Nederlandse Spoorwegen.
De meeste stoomlocomotieven hebben een enkelvoudig frame met daaronder de drijfassen, en soms ook een of meer loopassen met kleinere niet aangedreven wielen. Loopassen worden gebruikt om het gewicht over meer assen te verdelen, of om de rijeigenschappen bij hogere snelheden te verbeteren. Een nadeel is wel dat het adhesiegewicht van een locomotief daardoor wordt verlaagd, waardoor de trekkracht kleiner wordt. Loopassen zijn meestal in een een- of tweeassig draaistel opgenomen. Bij sommige stoomlocs is één loopas gecombineerd met één aandrijfas in een zogenoemd Kreuzdraaistel, maar meestal zijn de aangedreven assen vast gelagerd, waarbij de binnenste as(sen) zijdelings kunnen bewegen om de locomotief door bochten te kunnen laten rijden.
thumb|Loc 01 519, voorheen van de Deutsche Reichsbahn, in 2006 van de "Eisenbahnfreunde Zollernbahn"
Stoomlocomotieven worden primair onderverdeeld naar de asindeling: de volgorde van loop- en drijfassen. In Noord-Europa wordt het aantal loopassen met cijfers aangeduid en het aantal drijfassen met letters; in Frankrijk worden steeds cijfers gebruikt; in Angelsaksische landen wordt ieder wiel apart geteld, waarbij de volgorde voorste loopassen – drijfassen – achterste loopassen wordt aangehouden. Een locomotief met achtereenvolgens twee loopassen, drie drijfassen en één loopas, wordt volgens de eerste methode aangeduid als een 2-C-1, volgens de Franse methode als 231 en volgens de derde methode als een 4-6-2. In de loop der tijd zijn voor diverse types aparte namen in zwang geraakt: zo wordt dit type aangeduid als Pacific.
De asindeling hangt nauw samen met het doel van de locomotief. Een rangeerlocomotief zal de asindeling B of C hebben (twee of drie aangedreven assen, geen loopassen). De hierboven genoemde Pacific is een typische sneltreinlocomotief. Een locomotief voor de goederendienst zal meestal kleinere wielen hebben, waarmee, bij eenzelfde ketel, een grotere trekkracht bereikt wordt. Vier drijfassen komen bij een dergelijke locomotief vaak voor.
Behalve deze gebruikelijke vormen zijn er een aantal bijzondere bouwwijzen ontwikkeld waarbij de assen anders zijn ingedeeld. Te noemen valt de Malletlocomotief, waarbij de assen (ook de aangedreven assen) in twee groepen zijn verdeeld, waarvan de achterste vast aan het frame verbonden zijn, en de voorste enigszins kunnen draaien ten opzichte van het frame. Hierbij kon, bij eenzelfde minimale boogstraal, een sterkere locomotief worden ontworpen. Deze locomotieven zijn enerzijds in bergachtige gebieden ingezet, anderzijds zijn in de Verenigde Staten zeer grote en zware Malletlocomotieven gebouwd voor zware goederentreinen. Voorts kan de Garrattlocomotief genoemd worden, waarbij de ketel en het machinistenhuis op een centraal frame zijn geplaatst, en de assen (met de cilinders) in twee groepen verdeeld zijn, met eigen subframes. In de Verenigde Staten werden vooral in de bosbouw Shaylocomotieven ontwikkeld, waarbij aan één zijde diverse verticaal geplaatste cilinders een horizontaal geplaatste as aandreven die op haar beurt via een tandwieloverbrenging de in draaistellen geplaatste aandrijfassen aandreef.
Geschiedenis thumb|De Rocket uit 1829