Stoomlocomotief

Beluister +?

Een stoomlocotief is een type locomotief die als energiebron een stoommachine gebruikt.

De belangrijkste onderdelen van de stoomlocomotief zijn: de stoomketel met vuurhaard, het frame en de stoommachine met stangensysteem.

Inhoud 1 Werking 2 Typen stoomlocomotief 3 Geschiedenis 4 Afbeeldingen 5 Curiosa 6 Trivia 7 Noten

[bewerk] Werking

Hoewel er diverse typen stoomlocomotief zijn ontwikkeld, is de werking steeds identiek. Een stoomlocomotief heeft een stalen frame, met daarop een cilindervormige stoomketel. Achter de ketel (3; de nummers verwijzen naar de nummering op de eerste afbeelding), deels in het machinistenhuis (5), bevindt zich de vuurkist (4). Hierin wordt brandstof verbrand: meestal is dit steenkool, soms olie of hout. De hitte van dit vuur wordt deels rechtstreeks, en deels via een groot aantal vlampijpen die door de ketel lopen, afgegeven aan het water in de ketel. Dit water staat onder een druk van 15 tot 20 bar. Door de verhitting verdampt het water en verandert het in stoom. Door de omzetting in stoom vindt een sterke expansie plaats: stoom neemt 1325 maal zoveel ruimte in als water^[1]. De stoom, die een temperatuur heeft van circa 200 graden, wordt verzameld in de bovenkant van de ketel, of in een aparte stoomdom (7).

Daarvandaan gaat de stoom naar de cilinders (11), waarbij het stoomverdelingsmechanisme (12) zorgt voor de toevoer (op het juiste moment en in de juiste hoeveelheden). De stoom wordt beurtelings in de voor- en achterzijde van de cilinder geleid, waar de expansie van de stoom voor het bewegen van de zuiger zorgt. De stoomschuif (6, onderste afbeelding) zorgt ervoor dat de stoom beurtelings voor en achter de zuiger komt, terwijl de afgewerkte stoom aan de andere kant via de stoomschuif naar de schoorsteen wordt geleid.

Op het eerste gezicht lijkt het onnodig dat 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. Bij een automotor wordt hetzelfde probleem met een startmotor opgelost.

De heen-en-weergaande beweging van de zuiger wordt via een drijfstang omgezet in de draaiende beweging van de as waar de krukas mee verbonden is. De andere assen zijn met koppelstangen met deze as verbonden. Via de wielen wordt de locomotief voortbewogen.

Een aparte kruk (2) op het wiel zorgt via de schaar (1) voor het bedienen van de stoomschuif. 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, bovenste afbeelding) (aan de voorzijde van de locomotief) naar de schoorsteen. De trek van de schoorsteen fungeert als "blaasbalg" voor het vuur in de vuurkist.

Er zijn twee, drie of vier cilinders. Om te voorkomen dat de beide drijfstangen tegelijk op het "dode punt" staan, en de locomotief niet in beweging kan komen, zijn de posities van de drijfstangen op de aangedreven wielen steeds ten opzichte van elkaar verschoven (90 graden bij een locomotief met 2 of 4 cilinders, 120 graden bij een locomotief van drie cilinders).

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 opent, stoom afblaast en daarmee de druk in de ketel beperkt.
• het reeds genoemde stoomverdelingsmechanisme (13), dat de stoom zo efficiënt mogelijk in de cylinders leidt: dit is tot op zekere hoogte te vergelijken met de combinatie van het gaspedaal en de versnellingsbak in een auto.
• 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.
• 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 100 graden. Bevat de ketel te weinig water, dan smelten de loodnagels. De stoom blaast dan de vuurkist in en dooft het vuur.
• de fluit

Als brandstof wordt vooral steenkool gebruikt, maar soms ook stookolie en hout. 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.

De bemanning van de stoomlocomotief bestaat uit twee mensen, namelijk de machinist en de stoker. In sommige landen, bijvoorbeeld Rusland, werden ze door een derde bemanningslid, de zogenoemde machinisthelper bijgestaan.

[bewerk] Typen stoomlocomotief

Bij de meeste stoomlocomotieven wordt het water en de brandstof meegevoerd in een achter de locomotief hangende tender. Locomotieven waar water en brandstof op de locomotief zelf meegevoerd wordt 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 serie 6300 van de Nederlandsche Spoorwegen.

De meeste stoomlocomotieven hebben een enkelvoudig frame met daaronder de drijfwielen, en een of meerdere assen met (niet aangedreven) loopwielen.

Loopwielen worden gebruikt om het gewicht over meer assen te verdelen, of om de rijeigenschappen bij hogere snelheden te verbeteren. Loopwielen kunnen in een draaistel zijn opgenomen; drijfwielen meestal niet.

Stoomlocomotieven worden primair onderverdeeld naar de asindeling: de volgorde van loop- en drijfwielen. 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 loopwielen-drijfwielen-achterste loopwielen 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. (Dit is te vergelijken met de werking van de versnellingsbak van een auto: in een lage versnelling is er een grote trekkracht, maar een lagere snelheid.) Vier drijfassen komt bij een dergelijke locomotief vaak voor.

Behalve deze "standaard" locomotief zijn er een aantal bijzondere vormen ontwikkeld waarbij de assen anders zijn ingedeeld. Te noemen valt de Mallet-locomotief, waarbij de assen (ook de aangedreven assen) in twee groepen zijn verdeeld, waarvan de achterste vast aan het frame verbonden is, maar de voorste enigszins kan draaien ten omzichte van het frame. Hierbij kom, bij eenzelfde maximaal mogelijke boogstraal, een sterkere locomotief worden ontworpen. Deze locomotieven zijn enerzijds in bergachtige gebieden ingezet, anderzijds zijn in de Verenigde Staten zeer grote en zware Mallet-locomotieven gebouwd voor zware goederentreinen. Voorts kan de Garratt-locomotief genoemd worden, waarbij de ketel en het machinistenhuis op een centraal frame is geplaatst, en de assen (met de cylinders) in twee groepen verdeeld zijn, met eigen subframes.

[bewerk] Geschiedenis

De eerste stoomlocomotief ter wereld werd in 1804 door Richard Trevithick in Engeland gebouwd. Deze machine was vanwege vele kinderziekten niet praktisch toepasbaar. De eerste echt praktisch toepasbare stoomlocomotief werd The Rocket, gebouwd door spoorwegpionier George Stephenson en zijn zoon Robert Stephenson. Deze locomotief was een van de deelnemers aan de Rainhill Trials van 1829, een wedstrijd uitgeschreven door de directie van de (toen in aanleg zijnde) Liverpool & Manchester Railway. De Rocket was, van de vijf deelnemende locomotieven, de duidelijke winnaar. Opmerkelijk is de mate waarin deze locomotief reeds de "klassieke vorm" van een stoomlocomotief heeft.

Tegelijkertijd is opmerkelijk welke technische ontwikkeling de stoomlocomotief in de daarop volgende 100 jaar heeft doorgemaakt ten aanzien van snelheid, trekkracht en bedrijfszekerheid.

Ter illustratie hiervan volgt een tabel met prestaties van stoomlocomotieven op steeds hetzelfde traject, van Les Laumes naar de tunnel van Blaisy, met de snelheid bij doorkomst te Blaisy-Bas, even ten westen van Dijon^[2]:

Nr.	Jaar	Treingewicht (ton)	Gem. snelheid	Snelheid te Blaisy-Bas
220 C 62	1899	220	74,8	68,2
241-A1	1927	809	75,2	61,0
231 H 141	1933	430	109,2	98,4
241 C 1	1932	588	99,2	90,5
232 S 3	1941	710	111,2	99,2
240.P.5	1941	810	107,2	95,2
242 A 1	1948	743	114,2	112,2

De periode tot ongeveer de jaren '50-'60 van de 19e eeuw was de kindertijd van de stoomlocomotief. Vanaf het einde van 19e eeuw begon de "gouden eeuw" van de stoomlocomotief. In de jaren '30 van de vorige eeuw heeft de stoomlocomotief zijn hoogtepunt bereikt op technisch vlak. Op 3 juli van het jaar 1938 werd het absolute snelheidsrecord voor de stoomlocomotieven gezet: 203 km/h. Dit record werd gevestigd met een locomotief van de London & North Eastern Railway van het type A4, nr. 4468, Mallard, in de buurt van Grantham op de East Coast Main Line. Dit record staat nog steeds.

Enkele "mijlpalen" in de geschiedenis van de stoomlocomotief zijn:

• De Stephenson Patentee van 1834, die de eerste in grote aantallen gebouwde locomotief was, in diverse groottes: de eerste in Nederland gebruikte locomotief was van dit type
• de invoering van draaistellen, waarmee een rustige loop bij hogere snelheden kon worden bereikt
• de ontwikkeling van de compound- of dubbele expansie-machine, waarbij stoom eerst in een hogedrukcilinder expandeerde, en daarna in een lagedrukcilinder verder expandeerde: hiermee kon een groter rendement worden behaald
• experimenten met gestroomlijnde locomotieven in de jaren '30 van de 20e eeuw, die echter slechts gedeeltelijk een succes waren
• de extreem grote Mallet-locomotieven in de Verenigde Staten in de jaren '40 van de vorige eeuw

Na het einde van de Tweede Wereldoorlog werden stoomlocomotieven snel door diesel- en elektrische locomotieven verdrongen. Hierbij speelden volgende factoren een grote rol:

• een tekort aan kolen in sommige Europese landen, bijvoorbeeld Italië,
• het zeer lage rendement van de stoomlocomotief (niet meer dan 5% van de inde brandstof aanwezige energie wordt uiteindelijk in beweging omgezet), die relatief gezien de exploitatie van elektrische- en diesellocomotieven goedkoper maakte.
• het was ook onmogelijk om de stoomlocomotieven volgens de meerdere-eenheden-methode te laten werken (d.i. als meerdere samengekoppelde locomotieven door één machinist bestuurd worden),
• ook de slechte arbeidsomstandigheden van machinisten en stokers speelden hun rol.
• de lange tijd die nodig is om een stoomlocomotief bedrijfsgereed te maken (het vuur moet opgestookt worden en het water in de ketel tot de vereiste druk worden gebracht, hetgeen geruime tijd in beslag neemt), terwijl een diesel- of elektrische locomotief met "een druk op de knop" gereed staat
• de door stoomlocomotieven veroorzaakte vervuiling

In Europa en Noord-Amerika werden stoomlocomotieven in de loop van jaren '50 en '60 van de vorige eeuw buiten dienst gesteld: in Nederland in 1958, in België in 1966, in West-Duitsland in 1977, in Rusland begin jaren '80, in India werd de laatste stoomtrein gereden in 1996. Alleen in China en sommige Latijns-Amerikaanse landen (vooral Cuba) worden stoomlocomotieven nog op brede schaal toegepast. Ook dit loopt echter ten einde; in China is de inzet van stoomlocs in 2006 zo goed als beëindigd.

Er bestaan in Europa nog veel toeristische spoorwegen, waar bedrijfsvaardige stoomlocomotieven voor toeristische ritten gebruikt worden. Ook zijn er veel stoomlocomotieven te zien in diverse musea zoals het Nederlands Spoorwegmuseum te Utrecht.

• Zie ook: Lijst van toeristische spoorwegen en museumlijnen in Nederland.

[bewerk] Afbeeldingen

Replica eerste locomotief in Duitsland, type Stephenson Patentee

Duitse stroomlijnlocomotief BR 05, 1935

Mallet-locomotief van de Union Pacific, Big Boy, 1941-1944

[bewerk] Curiosa

Ondanks haar tekortkomingen t.o.v. diesellocomotief bleek in sommige gevallen de stoomlocomotief toch efficiënter te zijn, bijvoorbeeld de stoomlocomotief in de Andes die vervangen werd door een diesellocomotief met nominaal hetzelfde vermogen. Deze locomotief bleek niet in staat de trein naar boven te trekken... Dit bleek veroorzaakt te worden door de lagere luchtdruk op grote hoogte waardoor het vermogen van de diesellocomotief veel lager uitpakte dan de stoomlocomotief. Uiteindelijk bleek een diesellocomotief met een veel hoger vermogen nodig te zijn.

[bewerk] Trivia

Han G. Hoekstra heeft een kinderversje over de stoomlocomotief geschreven dat erg bekend is geworden:

De stoker en de machinist

Die hebben de trein, die hebben de trein,

De stoker en de machinist

Die hebben de trein gemist.

Dit liedje is gezongen in het ritme van de stoommachine.

[bewerk] Noten

1. ↑ Hollingsworth, B. How to drive a steam locomotive, London 1979, p. 11
2. ↑ Nock, O.S., Railways of Western Europe, London 1977, p. 210

Treinen
stoomtrein - elektrische trein - dieseltrein - hogesnelheidstrein - locomotief - rijtuig - wagen - motorrijtuig - treinstel

Meer afbeeldingen die bij dit onderwerp horen kunt u vinden in de categorie Steam locomotives van Wikimedia Commons.