locomotora de vapor

Los primeros ferrocarriles empleaban caballos para tirar de los carros a lo largo de las vías . ^{[ 14 ]} En 1784, William Murdoch , un inventor escocés , construyó un prototipo a pequeña escala de una locomotora de vapor para carretera en Birmingham . ^{[ 15 ] [ 16 ]} William Reynolds propuso una locomotora de vapor ferroviaria a escala real alrededor de 1787. ^{[ 17 ]} La autenticidad y la fecha de esta locomotora son cuestionadas por algunos expertos, y un tren de vapor funcional tendría que esperar a la invención de la máquina de vapor de alta presión por Richard Trevithick , quien fue pionero en el uso de locomotoras de vapor. ^{[ 18 ]}

La primera locomotora de vapor ferroviaria en funcionamiento a escala real fue la locomotora Coalbrookdale de 914 mm ( 3  pies ) de ancho de vía , construida por Trevithick en 1802. Fue construida para la fundición de hierro de Coalbrookdale en Shropshire , Reino Unido, aunque no se conserva ningún registro de su funcionamiento allí. ^{[ 19 ]} El 21 de febrero de 1804, tuvo lugar el primer viaje ferroviario registrado remolcado por vapor, cuando otra de las locomotoras de Trevithick remolcó un tren a lo largo del tranvía de 1321 mm ( 4 pies 4 pulgadas ) de ancho desde la fundición de hierro de Pen-y-darren , cerca de Merthyr Tydfil , hasta Abercynon en el sur de Gales. ^{[ 20 ] [ 21 ]} Acompañada por Andrew Vivian , funcionó con éxito mixto. ^{[ 22 ]} El diseño incorporó una serie de innovaciones importantes que incluían el uso de vapor a alta presión, lo que redujo el peso de la máquina y aumentó su eficiencia.     

Trevithick visitó la zona de Newcastle en 1804 y encontró una audiencia receptiva entre los propietarios e ingenieros de las minas de carbón. La visita fue tan exitosa que los ferrocarriles mineros del noreste de Inglaterra se convirtieron en el principal centro de experimentación y desarrollo de la locomotora de vapor. ^{[ 23 ]} Trevithick continuó sus propios experimentos de propulsión a vapor con otro trío de locomotoras, culminando con la Catch Me Who Can en 1808, la primera en el mundo en transportar pasajeros de pago.

En 1812, la exitosa locomotora de cremallera de dos cilindros Salamanca de Matthew Murray circuló por primera vez en el ferrocarril de cremallera y piñón de Middleton, con raíles laterales . ^{[ 24 ]} Otra locomotora temprana muy conocida fue Puffing Billy , construida entre 1813 y 1814 por el ingeniero William Hedley . Estaba destinada a trabajar en la mina de carbón de Wylam, cerca de Newcastle upon Tyne. Esta locomotora es la más antigua que se conserva y se exhibe de forma estática en el Museo de Ciencias de Londres .

Antes de la llegada de las importaciones británicas, algunos prototipos de locomotoras de vapor nacionales se construyeron y probaron en los Estados Unidos, incluido el prototipo en miniatura de John Fitch. Un modelo funcional temprano de una locomotora de vapor para ferrocarril fue diseñado y construido por el pionero de los barcos de vapor John Fitch en los EE. UU. durante 1794. ^{[ 26 ]} Algunas fuentes afirman que el modelo de Fitch ya era operativo en la década de 1780 y que él demostró su locomotora a George Washington . ^{[ 27 ]} Su locomotora de vapor utilizaba ruedas con aspas interiores guiadas por rieles o vías. El modelo aún existe en el Museo de la Sociedad Histórica de Ohio en Columbus, EE. UU. ^{[ 28 ]} Un ejemplo destacado de tamaño real fue el "vagón de vapor" del coronel John Steven, que se demostró en un circuito de vía en Hoboken, Nueva Jersey, en 1825. ^{[ 29 ]}

Muchas de las primeras locomotoras de uso comercial en los ferrocarriles estadounidenses fueron importadas de Gran Bretaña, incluyendo primero la Stourbridge Lion y luego la John Bull . Sin embargo, pronto se estableció una industria nacional de fabricación de locomotoras. En 1830, la Tom Thumb del ferrocarril Baltimore and Ohio , diseñada por Peter Cooper , ^{[ 30 ]} fue la primera locomotora comercial construida en EE. UU. en circular en el país; su propósito era demostrar el potencial de la tracción a vapor, más que generar ingresos. La DeWitt Clinton , construida en 1831 para el ferrocarril Mohawk and Hudson , fue una notable locomotora temprana. ^{[ 25 ] [ 31 ]}

A partir de 2021, el John Bull original estuvo en exhibición estática en el Museo Nacional de Historia Americana en Washington, DC ^{[ 32 ]} La réplica se conserva en el Museo del Ferrocarril de Pensilvania . ^{[ 33 ]}

En Alemania, la primera locomotora de vapor operativa fue una máquina de cremallera y piñón, similar a la Salamanca , diseñada por el pionero británico de la locomotora, John Blenkinsop . Construida en junio de 1816 por Johann Friedrich Krigar en la Real Fundición de Hierro de Berlín ( Königliche Eisengießerei zu Berlin), la locomotora circulaba por una vía circular en el patio de la fábrica. Fue la primera locomotora construida en la Europa continental y el primer servicio de pasajeros a vapor; los curiosos podían viajar en los vagones anexos pagando una tarifa. Aparece representada en una insignia de Año Nuevo de la Real Fundición, fechada en 1816. En 1817 se construyó otra locomotora con el mismo sistema. Ambas estaban destinadas a ser utilizadas en los ferrocarriles mineros de Königshütte y Luisenthal, en el Sarre (actualmente parte de Völklingen ), pero ninguna pudo volver a funcionar tras ser desmontada, trasladada y reensamblada. El 7 de diciembre de 1835, la locomotora Adler circuló por primera vez entre Núremberg y Fürth en el ferrocarril bávaro Ludwig . Era la locomotora número 118 de la fábrica de Robert Stephenson y estaba protegida por patente. ^{[ 34 ]}

En Rusia , la primera locomotora de vapor fue construida en 1834 por Cherepanovs ; sin embargo, sufrió las consecuencias de la escasez de carbón en la zona y fue reemplazada por tracción animal tras la tala de todos los bosques cercanos. El primer ferrocarril de vapor ruso, el Tsarskoye Selo, comenzó a operar en 1837 con locomotoras adquiridas a Robert Stephenson and Company .

En 1837, se inauguró en Austria el primer ferrocarril de vapor, el Ferrocarril del Norte Emperador Fernando, entre Viena-Floridsdorf y Deutsch-Wagram . La locomotora de vapor en funcionamiento continuo más antigua del mundo también opera en Austria: la GKB 671, construida en 1860, nunca ha sido retirada del servicio y todavía se utiliza para excursiones especiales.

En 1838, la tercera locomotora de vapor construida en Alemania, la Saxonia , fue fabricada por la Maschinenbaufirma Übigau cerca de Dresde , bajo la dirección del profesor Johann Andreas Schubert . La primera locomotora de diseño independiente en Alemania fue la Beuth , construida por August Borsig en 1841. La primera locomotora producida por Henschel-Werke en Kassel , la Drache , fue entregada en 1848.

Las primeras locomotoras de vapor que operaron en Italia fueron la Bayard y la Vesuvio , que circulaban por la línea Nápoles-Portici , en el Reino de las Dos Sicilias.

La primera línea ferroviaria que atravesaba territorio suizo fue la línea Estrasburgo - Basilea , inaugurada en 1844. Tres años más tarde, en 1847, se inauguró la primera línea ferroviaria totalmente suiza, la Spanisch Brötli Bahn , que unía Zúrich con Baden.

La naturaleza árida del sur de Australia planteó desafíos particulares a su red inicial de locomoción a vapor. La alta concentración de cloruro de magnesio en el agua de pozo ( agua de pozo ) utilizada en las calderas de las locomotoras del Ferrocarril Transaustraliano causó graves y costosos problemas de mantenimiento. En ningún punto de su ruta la línea cruza un curso de agua dulce permanente, por lo que se tuvo que depender del agua de pozo. No había disponible un tratamiento económico para el agua altamente mineralizada, y las calderas de las locomotoras duraban menos de una cuarta parte del tiempo normalmente esperado. ^{[ 35 ]} En los tiempos de la locomoción a vapor, aproximadamente la mitad de la carga total del tren era agua para la máquina. El operador de la línea, Commonwealth Railways , fue uno de los primeros en adoptar la locomotora diésel-eléctrica .

La caldera de tubos de fuego era la práctica habitual en las locomotoras de vapor. Aunque se evaluaron otros tipos de calderas, no se utilizaron ampliamente, salvo en unas 1000 locomotoras de Hungría que empleaban la caldera de tubos de agua Brotan .

Una caldera consta de una cámara de combustión donde se quema el combustible, un cilindro donde el agua se convierte en vapor y una caja de humos que se mantiene a una presión ligeramente inferior a la del exterior de la cámara de combustión.

El combustible sólido, como la madera, el carbón o el coque, se introduce en el hogar a través de una puerta, ya sea por un fogonero , sobre unas rejillas que lo mantienen en una capa compacta mientras arde, o, en algunos casos, mediante un alimentador mecánico. Las cenizas caen a través de la rejilla a un cenicero. Si se utiliza petróleo como combustible, se necesita una puerta para regular el flujo de aire, mantener el hogar y limpiar los inyectores de petróleo.

La caldera de tubos de fuego tiene tubos internos que conectan el hogar con la caja de humos, a través de los cuales fluyen los gases de combustión transfiriendo calor al agua. Todos los tubos en conjunto proporcionan una gran superficie de contacto, denominada superficie de calentamiento de los tubos, entre el gas y el agua de la caldera. El agua de la caldera rodea el hogar para evitar que el metal se caliente demasiado. Esta es otra área donde el gas transfiere calor al agua y se denomina superficie de calentamiento del hogar. Las cenizas y el carbón se acumulan en la caja de humos a medida que el gas asciende por la chimenea ( o chimenea de humos en EE. UU.) impulsado por el vapor de escape de los cilindros.

La presión en la caldera debe controlarse mediante un manómetro de vapor instalado en la cabina. El conductor o el fogonero pueden liberar la presión manualmente. Si la presión alcanza el límite de funcionamiento de diseño de la caldera, una válvula de seguridad se abre automáticamente para reducirla ^{[ 36 ]} y evitar un accidente catastrófico.

El vapor de escape de los cilindros del motor sale disparado por una boquilla que apunta hacia arriba, en la chimenea de la caja de humos. Este vapor arrastra consigo los gases de la caja de humos, lo que mantiene una presión menor en esta que la que existe bajo la parrilla del hogar. Esta diferencia de presión provoca que el aire ascienda a través del lecho de carbón y mantenga el fuego encendido.

La búsqueda de una eficiencia térmica superior a la de una caldera típica de tubos de humo llevó a ingenieros como Nigel Gresley a considerar la caldera de tubos de agua . Si bien probó el concepto en la locomotora LNER Clase W1 , las dificultades durante el desarrollo superaron el deseo de aumentar la eficiencia por esa vía.

El vapor generado en la caldera no solo mueve la locomotora, sino que también se utiliza para accionar otros dispositivos como el silbato, el compresor de aire para los frenos, la bomba para reponer el agua de la caldera y el sistema de calefacción de los vagones de pasajeros. La constante demanda de vapor requiere la adición periódica de agua a la caldera. El agua se almacena en un depósito en el ténder de la locomotora o, en el caso de una locomotora tanque , se envuelve alrededor de la caldera . Se requieren paradas periódicas para rellenar los depósitos; una alternativa era una pala instalada bajo el ténder que recogía el agua cuando el tren pasaba por una bandeja de vía situada entre los raíles.

Mientras la locomotora produce vapor, la cantidad de agua en la caldera se controla constantemente mediante un visor transparente. Para un funcionamiento eficiente y seguro de la caldera, es necesario mantener el nivel entre las líneas marcadas en el visor. Si el nivel de agua es demasiado alto, la producción de vapor disminuye, se pierde eficiencia y el agua se introduce en los cilindros con el vapor, pudiendo causar daños mecánicos. Más grave aún, si el nivel de agua baja demasiado, la placa superior del hogar queda expuesta. Sin agua sobre la placa para disipar el calor de la combustión , esta se ablanda y se rompe, permitiendo la entrada de vapor a alta presión al hogar y a la cabina. El desarrollo del tapón fusible , un dispositivo sensible a la temperatura, garantizó una ventilación controlada del vapor hacia el hogar para avisar al fogonero de que debía añadir agua.

La acumulación de incrustaciones en la caldera impide una transferencia de calor adecuada, y la corrosión acaba deteriorando los materiales hasta el punto de que sea necesario reconstruirla o sustituirla. El arranque de un motor grande puede requerir horas de calentamiento preliminar del agua de la caldera antes de que se genere suficiente vapor.

Aunque la caldera suele colocarse horizontalmente, para las locomotoras diseñadas para funcionar en terrenos con pendientes pronunciadas puede ser más apropiado considerar una caldera vertical o una montada de forma que la caldera permanezca horizontal, pero las ruedas estén inclinadas para adaptarse a la pendiente de las vías.

El vapor generado en la caldera llena el espacio por encima del agua en la caldera parcialmente llena. Su presión máxima de trabajo está limitada por válvulas de seguridad con resorte. Luego se recoge en un tubo perforado instalado por encima del nivel del agua o en una cúpula que suele albergar la válvula reguladora, o estrangulador, cuya función es controlar la cantidad de vapor que sale de la caldera. El vapor viaja entonces directamente por una tubería de vapor hacia la unidad del motor o puede pasar primero por el colector húmedo de un sobrecalentador , cuya función es mejorar la eficiencia térmica y eliminar las gotas de agua suspendidas en el "vapor saturado", estado en el que sale de la caldera. Al salir del sobrecalentador, el vapor sale por el colector seco del sobrecalentador y pasa por una tubería de vapor, entrando en las cámaras de vapor adyacentes a los cilindros de un motor alternativo. Dentro de cada cámara de vapor hay una válvula deslizante que distribuye el vapor a través de orificios que conectan la cámara de vapor con los extremos del espacio de los cilindros. La función de las válvulas es doble: la admisión de cada dosis fresca de vapor y la evacuación del vapor usado una vez que ha cumplido su función.

Los cilindros son de doble efecto, con vapor admitido alternativamente a cada lado del pistón. En una locomotora de dos cilindros, uno se ubica a cada lado del vehículo. Las bielas están desfasadas 90°. Durante una rotación completa de la rueda motriz, el vapor proporciona cuatro carreras de potencia; cada cilindro recibe dos inyecciones de vapor por revolución. La primera se produce en la parte delantera del pistón y la segunda en la parte trasera; por lo tanto, son dos carreras de trabajo. En consecuencia, dos inyecciones de vapor en cada cara del pistón en los dos cilindros generan una revolución completa de la rueda motriz. Cada pistón está unido al eje motriz a cada lado mediante una biela, y las ruedas motrices están conectadas entre sí mediante bielas de acoplamiento para transmitir la potencia desde la rueda motriz principal a las demás. Cabe destacar que en los dos puntos muertos , cuando la biela se encuentra en el mismo eje que el muñón de la manivela de la rueda motriz, no aplica ningún par a la rueda. El desfase de 90° garantiza que esto no ocurra simultáneamente en ambas ruedas.

Cada pistón transmite potencia a través de una cruceta , una biela ( biela principal en EE. UU.) y un muñón de manivela en la rueda motriz ( rueda motriz principal en EE. UU.) o a una manivela en un eje motriz. El movimiento de las válvulas en la caja de vapor se controla mediante un conjunto de varillas y articulaciones llamado mecanismo de válvulas , accionado desde el eje motriz o desde el muñón de manivela; el mecanismo de válvulas incluye dispositivos que permiten invertir el sentido de giro del motor, ajustar el recorrido de las válvulas y la sincronización de los eventos de admisión y escape. El punto de corte determina el momento en que la válvula bloquea un puerto de vapor, interrumpiendo la admisión de vapor y determinando así la proporción de la carrera durante la cual se admite vapor en el cilindro; por ejemplo, un corte del 50 % admite vapor durante la mitad de la carrera del pistón. El resto de la carrera es impulsado por la fuerza expansiva del vapor. El uso cuidadoso del punto de corte permite un uso económico del vapor y, a su vez, reduce el consumo de combustible y agua. La palanca de inversión ( barra Johnson en EE. UU.), o inversor de tornillo (si está equipado), que controla el corte, realiza, por lo tanto, una función similar a la de una palanca de cambios en un automóvil: el corte máximo, que proporciona el máximo esfuerzo de tracción a expensas de la eficiencia, se utiliza para arrancar desde parado, mientras que un corte tan bajo como el 10 % se utiliza al circular a velocidad constante, lo que proporciona un esfuerzo de tracción reducido y, por lo tanto, un menor consumo de combustible/agua. ^{[ 37 ]}

El vapor de escape se dirige hacia arriba fuera de la locomotora a través de la chimenea, mediante una boquilla llamada tubo de escape , creando el característico sonido de "resoplido" de la locomotora de vapor. El tubo de escape se ubica en un punto estratégico dentro de la caja de humos, que es atravesada simultáneamente por los gases de combustión aspirados a través de la caldera y la parrilla por la acción del chorro de vapor. La combinación de ambos flujos, vapor y gases de escape, es crucial para la eficiencia de cualquier locomotora de vapor, y los perfiles internos de la chimenea (o, más precisamente, del eyector ) requieren un diseño y ajuste precisos. Esto ha sido objeto de intensos estudios por parte de varios ingenieros (y a menudo ignorado por otros, a veces con consecuencias catastróficas). El hecho de que el tiro dependa de la presión de escape implica que la entrega y la generación de potencia se autoajustan automáticamente. Entre otras cosas, debe lograrse un equilibrio entre obtener suficiente tiro para la combustión y, al mismo tiempo, dar a los gases y partículas de escape el tiempo suficiente para consumirse. En el pasado, una fuerte corriente de aire podía levantar el fuego de la parrilla o provocar la expulsión de partículas de combustible sin quemar, suciedad y contaminación, por lo que las locomotoras de vapor tenían una reputación poco envidiable. Además, la acción de bombeo del escape tiene el efecto contrario de ejercer una contrapresión en el lado del pistón que recibe el vapor, reduciendo así ligeramente la potencia del cilindro. El diseño del eyector de escape se convirtió en una ciencia específica, con ingenieros como Chapelon , Giesl y Porta que lograron grandes mejoras en la eficiencia térmica y una reducción significativa en el tiempo de mantenimiento ^{[ 38 ]} y la contaminación. ^{[ 39 ]} Un sistema similar fue utilizado por algunos de los primeros fabricantes de tractores de gasolina/queroseno ( Advance-Rumely / Hart-Parr ): el volumen de gases de escape se ventilaba a través de una torre de refrigeración, lo que permitía que el escape de vapor aspirara más aire a través del radiador.

El tren de rodaje incluye el sistema de frenos, los juegos de ruedas , las cajas de ejes , la suspensión y el mecanismo de transmisión, que incluye las bielas y el mecanismo de distribución de válvulas. La transmisión de la potencia de los pistones a los raíles y el comportamiento de la locomotora como vehículo, capaz de sortear curvas, desvíos e irregularidades en la vía, es de suma importancia. Dado que la potencia recíproca debe aplicarse directamente al raíl desde 0  rpm en adelante, esto crea el problema de la adherencia de las ruedas motrices a la superficie lisa del raíl. El peso adhesivo es la parte del peso de la locomotora que recae sobre las ruedas motrices. Esto se hace más efectivo si un par de ruedas motrices puede aprovechar al máximo su carga por eje, es decir, su parte individual del peso adhesivo. Las vigas de compensación que conectan los extremos de las ballestas a menudo se han considerado una complicación en Gran Bretaña; sin embargo, las locomotoras equipadas con estas vigas generalmente han sido menos propensas a la pérdida de tracción debido al deslizamiento de las ruedas. La suspensión mediante palancas de compensación entre los ejes motrices, y entre los ejes motrices y los bogies, era una práctica habitual en las locomotoras norteamericanas para mantener una distribución uniforme de la carga en las ruedas al circular por vías irregulares.

Las locomotoras con tracción total, donde todas las ruedas están acopladas entre sí, generalmente carecen de estabilidad a alta velocidad. Para contrarrestar esto, a menudo se les instalan ruedas de apoyo sin motor montadas en bogies de dos ruedas o de cuatro ruedas, centradas mediante resortes, balancines invertidos o rodillos dentados que ayudan a guiar la locomotora en las curvas. Estas ruedas suelen soportar el peso (de los cilindros en la parte delantera o del hogar en la parte trasera) cuando su anchura supera la del bastidor principal. Las locomotoras con múltiples ruedas acopladas en un chasis rígido tendrían fuerzas inaceptables en las pestañas de las ruedas en curvas cerradas, lo que provocaría un desgaste excesivo de las pestañas y los rieles, separación de la vía y descarrilamientos por elevación de las ruedas. Una solución consistía en eliminar o adelgazar las pestañas de un eje. Más común era proporcionar juego axial a los ejes y utilizar el control de movimiento lateral con dispositivos de gravedad de resorte o plano inclinado.

Los ferrocarriles generalmente preferían locomotoras con menos ejes para reducir los costos de mantenimiento. El número de ejes requerido venía determinado por la carga máxima por eje del ferrocarril en cuestión. Un fabricante solía añadir ejes hasta que el peso máximo sobre cualquier eje fuera aceptable para la carga máxima por eje del ferrocarril. Una locomotora con una configuración de ruedas de dos ejes delanteros, dos ejes motrices y un eje trasero era una máquina de alta velocidad. Dos ejes delanteros eran necesarios para una buena estabilidad direccional a altas velocidades. Dos ejes motrices tenían una masa recíproca menor que tres, cuatro, cinco o seis ejes acoplados. Por lo tanto, podían girar a velocidades muy altas debido a la menor masa recíproca. Un eje trasero podía soportar una enorme caja de fuego, por lo que la mayoría de las locomotoras con la configuración de ruedas 4-4-2 (tipo Atlantic estadounidense) se denominaban locomotoras de vapor libre y podían mantener la presión del vapor independientemente de la posición del acelerador.

El chasis, o bastidor de la locomotora , es la estructura principal sobre la que se monta la caldera y que incorpora los diversos elementos del tren de rodaje. La caldera está montada rígidamente sobre un soporte situado debajo de la caja de humos y delante del cuerpo de la caldera, pero el hogar, en la parte trasera, puede deslizarse hacia adelante y hacia atrás para permitir la expansión del combustible cuando está caliente.

Las locomotoras europeas suelen utilizar bastidores de placas, donde dos placas planas verticales forman el chasis principal, con varios espaciadores y una viga de tope en cada extremo para formar una estructura rígida. Cuando se montan cilindros internos entre los bastidores, estos se convierten en una sola pieza fundida de gran tamaño que constituye un elemento de soporte principal. Las cajas de ejes se deslizan hacia arriba y hacia abajo para proporcionar una suspensión amortiguada, contra unas nervaduras reforzadas unidas al bastidor, denominadas «bloques de cuerno». ^{[ 40 ]}

Durante muchos años, la práctica estadounidense consistió en utilizar bastidores de barras compuestas, con la estructura del soporte de la caja de humos/cilindro y la viga de arrastre integradas en ellos. En la década de 1920, con la introducción de la "superpotencia", la bancada de la locomotora de acero fundido se convirtió en la norma, incorporando bastidores, soportes de resorte, soportes de movimiento, el soporte de la caja de humos y los bloques de cilindros en una sola pieza fundida compleja, robusta pero pesada. Un estudio de diseño de la SNCF que utilizó bastidores tubulares soldados dio como resultado un bastidor rígido con una reducción de peso del 30 %. ^{[ 41 ]}

Generalmente, las locomotoras más grandes están acopladas permanentemente a un ténder que transporta el agua y el combustible. A menudo, las locomotoras que operan en distancias más cortas no tienen ténder y transportan el combustible en un depósito, mientras que el agua se almacena en tanques ubicados junto a la caldera. Los tanques pueden tener diversas configuraciones, incluyendo dos tanques paralelos ( tanques laterales o de pannier ), uno encima ( tanque de sillín ) o uno entre los bastidores ( tanque de pozo ).

El combustible utilizado dependía de lo que estuviera económicamente disponible para el ferrocarril. En el Reino Unido y otras partes de Europa, los abundantes suministros de carbón hicieron de esta la opción obvia desde los primeros días de la máquina de vapor. Hasta 1870, ^{[ 42 ]} la mayoría de las locomotoras en los Estados Unidos quemaban madera, pero a medida que se talaban los bosques del este, el carbón se fue extendiendo gradualmente hasta convertirse en el combustible dominante en las locomotoras de vapor en todo el mundo. Los ferrocarriles que daban servicio a las operaciones de cultivo de caña de azúcar quemaban bagazo , un subproducto del refinado del azúcar. En los EE. UU., la fácil disponibilidad y el bajo precio del petróleo lo convirtieron en un combustible popular para las locomotoras de vapor después de 1900 para los ferrocarriles del suroeste, particularmente el Southern Pacific. En el estado australiano de Victoria, muchas locomotoras de vapor se convirtieron para funcionar con fueloil pesado después de la Segunda Guerra Mundial. Los ferrocarriles alemanes, rusos, australianos y británicos experimentaron con el uso de polvo de carbón para alimentar locomotoras.

Durante la Segunda Guerra Mundial, varias locomotoras de maniobras de vapor suizas fueron modificadas para usar calderas de calefacción eléctrica, consumiendo alrededor de 480  kW de energía recolectada de una línea aérea con pantógrafo . Estas locomotoras eran significativamente menos eficientes que las eléctricas ; se utilizaron porque Suiza sufría escasez de carbón debido a la guerra, pero tenía acceso a abundante energía hidroeléctrica . ^{[ 43 ]}

Varias líneas turísticas y locomotoras históricas en Suiza, Argentina y Australia han utilizado aceite ligero tipo diésel. ^{[ 44 ]}

El agua se suministraba en las paradas y depósitos de locomotoras desde una torre de agua dedicada conectada a grúas o pórticos. En el Reino Unido, Estados Unidos y Francia, se instalaron depósitos de agua (o "track pans" en Estados Unidos) en algunas líneas principales para que las locomotoras pudieran reabastecerse sin detenerse, utilizando agua de lluvia o de deshielo que llenaba el depósito debido a las inclemencias del tiempo. Esto se lograba mediante una "cuchara de agua" desplegable instalada debajo del ténder o del tanque de agua trasero en el caso de una locomotora de gran capacidad; el fogonero bajaba la cuchara a distancia al depósito, la velocidad de la locomotora impulsaba el agua hacia arriba, y la cuchara se volvía a subir una vez que estaba llena.

El agua es esencial para el funcionamiento de una locomotora de vapor. Como argumentó Swengel:

Tiene el calor específico más alto de cualquier sustancia común; es decir, se almacena más energía térmica calentando agua a una temperatura determinada que calentando una masa igual de acero o cobre a la misma temperatura. Además, la propiedad de vaporizarse (formar vapor) almacena energía adicional sin aumentar la temperatura… el agua es un medio muy satisfactorio para convertir la energía térmica del combustible en energía mecánica. ^{[ 45 ]}

Swengel señaló además que, «a bajas temperaturas y con una producción de caldera relativamente baja», el agua de buena calidad y el lavado regular de la caldera eran prácticas aceptables, aunque dicho mantenimiento resultara costoso. Sin embargo, a medida que aumentaba la presión del vapor, se desarrollaba un problema de «espuma» o «cebado» en la caldera, en el que los sólidos disueltos en el agua formaban «burbujas de piel dura» en su interior, que a su vez eran transportadas a las tuberías de vapor y podían desprenderse de las culatas. Para solucionar este problema, se purgaba periódicamente agua caliente con alta concentración de minerales. Las presiones de vapor más elevadas requerían una mayor purga de agua de la caldera. El oxígeno generado por el agua hirviendo ataca la caldera, y con el aumento de la presión del vapor, aumenta la tasa de oxidación (óxido de hierro) en su interior. Una forma de mitigar este problema era el tratamiento del agua. Swengel sugirió que estos problemas contribuyeron al interés por la electrificación de los ferrocarriles. ^{[ 45 ]}

En la década de 1970, LD Porta desarrolló un sofisticado sistema de tratamiento químico de agua de alta resistencia ( Tratamiento Porta ) que no solo mantiene limpio el interior de la caldera y previene la corrosión, sino que modifica la espuma de tal manera que forma una "manta" compacta en la superficie del agua que filtra el vapor a medida que se produce, manteniéndolo puro y evitando el arrastre de agua y materia abrasiva en suspensión hacia los cilindros. ^{[ 46 ] [ 47 ]}

Algunas locomotoras de vapor han funcionado con combustibles alternativos como aceite de cocina usado , como la Grand Canyon Railway 4960 , la Grand Canyon Railway 29 , la US Sugar 148 y las locomotoras del ferrocarril de Disneyland . ^{[ 48 ] [ 49 ] [ 50 ] [ 51 ] [ 52 ] [ 53 ] [ 54 ]}

Una locomotora de vapor se controla normalmente desde la parte trasera de la caldera , y la tripulación suele estar protegida de las inclemencias del tiempo por una cabina. Normalmente se requiere una tripulación de al menos dos personas para operar una locomotora de vapor. Una de ellas, el maquinista , se encarga de controlar el arranque, la parada y la velocidad de la locomotora, y el fogonero se encarga de mantener el fuego, regular la presión del vapor y controlar los niveles de agua de la caldera y del ténder. Debido a la pérdida histórica de infraestructura operativa y personal, las locomotoras de vapor conservadas que circulan por la línea principal suelen contar con una tripulación de apoyo que viaja con el tren.

El agua ( agua de alimentación ) debe suministrarse a la caldera para reemplazar el vapor que se expulsa tras cada carrera de los pistones. Dado que la caldera está presurizada durante su funcionamiento, el agua de alimentación debe introducirse a una presión superior a la del vapor, lo que requiere el uso de algún tipo de bomba. Las primeras locomotoras bastaban con bombas manuales. Posteriormente, se utilizaron bombas accionadas por el movimiento de los pistones (bombas de eje), que eran fáciles de operar, fiables y podían manejar grandes cantidades de agua, pero solo funcionaban cuando la locomotora estaba en movimiento y podían sobrecargar el mecanismo de distribución y las bielas a altas velocidades. Más tarde, los inyectores de vapor sustituyeron a la bomba, mientras que algunas locomotoras pasaron a utilizar turbobombas . La práctica habitual evolucionó hasta utilizar dos sistemas independientes para alimentar la caldera: dos inyectores de vapor o, en diseños más conservadores, bombas de eje cuando funcionaban a velocidad de servicio y un inyector de vapor para llenar la caldera cuando la locomotora estaba parada o a bajas velocidades. En el siglo XX, prácticamente todas las locomotoras de nueva construcción utilizaban únicamente inyectores de vapor. A menudo, un inyector recibía vapor directo de la caldera, mientras que el otro utilizaba el vapor de escape de los cilindros de la locomotora, lo que resultaba más eficiente (ya que aprovechaba el vapor que de otro modo se desperdiciaría), pero solo podía utilizarse cuando la locomotora estaba en movimiento y el regulador estaba abierto. Los inyectores se volvían poco fiables si el agua de alimentación estaba a alta temperatura, por lo que las locomotoras con calentadores de agua de alimentación, las locomotoras con depósitos en contacto con la caldera y las locomotoras de condensación a veces utilizaban bombas de vapor alternativas o turbobombas.

Los tubos de vidrio verticales, conocidos como indicadores de nivel de agua o visores de agua, muestran el nivel de agua en la caldera y se monitorean cuidadosamente en todo momento mientras la caldera está en funcionamiento. Antes de la década de 1870, era más común tener una serie de grifos de prueba instalados en la caldera al alcance de la tripulación; cada grifo de prueba (al menos dos y generalmente tres) estaba montado a un nivel diferente. Al abrir cada grifo de prueba y observar si salía vapor o agua a través de él, se podía estimar el nivel de agua en la caldera con precisión limitada. A medida que aumentaba la presión de la caldera, el uso de los grifos de prueba se volvió cada vez más peligroso y las válvulas eran propensas a obstruirse con incrustaciones o sedimentos, lo que daba lecturas erróneas. Esto llevó a su reemplazo por el visor de nivel. Al igual que con los inyectores, generalmente se instalaban dos visores con conexiones separadas para proporcionar lecturas independientes.

El término para el aislamiento de tuberías y calderas es "lagged" ^{[ 55 ]} que deriva del término del tonelero para una duela de barril de madera . ^{[ 56 ]} Dos de las primeras locomotoras de vapor usaron lagged de madera para aislar sus calderas: la Salamanca , la primera locomotora de vapor de éxito comercial, construida en 1812, ^{[ 5 ]} y la Locomotion No. 1 , la primera locomotora de vapor en transportar pasajeros en una línea ferroviaria pública. Se desperdician grandes cantidades de calor si una caldera no está aislada. Las primeras locomotoras usaban lagged, duelas de madera moldeadas, colocadas longitudinalmente a lo largo del barril de la caldera y sujetas en su lugar por aros, bandas de metal, los términos y métodos provienen de la tonelería .

Los métodos de aislamiento mejorados incluían la aplicación de una pasta espesa que contenía un mineral poroso como el kieselgur , o la fijación de bloques con forma de compuesto aislante como bloques de magnesia . ^{[ 57 ]} En los últimos tiempos del vapor, se fijaban a la caldera, sobre separadores, «colchones» de tela de amianto cosida y rellena de fibra de amianto. Sin embargo, el amianto está actualmente prohibido en la mayoría de los países por razones de salud. El material más común en la actualidad es la lana de vidrio o las envolturas de papel de aluminio.

El aislamiento está protegido por una carcasa de chapa metálica ajustada ^{[ 58 ]} conocida como revestimiento de caldera o cubierta.

Un buen aislamiento térmico es especialmente importante para las locomotoras sin caldera ; sin embargo, en los últimos tiempos, bajo la influencia de LD Porta, se ha practicado un aislamiento "exagerado" en todo tipo de locomotoras, en todas las superficies susceptibles de disipar calor, como los extremos de los cilindros y las juntas entre los cilindros y el bastidor principal. Esto reduce considerablemente el tiempo de calentamiento del motor, con un notable aumento de la eficiencia general.

Las primeras locomotoras estaban equipadas con una válvula controlada por un peso suspendido del extremo de una palanca, y la salida de vapor se detenía mediante una válvula cónica. Dado que no había nada que impidiera que la palanca con peso rebotara al pasar la locomotora por irregularidades en la vía, desperdiciando así vapor, el peso fue posteriormente reemplazado por una columna de resorte más estable, a menudo suministrada por Salter, un conocido fabricante de básculas de resorte . El peligro de estos dispositivos radicaba en que la tripulación podía verse tentada a añadir peso al brazo para aumentar la presión. La mayoría de las primeras calderas estaban equipadas con una válvula de bola de carga directa a prueba de manipulaciones, protegida por una cubierta. A finales de la década de 1850, John Ramsbottom introdujo una válvula de seguridad que se popularizó en Gran Bretaña durante la última parte del siglo XIX. Esta válvula no solo era a prueba de manipulaciones, sino que cualquier manipulación por parte del maquinista solo podía tener el efecto de disminuir la presión. La válvula de seguridad de George Richardson fue un invento estadounidense introducido en 1875 ^{[ 59 ]} y fue diseñada para liberar el vapor solo cuando la presión alcanzaba el máximo permitido. Este tipo de válvula se utiliza casi universalmente en la actualidad. El Great Western Railway británico fue una notable excepción a esta regla, ya que conservó el tipo de carga directa hasta el final de su existencia independiente, porque se consideraba que dicha válvula perdía menos presión entre la apertura y el cierre.

Las primeras locomotoras no mostraban la presión del vapor en la caldera, pero era posible estimarla por la posición del brazo de la válvula de seguridad, que a menudo se extendía hasta la placa posterior del hogar; las graduaciones marcadas en la columna del resorte daban una indicación aproximada de la presión real. Los promotores de las pruebas de Rainhill insistieron en que cada participante tuviera un mecanismo adecuado para leer la presión de la caldera, y Stephenson ideó un tubo vertical de mercurio de nueve pies con un visor en la parte superior, montado junto a la chimenea, para su Rocket . El manómetro de tubo Bourdon , en el que la presión endereza un tubo enrollado de sección ovalada de latón o bronce conectado a un puntero, se introdujo en 1849 y rápidamente se popularizó, y todavía se usa hoy en día. ^{[ 60 ]} Algunas locomotoras tienen un manómetro adicional en la caja de vapor. Esto ayuda al conductor a evitar el deslizamiento de las ruedas al arrancar, al advertirle si la apertura del regulador es demasiado grande.

Supresor de chispas y caja de humos autolimpiante

Las estufas de leña emiten grandes cantidades de chispas voladoras que requieren un dispositivo eficiente de parada de chispas generalmente alojado en la chimenea. Se instalaron muchos tipos diferentes, ^{[ 61 ]} el tipo temprano más común fue la chimenea Bonnet que incorporaba un deflector en forma de cono colocado antes de la boca del tubo de la chimenea y una rejilla de alambre que cubría la amplia salida de la chimenea. Un diseño más eficiente fue la chimenea centrífuga Radley y Hunter patentada en 1850 (comúnmente conocida como chimenea de diamante), que incorporaba deflectores orientados de tal manera que inducían un efecto de remolino en la cámara que favorecía que las brasas se quemaran y cayeran al fondo como ceniza. En la caja de humos autolimpiante se lograba el efecto opuesto: al permitir que los gases de combustión golpearan una serie de placas deflectoras, anguladas de tal manera que la explosión no se viera afectada, las partículas más grandes se rompían en pequeños pedazos que serían expulsados ​​con la explosión, en lugar de depositarse en el fondo de la caja de humos para ser retirados a mano al final de la combustión. Al igual que con el pararrayos, se incorporó una rejilla para retener cualquier brasa grande. ^{[ 62 ]}

Las locomotoras de las clases estándar de los Ferrocarriles Británicos equipadas con cajas de humos autolimpiables se identificaban mediante una pequeña placa ovalada de metal fundido con la inscripción "SC", colocada en la parte inferior de la puerta de la caja de humos. Estas locomotoras requerían procedimientos de desguace diferentes, y la placa destacaba esta necesidad al personal del depósito.

Un factor que limita el rendimiento de las locomotoras es la velocidad a la que se alimenta el combustible al fuego. A principios del siglo XX, algunas locomotoras se volvieron tan grandes que el fogonero no podía palear el carbón con la suficiente rapidez. ^{[ 58 ]} En Estados Unidos, varios alimentadores mecánicos a vapor se convirtieron en equipo estándar y fueron adoptados y utilizados en otros lugares, incluyendo Australia y Sudáfrica.

La introducción de agua fría en una caldera reduce la potencia, y a partir de la década de 1920 se incorporaron diversos calentadores . El tipo más común para las locomotoras era el calentador de agua de alimentación de vapor de escape, que canalizaba parte de los gases de escape a través de pequeños depósitos montados sobre la caldera o la caja de humos, o hacia el depósito del ténder; el agua caliente debía ser suministrada a la caldera mediante una pequeña bomba de vapor auxiliar. El raro tipo economizador se diferenciaba en que extraía el calor residual de los gases de escape. Un ejemplo de esto son los tambores precalentadores que se encuentran en la caldera Franco-Crosti .

El uso de inyectores de vapor vivo y de vapor de escape también contribuye al precalentamiento del agua de alimentación de la caldera en cierta medida, aunque no ofrece ninguna ventaja en términos de eficiencia. Este precalentamiento también reduce el choque térmico que podría sufrir una caldera al introducir agua fría directamente. Esto se ve favorecido por la alimentación superior, donde el agua se introduce en la parte más alta de la caldera y se hace fluir sobre una serie de bandejas. George Jackson Churchward instaló este sistema en la parte superior de sus calderas cónicas sin cúpula. Otras líneas ferroviarias británicas, como la London, Brighton & South Coast Railway, instalaron la alimentación superior en algunas locomotoras dentro de una cúpula separada, situada delante de la principal.

Las locomotoras de vapor consumen grandes cantidades de agua porque operan en un ciclo abierto, expulsando el vapor inmediatamente después de un solo uso en lugar de reciclarlo en un circuito cerrado como lo hacen las máquinas de vapor estacionarias y marinas . El agua era un problema logístico constante, y se diseñaron máquinas de condensación para su uso en zonas desérticas. Estas máquinas tenían enormes radiadores en sus ténderes y, en lugar de expulsar el vapor por la chimenea, este se capturaba, se devolvía al ténder y se condensaba. El aceite lubricante de los cilindros se extraía del vapor expulsado para evitar un fenómeno conocido como cebado, una condición causada por la formación de espuma en la caldera que permitiría que el agua entrara en los cilindros, causando daños debido a su incompresibilidad. Las máquinas más notables que empleaban condensadores (Clase 25, las "locomotoras que nunca echan espuma" ^{[ 63 ]} ) operaron en el desierto de Karoo de Sudáfrica desde la década de 1950 hasta la de 1980.

Algunas locomotoras británicas y estadounidenses estaban equipadas con palas que recogían agua de los depósitos de agua (o " bandejas de vía " en EE. UU.) mientras estaban en movimiento, evitando así las paradas para repostar. En EE. UU., las pequeñas comunidades a menudo no contaban con instalaciones para rellenar el agua. Durante los primeros tiempos del ferrocarril, la tripulación simplemente se detenía junto a un arroyo y llenaba el ténder con cubos de cuero. Esto se conocía como "repostar agua a borbotones" y dio origen al término "pueblos de agua a borbotones" (que significa pueblo pequeño, un término que hoy se considera despectivo). ^{[ 64 ]} En Australia y Sudáfrica, las locomotoras en regiones más secas operaban con ténderes grandes y sobredimensionados, y algunas incluso tenían un vagón cisterna adicional, a veces llamado "cantina" o, en Australia (particularmente en Nueva Gales del Sur), "bomba de agua".

Las locomotoras de vapor que operaban en los ferrocarriles subterráneos (como el Metropolitan Railway de Londres ) estaban equipadas con condensadores para evitar que el vapor se escapara a los túneles ferroviarios. Estas locomotoras se siguieron utilizando entre King's Cross y Moorgate hasta principios de la década de 1960.

Las locomotoras de vapor suelen tener su propio sistema de frenado, independiente del resto del tren. Los frenos de la locomotora emplean grandes zapatas que presionan contra las bandas de rodadura de las ruedas motrices. Pueden ser frenos de aire o de vapor . Además, casi siempre cuentan con un freno de mano para mantener la locomotora inmóvil cuando no hay presión de vapor para accionar los demás sistemas de frenado.

Debido a la limitada fuerza de frenado que proporcionaban los frenos de la locomotora, muchas locomotoras de vapor fueron equipadas con un sistema de frenos para trenes. Estos se presentaban en dos variedades principales: frenos de aire y frenos de vacío . Estos permitían al maquinista controlar los frenos de todos los vagones del tren.

Los frenos de aire, inventados por George Westinghouse , utilizan un compresor de aire accionado por vapor montado en el lateral de la caldera para generar el aire comprimido necesario para accionar el sistema de frenado. ^{[ 65 ]} Los frenos de aire fueron la forma predominante de frenado de trenes en la mayoría de los países durante la era del vapor.

El principal competidor del freno neumático fue el freno de vacío , en el que se monta un eyector accionado por vapor en la locomotora en lugar de la bomba de aire, para crear el vacío necesario para accionar el sistema de frenado. Un eyector secundario o bomba de vacío transversal se utiliza para mantener el vacío en el sistema y compensar las pequeñas fugas en las conexiones de las tuberías entre los vagones. Los frenos de vacío fueron el sistema de frenado de trenes predominante en el Reino Unido y en países que adoptaron esta práctica, como India y Sudáfrica , durante la era del vapor.

Las locomotoras de vapor están equipadas con depósitos de arena que permiten depositar arena sobre el raíl para mejorar la tracción y el frenado en condiciones de lluvia o hielo. En las locomotoras estadounidenses, estos depósitos suelen montarse sobre la caldera. En Gran Bretaña, el gálibo limitado impide esta disposición, por lo que los depósitos se montan justo encima o justo debajo de la plataforma de rodadura.

Los pistones y las válvulas de las primeras locomotoras se lubricaban dejando caer un terrón de sebo por el tubo de soplado . Pronto se desarrollaron métodos más sofisticados para suministrar la sustancia. El sebo se adhiere bien a las paredes de los cilindros y es más eficaz que el aceite mineral para resistir la acción del agua. Sigue siendo un componente de la formulación moderna del aceite para cilindros de vapor. ^{[ 66 ] [ 67 ] [ 68 ]}

A medida que aumentaban la velocidad y la distancia, se desarrollaron mecanismos que inyectaban aceite mineral espeso en el suministro de vapor. El primero, un lubricador por desplazamiento , montado en la cabina, utiliza un flujo controlado de vapor que se condensa en un recipiente sellado de aceite. El agua del vapor condensado desplaza el aceite hacia las tuberías. El aparato suele estar equipado con mirillas para confirmar el caudal. Un método posterior utiliza una bomba mecánica accionada desde una de las crucetas . En ambos casos, el suministro de aceite es proporcional a la velocidad de la locomotora.

La lubricación de los componentes del bastidor (cojinetes del eje, bloques de soporte y pivotes del bogie) depende de la acción capilar : los recortes de hilo de lana peinada se transportan desde los depósitos de aceite a las tuberías que conducen al componente correspondiente. ^{[ 69 ]} El caudal de aceite suministrado está controlado por el tamaño del haz de hilo y no por la velocidad de la locomotora, por lo que es necesario retirar los recortes (que están montados sobre alambre) cuando está parada. Sin embargo, en las paradas regulares (como en el andén de una estación terminal), el aceite que llega a la vía puede seguir siendo un problema.

Los cojinetes de muñequilla y de cruceta llevan pequeños depósitos de aceite en forma de copa. Estos tienen conductos de alimentación hacia la superficie del cojinete que comienzan por encima del nivel de llenado normal, o se mantienen cerrados mediante un pasador holgado, de modo que el aceite solo entra cuando la locomotora está en movimiento. En el Reino Unido, las copas se cierran con tapones de corcho simples, pero estos llevan un trozo de caña porosa que se introduce para permitir la entrada de aire. Es costumbre incorporar una pequeña cápsula de aceite aromático (de anís o ajo) en el metal del cojinete para advertir si falla la lubricación y se produce un calentamiento excesivo o desgaste. ^{[ 70 ]}

Cuando la locomotora está en marcha, el vapor de escape, dirigido hacia arriba por la chimenea a través del tubo de escape, crea una corriente de aire sobre el fuego. Sin esta corriente, el fuego se apagaría rápidamente y la presión del vapor disminuiría. Cuando la locomotora está detenida o en marcha libre con el regulador cerrado, no hay vapor de escape que cree corriente de aire, por lo que esta se mantiene mediante un soplador. Este consiste en un anillo colocado alrededor de la base de la chimenea o alrededor del orificio del tubo de escape, que contiene varias boquillas pequeñas de vapor dirigidas hacia arriba. Estas boquillas reciben vapor directamente de la caldera, controlado por la válvula del soplador. Cuando el regulador está abierto, la válvula del soplador está cerrada; cuando el maquinista desea cerrar el regulador, primero abre la válvula del soplador. Es importante que el ventilador se abra antes de cerrar el regulador, ya que sin tiro en el fuego, puede producirse un reflujo , donde el aire atmosférico sopla por la chimenea, invirtiendo el flujo de gases calientes a través de los tubos de la caldera, con el fuego mismo siendo expulsado a través del orificio del hogar hacia la plataforma, con graves consecuencias para la tripulación. El riesgo de reflujo es mayor cuando la locomotora entra en un túnel debido al choque de presión. El ventilador también se utiliza para crear tiro cuando se genera vapor al inicio del servicio de la locomotora, en cualquier momento en que el conductor necesite aumentar el tiro en el fuego y para despejar el humo de su campo de visión. ^{[ 71 ]}

Los retrocesos eran bastante comunes. En un informe de 1955 sobre un accidente cerca de Dunstable , el inspector escribió: "En 1953 se reportaron veintitrés casos, que no fueron causados ​​por un defecto del motor, y resultaron en 26 maquinistas heridos. En 1954, el número de incidentes y de heridos fue el mismo y también hubo una víctima mortal". ^{[ 72 ]} Siguen siendo un problema, como lo demuestra el incidente de 2012 con la BR Standard Class 7 70013 Oliver Cromwell .

En la práctica británica y europea (excepto en los países de la antigua Unión Soviética), las locomotoras suelen tener topes en ambos extremos para absorber las cargas de compresión («tope» ^{[ 73 ]} ). La carga de tracción del tren (fuerza de arrastre) la soporta el sistema de acoplamiento . En conjunto, estos elementos controlan la holgura entre la locomotora y el tren, absorben los impactos menores y proporcionan un punto de apoyo para los movimientos de empuje.

En la práctica canadiense y estadounidense, todas las fuerzas entre la locomotora y los vagones se manejan a través del acoplador, particularmente el acoplador Janney , estándar desde hace mucho tiempo en el material rodante ferroviario estadounidense, y su mecanismo de tracción asociado , que permite un movimiento de holgura limitado. Pequeñas hendiduras llamadas "bolsillos de pértiga" en las esquinas delantera y trasera de la locomotora permitían empujar los vagones a una vía adyacente usando una pértiga sujeta entre la locomotora y los vagones. ^{[ 74 ]} En Gran Bretaña y Europa, los acopladores "buckeye" de estilo norteamericano y otros acopladores que manejan fuerzas entre elementos del material rodante se han vuelto cada vez más populares.

Normalmente, las locomotoras llevaban un paracaídas delantero, aunque en Europa y en algunos otros sistemas ferroviarios, como el de Nueva Gales del Sur , se consideraba innecesario. Con forma de arado, a veces llamados «atrapacotas», eran bastante grandes y estaban diseñados para eliminar obstáculos de la vía, como ganado, bisontes, otros animales o ramas de árboles. Aunque no podían «atrapar» al ganado extraviado, estos elementos característicos permanecieron en las locomotoras hasta el final de la era del vapor. Las locomotoras de maniobras solían sustituir el paracaídas delantero por pequeños escalones, conocidos como estribos . Muchos sistemas utilizaban el paracaídas delantero y otros elementos de diseño para crear una apariencia distintiva.

Cuando comenzaron las operaciones nocturnas, las compañías ferroviarias de algunos países equiparon sus locomotoras con luces para que el maquinista pudiera ver lo que había delante del tren o para que otros pudieran ver la locomotora. Originalmente, los faros eran lámparas de aceite o acetileno, pero cuando las lámparas de arco eléctrico estuvieron disponibles a finales de la década de 1880, rápidamente reemplazaron a los tipos más antiguos.

Gran Bretaña no adoptó faros potentes, ya que afectarían la visión nocturna y podrían ocultar las lámparas de aceite de baja intensidad utilizadas en las señales de semáforo y en cada extremo de los trenes, aumentando el riesgo de perder señales, especialmente en vías con mucho tráfico. Las distancias de frenado de las locomotoras también solían ser mucho mayores que el alcance de los faros, y las vías estaban bien señalizadas y completamente cercadas para evitar que el ganado y las personas las invadieran, lo que prácticamente eliminaba la necesidad de faros potentes. Por lo tanto, se siguieron utilizando lámparas de aceite de baja intensidad, colocadas en la parte delantera de las locomotoras para indicar la clase de cada tren. Se disponía de cuatro soportes para lámparas: uno debajo de la chimenea y tres espaciados uniformemente en la parte superior de la viga de tope. La excepción a esto fue el Ferrocarril del Sur y sus filiales, que añadieron un soporte adicional a cada lado de la caja de humos, y la disposición de las lámparas (o, a la luz del día, placas circulares blancas) indicaba al personal ferroviario el origen y el destino del tren. En todos los vehículos, también se instalaron soportes para faros equivalentes en la parte trasera de la locomotora o del ténder, para cuando la locomotora circulaba con el ténder o el depósito de carbón por delante.

En algunos países, las locomotoras de vapor históricas siguen circulando por la red nacional. Algunas autoridades ferroviarias han hecho obligatorio el uso de potentes faros delanteros en todo momento, incluso durante el día. Esto tiene como objetivo informar mejor al público y a los operarios de las vías sobre la presencia de trenes en circulación.

Las locomotoras usaban campanas y silbatos de vapor desde los primeros días de la locomoción a vapor. En Estados Unidos, India y Canadá, las campanas advertían de la llegada de un tren. En Gran Bretaña, donde todas las líneas están valladas por ley, ^{[ 75 ]} las campanas solo eran obligatorias en los ferrocarriles que discurrían por la carretera (es decir, sin vallar), por ejemplo, un tranvía junto a la carretera o en un astillero. En consecuencia, solo una minoría de locomotoras en el Reino Unido llevaba campanas. Los silbatos se utilizan para señalizar al personal y dar advertencias. Dependiendo del terreno en el que se utilizara la locomotora, el silbato podía diseñarse para advertir a larga distancia de la llegada inminente o para un uso más localizado.

Las primeras campanas y silbatos se hacían sonar mediante cuerdas y palancas. Los campaneros automáticos se generalizaron en Estados Unidos después de 1910. ^{[ 76 ]}

Desde principios del siglo XX, las compañías operadoras en países como Alemania y Gran Bretaña comenzaron a equipar sus locomotoras con el Sistema Automático de Advertencia (AWS) de señalización en cabina, que aplicaba automáticamente los frenos cuando se pasaba una señal de "precaución". En Gran Bretaña, estos sistemas se volvieron obligatorios en 1956. En Estados Unidos, el Ferrocarril de Pensilvania también equipó sus locomotoras con dichos dispositivos. En el siglo XXI, las locomotoras de vapor conservadas en Estados Unidos, destinadas a operar en rutas principales, fueron equipadas con control positivo de trenes , siendo la Union Pacific 4014 restaurada una de las primeras locomotoras de línea principal en incorporar este equipo en 2021. ^{[ 77 ]}

El motor auxiliar era una máquina de vapor que proporcionaba un esfuerzo de tracción adicional para el arranque. Era un dispositivo de baja velocidad, generalmente montado en el bogie trasero. Se desacoplaba mediante un engranaje intermedio a baja velocidad, por ejemplo, a 30  km/h. Los motores auxiliares se utilizaron ampliamente en Estados Unidos y se probaron experimentalmente en Gran Bretaña y Francia. En el sistema ferroviario de vía estrecha de Nueva Zelanda, seis locomotoras Kb 4-8-4 fueron equipadas con motores auxiliares, siendo las únicas locomotoras de vía de 1067 mm ( 3  pies  6 pulgadas  ) del mundo con dicho equipamiento. 

En Estados Unidos, también se instalaban motores auxiliares en los bogies de los ténderes, conocidos como locomotoras auxiliares. Dos e incluso tres ejes de bogies se conectaban mediante bielas laterales, lo que limitaba su uso a baja velocidad. ^{[ 78 ]}

La compuerta del hogar se utiliza para cubrir la boca del fuego cuando no se está añadiendo carbón. Cumple dos funciones: primero, impide que el aire pase por encima del fuego, obligándolo a pasar a través de él; segundo, protege a la tripulación del tren de posibles retrocesos de llama. Sin embargo, también cuenta con un mecanismo que permite el paso de aire por encima del fuego (conocido como «aire secundario») para completar la combustión de los gases producidos.

Las puertas de la caldera vienen en varios diseños, el más básico de los cuales es una sola pieza con bisagra en un lado que se abre hacia la plataforma. Este diseño tiene dos problemas. Primero, ocupa mucho espacio en la plataforma, y ​​segundo, la corriente de aire tiende a cerrarla por completo, interrumpiendo así la entrada de aire secundario. Para compensar esto, algunas locomotoras están equipadas con un pestillo que impide que la puerta se cierre del todo, mientras que otras tienen una pequeña rejilla de ventilación que se puede abrir para permitir el paso del aire secundario. Aunque se consideró diseñar una puerta de caldera que se abriera hacia adentro, hacia el hogar, evitando así las molestias en la plataforma, dicha puerta estaría expuesta al calor directo del fuego y probablemente se deformaría, quedando inservible.

Un tipo de puerta cortafuegos más común consiste en una puerta corredera de dos piezas accionada por una sola palanca. Hay rieles por encima y por debajo de la puerta por los que se desliza. Estos rieles son propensos a atascarse con escombros, y las puertas requieren más esfuerzo para abrirse que las puertas batientes mencionadas anteriormente. Para solucionar esto, algunas puertas cortafuegos utilizan un sistema de accionamiento motorizado que emplea un cilindro de vapor o aire para abrir la puerta. Entre ellas se encuentran las puertas de mariposa, que pivotan en la esquina superior; este movimiento pivotante ofrece poca resistencia al cilindro que abre la puerta. ^{[ 79 ]}

Las primeras locomotoras de vapor tenían dos cilindros, uno a cada lado, y esta práctica se mantuvo como la disposición más sencilla. Los cilindros podían montarse entre los bastidores principales (conocidos como cilindros internos) o fuera de los bastidores y las ruedas motrices (cilindros externos). Los cilindros internos accionaban bielas integradas en el eje motriz; los cilindros externos accionaban bielas en extensiones de los ejes motrices.

Los diseños posteriores emplearon tres o cuatro cilindros, montados tanto dentro como fuera del bastidor, para lograr un ciclo de potencia más uniforme y una mayor potencia de salida. ^{[ 80 ]} Esto se logró a costa de un mecanismo de distribución más complejo y mayores requisitos de mantenimiento. En algunos casos, el tercer cilindro se añadió en el interior simplemente para permitir cilindros exteriores de menor diámetro y, por lo tanto, reducir el ancho de la locomotora para su uso en líneas con un gálibo restringido, por ejemplo, las clases SR K1 y U1 .

La mayoría de las locomotoras británicas de pasajeros y trenes expresos construidas entre 1930 y 1950 eran de tipo 4-6-0 o 4-6-2 con tres o cuatro cilindros (por ejemplo, GWR Clase 6000 , LMS Clase Coronation , SR Clase Merchant Navy , LNER Clase Gresley A3 ). A partir de 1951, todas menos una de las 999 nuevas locomotoras de vapor estándar de British Rail, de todos los tipos, utilizaban configuraciones de dos cilindros para facilitar el mantenimiento.

Las primeras locomotoras utilizaban un mecanismo de distribución simple que proporcionaba potencia máxima tanto en marcha adelante como en marcha atrás. ^{[ 60 ]} Pronto, el mecanismo de distribución Stephenson permitió al conductor controlar el corte; este fue reemplazado en gran medida por el mecanismo de distribución Walschaerts y patrones similares. Los primeros diseños de locomotoras que utilizaban válvulas de corredera y admisión externa eran relativamente fáciles de construir, pero ineficientes y propensos al desgaste. ^{[ 60 ]} Finalmente, las válvulas de corredera fueron reemplazadas por válvulas de pistón de admisión interna , aunque hubo intentos de aplicar válvulas de asiento (comúnmente utilizadas en motores estacionarios) en el siglo XX. El mecanismo de distribución Stephenson generalmente se colocaba dentro del bastidor y era difícil de acceder para el mantenimiento; los patrones posteriores aplicados fuera del bastidor eran más fácilmente visibles y mantenibles.

Las locomotoras de doble expansión se utilizaron desde 1876, expandiendo el vapor dos o más veces a través de cilindros separados, lo que reducía las pérdidas térmicas causadas por la refrigeración de los cilindros. Estas locomotoras eran especialmente útiles en trenes que requerían largos periodos de esfuerzo continuo. La expansión contribuyó al drástico aumento de potencia logrado por las reconstrucciones de André Chapelon a partir de 1929. Una aplicación común fue en las locomotoras articuladas, siendo la más común la diseñada por Anatole Mallet , en la que la etapa de alta presión estaba fijada directamente al bastidor de la caldera; delante de esta, pivotaba un motor de baja presión sobre su propio bastidor, que recibía los gases de escape del motor trasero. ^{[ 81 ]}

Las locomotoras muy potentes tienden a ser más largas que las de menor potencia, pero los diseños largos de bastidor rígido son imprácticos para las curvas cerradas que se encuentran frecuentemente en los ferrocarriles de vía estrecha. Se desarrollaron varios diseños de locomotoras articuladas para superar este problema. La Mallet y la Garratt fueron las dos más populares. Tenían una sola caldera y dos unidades motrices (conjuntos de cilindros y ruedas motrices): ambas unidades motrices de la Garratt estaban en bastidores giratorios, mientras que una de las de la Mallet estaba en un bastidor giratorio y la otra estaba fija debajo de la unidad de la caldera. También se diseñaron algunas locomotoras triplex , con una tercera unidad motriz debajo del ténder. Otras variantes menos comunes incluían la locomotora Fairlie , que tenía dos calderas espalda con espalda en un bastidor común, con dos unidades motrices separadas.

También se probaron locomotoras dúplex , que contenían dos motores en un bastidor rígido, pero no tuvieron un éxito notable. Por ejemplo, la clase T1 4-4-4-4 del Ferrocarril de Pensilvania , diseñada para funcionar a muy alta velocidad, sufrió problemas de deslizamiento recurrentes y, en última instancia, irreparables a lo largo de su vida útil. ^{[ 82 ]}

Para locomotoras que requerían un alto par de arranque y baja velocidad, el sistema de transmisión directa convencional resultaba inadecuado. Para satisfacer esta necesidad en ferrocarriles industriales, madereros, mineros y de canteras, se desarrollaron locomotoras de vapor con engranajes, como la Shay , la Climax y la Heisler . La característica común de estos tres tipos era la incorporación de engranajes reductores y un eje de transmisión entre el cigüeñal y los ejes motrices. Esta disposición permitía que la locomotora girara a una velocidad mucho mayor que la de las ruedas motrices, en comparación con el diseño convencional, donde la relación es de 1:1.

En Estados Unidos, en la Southern Pacific Railroad , se fabricó una serie de locomotoras con cabina adelantada, donde la cabina y el hogar se ubicaban en la parte delantera de la locomotora y el ténder detrás de la caja de humos, de modo que la locomotora parecía funcionar hacia atrás. Esto solo era posible gracias al uso de fueloil como combustible . Southern Pacific seleccionó este diseño para proporcionar aire libre de humo al maquinista mientras la locomotora atravesaba túneles de montaña y cobertizos para la nieve. Otra variante fue la locomotora Camelback , con la cabina situada a mitad de la caldera. En Inglaterra, Oliver Bulleid desarrolló la locomotora SR Leader durante el proceso de nacionalización a finales de la década de 1940. La locomotora fue sometida a rigurosas pruebas, pero varios fallos de diseño (como el uso de carbón y las válvulas de manguito) provocaron que esta locomotora y las demás parcialmente construidas fueran desguazadas. Bulleid llevó el diseño de cabina adelantada a Irlanda, donde se trasladó tras la nacionalización, y donde desarrolló la locomotora "turfburner". Esta locomotora tuvo más éxito, pero fue desguazada debido a la dieselización de los ferrocarriles irlandeses.

En Francia, las tres locomotoras Heilmann se construyeron con un diseño de cabina adelantada, mientras que en Italia se produjeron 43 unidades de la clase FS 670 .

La única locomotora con cabina delantera que se conserva es la Southern Pacific 4294 en Sacramento, California.

Las turbinas de vapor se crearon como un intento de mejorar el funcionamiento y la eficiencia de las locomotoras de vapor. Los experimentos con turbinas de vapor que utilizaban transmisiones eléctricas y de accionamiento directo en varios países resultaron en su mayoría infructuosos. ^{[ 58 ]} El ferrocarril London, Midland & Scottish construyó la Turbomotive , un intento en gran medida exitoso de demostrar la eficiencia de las turbinas de vapor. ^{[ 58 ]} De no haber sido por el estallido de la Segunda Guerra Mundial , es posible que se hubieran construido más. La Turbomotive funcionó desde 1935 hasta 1949, cuando se reconstruyó como una locomotora convencional debido a que muchas piezas requerían reemplazo, una propuesta antieconómica para una locomotora "única". En los Estados Unidos, los ferrocarriles Union Pacific , Chesapeake & Ohio y Norfolk & Western (N&W) construyeron locomotoras turboeléctricas. El ferrocarril Pennsylvania Railroad (PRR) también construyó locomotoras de turbina, pero con una caja de cambios de accionamiento directo. Sin embargo, todos los diseños fallaron debido al polvo, la vibración, los defectos de diseño o la ineficiencia a bajas velocidades. La última locomotora que permaneció en servicio fue la de la N&W, retirada en enero de 1958. El único diseño verdaderamente exitoso fue la TGOJ MT3, utilizada para transportar mineral de hierro desde Grängesberg, en Suecia, hasta los puertos de Oxelösund . A pesar de su correcto funcionamiento, solo se construyeron tres. Dos de ellas se conservan en buen estado de funcionamiento en museos de Suecia.

En una locomotora sin caldera, esta se reemplaza por un acumulador de vapor , que se carga con vapor (en realidad agua a una temperatura muy superior al punto de ebullición, ( 100 °C (212 °F) ) procedente de una caldera fija. Las locomotoras sin caldera se utilizaban en lugares con alto riesgo de incendio (por ejemplo, refinerías de petróleo ), donde la limpieza era fundamental (por ejemplo, plantas de producción de alimentos) o donde el vapor estaba fácilmente disponible (por ejemplo, fábricas de papel y centrales eléctricas, donde el vapor es un subproducto o se obtiene a bajo coste). El depósito de agua ("caldera") está fuertemente aislado, al igual que en una locomotora con caldera. Hasta que toda el agua se haya evaporado, la presión del vapor no disminuye, salvo cuando baja la temperatura.  

Otro tipo de locomotora sin combustión es la locomotora de aire comprimido.

Las locomotoras de vapor se clasifican según la disposición de sus ruedas. Los dos sistemas predominantes para ello son la notación Whyte y la clasificación UIC .

La notación Whyte, utilizada en la mayoría de los países de habla inglesa y de la Commonwealth, representa cada conjunto de ruedas con un número. Estos números generalmente representaban la cantidad de ruedas delanteras sin tracción, seguidas de la cantidad de ruedas motrices (a veces en varios grupos) y, finalmente, la cantidad de ruedas traseras sin tracción. Por ejemplo, una locomotora de maniobras con solo 4 ruedas motrices, sin ruedas delanteras ni traseras, se clasificaría como una configuración de ruedas 0-4-0 . Una locomotora con un bogie delantero de 4 ruedas, seguido de 6 ruedas motrices y un bogie trasero de 2 ruedas, se clasificaría como una 4-6-2 . A las diferentes configuraciones se les asignaban nombres que generalmente reflejaban su primer uso; por ejemplo, el tipo "Santa Fe" ( 2-10-2 ) se llama así porque los primeros ejemplares se construyeron para el ferrocarril Atchison, Topeka y Santa Fe . Estos nombres se asignaban informalmente y variaban según la región e incluso la política.

La clasificación UIC se utiliza principalmente en países europeos, a excepción del Reino Unido. Designa pares consecutivos de ruedas (denominados informalmente "ejes") con un número para las ruedas no motrices y una letra mayúscula para las motrices (A=1, B=2, etc.). Por lo tanto, una designación Whyte 4-6-2 sería equivalente a una designación UIC 2-C-1.

En algunos organismos operadores ferroviarios, como ferrocarriles, compañías ferroviarias o gobiernos, las locomotoras se organizaban en clases . A veces, las clases representaban locomotoras que podían sustituirse entre sí en servicio, pero lo más común era que una clase representara un único diseño de locomotora de vapor. Los nombres de las clases variaban según el organismo ferroviario que las administraba: algunas se clasificaban con algún tipo de código, otras recibían su nombre según la disposición de sus ruedas, y otras simplemente tenían un nombre (como la Clase Coronation de la LMS ). Las clases también solían recibir apodos, como Pug (una pequeña locomotora de maniobras), que representaban características notables de las locomotoras. ^{[ 84 ] [ 85 ]}

En la era de las locomotoras de vapor, generalmente se aplicaban dos medidas de rendimiento de las locomotoras. Al principio, las locomotoras se clasificaban por el esfuerzo de tracción, definido como la fuerza promedio desarrollada durante una revolución de las ruedas motrices en la cabeza del riel. ^{[ 45 ]} Esto se puede calcular aproximadamente multiplicando el área total del pistón por el 85 % de la presión de la caldera (una regla práctica que refleja la presión ligeramente menor en la caja de vapor sobre el cilindro) y dividiendo por la relación entre el diámetro de la rueda motriz y la carrera del pistón. Sin embargo, la fórmula precisa es

${\displaystyle t={\frac {cPd^{2}s}{D}},}$

donde d es el diámetro del cilindro en pulgadas, s es la carrera del cilindro en pulgadas, P es la presión de la caldera en libras por pulgada cuadrada, D es el diámetro de la rueda motriz en pulgadas y c es un factor que depende del corte efectivo. ^{[ 86 ]} En EE. UU., c suele fijarse en 0,85, pero es menor en motores cuyo corte máximo está limitado al 50-75 %.

El esfuerzo de tracción es solo la fuerza "promedio", ya que no todo el esfuerzo es constante durante una revolución de los motores. En algunos puntos del ciclo, solo un pistón ejerce momento de giro y en otros, ambos pistones trabajan. No todas las calderas entregan la potencia máxima al arrancar, y el esfuerzo de tracción también disminuye a medida que aumenta la velocidad de rotación. ^{[ 45 ]}

El esfuerzo de tracción es una medida de la carga más pesada que una locomotora puede arrancar o arrastrar a muy baja velocidad sobre la pendiente dominante en un territorio determinado. ^{[ 45 ]} Sin embargo, a medida que aumentaba la presión para hacer circular trenes de mercancías más rápidos y trenes de pasajeros más pesados, el esfuerzo de tracción se consideró una medida inadecuada del rendimiento porque no tenía en cuenta la velocidad. Por lo tanto, en el siglo XX, las locomotoras comenzaron a ser clasificadas por su potencia. Se aplicaron diversos cálculos y fórmulas, pero en general los ferrocarriles utilizaron vagones dinamométricos para medir la fuerza de tracción a velocidad en pruebas reales en carretera.

Las compañías ferroviarias británicas se han mostrado reacias a revelar las cifras de potencia en la barra de tiro y, por lo general, han recurrido al esfuerzo de tracción continuo .

La clasificación está indirectamente relacionada con el rendimiento de la locomotora. Con proporciones adecuadas del resto de la locomotora, la potencia de salida viene determinada por el tamaño del fuego, y en el caso de una locomotora alimentada con carbón bituminoso, esta viene determinada por la superficie de la parrilla. Las locomotoras modernas de combustión simple suelen producir unos 40 caballos de fuerza de tracción por pie cuadrado de parrilla. La fuerza de tracción, como se mencionó anteriormente, está determinada en gran medida por la presión de la caldera, las proporciones de los cilindros y el tamaño de las ruedas motrices. Sin embargo, también está limitada por el peso sobre las ruedas motrices (denominado "peso adhesivo"), que debe ser al menos cuatro veces superior al esfuerzo de tracción. ^{[ 58 ]}

El peso de la locomotora es aproximadamente proporcional a la potencia de salida; el número de ejes necesarios se determina dividiendo este peso entre el límite de carga por eje de la vía donde se utilizará la locomotora. El número de ruedas motrices se deriva del peso de adherencia de la misma manera, quedando los ejes restantes a cargo de los bogies delantero y trasero. ^{[ 58 ]} Las locomotoras de pasajeros tradicionalmente tenían bogies delanteros de dos ejes para una mejor guía a alta velocidad; por otro lado, el gran aumento en el tamaño de la parrilla y el hogar en el siglo XX hizo necesario un bogie trasero para proporcionar soporte. En Europa, se utilizaron varias variantes del bogie Bissel en las que el movimiento giratorio de un bogie de un solo eje controla el desplazamiento lateral del eje motriz delantero (y en un caso también del segundo eje). Esto se aplicó principalmente a locomotoras expresas y de tráfico mixto de 8 acoplamientos, y mejoró considerablemente su capacidad para negociar curvas al tiempo que restringía la distancia entre ejes total de la locomotora y maximizaba el peso de adherencia.

Por regla general, las locomotoras de maniobras (o locomotoras de cambio de vía ) prescindían de bogies delanteros y traseros, tanto para maximizar la fuerza de tracción disponible como para reducir la distancia entre ejes. La velocidad no era importante; lo primordial era lograr la locomotora más pequeña (y, por lo tanto, la de menor consumo de combustible) para la fuerza de tracción. Las ruedas motrices eran pequeñas y generalmente soportaban tanto el hogar como la sección principal de la caldera. Las locomotoras auxiliares (o locomotoras de apoyo ) solían seguir los principios de las locomotoras de maniobras, excepto que no se aplicaba la limitación de la distancia entre ejes, por lo que las locomotoras auxiliares solían tener más ruedas motrices. En Estados Unidos, este proceso finalmente dio lugar a la locomotora tipo Mallet, con sus numerosas ruedas motrices, que tendieron a incorporar bogies delanteros y luego traseros a medida que la dirección de la locomotora se volvía más importante.

A finales del siglo XIX, cuando los tipos de locomotoras comenzaron a divergir, los diseños de las locomotoras de carga inicialmente priorizaron la fuerza de tracción, mientras que los de pasajeros priorizaron la velocidad. Con el tiempo, el tamaño de las locomotoras de carga aumentó, y con ello, el número total de ejes. El bogie delantero solía tener un solo eje, pero a las locomotoras más grandes se les añadía un bogie trasero para soportar una caja de fuego más grande que ya no cabía entre las ruedas motrices ni encima de ellas. Las locomotoras de pasajeros tenían bogies delanteros de dos ejes, menos ejes motrices y ruedas motrices muy grandes para limitar la velocidad a la que debían moverse las piezas móviles.

En la década de 1920, en Estados Unidos la atención se centró en la potencia, personificada por el concepto de "superpotencia" promovido por Lima Locomotive Works, aunque el esfuerzo de tracción siguió siendo la principal consideración después de la Primera Guerra Mundial hasta el fin de la era del vapor. Los trenes de mercancías se diseñaron para circular más rápido, mientras que las locomotoras de pasajeros necesitaban arrastrar cargas más pesadas a gran velocidad. Esto se logró aumentando el tamaño de la parrilla y el hogar sin modificar el resto de la locomotora, lo que requirió la adición de un segundo eje al bogie trasero. Las locomotoras de carga 2-8-2 se convirtieron en 2-8-4 , mientras que las 2-10-2 se convirtieron en 2-10-4 . De manera similar, las locomotoras de pasajeros 4-6-2 se convirtieron en 4-6-4 . En Estados Unidos, esto condujo a una convergencia hacia la configuración de doble propósito 4-8-4 y la configuración articulada 4-6-6-4 , que se utilizaba tanto para el servicio de mercancías como de pasajeros. ^{[ 87 ]} Las locomotoras Mallet pasaron por una transformación similar, evolucionando de máquinas de banco a enormes locomotoras de línea principal con hogares mucho más grandes; sus ruedas motrices también aumentaron de tamaño para permitir una circulación más rápida.

La clase de locomotora de vapor más fabricada del mundo es la locomotora rusa de clase E 0-10-0 , con alrededor de 11.000 unidades producidas tanto en Rusia como en otros países como Checoslovaquia, Alemania, Suecia, Hungría y Polonia. De la clase O rusa se fabricaron 9.129 locomotoras entre 1890 y 1928. Se produjeron alrededor de 7.000 unidades de la locomotora alemana DRB Clase 52 2-10-0 Kriegslok .

En Gran Bretaña, se construyeron 863 locomotoras de la clase GWR 5700 y 943 de la clase DX del London and North Western Railway , incluyendo 86 locomotoras construidas para el Lancashire and Yorkshire Railway . ^{[ 88 ]} 

Antes de la Ley de Agrupación de 1923 , la producción en el Reino Unido era mixta. Las grandes compañías ferroviarias construían locomotoras en sus propios talleres, mientras que las más pequeñas y las empresas industriales las encargaban a constructores externos. Existía un amplio mercado para los constructores externos debido a la política de autoconstrucción de las principales compañías ferroviarias. Un ejemplo de taller anterior a la agrupación era el de Melton Constable , que se encargaba del mantenimiento y la construcción de algunas locomotoras para la Midland and Great Northern Joint Railway . Otros talleres incluían uno en Boston (uno de los primeros edificios de la GNR) y Horwich Works .

Entre 1923 y 1947, las cuatro grandes compañías ferroviarias (Great Western Railway, London, Midland & Scottish Railway, London & North Eastern Railway y Southern Railway) construyeron la mayoría de sus propias locomotoras, y solo las compraban a fabricantes externos cuando sus propias fábricas estaban completamente ocupadas (o como resultado de la estandarización impuesta por el gobierno durante la guerra). ^{[ 89 ]}

Desde 1948, British Railways (BR) permitió a las antiguas cuatro grandes compañías (ahora denominadas "Regiones") seguir produciendo sus propios diseños, pero también creó una gama de locomotoras estándar que supuestamente combinaban las mejores características de cada región. Aunque en 1955 se adoptó una política de dieselización, BR continuó construyendo nuevas locomotoras de vapor hasta 1960, y la última se denominó Evening Star . ^{[ 90 ]}

Algunos fabricantes independientes produjeron locomotoras de vapor durante algunos años más, y la última locomotora de vapor industrial de fabricación británica fue construida por Hunslet en 1971. Desde entonces, algunos fabricantes especializados han seguido produciendo pequeñas locomotoras para ferrocarriles de vía estrecha y en miniatura, pero dado que el principal mercado para estas es el sector de los ferrocarriles turísticos y patrimoniales , la demanda de dichas locomotoras es limitada. En noviembre de 2008, una nueva locomotora de vapor de línea principal, la 60163 Tornado , fue probada en las líneas principales del Reino Unido para su eventual uso en servicios de alquiler y excursiones.

Durante el siglo XIX y principios del XX, la mayoría de las locomotoras de vapor suecas se fabricaban en Gran Bretaña. Sin embargo, posteriormente, la mayoría de las locomotoras de vapor se construían en fábricas locales, como NOHAB en Trollhättan y ASJ en Falun . Uno de los tipos más exitosos fue la clase "B" ( 4-6-0 ), inspirada en la clase prusiana P8. Muchas de las locomotoras de vapor suecas se conservaron durante la Guerra Fría por si acaso estallara una guerra. Durante la década de 1990, estas locomotoras se vendieron a asociaciones sin ánimo de lucro o al extranjero, razón por la cual las locomotoras suecas de las clases B, S ( 2-6-4 ) y E2 ( 2-8-0 ) se pueden ver actualmente en Gran Bretaña, los Países Bajos, Alemania y Canadá.

Las locomotoras para los ferrocarriles estadounidenses casi siempre se fabricaban en Estados Unidos con muy pocas importaciones, excepto en los primeros tiempos de las máquinas de vapor. Esto se debía a las diferencias básicas de los mercados en Estados Unidos, que inicialmente tenía muchos mercados pequeños ubicados a grandes distancias entre sí, en contraste con la mayor densidad de mercados de Europa. Se requerían locomotoras que fueran baratas y robustas y que pudieran recorrer grandes distancias en vías construidas y mantenidas con pocos recursos. Una vez que la fabricación de motores se estableció a gran escala, había muy poca ventaja en comprar un motor en el extranjero que tendría que ser personalizado para adaptarse a los requisitos locales y las condiciones de la vía. Las mejoras en el diseño de motores, tanto de origen europeo como estadounidense, fueron incorporadas por los fabricantes cuando se justificaban en un mercado generalmente muy conservador y de lento cambio. Con la notable excepción de las locomotoras estándar USRA construidas durante la Primera Guerra Mundial, en Estados Unidos, la fabricación de locomotoras de vapor siempre fue semicustomizada. Los ferrocarriles encargaban locomotoras adaptadas a sus requisitos específicos, aunque algunas características básicas de diseño siempre estaban presentes. Los ferrocarriles desarrollaron algunas características específicas; Por ejemplo, el Ferrocarril de Pensilvania y el Ferrocarril del Gran Norte tenían preferencia por la caja de fuego Belpaire. ^{[ 91 ]} En los Estados Unidos, los grandes fabricantes construían locomotoras para casi todas las compañías ferroviarias, aunque casi todos los ferrocarriles principales tenían talleres capaces de realizar reparaciones mayores y algunos ferrocarriles (por ejemplo, el Ferrocarril Norfolk and Western y el Ferrocarril de Pensilvania, que tenía dos talleres de montaje) construían locomotoras completamente en sus propios talleres. ^{[ 92 ] [ 93 ]} Las compañías que fabricaban locomotoras en los EE. UU. incluían Baldwin Locomotive Works , American Locomotive Company (ALCO) y Lima Locomotive Works . En total, entre 1830 y 1950, se construyeron más de 160 000 locomotoras de vapor en los Estados Unidos, siendo Baldwin la que representó la mayor parte, casi 70 000. ^{[ 94 ]}

Las locomotoras de vapor requerían un mantenimiento y revisión regulares y, en comparación con las locomotoras diésel-eléctricas, frecuentes (a menudo en intervalos regulados por el gobierno en Europa y EE. UU.). Durante las revisiones se realizaban modificaciones y mejoras con regularidad. Se añadían nuevos componentes, se eliminaban las características insatisfactorias y se mejoraban o reemplazaban los cilindros. Casi cualquier parte de la locomotora, incluidas las calderas, se reemplazaba o mejoraba. Cuando el mantenimiento o las mejoras resultaban demasiado costosos, la locomotora se vendía o se retiraba. En el ferrocarril Baltimore and Ohio, dos locomotoras 2-10-2 fueron desmanteladas; las calderas se instalaron en dos nuevas locomotoras Clase T 4-8-2 y la maquinaria de ruedas restante se convirtió en un par de locomotoras de maniobras Clase U 0-10-0 con nuevas calderas. La flota de locomotoras 4-10-2 de 3 cilindros de Union Pacific se convirtió en locomotoras de dos cilindros en 1942, debido a los altos problemas de mantenimiento.

En Sídney , tanto Clyde Engineering como los Talleres Ferroviarios de Eveleigh construyeron locomotoras de vapor para los Ferrocarriles del Gobierno de Nueva Gales del Sur . Estas incluyen la clase C38 4-6-2 ; las primeras cinco se construyeron en Clyde con aerodinámica , las otras 25 locomotoras se construyeron en Eveleigh (13) y en los Talleres de Cardiff (12) cerca de Newcastle. En Queensland, las locomotoras de vapor fueron construidas localmente por Walkers . De manera similar, los Ferrocarriles de Australia Meridional también fabricaron locomotoras de vapor localmente en los Talleres Ferroviarios de Islington en Adelaida . Los Ferrocarriles Victorianos construyeron la mayoría de sus locomotoras en sus Talleres de Newport y en Bendigo , mientras que en los primeros tiempos las locomotoras se construían en la Fundición Phoenix en Ballarat . Las locomotoras construidas en los talleres de Newport iban desde la clase nA 2-6-2 T construida para la vía estrecha , hasta la clase H 4-8-4 , la locomotora convencional más grande que jamás haya operado en Australia, con un peso de 260 toneladas. Sin embargo, el título de la locomotora más grande jamás utilizada en Australia corresponde a la locomotora de la clase AD60 de Nueva Gales del Sur de 263 toneladas 4-8-4+4-8-4 Garratt, ^{[ 95 ]} construida por Beyer, Peacock & Company en Inglaterra. La mayoría de las locomotoras de vapor utilizadas en Australia Occidental fueron construidas en el Reino Unido, aunque algunos ejemplos fueron diseñados y construidos localmente en los Talleres Ferroviarios de Midland de los Ferrocarriles del Gobierno de Australia Occidental . Las 10 locomotoras WAGR de clase S (introducidas en 1943) fueron la única clase de locomotora de vapor que fue concebida, diseñada y construida íntegramente en Australia Occidental, ^{[ 96 ]} mientras que los talleres de Midland participaron notablemente en el programa de construcción a nivel nacional de las locomotoras Garratt estándar australianas ; estas locomotoras de tiempos de guerra se construyeron en Midland en Australia Occidental, Clyde Engineering en Nueva Gales del Sur, Newport en Victoria e Islington en Australia Meridional y prestaron diversos grados de servicio en todos los estados australianos. ^{[ 96 ]}