蒸気機関車

蒸気機関車は、蒸気の膨張によって自分自身や他の車両を動かす力を提供する機関車です。^{[1] : 80}燃料は可燃性物質（通常は石炭、石油、まれに木材）を燃やして機関車のボイラー内の水を加熱し、気体になって体積が1,700倍に増加します。機能的には、車輪の付いた蒸気エンジンです。^[2]

ほとんどの機関車では、ピストンが機関車の主輪に機械的に接続されているシリンダーの両端に交互に蒸気が供給されます。燃料と水は通常、機関車自体または機関車に連結された炭水車で運ばれます。この一般的な設計のバリエーションには、電動ボイラー、ピストンの代わりにタービン、外部で生成された蒸気の使用などがあります。

蒸気機関車は19世紀初頭にイギリスで初めて開発され、20世紀半ばまで鉄道輸送に使用されました。リチャード・トレビシックは1804年にペン・ア・ダレンで長距離を運搬した最初の蒸気機関車を製造しましたが、彼は1802年にコールブルックデールで試験用の機関車も製造していました。 ^{[3] 1812年に} マシュー・マレーがミドルトン鉄道向けに製造したサラマンカは、初めて商業的に成功した蒸気機関車でした。^[4]ジョージ・スチーブンソンと息子ロバートの会社ロバート・スチーブンソン・アンド・カンパニーが製造したロコモーション1号は、1825年にストックトン・アンド・ダーリントン鉄道という公共鉄道で旅客を運んだ最初の蒸気機関車でした。 1830年、ジョージ・スチーブンソンは、1829年のレインヒル試験でロケットが成功し、蒸気機関車がそのような任務を遂行できると証明された後、最初の公共都市間鉄道であるリバプール・アンド・マンチェスター鉄道を開通させました。ロバート・スチーブンソン・アンド・カンパニーは、英国、米国、およびヨーロッパの多くの国で鉄道の蒸気機関車が普及した最初の数十年間に、卓越した蒸気機関車製造会社でした。^[5]

蒸気機関車の時代が終わりに近づくと、イギリスでは長年にわたり速度を重視し、LNERクラスA4 4468マラード^{が時速126マイル（時速203キロメートル）という未だに破られていない記録を樹立した。 [6]しかし、}ペンシルバニア鉄道クラスS1が時速150マイル以上の速度を達成したという主張が長年あるが、これは公式には証明されていない。 ^{[7] [8] [9] [10]}アメリカ合衆国では、より大きな荷重限界によって、重量540英トン（550  t、600米トン）、牽引力135,375ポンド力（602,180ニュートン）のユニオンパシフィック ビッグボーイ のような非常に大きく重い機関車の開発が可能になった。^{[11] [注 1]}

1900年代初頭から、蒸気機関車は徐々に電気機関車とディーゼル機関車に取って代わられ、鉄道は1930年代後半から電気とディーゼル動力に完全に移行しました。蒸気機関車の大部分は1980年代までに定期運行から引退しましたが、いくつかは観光路線や歴史遺産路線で運行を続けています。^[12]

最古の鉄道では、馬が線路に沿って荷車を引いていました。^[13] 1784年、スコットランドの発明家ウィリアム・マードックがバーミンガムで蒸気道路機関車の小規模な試作車を製作しました。^{[14] [15]}本格的な鉄道用蒸気機関車は、1787年頃にウィリアム・レイノルズによって提案されました。 ^[16]蒸気鉄道機関車の初期の実用的なモデルは、 1794年に米国で蒸気船の先駆者であるジョン・フィッチによって設計および製作されました。 ^{[17]いくつかの情報源によると、フィッチのモデルは1780年代にはすでに動作可能であり、彼は}ジョージ・ワシントンに機関車を実演しました。^{[18]彼の蒸気機関車は、レールまたは線路で誘導される内部ブレード付き車輪を使用していました。このモデルは、米国コロンバスの}オハイオ歴史協会博物館に今も所蔵されています。^{[19]この機関車の真贋と年代については一部の専門家から異論があり、実用的な蒸気機関車が実現するには、蒸気機関車の先駆者である}リチャード・トレビシックによる高圧蒸気エンジンの発明を待たなければならなかった。^[20]

最初の本格的な鉄道用蒸気機関車は、1802年にトレビシックが製造した3フィート( 914 mm ) 軌間のコールブルックデール機関車であった。この機関車はイギリスのシュロップシャーにあるコールブルックデール製鉄所向けに製造されたが、そこで稼働した記録は残っていない。^[21] 1804年2月21日、記録に残る最初の蒸気機関車による鉄道の旅が行われ、トレビシックの別の機関車が幅4フィート4インチ( 1,321 mm ) の路面電車に沿ってマーサー・ティドビル近くのペン・ア・ダレン製鉄所から南ウェールズのアバーカノンまで列車を牽引した。^{[22] [23]}アンドリュー・ビビアンの同乗により、この機関車は成功と失敗が入り混じった。^[24]この設計には、高圧蒸気の使用を含むいくつかの重要な革新が取り入れられており、これにより機関車の重量が軽減され効率が向上した。

トレビシックは1804年にニューカッスル地域を訪れ、炭鉱の所有者や技術者らから熱心な聴衆を得た。この訪問は大成功で、イングランド北東部の炭鉱鉄道は蒸気機関車の実験と開発の中心地となった。^[25]トレビシックは蒸気機関車の実験をさらに3台の機関車で続け、1808年には世界で初めて運賃を支払って乗客を運ぶ 「キャッチ・ミー・フー・キャン」を完成させた。

1812年、マシュー・マレーの成功したツインシリンダーラック式機関車サラマンカが、エッジレールの ラック・アンド・ピニオン式 ミドルトン鉄道で初めて走りました。^[26]もう一つのよく知られた初期の機関車は、技術者ウィリアム・ヘドリーによって1813年から1814年にかけて製造されたパッフィング・ビリーです。ニューカッスル・アポン・タイン近郊のワイラム炭鉱で稼働することを目的としていました。この機関車は現存する最古のもので、ロンドンのサイエンス・ミュージアムに静態展示されています。

キリングワース炭鉱で機関工として働いていた元炭鉱労働者のジョージ・スティーブンソンは、1814年のブリュッヒャー、1815年の別の機関車、1816年の（新たに特定された）キリングワース・ビリーなど、最大で16台のキリングワース機関車を開発しました。彼はまた、 1817年にキルマーノック・アンド・トゥルーン鉄道向けにザ・デュークを建造しました。これはスコットランドで稼働した最初の蒸気機関車でした。

1825年、スティーブンソンはイングランド北東部のストックトン・アンド・ダーリントン鉄道向けにロコモーション1号を建造した。同鉄道は世界初の公共蒸気鉄道であった。1829年、息子のロバートはニューカッスルでロケット号を建造し、レインヒル・トライアルに出場して優勝した。この成功により、同社は英国、米国、そしてヨーロッパの多くの地域で鉄道で使用される蒸気機関車を製造する一流企業として頭角を現した。^[27] 1年後にはリバプール・アンド・マンチェスター鉄道が開業し、旅客列車と貨物列車に蒸気動力のみを使用した。

イギリスからの輸入品が到着する前に、ジョン・フィッチのミニチュア試作車を含むいくつかの国産蒸気機関車の試作車が米国で製造され、試験された。有名な実物大の例は、1825年にニュージャージー州ホーボーケンの環状線で実演されたジョン・スティーブン大佐の「蒸気ワゴン」である。 ^[28]

アメリカの鉄道で最初に商用利用された機関車の多くはイギリスから輸入されたもので、最初はスタウアブリッジ・ライオン、後にジョン・ブルがそうであった。しかし、すぐに国内の機関車製造業が確立された。1830年、ボルチモア・アンド・オハイオ鉄道のピーター・クーパー設計のトム・サム^[29]は、アメリカで走った最初の商用米国製機関車であった。この機関車は、収益を生む機関車というよりは、蒸気牽引の可能性を示すためのものであった。1831年にモホーク・アンド・ハドソン鉄道向けに製造されたデウィット・クリントンは、初期の機関車として注目に値するものであった。^{[27] [30]}

2021年現在^[update]、オリジナルのジョン・ブルはワシントンD.C.の国立アメリカ歴史博物館に静態展示されている^[31]。レプリカはペンシルバニア鉄道博物館に保存されている。^[32]

イギリスと北米以外で最初の鉄道サービスは、1829年にフランスのサンテティエンヌとリヨンの間で開通しました。当初は家畜牽引に限られていましたが、1831年初頭にセガン機関車を使用して蒸気牽引に切り替えられました。フランス以外のヨーロッパで運行された最初の蒸気機関車は「エレファント」と名付けられ、1835年5月5日にベルギーのメッヘレンとブリュッセルを結ぶ最初の路線で列車を牽引しました。

ドイツで最初に稼働した蒸気機関車は、イギリスの機関車の先駆者ジョン・ブレンキンソップが設計したサラマンカに似たラック・アンド・ピニオン式の機関車だった。1816年6月にヨハン・フリードリヒ・クリガーがベルリン王立鉄鋳造所 ( Königliche Eisengießerei zu Berlin) で製造したこの機関車は、工場敷地内の円形の線路を走った。ヨーロッパ本土で製造された最初の機関車であり、蒸気動力による最初の旅客サービスでもあった。好奇心旺盛な見物人は、連結された客車に有料で乗ることができた。この機関車は、1816年の王立鋳造所の新年のバッジに描かれている。1817年に同じシステムを使用して別の機関車が製造された。これらは、ケーニヒスヒュッテとザール地方のルイゼンタール（現在のフェルクリンゲンの一部）の坑道鉄道で使用されることになっていたが、どちらも解体、移動、再組み立てされた後、稼働状態に戻すことはできなかった。1835年12月7日、アドラーはバイエルン・ルートヴィヒ鉄道のニュルンベルクとフュルトの間で初めて走行した。これはロバート・スティーブンソンの機関車工場からの118番目の機関車で、特許保護下にあった。

ロシアでは、1834年にチェレパノフ家によって最初の蒸気機関車が製造されましたが、その地域の石炭不足に悩まされ、近くの森林がすべて伐採された後は馬による牽引に置き換えられました。ロシア初のツァールスコエ・セロー蒸気鉄道は、 1837年にロバート・スティーブンソン社から購入した機関車で運行を開始しました。

1837年、オーストリア初の蒸気鉄道が、ウィーン・フロリツドルフとドイチュ・ヴァーグラムを結ぶフェルディナント皇帝北方鉄道で開通しました。オーストリアには、現在も稼働している世界最古の蒸気機関車も走っています。 1860年に製造されたGKB 671は、一度も運用が中止されたことがなく、今でも特別観光列車に使用されています。

1838年、ドイツで3番目に製造された蒸気機関車、ザクソニアが、ドレスデン近郊のユービガウ機械製作所で、ヨハン・アンドレアス・シューベルト教授によって製造されました。ドイツで最初に独自に設計された機関車は、1841年にアウグスト・ボルジッヒによって製造されたボイトでした。カッセルのヘンシェルヴェルケによって製造された最初の機関車、ドラッヘは、1848年に納品されました。

イタリアで最初に運行された蒸気機関車は、両シチリア王国の ナポリ-ポルティチ線を走っていたバヤール号とベスビオ号でした。

スイス領土を横断する最初の鉄道は、 1844年に開通したストラスブール–バーゼル線でした。3年後の1847年には、チューリッヒからバーデンまでの初の完全なスイス鉄道であるスペイン鉄道が開通しました。

南オーストラリアの乾燥した性質は、初期の蒸気機関車ネットワークに独特の課題をもたらした。トランスオーストラリア鉄道の機関車ボイラーで使用されていた井戸水（井戸水）には塩化マグネシウムが高濃度で含まれていたため、深刻で費用のかかる保守作業の問題が発生した。路線のどの地点でも恒久的な淡水の水路を横切ることはなく、井戸水に頼らざるを得なかった。ミネラル分を多く含んだ水を安価に処理する方法はなく、機関車ボイラーは通常期待される期間の4分の1以下しか持たなかった。^[33]蒸気機関車の時代には、列車の総積載量の約半分が機関車用の水だった。この路線を運営していたコモンウェルス鉄道は、ディーゼル電気機関車を早期に採用した。

火管ボイラーは蒸気機関車の標準的な方法でした。^{[なぜ? ]}他のタイプのボイラーも評価されましたが、水管ブロタンボイラーを使用したハンガリーの約1,000台の機関車を除いて、広くは使用されませんでした。^{[引用が必要]}

ボイラーは、燃料が燃焼する火室、水が蒸気に変わる樽、火室の外部よりもわずかに低い圧力に保たれる煙室で構成されています。

木材、石炭、コークスなどの固形燃料は、火夫によってドアから火室に投入され、燃焼中に燃料を床に保持する火格子の上に載せられます。灰は火格子を通って灰受けに落ちます。燃料として石油を使用する場合は、空気の流れを調整し、火室を保守し、石油ジェットを清掃するためのドアが必要です。

火管ボイラーには、火室と煙室を繋ぐ内部管があり、その中を燃焼ガスが流れ、熱を水に伝えます。すべての管が一緒になって、ボイラー内のガスと水の間に管加熱面と呼ばれる大きな接触面積を提供します。ボイラー水は火室を取り囲み、金属が熱くなりすぎないようにします。これは、ガスが水に熱を伝えるもう 1 つの領域であり、火室加熱面と呼ばれます。シリンダーからの排気蒸気によってガスが煙突 (米国では スタックまたはスモークスタック) に引き上げられると、灰と炭が煙室に集まります。

ボイラー内の圧力は運転室内に設置された圧力計で監視する必要がある。蒸気圧は運転手または消防士が手動で解放することができる。圧力がボイラーの設計上の作動限界に達すると、安全弁が自動的に開き圧力を下げ^[34]、壊滅的な事故を回避する。

エンジン シリンダーからの排気蒸気は、煙室の煙突の上向きのノズルから噴出します。蒸気は煙室のガスを巻き込み、引きずるため、煙室の圧力は火室の格子の下の圧力よりも低くなります。この圧力差により、空気が石炭層を通って上昇し、火が燃え続けます。

一般的な火管ボイラーよりも高い熱効率を求めて、ナイジェル・グレズリーなどの技術者は水管ボイラーを検討するようになりました。彼はLNER クラス W1でこのコンセプトをテストしましたが、開発中の困難は、その方法で効率を上げようという意志を上回りました。

ボイラーで発生した蒸気は、機関車を動かすだけでなく、汽笛、ブレーキ用の空気圧縮機、ボイラーの水を補充するポンプ、客車の暖房システムなどの他の装置を動かすのにも使われます。蒸気の需要が常にあるため、ボイラーの水を定期的に交換する必要があります。水は炭水車内のタンクに保管されるか、タンク機関車の場合にはボイラーの周りに巻き付けられます。タンクを補充するには定期的に停止する必要がありますが、代替手段として、炭水車の下にスコップを設置して、レールの間にあるトラックパンを列車が通過するときに水を集める方法がありました。

機関車が蒸気を生産している間、透明な管、つまりのぞき窓の水位を観察することで、ボイラー内の水の量を常に監視しています。ボイラーを効率的かつ安全に操作するには、のぞき窓にマークされた線の間に水位を維持する必要があります。水位が高すぎると、蒸気生産が低下して効率が失われ、水が蒸気とともにシリンダーに運び込まれ、機械的な損傷を引き起こす可能性があります。さらに深刻なことに、水位が低すぎると、火室のクラウンシート（上部シート）が露出します。シートの上に燃焼熱を逃がす水がないと、シートが柔らかくなって破損し、高圧蒸気が火室と運転室に侵入します。温度に敏感な装置である可溶プラグの開発により、火室への蒸気の制御された放出が保証され、火夫に水を補充するように警告します。

ボイラー内にスケールが蓄積して十分な熱伝達が妨げられ、腐食によりボイラーの材質が最終的に劣化し、再構築または交換が必要になります。大型エンジンの始動には、十分な蒸気が得られるまでボイラーの水を予備加熱するのに何時間もかかる場合があります。

ボイラーは通常は水平に設置されますが、急勾配の場所で動作するように設計された機関車の場合は、垂直のボイラー、またはボイラーは水平のままで車輪がレールの勾配に合わせて傾斜するように取り付けられたボイラーを検討する方が適切である場合があります。

ボイラーで発生した蒸気は、部分的に満たされたボイラーの水の上の空間を満たします。その最大作動圧力は、バネ仕掛けの安全弁によって制限されます。その後、蒸気は、水面より上に取り付けられた多孔管、または多くの場合、ボイラーから出る蒸気の量を制御するための調整弁またはスロットルを収容するドームによって収集されます。その後、蒸気は蒸気管に沿ってエンジン ユニットまで直接移動するか、最初に過熱器のウェット ヘッダーを通過する場合があります。後者の役割は、熱効率を改善し、ボイラーから出る状態である「飽和蒸気」に浮遊する水滴を除去することです。過熱器を出る蒸気は、過熱器のドライ ヘッダーから出て蒸気管を通過し、往復エンジンのシリンダーに隣接する蒸気室に入ります。各蒸気室の中には、蒸気室をシリンダー空間の両端に接続するポートを介して蒸気を分配するスライド バルブがあります。バルブの役割は 2 つあります。新鮮な蒸気を吸入することと、使用済みの蒸気が役目を終えたら排出することです。

シリンダーは複動式で、蒸気はピストンの両側に順番に供給されます。2 シリンダーの機関車では、車両の両側に 1 つのシリンダーがあります。クランクは 90° 位相がずれて配置されています。駆動輪が 1 回転する間に、蒸気は 4 回の動力ストロークを提供します。各シリンダーは、1 回転につき 2 回の蒸気噴射を受けます。最初のストロークはピストンの前部に、2 番目のストロークはピストンの後部に噴射されます。したがって、2 回の作動ストロークとなります。その結果、2 つのシリンダーの各ピストン面に蒸気が 2 回噴射され、駆動輪が完全に 1 回転します。各ピストンは、各側でコネクティング ロッドによって駆動車軸に接続され、駆動輪はカップリング ロッドによって互いに接続され、主駆動装置から他の車輪に動力を伝達します。2 つの「デッド センター」では、コネクティング ロッドが駆動輪のクランクピンと同じ軸上にある場合、コネクティング ロッドは車輪にトルクを加えません。したがって、両方のクランクセットが同時に「デッド センター」にあり、車輪がこの位置で停止した場合、機関車は動き始めることができません。したがって、クランクピンは車輪に対して互いに 90 度の角度で取り付けられているため、一度にデッド センターにあるのは片側だけです。

各ピストンは、クロスヘッド、コネクティングロッド（米国ではメインロッド）、駆動輪のクランクピン（米国ではメインドライバー）を介して、または駆動車軸のクランクに動力を伝達します。蒸気室のバルブの動きは、駆動車軸またはクランクピンから作動するバルブギアと呼ばれるロッドとリンケージのセットによって制御されます。バルブギアには、エンジンの逆転、バルブの移動、吸入および排気イベントのタイミングの調整を可能にするデバイスが含まれています。カットオフポイントは、バルブが蒸気ポートをブロックして吸入蒸気を「遮断」する瞬間を決定し、これにより、蒸気がシリンダーに吸入されるストロークの割合を決定します。たとえば、50% カットオフでは、ピストンのストロークの半分の間蒸気が吸入されます。残りのストロークは、蒸気の膨張力によって駆動されます。カットオフを慎重に使用すると、蒸気を経済的に使用でき、ひいては燃料と水の消費量を削減できます。したがって、カットオフを制御するリバースレバー（米国ではジョンソンバー）またはスクリューリバーサー（装備されている場合）は、自動車のギアシフトと同様の機能を果たします。最大カットオフは、効率を犠牲にして最大の牽引力を提供し、停止状態から発進するために使用されます。一方、巡航時には10％という低いカットオフが使用され、牽引力が低減され、燃料と水の消費量が少なくなります。^[35]

排気蒸気は、ブラストパイプと呼ばれるノズルを経由して煙突から機関車から上方に排出され、蒸気機関車のおなじみの「シューッ」という音を生み出します。ブラストパイプは、蒸気の噴射作用によってボイラーと火格子を通して引き込まれた燃焼ガスが同時に通過する煙室の戦略的な位置に配置されます。蒸気と排気ガスの 2 つの流れを組み合わせることは、あらゆる蒸気機関車の効率にとって非常に重要であり、煙突 (厳密にはエジェクター) の内部プロファイルは、慎重な設計と調整が必要です。これは、多くのエンジニアによる徹底的な研究の対象となっています (他のエンジニアによって無視されることも多く、時には悲惨な結果をもたらします)。ドラフトが排気圧に依存するという事実は、電力供給と発電が自動的に自己調整されることを意味します。とりわけ、燃焼に十分なドラフトを得ることと、排気ガスと粒子が消費されるのに十分な時間を与えることの間でバランスを取る必要があります。過去には、強い通風により火が火格子から吹き飛ばされたり、未燃焼の燃料粒子、土埃、汚染物質が噴出したりすることがあり、蒸気機関車はこうした物質の排出で評判が悪かった。さらに、排気のポンプ作用により、蒸気を受け取るピストン側に背圧がかかるという逆効果があり、シリンダーのパワーがわずかに低下した。排気エジェクターの設計は特定の科学となり、 Chapelon、Giesl、Portaなどの技術者が熱効率を大幅に改善し、メンテナンス時間^[36]と汚染[ ^37]を大幅に削減した。同様のシステムが、初期のガソリン/灯油トラクター製造業者（Advance-Rumely / Hart-Parr）によって使用されており、排気ガスの量が冷却塔を通って放出され、蒸気排気がラジエーターを通過できる空気の量を増やすことができた。

走行装置には、ブレーキ装置、輪軸、車軸箱、バネ、および連接棒や弁装置を含む動作が含まれます。ピストンからレールへの動力の伝達と、曲線、点、線路の凹凸を乗り越えられる車両としての機関車の挙動は、最も重要です。往復動力は 0 rpm 以上でレールに直接適用する必要があるため、滑らかなレール表面に駆動輪が粘着するという問題が生じます。粘着重量は、機関車の重量のうち駆動輪にかかる部分です。一対の駆動輪が車軸荷重、つまり粘着重量の個々の部分を最大限に活用できれば、これはより効果的になります。板ばねの端を接続するイコライジング ビームは、英国ではしばしば複雑であると見なされてきましたが、ビームを装備した機関車は通常、車輪のスリップによる牽引力の喪失が少なくなります。北米の機関車では、不均一な線路を走行する際に車輪の荷重を均等に保つために、駆動車軸間、および駆動車軸と台車間のイコライジングレバーを使用したサスペンションが標準的な方法でした。

全ての車輪が連結された完全粘着の機関車は、一般に速度が速いときの安定性に欠ける。これを補うため、機関車には、カーブを通過するときに機関車を誘導するのに役立つ、バネ/逆ロッカー/ギア付きローラーを中心とする2輪台車または4輪台車に取り付けられた無動力の運搬輪が装備されることが多い。これらは通常、幅がメインフレームの幅を超えると、前部のシリンダーまたは後部の火室の重量を引き受ける。剛性シャーシに複数の連結車輪を備えた機関車は、急カーブで許容できないフランジ力が発生し、フランジとレールの過度の摩耗、線路の広がり、車輪の乗り上がりによる脱線を引き起こす。1つの解決策は、車軸のフランジを取り除くか薄くすることだった。より一般的なのは、車軸にエンドプレイを与え、バネまたは傾斜面重力装置で横方向の動きを制御することだった。

鉄道会社は一般に、保守費用を削減するため、車軸の数が少ない機関車を好んだ。必要な車軸の数は、当該鉄道の最大車軸荷重によって決まる。製造者は通常、1 本の車軸の最大重量が鉄道の最大車軸荷重を許容できるまで車軸を追加する。2 本の先車軸、2 本の駆動車軸、1 本の従車軸の車輪配置を持つ機関車は高速機械であった。高速で良好な追従性を得るには 2 本の先車軸が必要であった。2 本の駆動車軸は、3 本、4 本、5 本、または 6 本の連結車軸よりも往復質量が低かった。したがって、往復質量が低かったため、非常に高速で旋回することができた。従車軸は巨大な火室を支えることができたため、4-4-2の車輪配置(アメリカン タイプ アトランティック) を持つほとんどの機関車はフリー スチーマーと呼ばれ、スロットル設定に関係なく蒸気圧を維持できた。

シャーシ、または機関車のフレームは、ボイラーが取り付けられる主要な構造であり、走行装置のさまざまな要素が組み込まれています。ボイラーは、煙室の下、ボイラーバレルの前の「サドル」にしっかりと取り付けられていますが、後部の火室は、高温時に膨張できるように前後にスライドできます。

ヨーロッパの機関車は通常「プレートフレーム」を使用します。これは、2枚の垂直な平板がメインシャーシを形成し、両端にさまざまなスペーサーとバッファービームが取り付けられて剛性構造を形成するものです。内部シリンダーがフレーム間に取り付けられている場合、プレートフレームは主要な支持要素を形成する単一の大きな鋳物です。軸箱は、フレームに取り付けられた「ホーンブロック」と呼ばれる厚いウェブに対して、上下にスライドしてスプリングサスペンションを提供します。^[38]

アメリカでは長年、煙室サドル/シリンダー構造とドラッグビームを一体化した組み立て式バーフレームが使われてきた。1920年代に「スーパーパワー」が導入されると、鋳鋼製の機関車ベッドが標準となり、フレーム、スプリングハンガー、モーションブラケット、煙室サドル、シリンダーブロックを1つの複雑で頑丈だが重い鋳物に組み込んだ。溶接管状フレームを使用したSNCFの設計研究では、30%の軽量化を実現した剛性フレームが得られた。^[39]

一般的に、最も大きな機関車は、水と燃料を運ぶ炭水車に恒久的に連結されています。短距離を走る機関車には炭水車がなく、燃料はバンカーで運び、水はボイラーの隣にあるタンクで運びます。タンクは、横に 2 つのタンク (サイド タンクまたはパニエ タンク)、上に 1 つ (サドル タンク)、またはフレームの間に 1 つ (ウェル タンク) など、さまざまな構成にすることができます。

使用される燃料は、鉄道にとって経済的に何が入手可能かによって決まりました。英国およびヨーロッパの他の地域では、石炭の供給が豊富であったため、蒸気機関の初期の頃からこれが当然の選択でした。1870年まで、^[40]米国の機関車の大多数は木材を燃料としていましたが、東部の森林が伐採されるにつれて、石炭が徐々に広く使用されるようになり、最終的に世界中で蒸気機関車の主要燃料となりました。サトウキビ栽培事業を支える鉄道は、砂糖精製の副産物であるバガスを燃やしました。米国では、石油が容易に入手でき、価格が低かったため、1900年以降、南西部の鉄道、特にサザン・パシフィック鉄道では石油が蒸気機関車の燃料として人気がありました。オーストラリアのビクトリア州では、第二次世界大戦後に多くの蒸気機関車が重油燃料に改造されました。ドイツ、ロシア、オーストラリア、英国の鉄道は、機関車の燃料に 石炭の粉塵を使用する実験を行いました。

第二次世界大戦中、スイスの蒸気機関車の多くは電気加熱ボイラーを使用するように改造され、パンタグラフ付きの架線から集めた約480kWの電力を消費しました。これらの機関車は電気機関車よりも効率が著しく低く、戦争により石炭不足に悩まされていたスイスでは水力発電が豊富にあったため使用されました。^[41]

スイス、アルゼンチン、オーストラリアの多くの観光路線や歴史的機関車は軽質ディーゼル油を使用しています。^[42]

停車場所や機関車庫には、給水クレーンやガントリーに接続された専用の給水塔から水が供給された。英国、米国、フランスでは、一部の幹線に給水桶（米国ではトラックパン）が設けられ、悪天候により桶に溜まった雨水や雪解け水から機関車が止まることなく水を補給できるようにした。これは、炭水車の下に、または大型タンク機関車の場合は後部水タンクに取り付けられた展開可能な「水スコップ」を使用することで実現した。機関助手が遠隔操作でスコップを桶に下ろし、機関車の速度で水がタンクに押し上げられ、スコップが満杯になると再び上がる仕組みだった。

水は蒸気機関車の運行に不可欠です。スウェンゲルは次のように主張しました。

水は一般的な物質の中で最も高い比熱を持っています。つまり、同じ温度に水を加熱すると、同じ質量の鋼鉄や銅を同じ温度に加熱した場合よりも多くの熱エネルギーが蓄えられます。さらに、蒸発（蒸気の形成）する性質により、温度を上昇させることなく追加のエネルギーを蓄えます。水は、燃料の熱エネルギーを機械エネルギーに変換するのに非常に適した媒体です。^[43]

スウェンゲルはさらに、「気温が低く、ボイラー出力が比較的低い場合」には、良質の水と定期的なボイラー洗浄は、メンテナンス費用は高いものの、許容できる方法であると指摘した。しかし、蒸気圧が上昇すると、ボイラー内で「泡立ち」または「プライミング」の問題が発生する。これは、水中の溶解固形物がボイラー内で「硬い皮膜の泡」を形成し、それが蒸気管に運ばれてシリンダーヘッドを吹き飛ばす可能性がある。この問題を克服するために、ボイラーから定期的に熱いミネラル濃縮水を意図的に無駄にする（ブローダウンする）ようにした。蒸気圧が高ければ高いほど、ボイラーからより多くの水をブローダウンする必要があった。沸騰した水によって発生した酸素はボイラーを攻撃し、蒸気圧が高ければ高いほど、ボイラー内で錆（酸化鉄）が発生する割合が増加する。この問題を克服するのに役立つ方法の 1 つは、水処理である。スウェンゲルは、これらの問題が鉄道の電化への関心を高めたと示唆した。^[43]

1970年代に、LDポルタは、ボイラー内部を清潔に保ち腐食を防ぐだけでなく、泡を水面にコンパクトな「毛布」を形成するように修正し、生成された蒸気をろ過して純粋に保ち、水と浮遊する研磨物質がシリンダーに持ち込まれるのを防ぐ、高度な化学水処理システム（ポルタ処理）を開発した。^{[44] [45]}

グランドキャニオン鉄道4960、グランドキャニオン鉄道29、USシュガー148、ディズニーランド鉄道機関車など、一部の蒸気機関車は使用済み食用油などの代替燃料で走行しています。^{[46] [47] [48] [49] [50] [51] [52]}

蒸気機関車は通常、ボイラーの後部から制御され、乗務員は運転室によって天候から保護される。蒸気機関車を運転するには、通常、少なくとも2人の乗務員が必要である。1人である列車の運転手または機関士 (北米)は、機関車の始動、停止、速度の制御を担当し、火夫は火の維持、蒸気圧の調整、ボイラーと炭水車の水位の監視を担当する。運用インフラストラクチャと人員の歴史的損失のため、本線で運行されている保存蒸気機関車には、列車に同行するサポート乗務員がいることが多い。

すべての機関車にはさまざまな装置が取り付けられています。これらの装置には、蒸気機関の運転に直接関係するものもあれば、信号や列車制御などの目的で使用されるものもあります。米国では、連邦鉄道局が安全上の懸念に応えて、長年にわたって特定の装置の使用を義務付けてきました。最も一般的な装置は次のとおりです。

ピストンに作動ストロークを供給した後に蒸気として排出される水を補充するために、ボイラーに水（給水）を供給する必要がある。ボイラーは作動中に加圧されているため、給水を蒸気圧よりも高い圧力でボイラーに押し込む必要があり、何らかのポンプの使用が必要となる。ごく初期の機関車では手動ポンプで十分であった。後の機関車はピストンの動きで駆動するポンプ（車軸ポンプ）を使用した。これは操作が簡単で信頼性が高く、大量の水を処理できたが、機関車が動いているときしか動作せず、高速ではバルブ ギアとピストン ロッドに過負荷をかける可能性があった。後に蒸気インジェクターがポンプに取って代わり、一部の機関車はターボポンプに移行した。標準的な方法は、ボイラーへの給水に 2 つの独立したシステムを使用するように進化した。つまり、2 つの蒸気インジェクターを使用するか、より保守的な設計では、サービス速度で稼働しているときは車軸ポンプを使用し、静止時または低速時にボイラーを満たすときは蒸気インジェクターを使用するかのいずれかである。 20 世紀までに、事実上すべての新造機関車は蒸気インジェクターのみを使用するようになりました。多くの場合、一方のインジェクターにはボイラー自体から直接「生」蒸気が供給され、もう一方のインジェクターには機関車のシリンダーからの排気蒸気が使用されました。後者はより効率的でしたが (無駄になる蒸気を使用するため)、機関車が動いていてレギュレーターが開いているときしか使用できませんでした。給水が高温になるとインジェクターの信頼性が低下するため、給水ヒーター付きの機関車、タンクがボイラーと接触しているタンク機関車、および凝縮機関車では往復蒸気ポンプまたはターボポンプが使用されることがありました。

水位計または水グラスとして知られる垂直のガラス管は、ボイラー内の水位を示し、ボイラーが点火されている間は常に注意深く監視されます。1870 年代より前は、ボイラーの乗組員の手の届くところに一連のトライコックを取り付けるのが一般的でした。各トライコック (少なくとも 2 つ、通常は 3 つ取り付けられていました) は、異なるレベルに取り付けられていました。各トライコックを開いて、そこから蒸気または水が排出されるかどうかを確認することで、ボイラー内の水位をある程度の精度で推定できました。ボイラーの圧力が上昇するにつれて、トライコックの使用はますます危険になり、バルブがスケールや沈殿物で詰まりやすくなり、誤った読み取り値を示すようになりました。そのため、トライコックはサイトグラスに置き換えられました。インジェクターと同様に、通常は別々のフィッティングを備えた 2 つのグラスが取り付けられ、独立した読み取り値を提供します。

パイプやボイラーの断熱材は「ラギング」^{[53]と呼ばれ、}樽職人が木製の樽板を指す言葉に由来しています。^[54]最も初期の蒸気機関車のうち2台は、ボイラーの断熱に木製のラギングを使用していました。1812年に製造された最初の商業的に成功した蒸気機関車であるサラマンカ^[4]と、公共の鉄道で乗客を運んだ最初の蒸気機関車であるロコモーション1号です。ボイラーが断熱されていない場合、大量の熱が無駄になります。初期の機関車は、ボイラーの樽に沿って長さ方向に取り付けられた成形された木製の板であるラグを使用しており、フープや金属バンドで固定されていました。用語と方法は樽職人に由来しています。

改良された断熱方法には、珪藻土などの多孔質鉱物を含む厚いペーストを塗布したり、マグネシアブロックなどの断熱化合物の成形ブロックを取り付けたりすることが含まれていました。 ^{[55]蒸気の末期には、アスベスト繊維を詰めた縫い合わせた}アスベスト布の「マットレス」が、ボイラーに触れないようにセパレーターの上に固定されていました。しかし、アスベストは現在、健康上の理由からほとんどの国で禁止されています。現代の最も一般的な材料はグラスウール、またはアルミホイルの包装です。^[要出典]

保温材はボイラークロージングまたはクリーディングと呼ばれるぴったりとフィットする金属板ケーシング^[56]によって保護されています。

効果的な断熱は、無火機関車にとって特に重要です。しかし、最近では LD Porta の影響を受けて、シリンダーの端やシリンダーとメインフレームの間の面など、熱を発散しやすいすべての表面に、すべてのタイプの機関車に対して「誇張した」断熱が実践されています。これにより、エンジンのウォームアップ時間が大幅に短縮され、全体的な効率が大幅に向上します。

初期の機関車には、レバーの端から吊り下げられた重りで制御されるバルブが装備されており、蒸気の出口は円錐形のバルブで止められていました。機関車が線路の凹凸を乗り越えたときに重り付きレバーが跳ねて蒸気が無駄になるのを防ぐものがなかったため、重りは後に、よく知られたバネ秤メーカーである Salter が供給する、より安定したバネ仕掛けの柱に置き換えられました。これらの装置の危険性は、運転員が圧力を上げるためにアームに重りを追加したくなる可能性があることでした。初期のボイラーのほとんどには、カウルで保護された、改ざん防止の「ロックアップ」直接装填式ボールバルブが装備されていました。1850 年代後半、ジョン ラムズボトムは、19 世紀後半にイギリスで人気を博した安全バルブを導入しました。このバルブは改ざん防止であるだけでなく、運転手が改ざんしても圧力を緩和する効果しかありませんでした。ジョージ・リチャードソンの安全弁は1875年にアメリカで発明されたもので、^[57]圧力が最大許容値に達した瞬間にのみ蒸気を放出するように設計されていた。このタイプの弁は現在ではほぼ普遍的に使用されている。イギリスのグレート・ウェスタン鉄道はこの規則の注目すべき例外であり、独立して存続する最後まで直接負荷型を維持していた。これは、このような弁は開閉間の圧力損失が少ないと考えられていたためである。

最初期の機関車はボイラー内の蒸気圧を表示しなかったが、安全弁アームの位置からこれを推定することが可能であった。安全弁アームは火室の背面プレートまで伸びていることが多かった。また、スプリングコラムに記された目盛りから実際の圧力を大まかに知ることができた。レインヒル試験の推進者は、各参加者にボイラー圧力を読み取る適切な機構を備えるよう強く求め、スティーブンソンはロケット用に、煙突の横に取り付けた上部に覗き窓を備えた9フィートの垂直水銀管を考案した。圧力によって指針に接続された楕円形のコイル管を真っ直ぐにするブルドン管圧力計は1849年に導入され、すぐに受け入れられ、今日でも使用されている。^[58]一部の機関車には蒸気室に追加の圧力計が装備されている。これは、調整器の開度が大きすぎる場合に警告を発することで、運転士が始動時の車輪のスリップを回避するのに役立つ。

スパークアレスターとセルフクリーニング煙室

薪ストーブは大量の火花を飛ばすため、煙突内に通常格納される効率的な火花防止装置が必要となる。多くの異なるタイプのものが取り付けられたが、^[59]初期の最も一般的なタイプは、煙突の口の前に円錐形のデフレクターを取り付け、広い煙突の出口を覆う金網を組み込んだボンネット煙突であった。より効率的な設計は、1850年に特許を取得したラドリーとハンターの遠心煙突（一般にダイヤモンド煙突として知られる）であり、チャンバー内に渦巻き効果を誘発するように方向付けられたバッフルを組み込んでおり、これにより残り火が燃え尽きて灰となって底に落ちるようにした。セルフクリーニング煙室では逆の効果が得られました。つまり、煙道ガスが一連のデフレクタープレートに当たるようにし、その角度を爆風が損なわれないようにすることで、大きな粒子が小さな破片に砕かれ、爆風とともに排出され、煙室の底に沈殿して作業終了時に手で取り除く必要がなくなりました。アレスターと同様に、大きな残り火を留めるためのスクリーンが組み込まれました。^[60]

英国鉄道の標準クラスの機関車には、自動洗浄式煙室が装備されており、煙室ドアの下部に「SC」と記された小さな鋳造楕円形のプレートが取り付けられていました。これらの機関車には異なる廃棄手順が必要であり、プレートは車庫のスタッフにこの必要性を強調していました。

機関車の性能を制限する要因は、燃料が火に投入される速度です。20世紀初頭には、一部の機関車が大きくなりすぎて、火夫が石炭をシャベルでかき出すのが遅くなりました。^[56]米国では、さまざまな蒸気駆動の機械式ストーカーが標準装備となり、オーストラリアや南アフリカを含む他の地域でも採用され、使用されました。

ボイラーに冷水を導入すると出力が低下するため、1920 年代からさまざまなヒーターが組み込まれるようになりました。機関車で最も一般的なタイプは、排気の一部をボイラーまたは煙室の上部に取り付けられた小さなタンクまたは炭水車タンクにパイプで送る排気蒸気給水ヒーターでした。その後、温水は小さな補助蒸気ポンプによってボイラーに送られなければなりませんでした。まれなエコノマイザータイプは、排気ガスから残留熱を抽出するという点で異なります。その一例は、フランコ クロスティ ボイラーに見られる予熱ドラムです。

生蒸気および排気蒸気インジェクターの使用も、ボイラー給水の予熱を若干促進しますが、生蒸気インジェクターに効率上の利点はありません。このような予熱は、冷水が直接導入されるときにボイラーが経験する可能性のある熱衝撃も軽減します。これは、水がボイラーの最も高い部分に導入され、一連のトレイに滴り落ちるようにするトップフィードによってさらに促進されます。ジョージ・ジャクソン・チャーチワードは、この配置をドームレスコーンボイラーの上端に採用しました。ロンドン、ブライトン＆サウスコースト鉄道などの他のイギリスの路線では、メインドームの前方にある別のドーム内にトップフィードを備えた機関車がいくつか採用されました。

蒸気機関車はオープンサイクルで作動するため、大量の水を消費します。これは、定置式や船舶用蒸気機関のように閉ループで蒸気を循環させるのではなく、1回の使用後すぐに蒸気を排出するからです。水は常に物流上の問題であり、砂漠地帯で使用するために凝縮エンジンが考案されました。これらの機関車は炭水車に巨大なラジエーターを備えており、煙突から蒸気を排出する代わりに、蒸気を捕らえて炭水車に戻して凝縮しました。シリンダー潤滑油は排出された蒸気から除去され、プライミングと呼ばれる現象を回避しました。プライミングはボイラー内で泡が発生することで発生する状態であり、水がシリンダー内に入り込み、圧縮できないために損傷を引き起こします。凝縮器を採用した最も有名な機関車 (クラス 25、「決して蒸気を吐かない機関車」^[61] )は、1950年代から1980年代まで南アフリカのカルー砂漠で使用されました。

イギリスやアメリカの機関車には、走行中に「水桶」（アメリカではトラックパン）から水を集めるスコップが装備されていたため、給水のために停車する必要がなかった。アメリカの小さなコミュニティでは、給水設備がないことがしばしばあった。鉄道が開通した初期の頃は、乗務員は単に小川のそばに停車し、革製のバケツを使って炭水車に水を補給していた。これは「ジャーキングウォーター」と呼ばれ、「ジャークウォータータウン」（小さな町を意味するが、今日では軽蔑的な意味を持つ）という用語につながった。^[62]オーストラリアと南アフリカでは、乾燥地帯の機関車は大型の炭水車で運行され、中には「キャンティーン」またはオーストラリア（特にニューサウスウェールズ州）では「ウォータージン」と呼ばれることもある追加の給水車を備えたものもあった。

地下鉄道（ロンドンのメトロポリタン鉄道など）で運行される蒸気機関車には、蒸気が鉄道トンネルに漏れるのを防ぐための復水装置が取り付けられていた。これらは1960 年代初頭まで キングス クロスとムーアゲートの間で使用されていた。

蒸気機関車は通常、列車の他の部分とは独立した独自のブレーキ システムを備えています。機関車のブレーキは、駆動輪の踏面を押す大きなシューを使用します。空気ブレーキまたは蒸気ブレーキのいずれかです。さらに、他のブレーキ システムに動力を供給する蒸気圧がない場合に機関車を静止状態に保つためのハンドブレーキがほぼ常に装備されています。

機関車専用のブレーキでは制動力が限られていたため、多くの蒸気機関車には列車ブレーキが装備されていました。列車ブレーキには主に空気ブレーキと真空ブレーキの 2 種類がありました。これにより、運転手は列車のすべての車両のブレーキを制御できました。

ジョージ・ウェスティングハウスが発明した空気ブレーキは、ボイラーの側面に取り付けられた蒸気駆動の空気圧縮機を使用して、ブレーキシステムに動力を供給するために必要な圧縮空気を生成します。^[63]空気ブレーキは、蒸気時代のほとんどの国で列車のブレーキの主流でした。

空気ブレーキの主な競合製品は真空ブレーキで、空気ポンプの代わりに蒸気で作動するエジェクターをエンジンに取り付けて、ブレーキ システムに動力を供給するために必要な真空を作り出す。客車と貨車の間のパイプ接続部の小さな漏れを防ぐために、システム内の真空を維持するために、二次エジェクターまたはクロスヘッド真空ポンプが使用される。蒸気時代の 英国や、インドや南アフリカなど真空ブレーキを採用した国々では、真空ブレーキが列車ブレーキの主流であった。

蒸気機関車には砂箱が装備されており、そこから砂をレールの上に堆積させて、雨天や氷結した天候での牽引力とブレーキ力を向上させます。アメリカの機関車では、砂箱またはサンドドームは通常ボイラーの上に取り付けられています。英国では、積載限界が限られているためこれが不可能であり、砂箱は走行板のすぐ上またはすぐ下に取り付けられています。

初期の機関車のピストンとバルブは、機関士が送風管に獣脂の塊を落とすことで潤滑されていた。獣脂を注入するより洗練された方法がすぐに開発された。獣脂はシリンダー壁によく付着し、鉱油よりも水の作用に抵抗する効果が高い。現代の蒸気シリンダー油の配合にも獣脂が使われている。^{[64] [65] [66]}

速度と距離が増加するにつれて、蒸気供給に高粘度の鉱油を注入する機構が開発されました。最初のものは、キャブに取り付けられた置換潤滑装置で、密閉されたオイル容器に凝縮する制御された蒸気の流れを使用します。凝縮した蒸気からの水がオイルをパイプに押し出します。この装置には通常、供給速度を確認するためののぞき窓が取り付けられています。後の方法では、クロスヘッドの 1 つから作動する機械式ポンプを使用します。どちらの場合も、オイルの供給量は機関車の速度に比例します。

フレーム部品（車軸ベアリング、ホーンブロック、台車ピボット）の潤滑は毛細管現象に依存しており、梳毛糸の切れ端がオイルタンクから各部品につながるパイプに引きずり込まれます。^[67]給油量は糸の束の大きさによって制御され、機関車の速度によって制御されるわけではないため、停止時には切れ端（ワイヤーに取り付けられている）を取り外す必要があります。ただし、通常の停止（終点駅のプラットホームなど）では、線路に油が漏れることが依然として問題になることがあります。

クランクピンとクロスヘッドベアリングには、小さなカップ型のオイルリザーバーが付いています。これらのリザーバーには、通常の充填レベルより上の位置からベアリング表面への給油パイプが取り付けられているか、または緩いピンで閉じられているため、機関車が動いているときだけオイルが入ります。イギリスでは、カップは単純なコルクで閉じられていますが、空気が入るように多孔質の籐が押し込まれています。潤滑が失敗して過度の加熱や摩耗が発生した場合に警告するために、ベアリング金属に刺激の強いオイル（アニスまたはニンニク）の小さなカプセルを組み込むのが一般的です。^[68]

機関車が動力で走行しているとき、送風管によって煙突に導かれる排気蒸気によって火へのドラフトが作られます。ドラフトがなければ、火はすぐに消え、蒸気圧が低下します。機関車が停止しているとき、またはレギュレーターを閉じた状態で惰力走行しているときは、ドラフトを作る排気蒸気がないため、ドラフトはブロワーによって維持されます。これは、煙突の基部の周囲、または送風管の開口部の周囲に配置されるリングで、煙突に上向きに向けられたいくつかの小さな蒸気ノズルが含まれています。これらのノズルには、ブロワーバルブによって制御されるボイラーから直接蒸気が供給されます。レギュレーターが開いているときは、ブロワーバルブは閉じています。運転手がレギュレーターを閉じる場合は、まずブロワーバルブを開きます。ブロワーはレギュレーターを閉じる前に開くことが重要である。なぜなら、火にドラフトがないと逆ドラフトが発生する可能性があるからである。逆ドラフトとは、大気が煙突から吹き下ろされ、ボイラー管を通る高温ガスの流れが逆流し、火自体が火口から足板に吹き付けられ、乗務員に深刻な結果をもたらすことである。逆ドラフトの危険性は、圧力ショックのため機関車がトンネルに入るときに高くなる。ブロワーは、機関車の運転開始時に蒸気を上げているときにドラフトを発生させるため、運転手が火にドラフトを強めたいとき、運転手の視界から煙を取り除くためにも使用される。^[69]

ブローバックはかなり一般的だった。1955年のダンスタブル近郊の事故に関する報告書で、検査官は「1953年にはエンジンの欠陥が原因ではない事故が23件報告され、26人の機関士が負傷した。1954年には、発生件数と負傷者数は同じで、1人の死亡者も出た」と記している。[ ^{70] 2012年に}BRスタンダードクラス7 70013オリバー・クロムウェルで発生した事故からも明らかなように、ブローバックは依然として問題となっている。

英国やヨーロッパ（旧ソ連諸国を除く）の慣習では、機関車は通常、圧縮荷重を吸収するために両端に緩衝装置（「バフェット」 ^[71]）を備えている。列車を牽引する際の張力荷重（牽引力）は連結システムによって支えられる。これらが一緒になって、機関車と列車の間のたるみを制御し、小さな衝撃を吸収し、押す動きのための支持点を提供する。

カナダとアメリカの慣習では、機関車と客車の間の力はすべて連結器（特にアメリカの鉄道車両で長年標準となっているジャニー連結器）とそれに付随する牽引装置（ある程度のたるみを許容する）によって処理される。機関車の前部と後部の角にある「ポーリングポケット」と呼ばれる小さなくぼみにより、機関車と客車の間に支柱を立てて、隣接する線路に客車を押し出すことができた。^[72]イギリスとヨーロッパでは、北米式の「バックアイ」や、車両間の力を処理するその他の連結器がますます普及してきている。

パイロットは、通常、機関車の前端に固定されていたが、ヨーロッパやニューサウスウェールズ州を含む他のいくつかの鉄道システムでは、パイロットは不要であると考えられていた。鋤の形をしており、「カウキャッチャー」と呼ばれることもあり、かなり大きく、牛、バイソン、その他の動物、木の枝などの障害物を線路から取り除くように設計された。迷い込んだ牛を「捕まえる」ことはできなかったが、これらの特徴的な装置は、蒸気機関車の終焉まで機関車に残っていた。転換機関車では、通常、パイロットの代わりに、フットボードと呼ばれる小さなステップが取り付けられた。多くのシステムでは、パイロットやその他の設計上の特徴を使用して、独特の外観を生み出した。

夜間運転が始まると、一部の国の鉄道会社は、運転手が列車の前方を確認できるように、または他の人が機関車を確認できるように、機関車にライトを装備しました。ヘッドライトはもともと石油ランプまたはアセチレンランプでしたが、1880 年代後半に電気アーク灯が利用可能になると、すぐに古いタイプに取って代わりました。

英国では明るいヘッドライトは採用されなかった。夜間の視力に影響し、腕木信号機や列車の両端で使用されている低輝度の石油ランプを覆い隠してしまう可能性があり、特に混雑した線路では信号を見逃す危険性が増すからである。機関車の停止距離も通常ヘッドライトの範囲よりはるかに長く、鉄道は信号が充実し、家畜や人が迷い込んでこないように柵で囲まれていたため、明るいランプの必要性はほとんどなかった。したがって、低輝度の石油ランプは引き続き使用され、機関車の前部に配置されて各列車のクラスを示していた。4 つの「ランプ アイアン」(ランプを配置するブラケット) が用意されており、1 つは煙突の下に、3 つは緩衝梁の上部に均等に配置されていた。例外はサザン鉄道とその構成会社で、彼らは煙室の両側にランプ アイアンを追加し、ランプの配置 (または昼間は白い円形のプレート) によって鉄道職員に列車の出発地と目的地が示された。すべての車両において、機関車が炭水車または燃料庫を先に走行している場合に備えて、機関車または炭水車の後部に同等のランプアイアンも装備されていました。

一部の国では、伝統的な蒸気機関車の運行が国営鉄道網で継続されています。一部の鉄道当局は、日中も含め常時、強力なヘッドライトの点灯を義務付けています。これは、運行中の列車について一般の人々や線路作業員にさらに知らせるためです。

蒸気機関車は、蒸気機関車の黎明期からベルや汽笛を使用していた。米国、インド、カナダでは、ベルは列車が動いていることを知らせる役割を果たしていた。英国では、すべての線路が法律で柵で囲まれており、^[73]ベルは道路沿いの路面電車や造船所など、柵で囲まれていない道路上を走る鉄道でのみ義務付けられていた。そのため、英国ではベルを搭載した機関車は少数だった。汽笛は、乗務員に合図したり警告を発したりするために使用される。機関車が使用される地形に応じて、汽笛は、列車の到着が迫っていることを遠くから知らせるために設計されることもあれば、より局所的に使用されることもある。

初期の鐘や笛は引き紐やレバーで鳴らされていました。自動鐘鳴らし器は1910年以降、米国で広く使われるようになりました。^[74]

20 世紀初頭から、ドイツやイギリスなどの国の運行会社は、機関車に自動警報システム(AWS) の車内信号装置を装備し始めました。これは、「注意」の信号が通過すると自動的にブレーキをかける装置です。イギリスでは、1956 年にこれが義務化されました。米国では、ペンシルバニア鉄道も機関車にそのような装置を装備しました。^{[引用が必要]}

ブースターエンジンは、始動時に追加の牽引力を提供する補助蒸気エンジンです。これは低速装置で、通常は後続の台車に取り付けられています。低速 (たとえば 30 km/h) では、アイドラー ギアによって切り離されます。ブースターは米国で広く使用され、英国とフランスでも実験的に試されました。狭軌のニュージーランド鉄道システムでは、6 台のKb 4-8-4 機関車にブースターが取り付けられました。これは、世界で 唯一、3 フィート 6 インチ( 1,067 mm ) 軌間の機関車です。

ブースターエンジンは米国ではテンダートラックにも搭載され、補助機関車として知られていました。2つまたは3つのトラック車軸がサイドロッドを使用して接続されていたため、低速での運行に限られていました。^[75]

防火扉は、石炭を投入していないときに火口を覆うために使用されます。この扉には 2 つの目的があります。1 つ目は、空気が火の上から吸い込まれるのを防ぎ、むしろ空気が扉を通り抜けるようにすることです。2 つ目の目的は、列車の乗務員を吹き返しから守ることです。ただし、火の上から空気をいくらか通して (「二次空気」と呼ばれる)、火によって発生したガスの燃焼を完了させる手段もあります。

防火扉には複数のデザインがあり、最も基本的なものは、片側が蝶番で留められ、フットプレート上に開くことができる単一のピースです。このデザインには 2 つの問題があります。まず、フットプレート上で多くの場所を占めること、次に、隙間風によって完全に閉じてしまい、二次空気が遮断されてしまうことです。これを補うために、一部の機関車には、防火扉が完全に閉まらないようにするラッチが取り付けられていますが、他の機関車には、二次空気が流れるように開くことができる小さな通気口がドアに付いています。フットプレートに生じる不便さを防ぐために、火室に向かって内側に開く防火扉を設計することも検討されましたが、そのようなドアは火の熱に完全にさらされるため、変形して役に立たなくなる可能性があります。

より一般的なタイプの防火扉は、レバー 1 つで操作する 2 ピースのスライド扉です。防火扉の上下には扉が通るレールがあります。このレールは破片で詰まりやすく、前述のスイング扉よりも扉を開けるのに力が必要です。この問題を解決するために、一部の防火扉では蒸気または空気シリンダーを使用して扉を開ける電動操作を採用しています。これらの中には、上部の角で回転するバタフライ扉があり、回転動作により扉を開くシリンダーへの抵抗が少なくなります。^[76]

鉄道会社が効率と性能の向上を図るにつれて、基本的な機関車にさまざまなバリエーションが生まれました。

初期の蒸気機関車には、両側に 1 つずつ、合計 2 つのシリンダーがあり、この方法が最も単純な配置として残っていました。シリンダーは、メインフレームの間に取り付けることも (「内側」シリンダーと呼ばれる)、フレームと駆動輪の外側に取り付けることもできます (「外側」シリンダーと呼ばれる)。内側シリンダーは駆動車軸に組み込まれたクランクを駆動し、外側シリンダーは駆動車軸の延長部にあるクランクを駆動します。

後期の設計では、より均一な動力サイクルとより大きな出力を得るために、フレームの内側と外側の両方に取り付けられた3つまたは4つのシリンダーが採用されました。^[77]これは、バルブギアがより複雑になり、メンテナンスの必要性が増すという代償を伴いました。場合によっては、外側のシリンダーの直径を小さくするために3つ目のシリンダーが内側に追加され、SR K1クラスやU1クラスなどの積載限界が制限された路線での使用に備えて機関車の幅を狭めました。

1930年から1950年の間に製造された英国の急行旅客用機関車のほとんどは、3気筒または4気筒の4-6-0または4-6-2型であった（例： GWR 6000クラス、LMS コロネーションクラス、SR マ​​ーチャントネイビークラス、LNER グレズリークラスA3）。1951年以降、すべてのタイプにわたる999台の新しい英国鉄道標準クラス蒸気機関車のうち1台を除くすべてが、メンテナンスを容易にするために2気筒構成を採用した。

初期の機関車は、前進でも後進でも全力を発揮する単純なバルブギアを使用していました。^[58]すぐにスティーブンソンバルブギアにより運転手がカットオフを制御できるようになりましたが、これは主にワルシャーツバルブギアや同様のパターンに取って代わられました。スライドバルブと外部吸気を使用する初期の機関車の設計は比較的簡単に構築できましたが、非効率的で摩耗しがちでした。^{[58]最終的に、スライドバルブは内部吸気}ピストンバルブに取って代わられましたが、20世紀にはポペットバルブ（固定エンジンで一般的に使用）を適用する試みがありました。スティーブンソンバルブギアは一般にフレーム内に配置されていたため、メンテナンスのためにアクセスするのが困難でした。フレームの外側に適用された後のパターンは、より見やすく、メンテナンスが容易でした。

1876年からは複合機関車が使用され、別々のシリンダーで蒸気を2倍以上に膨張させ、シリンダーの冷却による熱損失を減らしました。複合機関車は、長時間の連続運転が必要な列車で特に役立ちました。複合化は、1929年からアンドレ・シャプロンが改造した車両で達成された劇的な出力増加に貢献しました。一般的な応用は連節機関車で、最も一般的なのはアナトール・マレットが設計したもので、高圧段がボイラーフレームに直接取り付けられ、その前に低圧エンジンが独自のフレームに枢動し、後部エンジンからの排気を取り入れました。^[78]

非常に強力な機関車は、出力の低い機関車よりも長くなる傾向があるが、狭軌鉄道によく見られる急カーブでは、長くて剛性のあるフレームの設計は実用的ではない。この問題を克服するために、さまざまな設計の連結式機関車が開発された。マレットとギャラットの2つが最も人気があった。これらは、1つのボイラーと2つのエンジンユニット（シリンダーと動輪のセット）を備えていた。ギャラットのエンジンユニットは両方とも旋回フレーム上にあり、マレットのエンジンユニットは1つが旋回フレーム上にあり、もう1つはボイラーユニットの下に固定されていた。また、炭水車の下に3つ目のエンジンユニットを備えた、3連式機関車もいくつか設計された。その他のあまり一般的ではないバリエーションには、共通のフレームに背中合わせに2つのボイラーがあり、2つの独立したエンジンユニットを備えた フェアリー機関車があった。

1つの剛性フレームに2つのエンジンを搭載したデュプレックス機関車も試されたが、目立った成功はなかった。例えば、非常に高速走行するように設計された4-4-4-4 ペンシルバニア鉄道クラスT1は、その運行期間中、繰り返し発生し、最終的には修復不可能なスリップ問題に悩まされた。^[79]

高い始動トルクと低速が求められる機関車の場合、従来の直接駆動方式では不十分でした。産業、伐採、鉱山、採石場の鉄道でこのニーズを満たすために、 Shay、Climax、Heislerなどの「ギア付き」蒸気機関車が開発されました。これら 3 つのタイプの共通点は、クランクシャフトと駆動車軸の間に減速ギアと駆動シャフトを備えていることです。この配置により、従来の設計 (比率が 1:1) と比較して、エンジンは駆動輪よりもはるかに高い速度で回転できるようになりました。

アメリカ合衆国のサザン・パシフィック鉄道では、運転室と火室が機関車の前部にあり炭水車が煙室の後ろにある、一連の運転室前置型機関車が製造された。そのため機関車は後ろ向きに回転しているように見えた。これは石油燃焼によってのみ可能であった。サザン・パシフィック鉄道は、機関車が山岳トンネルやスノーシェッドを通過する際に機関士が煙のない空気を呼吸できるように、この設計を選択した。別のバリエーションとして、運転室がボイラーの途中にあるキャメルバック機関車があった。イギリスでは、オリバー・ブレイドが1940年代後半の国有化の過程でSRリーダー級機関車を開発した。機関車は徹底的に試験されたが、いくつかの設計上の欠陥（石炭燃焼やスリーブバルブなど）のため、この機関車と他の半完成の機関車は廃棄された。運転室前置型設計はブレイドによってアイルランドに持ち込まれ、国有化後に彼はそこに移り、「ターフバーナー」を開発した。この機関車はより成功したが、アイルランド鉄道の ディーゼル化により廃棄された。

唯一保存されているキャブフォワード型機関車は、カリフォルニア州サクラメントにあるサザンパシフィック4294です。

フランスでは、3 台のハイルマン機関車がキャブフォワード設計で製造されました。

蒸気タービンは、蒸気機関車の操作と効率を改善する試みとして作られた。様々な国で直接駆動と電気トランスミッションを使用した蒸気タービンの実験は、ほとんどが失敗に終わった。 ^[56]ロンドン・ミッドランド・アンド・スコティッシュ鉄道は、蒸気タービンの効率を証明するためのほぼ成功した試みであるターボモーティブを製造した。 ^[56]第二次世界大戦が勃発していなければ、もっと多くのものが製造されていたかもしれない。ターボモーティブは1935年から1949年まで運行され、多くの部品の交換が必要だったため、従来の機関車に改造された。これは「1回限り」の機関車としては不経済な提案だった。米国では、ユニオン・パシフィック、チェサピーク・アンド・オハイオ、ノーフォーク・アンド・ウェスタン（N&W）鉄道がすべてタービン電気機関車を製造した。ペンシルバニア鉄道（PRR）もタービン機関車を製造したが、ダイレクトドライブギアボックスを使用していた。しかし、すべての設計は、ほこり、振動、設計上の欠陥、または低速時の非効率性のために失敗しました。最後に残ったのは N&W のもので、1958 年 1 月に引退しました。唯一本当に成功した設計は、スウェーデンのグレンゲスベルグからオクセレースンドの港まで鉄鉱石を輸送するために使用された TGOJ MT3 でした。正常に機能したにもかかわらず、製造されたのは 3 台だけでした。そのうち 2 台はスウェーデンの博物館に稼働状態で保存されています。

無火機関車では、ボイラーの代わりに蒸気アキュムレーターが使用され、固定式ボイラーから蒸気（実際には沸点（100 °C（212 °F））よりはるかに高い温度の水）が充填されます。無火機関車は、火災の危険性が高い場所（石油精製所など）、清潔さが重要な場所（食品製造工場など）、または蒸気が容易に入手できる場所（蒸気が副産物であるか安価に入手できる製紙工場や発電所など）で使用されました。水容器（「ボイラー」）は、火力機関車と同様に、厳重に断熱されています。すべての水が沸騰するまで、温度が下がった場合を除いて蒸気圧は低下しません。^{[出典が必要]}

火を使わない機関車のもう一つの種類は、圧縮空気機関車です。^{[引用が必要]}

蒸気とディーゼルの両方の推進力を利用する混合動力機関車は、ロシア、イギリス、イタリアで生産されてきました。

異常な状況（石炭不足、水力発電の豊富さ）の下、スイスのいくつかの機関車はボイラーの加熱に電気を使用するように改造され、電気蒸気機関車になりました。^[80]

蒸気電気機関車はディーゼル電気機関車と同様に電気伝達装置を使用するが、発電機の駆動にディーゼルエンジンではなく蒸気エンジンが使用される。1890年代に フランスの技術者ジャン・ジャック・ハイルマン [fr]によって3台の蒸気電気機関車が製造された。

蒸気機関車は車輪の配置によって分類されます。これには、ホワイト表記法とUIC 分類法という 2 つの主要なシステムがあります。

ほとんどの英語圏および英連邦諸国で使用されているホワイト記法では、各車輪セットを番号で表します。これらの数字は通常、動力のない先輪の数、次に駆動輪の数（場合によっては複数のグループ）、そして動力のない従輪の数を表します。たとえば、先輪も従輪もなく、駆動輪が 4 つしかないヤード機関車は、0-4-0 の車輪配置に分類されます。4 輪の先台車、6 輪の駆動輪、2 輪の従輪台車が続く機関車は、4-6-2に分類されます。異なる配置には、通常、その配置が最初に使用されたときの名称が付けられます。たとえば、「サンタフェ」タイプ ( 2-10-2 ) は、最初の例がアッチソン・トピカ・アンド・サンタフェ鉄道向けに製造されたため、このように呼ばれています。これらの名前は非公式に付けられ、地域や政治によっても変化しました。

UIC 分類は、英国を除くヨーロッパ諸国で主に使用されています。連続する車輪のペア (非公式には「車軸」) を、非駆動輪には数字、駆動輪には大文字 (A=1、B=2 など) で指定します。したがって、Whyte 4-6-2指定は、2-C-1 UIC 指定に相当します。

多くの鉄道では、機関車はクラス分けされていました。これらは、運用時に互いに代替可能な機関車を大まかに表していましたが、最も一般的にはクラスは単一の設計を表していました。原則として、クラスには何らかのコードが割り当てられ、通常は車輪の配置に基づいています。クラスには、機関車の注目すべき（そして時には好ましくない）特徴を表すパグ （小型入換機関車）などのニックネームが付けられることもよくありました。^{[81] [82]}

蒸気機関車の時代には、機関車の性能を測る基準として一般的に2つの方法がありました。最初は、機関車は牽引力で評価されました。牽引力とは、レールの先端で駆動輪が1回転する間に発生する平均力と定義されていました。 ^[43]これは、ピストンの総面積にボイラー圧力の85%（シリンダー上部の蒸気室の圧力がわずかに低いことを反映した経験則）を掛け、駆動直径とピストンストロークの比で割ることで大まかに計算できます。ただし、正確な計算式は次のようになります。

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

ここで、dはシリンダーの内径（直径）（インチ）、 sはシリンダーのストローク（インチ）、 Pはボイラー圧力（ポンド/平方インチ）、 Dは駆動輪の直径（インチ）、cは有効カットオフに依存する係数です。^[83]米国では、cは通常0.85に設定されていますが、最大カットオフが50～75％に制限されているエンジンではそれより低くなります。

牽引力は「平均」の力に過ぎず、駆動装置の1回転中はすべての力が一定ではない。サイクルのある時点では、1つのピストンだけが回転モーメントを発揮し、他の時点では両方のピストンが作動している。すべてのボイラーが始動時に最大出力を発揮するわけではなく、回転速度が上昇するにつれて牽引力も減少する。^[43]

牽引力は、機関車が特定の地域の規定勾配で非常に低速で始動または牽引できる最大荷重の尺度です。 ^[43]しかし、より高速な貨物列車やより重い旅客列車を走らせたいという圧力が高まるにつれて、牽引力は速度を考慮していないため、性能の尺度としては不十分であると見なされるようになりました。そのため、20世紀には機関車は出力によって評価されるようになりました。さまざまな計算と公式が適用されましたが、一般的に鉄道では実際の路上試験で速度時の牽引力を計測するために 動力計車を使用しました。

英国の鉄道会社は牽引馬力の数値を公表することに消極的で、代わりに連続牽引力に頼ることが多い。

分類は間接的に機関車の性能に関係している。機関車の残りの部分の適切な比率が与えられれば、出力は火の大きさによって決まり、瀝青炭燃料の機関車の場合は火格子面積によって決まる。現代の非複合機関車は、通常、火格子1平方フィートあたり約40馬力の牽引馬力を生み出すことができる。牽引力は、前述のように、ボイラー圧力、シリンダー比率、駆動輪のサイズによって大きく決まる。しかし、駆動輪にかかる重量（「粘着重量」と呼ばれる）によっても制限され、少なくとも牽引力の4倍必要である。^[56]

機関車の重量は、おおよそ出力に比例する。必要な車軸の数は、この重量を機関車が使用される線路の軸荷重制限で割ることで決まる。動輪の数も同様に粘着重量から導き出され、残りの車軸は先台車と後台車で計算される。^[56]旅客機関車は、通常、高速走行時の誘導性を高めるために2軸の先台車を備えていた。一方、20世紀には火格子と火室のサイズが大幅に増加したため、後台車がサポートを提供することが求められるようになった。ヨーロッパでは、ビッセル台車のいくつかの派生型が使用されており、単軸台車の旋回運動によって前部動車軸（場合によっては2番目の車軸も）の横方向の移動が制御されていた。これは主に 8 連装の急行機関車や混合交通機関車に適用され、機関車全体のホイールベースを制限し、接着重量を最大化しながら、曲線を通過する能力が大幅に向上しました。

原則として、入換機関車（米国ではスイッチング・エンジン）は、利用可能な牽引力を最大化し、軸距を短縮するために、先台車と後台車を省略した。速度は重要ではなく、牽引力に対して最小の機関車（したがって燃料消費量最小）を作ることが最も重要であった。動輪は小さく、通常はボイラーの主要部分だけでなく火室も支えていた。傾斜機関車（米国ではヘルパー・エンジン）は、軸距の制限が適用されないことを除いて入換機関車の原理に従う傾向があり、そのため傾斜機関車はより多くの動輪を持つ傾向があった。米国では、このプロセスの結果、最終的に多くの駆動輪を持つマレット型機関車が生まれ、機関車の誘導がより問題になるにつれて、これらは先台車、次いで後台車を取得する傾向があった。

19 世紀後半に機関車の種類が分岐し始めると、当初は貨物用機関車の設計は牽引力を重視し、旅客用機関車の設計は速度を重視しました。時が経つにつれて、貨物用機関車のサイズが大きくなり、それに応じて車軸の総数も増加しました。先頭台車は通常 1 車軸でしたが、大型の機関車には、動輪の間や上に収まらなくなった大きな火室を支えるために後続台車が追加されました。旅客用機関車は、往復運動する部品の速度を制限するために、先頭台車が 2 車軸、動輪の数が少なく、非常に大きな動輪を備えていました。

1920 年代、米国では馬力に焦点が移り、リマ機関車工場が推進した「スーパー パワー」コンセプトに象徴されるように、牽引力が重視されるようになりました。ただし、第一次世界大戦後から蒸気機関車がなくなるまで、牽引力は依然として主要な考慮事項でした。貨物列車はより高速で走行するように設計され、旅客機関車はより重い荷物を高速で牽引する必要がありました。これは、機関車の他の部分を変更することなく火格子と火室のサイズを大きくすることで実現され、後続台車に 2 番目の車軸を追加する必要がありました。貨物用の2-8-2は2-8-4になり、2-10-2は2-10-4になりました。同様に、旅客用の4-6-2は4-6-4になりました。米国では、これにより、貨物と旅客の両方に使用される二重目的の4-8-4と4-6-6-4連接構成に収束しました。^[84]マレット機関車も同様の変化を遂げ、バンクエンジンからより大きな火室を備えた巨大な幹線機関車へと進化しました。また、より高速に走行できるように動輪も大型化されました。

世界で最も多く製造された単一クラスの蒸気機関車は、ロシアの0-10-0 機関車クラス E蒸気機関車で、ロシアおよびチェコスロバキア、ドイツ、スウェーデン、ハンガリー、ポーランドなどの他の国々で約 11,000 台が製造されました。ロシアの O 機関車クラスは9,129 台の機関車が製造され、1890 年から 1928 年の間に製造されました。ドイツのDRB クラス 52 2-10-0 クリーグスロックは約 7,000 台が製造されました。

イギリスでは、GWR5700クラスが863両製造され、ロンドン・アンド・ノース・ウェスタン鉄道のDXクラスが943両製造された。この中にはランカシャー・アンド・ヨークシャー鉄道 向けに製造された86両の機関車も含まれている。^[85]

1923年のグループ化法以前、英国での生産は混在していた。大手鉄道会社は自社工場で機関車を製造し、中小の会社や産業関係会社は外部の製造業者に注文していた。主要鉄道会社が自社製造方針を採っていたため、外部の製造業者向けの大きな市場が存在していた。グループ化以前の工場の例としては、メルトン・コンスタブルの工場があり、ミッドランド・アンド・グレート・ノーザン・ジョイント鉄道の機関車の一部を保守および製造していた。他の工場としては、ボストンの工場（初期のGNRの建物）やホーウィッチ工場などがあった。

1923年から1947年の間、四大鉄道会社（グレート・ウェスタン鉄道、ロンドン・ミッドランド・アンド・スコティッシュ鉄道、ロンドン・アンド・ノース・イースタン鉄道、サザン鉄道）はいずれも自社で機関車のほとんどを製造し、自社の工場が満杯になったとき（または戦時中に政府が義務付けた標準化の結果）のみ外部の製造業者から機関車を購入した。^[86]

1948年以降、イギリス鉄道（BR）は、かつてのビッグ4社（現在は「リージョンズ」と称される）が独自の設計で製造を続けることを許可したが、同時に各リージョンズの最高の特徴を組み合わせたとされる一連の標準機関車も製造した。1955年にディーゼル化の方針が採用されたが、BRは1960年まで新しい蒸気機関車の製造を続け、最終的な機関車はイブニングスターと名付けられた。^[87]

いくつかの独立系メーカーはその後も数年間蒸気機関車を製造し、最後の英国製産業用蒸気機関車は1971年にハンスレット社によって製造された。それ以来、少数の専門メーカーが狭軌やミニチュア鉄道用の小型機関車を製造し続けてきたが、これらの主要市場は観光や歴史鉄道部門であるため、そのような機関車の需要は限られている。2008年11月、新造の幹線用蒸気機関車60163トルネードが、将来の貸切やツアーでの使用に向けて英国の幹線で試験された。

19世紀から20世紀初頭にかけて、スウェーデンの蒸気機関車のほとんどはイギリスで製造されていました。しかし、後には、ほとんどの蒸気機関車はトロルヘッタンのNOHABやファルンのASJなど、地元の工場で製造されました。最も成功したタイプの1つは、プロイセンのP8クラスに触発されたクラス「B」（4-6-0）でした。スウェーデンの蒸気機関車の多くは、冷戦中、戦争に備えて保存されていました。1990年代に、これらの蒸気機関車は非営利団体や海外に売却されたため、現在、スウェーデンのクラスB、クラスS（2-6-4）、クラスE2（2-8-0）の機関車は、イギリス、オランダ、ドイツ、カナダで見ることができます。

アメリカの鉄道用の機関車は、蒸気機関の初期の時代を除いて、ほとんど輸入されず、ほぼ常にアメリカ国内で製造されました。これは、ヨーロッパの高密度な市場とは対照的に、当初は多くの小規模な市場が遠く離れて存在していたという、アメリカの市場の基本的な違いによるものでした。安価で頑丈で、安価に建設および保守された線路で長距離を走行できる機関車が求められました。エンジンの製造が大規模に確立されると、現地の要件と線路条件に合わせてカスタマイズする必要がある海外からのエンジンを購入する利点はほとんどありませんでした。ヨーロッパと米国の両方で発生したエンジン設計の改良は、一般的に非常に保守的で変化の遅い市場で正当化できる場合に、製造業者によって取り入れられました。第一次世界大戦中に製造されたUSRA 標準機関車という注目すべき例外を除いて、米国では蒸気機関車の製造は常にセミカスタマイズでした。鉄道会社は、いくつかの基本的な設計機能は常に存在していましたが、特定の要件に合わせて調整された機関車を注文しました。鉄道会社はいくつかの特定の特性を開発しました。例えば、ペンシルバニア鉄道とグレート・ノーザン鉄道はベルペール火室を好んでいた。^[88]米国では、ほぼすべての鉄道会社の機関車を大規模なメーカーが製造していたが、ほぼすべての主要鉄道会社は重修理が可能な工場を持ち、いくつかの鉄道会社（例えば、ノーフォーク・アンド・ウェスタン鉄道と2つの組立工場を持っていたペンシルバニア鉄道）は完全に自社工場で機関車を製造していた。^{[89] [90]}米国で機関車を製造していた会社には、ボールドウィン・ロコモティブ・ワークス、アメリカン・ロコモティブ・カンパニー（ALCO）、ライマ・ロコモティブ・ワークスなどがある。1830年から1950年の間に、米国では合計16万台以上の蒸気機関車が製造され、ボールドウィンが約7万台と最大のシェアを占めた。^[91]

蒸気機関車は、ディーゼル電気エンジンに比べて、定期的で頻繁な整備とオーバーホールが必要であった（ヨーロッパや米国では、多くの場合、政府が規制した間隔で）。オーバーホール中には、改造とアップグレードが定期的に行われた。新しい機器が追加され、満足のいくものではない機能が取り除かれ、シリンダーが改良または交換された。ボイラーを含む機関車のほぼすべての部品が交換またはアップグレードされた。整備やアップグレードの費用が高額になると、機関車は交換または引退した。^[要出典]ボルチモア・アンド・オハイオ鉄道では、2両の2-10-2機関車が解体され、ボイラーは2両の新しいクラスT 4-8-2機関車に取り付けられ、残った車輪機械は新しいボイラーを備えたクラスU 0-10-0スイッチャーのペアに改造された。ユニオン・パシフィックの3気筒4-10-2機関車は、メンテナンスの問題が高かったため、1942年に2気筒エンジンに改造された。

シドニーでは、クライド・エンジニアリング社とイヴリー鉄道工場の両社がニュー・サウス・ウェールズ州政府鉄道向けに蒸気機関車を製造した。これらにはC38クラス 4-6-2が含まれる。最初の5両は流線型構造でクライドで製造され、他の25両はニューカッスル近郊のイヴリー工場(13)とカーディフ工場(12)で製造された。クイーンズランドでは、蒸気機関車はウォーカーズ社によって地元で製造された。同様に、南オーストラリア鉄道もアデレードのイズリントン鉄道工場で蒸気機関車を製造した。ビクトリア鉄道は、ほとんどの機関車をニューポート工場とベンディゴで製造したが、初期には機関車はバララットのフェニックス鋳造所で製造されていた。ニューポート工場で製造された機関車は、狭軌用に製造されたnAクラス2-6-2 Tから、オーストラリアでこれまで運行された最大の従来型機関車で重量260トンのHクラス4-8-4まで多岐にわたりました。しかし、オーストラリアでこれまで使用された最大の機関車の称号は、イギリスのベイヤー・ピーコック・アンド・カンパニーで製造された263トンのニューサウスウェールズAD60クラス機関車4-8-4+4-8-4 Garrattです^[92]。西オーストラリア州で使用された蒸気機関車のほとんどはイギリスで製造されましたが、いくつかの例は西オーストラリア州政府鉄道のミッドランド鉄道工場で地元で設計および製造されました。1943年に導入された10台のWAGR Sクラス機関車は、西オーストラリア州で完全に構想、設計、製造された唯一のクラスの蒸気機関車でした。 ^[93]一方、ミッドランド工場は、オーストラリア全土のオーストラリア標準ガレットの製造プログラムに参加しました。これらの戦時中の機関車は、西オーストラリア州のミッドランド、ニューサウスウェールズ州のクライドエンジニアリング、ビクトリア州のニューポート、南オーストラリア州のイズリントンで製造され、オーストラリアのすべての州でさまざまなレベルで使用されました。^[93]

20世紀初頭の電気機関車、その後のディーゼル電気機関車の導入は、蒸気機関車の使用の衰退の始まりを意味したが、蒸気機関車が一般に使用されなくなるまでにはしばらく時間がかかった。 ^[94]ディーゼル動力（特に電送）は1930年代に信頼性が高まると、北米で定着した。^[95]北米で蒸気動力からの完全な移行は1950年代に起こった。ヨーロッパ大陸では、1970年代までに大規模な電化が蒸気動力に取って代わった。蒸気は馴染みのある技術であり、現地の設備によく適応し、またさまざまな燃料を消費したため、20世紀末まで多くの国で使用され続けた。

蒸気機関は現代のディーゼル機関に比べて熱効率がかなり低く、稼働し続けるためには絶え間ない保守と労力が必要である。^[96]鉄道網の多くの地点で水が必要となるため、米国、オーストラリア、南アフリカの一部の地域に見られるような砂漠地帯では大きな問題となっている。水が利用できる場所でも硬水の場合があり、主に炭酸カルシウム、水酸化マグネシウム、硫酸カルシウムからなる「スケール」が形成される可能性がある。炭酸カルシウムと炭酸マグネシウムは、パイプや熱交換器の内側の表面にオフホワイトの固体として堆積する傾向がある。この沈殿は主に重炭酸イオンの熱分解によって引き起こされるが、炭酸イオンが飽和濃度にある場合にも発生する。 ^[97]結果としてスケールが蓄積すると、パイプ内の水の流れが制限される。ボイラーでは、堆積物によって水への熱の流れが妨げられ、加熱効率が低下し、金属製のボイラー部品が過熱する可能性がある。

2気筒単膨張式蒸気機関車の駆動輪の往復動機構は、レールを叩く傾向があり（ハンマーブローを参照）、そのためより多くのメンテナンスが必要になった。石炭から蒸気を起こすのに数時間かかり、深刻な汚染問題を引き起こした。石炭燃焼機関車は、勤務の合間に消火と灰の除去が必要だった。^[98]これに比べて、ディーゼル機関車や電気機関車は、新しく特注の整備施設を活用できた。蒸気機関車から出る煙もまた好ましくないと考えられていた。最初の電気機関車とディーゼル機関車は、煙軽減の要件に応えて開発されたが、^{[99]これは、特にアイドリング時の}ディーゼル排気煙の目に見えない高いレベルの汚染を考慮していなかった。しかし、一部の国では、電気機関車の電力は、多くの場合石炭で稼働している発電所で発生した蒸気から得られている。

ディーゼル燃料のコストが劇的に上昇したため、蒸気機関車を復活させようといういくつかの取り組みが行われた。 ^{[100] [101]}しかし、これらの取り組みはいずれも生産にまで至っておらず、21世紀初頭の時点では、蒸気機関車は世界のいくつかの孤立した地域と観光目的でのみ運行されている。

1975年には早くもイギリスの鉄道愛好家が新しい蒸気機関車の製造を開始した。その年、トレバー・バーバーは2フィート( 610 mm ) 軌間の機関車トリクシーを完成させ、メイリオン・ミル鉄道を走らせた。^[102] 1990年代以降、ウェールズの狭軌フェスティニオグ鉄道とコリス鉄道で新しい機関車が完成し、完成した新造機関車の数は劇的に増加した。ハンスレット・エンジン・カンパニーは2005年に復活し、商業ベースで蒸気機関車の製造を開始した。^[103]標準軌のLNERペッパーコーン・パシフィック「トルネード」は、ダーリントンのホープタウン工場で完成し、2008年8月1日に初走行しました。 ^{[104] [105]} 2008年後半に本線での運行を開始しました。 ^[106] 2009年現在、廃止された蒸気機関車の実用的なレプリカを製造する6件以上のプロジェクトが進行中であり、多くの場合、他のタイプの既存の部品を使用して製造されています。例としては、BR 72010ヘンギスト、^[107] BRクラス3MT No. 82045、BRクラス2MT No. 84030、^[108]ブライトンアトランティックビーチーヘッド、^[109] LMS 5551ザ・アンノウン・ウォリアープロジェクト、GWR " 47xx 4709、2999レディ・オブ・レジェンド、 1014カウンティ・オブ・グラモーガン、6880ベットン・グランジプロジェクトなどがある。これらの英国を拠点とする新造プロジェクトは、米国の新造ペンシルバニア鉄道5550 ^{[110]プロジェクトによってさらに補完されている。グループの目標の1つは、5550が完成したら}4468マラードの蒸気機関車の速度記録を超え、5550で蒸気機関車の保存における大きな空白を埋めることである。 ^[update]

1980年、アメリカの投資家ロス・ローランドは、近代化された石炭火力蒸気機関車を開発するためにアメリカン・コール・エンタープライズを設立した。彼のACE 3000のコンセプトは大きな注目を集めたが、結局作られることはなかった。^{[111] [112]}

1998年、デイビッド・ウォーデールは著書『蒸気時代の赤い悪魔とその他の物語』[113]の中で、将来^{イギリス本線で観光列車を蒸気で牽引するための高速・高効率の「スーパークラス5 4-6-0」機関車の構想を提唱した。この構想は2001年に}5AT先端技術蒸気機関車の開発と製造を専門とする5ATプロジェクトの設立によって正式に実現したが、鉄道業界の大手支援は得られなかった。

新規建設が行われている場所は次のとおりです: ^{[引用が必要]}

• GWR 1014カウンティ・オブ・グラモーガンとGWR 2999レディ・オブ・レジェンド、どちらもディドコット鉄道センターで建造中
• GWR 6880ベットン グランジ、GWR 4709、LMS 5551ザ アンノウン ウォーリアー、すべてランゴレン鉄道で製造中
• LNER 2007プリンス オブ ウェールズ、ダーリントン機関車工場
• LNER 2001 コック・オブ・ザ・ノース、ドンカスター
• ペンシルバニア鉄道5550、ポッツタウン、ペンシルバニア州^[110]
• BR 72010ヘンギスト、グレート・セントラル鉄道
• BR 77021、未定
• BR 82045、セヴァーンバレー鉄道
• BR 84030 と LBSCR 32424 ビーチーヘッド、どちらもブルーベル鉄道で製造中
• MS&LR/GCR 567、ラディントン グレート セントラル鉄道、北部区間
• VR V499、ビクトリア州、オーストラリア

2012年、米国で持続可能な鉄道連合^{[114]プロジェクトが開始され、リビオ・ダンテ・ポルタらが提案した改良を取り入れ、}焙焼バイオマスを固形燃料として使用し、より高速な近代的な蒸気機関車を開発することが目標となった。この燃料はミネソタ大学環境研究所（IonE）と持続可能な鉄道国際（SRI）の協力により最近開発されたもので、SRIは近代的な鉄道設備における蒸気牽引の使用を研究するために設立された組織である。このグループは、カンザス州の以前の所有者であるグレート・オーバーランド・ステーション博物館から寄贈された、現存する最後の（ただし非稼働の）ATSF 3460クラス蒸気機関車（No. 3463）を受け取った。彼らは、最高時速130マイル（210 km/h）の速度が可能な「世界で最もクリーンで強力な旅客機関車」を開発するためのプラットフォームとしてこれを使用することを望んでいる。 「プロジェクト 130」と名付けられたこの列車は、英国で LNER クラス A4 4468 マラードが樹立した蒸気機関車の世界最高速度記録 126 mph (203 km/h) を破ることを目指している。しかし、このプロジェクトの主張を裏付ける実証はまだ行われていない。

ドイツでは、現場で蒸気の供給が容易に得られる発電所などでは、少数の無火蒸気機関車が今でも産業用として稼働しています。

ポーランドのヴォルシュティンという小さな町は、歴史ある都市ポズナンから約 60 キロメートル (37 マイル) 離れたところにあり、蒸気動力で牽引される定期旅客列車に乗れる世界で最後の場所です。ヴォルシュティンの機関車庫は、この種のものとしては世界最後のものです。ヴォルシュティン、ポズナン、レショ、その他の近隣都市の間を毎日通勤列車として牽引する、稼働中の機関車が数台あります。ヴォルシュティン エクスペリエンスでは、フットプレート コースに参加できます。ここヴォルシュティン以外で、観光目的ではない蒸気動力の通勤/旅客列車を毎日運行している場所は世界中どこにもありません。ポーランド製の OL49 クラス 2-6-2 汎用機関車が数台と、PT47 クラス 2-8-2 が 1 台、定期運行されています。毎年 5 月、ヴォルシュティンでは蒸気機関車フェスティバルが開催され、毎年 12 台を超える機関車が訪れ、すべてが運行されます。これらの運行は観光や博物館/歴史目的のためではありません。この鉄道は、PKP (ポーランド国営鉄道網) でディーゼル動力に転換された最後の非ディーゼル鉄道路線です。

スイスのDampflokomotiv- und Maschinenfabrik DLM AG社は、 1992年から1996年にかけて、スイスとオーストリアのラック式鉄道に8台の蒸気機関車を納入しました。そのうち4台は現在、ブリエンツ・ロートホルン鉄道の主力車両であり、他の4台はオーストリアのシャーフベルク鉄道向けに製造され、同鉄道の列車の90%を運行しています。

同社はまた、ドイツのDRクラス52.80 2-10-0機関車をローラーベアリング、軽油燃焼、ボイラー断熱などの改造を施して新しい規格に改造した。^[115]

英国における蒸気機関車の将来的な使用は、気候変動に関する政府の政策により疑問視されている。ヘリテージ鉄道協会は、石炭を燃料とする蒸気機関車の運行を継続するために、ヘリテージ鉄道に関する超党派議員グループと協力している。^[116]

多くの観光鉄道では、環境への影響を減らすため、また、機関車に適した種類とサイズの燃料油が石炭よりも入手しやすいため、石油燃料の蒸気機関車を使用しています（または、機関車を石油で動くように改造しています）。たとえば、グランドキャニオン鉄道では、使用済みの植物油で蒸気機関車を走らせています。

An organization called the Coalition for Sustainable Rail (CSR) is developing an environmentally friendly coal substitute made from torrefied biomass.^[117] In early 2019, they performed a series of tests using Everett Railroad to evaluate the performance of the biofuel, with positive results. The biofuel was found to burn slightly faster and hotter than coal.^[118] The goal of the project is primarily to find a sustainable fuel for historic steam locomotives on tourist railroads, but CSR has also suggested that, in the future, steam locomotives powered by torrefied biomass could be an environmentally and economically superior alternative to diesel locomotives.^[117] Also, a large vat containing salt may be used without needing to replenishing the medium. Large heating elements would be one method of recharging the system, however, it is possible to pump molten salt as well, removing the cooled salt and replenishing from facilities which contain a much larger vat.^{[citation needed]}

Steam locomotives have been present in popular culture since the 19th century. Folk songs from that period including "I've Been Working on the Railroad" and the "Ballad of John Henry" are a mainstay of American music and culture.

Many steam locomotive toys have been made, and railway modelling is a popular hobby.

Steam locomotives are often portrayed in fictional works, notably The Railway Series by the Rev W. V. Awdry, The Little Engine That Could by Watty Piper, The Polar Express by Chris Van Allsburg, and the Hogwarts Express from J.K. Rowling's Harry Potter series. They have also been featured in many children's television shows, such as Thomas & Friends, based on characters from the books by Awdry, and Ivor the Engine created by Oliver Postgate.

The Hogwarts Express also appears in the Harry Potter series of films, portrayed by GWR 4900 Class 5972 Olton Hall in a special Hogwarts livery. The Polar Express appears in the animated movie of the same name.

An elaborate, themed funicular Hogwarts Express ride is featured in the Universal Orlando Resort in Florida, connecting the Harry Potter section of Universal Studios with the Islands of Adventure theme park.

The Polar Express is recreated on many heritage railroads in the United States, including the North Pole Express pulled by the Pere Marquette 1225 locomotive, which is operated by the Steam Railroading Institute in Owosso, Michigan. According to author Van Allsburg, this locomotive was the inspiration for the story and it was used in the production of the movie.

A number of computer and video games feature steam locomotives. Railroad Tycoon, produced in 1990, was named "one of the best computer games of the year".^{[citation needed]}

There are two notable examples of steam locomotives used as charges on heraldic coats of arms. One is that of Darlington, which displays Locomotion No. 1. The other is the original coat of arms of Swindon, not currently in use, which displays a basic steam locomotive.^[119][120]

Steam locomotives are a popular topic for coin collectors.^{[citation needed]} The 1950 Silver 5 Peso coin of Mexico has a steam locomotive on its reverse as the prominent feature.

The 20 euro Biedermeier Period coin, minted 11 June 2003, shows on the obverse an early model steam locomotive (the Ajax) on Austria's first railway line, the Kaiser Ferdinands-Nordbahn. The Ajax can still be seen today in the Technisches Museum Wien. As part of the 50 State Quarters program, the quarter representing the US state of Utah depicts the ceremony where the two halves of the First transcontinental railroad met at Promontory Summit in 1869. The coin recreates a popular image from the ceremony with steam locomotives from each company facing each other while the golden spike is being driven.

The novel "Night on the Galactic Railroad"^[121] by Kenji Miyazawa is centered on the idea of a steam train traveling among the stars. Miyazawa's novel later inspired Leiji Matsumoto's successful "Galaxy Express 999" series.

Another Japanese televisual franchise, Super Sentai, features monsters based on steam locomotives.

Charge Man, a Robot Master from the fifth installment of the Mega Man series is based on a steam locomotive.

• Broggie, Michael (2014). Walt Disney's Railroad Story: The Small-Scale Fascination That Led to a Full-Scale Kingdom (4th ed.). The Donning Company Publishers. ISBN 978-1-57864-914-3.

• TV and Radio programmes from the BBC archives celebrating steam trains
• Database of surviving steam locomotives in North America
• UK heritage railways and preserved locomotives database
• Advanced Steam Traction Trust
• UK Steam Train Photos