Ατμάμαξα

Θάλαμος καύσης

Ο θάλαμος καύσης (αγγλ. firebox) είναι ο χώρος όπου καίγεται το καύσιμο που χρησιμοποιεί η ατμάμαξα για τη θέρμανση του νερού και την παραγωγή ατμού. Το καύσιμο αυτό μπορεί να είναι κάποιας μορφής άνθρακας, ξύλα ή πετρέλαιο. Το σχήμα του θαλάμου καύσης είναι συνήθως παραλληλεπίπεδο (εξ ου και το αγγλικό συνθετικό "box" (κουτί)). Ο θάλαμος καύσης στην πραγματικότητα αποτελείται από δύο "κουτιά", το ένα περικλειόμενο από το άλλο, που ονομάζονται, αντίστοιχα, εσωτερικός και εξωτερικός θάλαμος καύσης. Οι δύο αυτοί θάλαμοι συγκρατούνται μεταξύ τους από ειδικά μπουλόνια (αγγλ. stays), που φέρουν περιέλιξη και στα δύο άκρα τους και βιδώνουν τόσο στον εσωτερικό όσο και στον εξωτερικό θάλαμο καύσης. Όταν η αρμολόγηση των δύο θαλάμων ολοκληρωθεί, τα άκρα τους σφυρηλατούνται ώστε να παρέξουν πλήρη μόνωση. Τα μπουλόνια αυτά κατασκευάζονταν είτε από χαλκό (περισσότερο εύκαμπτα για να αντιμετωπίζουν τις ποικίλες διαστολές / συστολές, αλλά με μεγαλύτερο συντελεστή κόπωσης) είτε από χάλυβα (μεγαλύτερη αντοχή, μικρότερη ευκαμψία). Σημαντική βελτίωση προσέφερε η χρήση κράματος χαλκού - νικελίου, που επονομάστηκε "monel metal"
Το υλικό των θαλάμων καύσης μπορεί να είναι χαλκός (ήταν αρχικά συνήθης πρακτική στις βρετανικές ατμάμαξες) αλλά στις ΗΠΑ αρχικά κατασκευάζονταν από σφυρήλατο σίδηρο ενώ αργότερα χρησιμοποιήθηκε χάλυβας, ο οποίος δοκιμάστηκε αρχικά και χρησιμοποιήθηκε στη συνέχεια από τον Αλεξάντερ Άλλαν (Alexander Allan) των Σκωτικών Σιδηροδρόμων γύρω στα 1860.
Ο εξωτερικός θάλαμος περιβάλλει τον εσωτερικό και, στην πραγματικότητα, είναι προέκταση του λέβητα. Ο εξωτερικός θάλαμος γεμίζει με νερό ώστε να γίνεται η μέγιστη δυνατή εκμετάλλευση της θερμότητας που παράγεται στον εσωτερικό. Από την πρόσθια όψη του εσωτερικού θαλάμου εκκινεί μια δέσμη σωλήνων, οι οποίοι διασχίζουν το λέβητα και καταλήγουν στην καπνοδόχη. Μέσω αυτών των σωλήνων διέρχονται τα θερμά καυσαέρια του θαλάμου καύσης πριν καταλήξουν στην καπνοδόχη όπου, μέσω του καπναγωγού θα περάσουν στον αέρα. 
Τα δύο τμήματα του θαλάμου καύσης συνενώνονται στη βάση τους με τον αποκαλούμενο "θεμελιώδη δακτύλιο" (αγγλ. foundation ring), ονομασία που προέρχεται από το σχήμα της απόθεσης αλάτων που παρατηρείται εκεί, εφόσον αυτό το τμήμα στην πραγματικότητα αποτελεί το χαμηλότερο τμήμα του λέβητα. Σε ορισμένους θαλάμους καύσης νερό υπάρχει και γύρω από τη βάση τους (με εξαίρεση, φυσικά, το σημείο όπου υπάρχει η εσχάρα εκκένωσης). Αυτού του τύπου οι θάλαμοι αποκαλούνται "υγροί θάλαμοι" (wet fireboxes) ενώ σε άλλους νερό δεν υφίσταται καθόλου στη βάση. Αυτοί είναι οι "ξηροί θάλαμοι" (dry fireboxes).
Το σχήμα του θαλάμου καύσεως διαμορφώθηκε με την πάροδο του χρόνου. Οι παλαιότεροι θάλαμοι είχαν μεγάλο μήκος αλλά ήταν σχετικά στενοί, καθώς έπρεπε να υπάρχει και εσχάρα απομάκρυνσης της στάχτης. πράγμα που δυσκόλευε την τροφοδοσία τους με καύσιμη ύλη (η τροφοδοσία αρχικά γινόταν χειροκίνητα), καθώς, παρά την κλίση του δαπέδου του θαλάμου καύσης, το καύσιμο συσσωρευόταν κοντά στη θυρίδα τροφοδοσίας στο πίσω μέρος του. Σε μεταγενέστερους σχεδιασμούς συναντούμε πλατύτερους θαλάμους καύσης με μικρότερες εσχάρες με παράλληλη τροποποίηση του πλαισίου της ατμάμαξας, το οποίο χαμήλωνε στο άκρο του θαλάμου καύσης. Σε ορισμένες βρετανικές σχεδιάσεις, ο θάλαμος καύσης είχε καμπύλες ακμές στενεύοντας στο κάτω άκρο του.
Στην οπίσθια όψη του θαλάμου καύσης υπάρχει μια θυρίδα, μέσω της οποίας ο θάλαμος τροφοδοτείται με την καύσιμη ύλη. Κάτω από τη θυρίδα υπάρχει μια οπή, η οποία φράσσεται με συρόμενη θυρίδα, συνήθως από ειδικό πυρίμαχο γυαλί, μέσω της οποίας είναι δυνατή η παρακολούθηση της καύσης στο θάλαμο. Όταν η θυρίδα ανοίξει, παρέχει πρόσβαση για τον καθαρισμό της στάχτης που έχει παραμείνει στο θάλαμο.

Καπνοδόχη

Το πρόσθιο τμήμα μιας ατμάμαξας αποτελεί την καπνοδόχη. Όπως υποδηλώνει το όνομά της, είναι ο θάλαμος στον οποίο οδηγούνται τα αέρια της καύσης από το θάλαμο καύσης, συχνά υποβοηθούμενα από έναν ειδικό φυγοκεντρικό ανεμιστήρα, ώστε να διαφύγουν, μέσω του καπναγωγού (καμινάδας) στην ατμόσφαιρα. Στην καπνοδόχη καταλήγει, επίσης, και ο ατμός που έχει εκτονωθεί στον ατμοθάλαμο, μέσω ενός ειδικού σωλήνα. Η διαφυγή του ατμού προς την καπνοδόχη είναι που παράγει το χαρακτηριστικό ήχο μιας ατμάμαξας (γνωστό στη λαϊκή κουλτούρα ως "τσαφ τσουφ"). Η διαφυγή του ατμού όσο και η χρήση ανεμιστήρα για τα καυσαέρια βοηθά στην καλύτερη διατήρηση της καύσης στο θάλαμο καύσης, καθώς λόγω της δημιουργούμενης υποπίεσης σε αυτόν αναρροφάται περισσότερος αέρας.
Η καύση στο θάλαμο καύσης απέχει πολύ από το να είναι πλήρης, ειδικά αν χρησιμοποιείται άνθρακας κατώτερης ποιότητας ή ξύλο ως καύσιμη ύλη. Είναι, κατά συνέπεια, βέβαιο ότι στην καπνοδόχη με την πάροδο του χρόνου θα συσσωρευτούν κατάλοιπα της καύσης (κυρίως στερεά σωματίδια άνθρακα, γνωστά ως "αιθάλη" ή "φούμο", τα οποία θα οδηγήσουν σε βαθμιαία απόφραξη του καπναγωγού. Για το σκοπό αυτό στο πρόσθιο άκρο της καπνοδόχης υπάρχει μια θυρίδα, σχετικά μεγάλου μεγέθους, στηριζόμενη σε στροφείς (μεντεσέδες). Περιοδικά, η θυρίδα αυτή ανοίγεται και ακολουθεί καθαρισμός της καπνοδόχης από τα συσσωρευμένα κατάλοιπα.
Ιδιαίτερα κατά τις πρώτες διαδρομές των σιδηροδρόμων στις ΗΠΑ, οι ατμάμαξες των οποίων χρησιμοποιούσαν κατά κύριο λόγο ξύλο ως καύσιμο, παρατηρήθηκαν συχνά φαινόμενα πυρπόλησης καλλιεργημένων ή μη εδαφών από τη διέλευση του συρμού. Οι πυρκαϊές αυτές προκαλούνταν από τους σπινθήρες που διέφευγαν από τον καπναγωγό μαζί με τον καπνό. Για το λόγο αυτό στην καπνοδόχη τοποθετήθηκε ένας "παγιδευτής σπινθήρων" (spark arrester). Αυτός δεν είναι τίποτα περισσότερο από ένα κυλινδρικό μεταλλικό πλέγμα, το οποίο εμποδίζει τη διαφυγή μεγάλων σπινθήρων μαζί με τον καπνό. Ωστόσο η μελέτη σχεδίασης ενός τέτοιου πλέγματος δεν είναι ιδιαίτερα εύκολη, καθώς στον καπναγωγό εμφανίζονται ανεπιθύμητα θερμοδυναμικά φαινόμενα, τα οποία μειώνουν την αποδοτικότητα της μηχανής.
Στην καπνοδόχη, επίσης, στις πιο σύγχρονες ατμομηχανές, τοποθετήθηκε και ο υπερθερμαντής (superheater), μια διάταξη που παγιδεύει τον ατμό που έχει υποστεί εκτόνωση και τον στέλνει ξανά στο λέβητα, ώστε να επαναθερμανθεί και να ξαναχρησιμοποιηθεί. Ο υπερθερμαντής είναι ιδιαίτερα χρήσιμος σε ατμάμαξες μεγάλων αποστάσεων, καθώς εξοικονομεί καύσιμα και, κυρίως, νερό.

Πλαίσιο

Το πλαίσιο, γνωστότερο ως "σασί" είναι η βασική δομή στην οποία στηρίζονται όλα τα προηγούμενα μέρη καθώς και τα διάφορα εξαρτήματα του συστήματος μετάδοσης. Ο λέβητας στηρίζεται σταθερά και άκαμπτα σε μια ειδική εσοχή του πλαισίου, που σχηματίζεται μεταξύ της καπνοδόχης και του κυλίνδρου του λέβητα, σε αντίθεση με το θάλαμο καύσης, ο οποίος έχει τη δυνατότητα να ολισθαίνει προς τα εμπρός ή πίσω, για την αντιμετώπιση του φαινομένου της ισχυρής διαστολής / συστολής του.
Η σχεδίαση του πλαισίου διέφερε σημαντικά στους ευρωπαϊκούς τύπους σε σχέση με τους αμερικανικούς: Στην Ευρώπη το πλαίσιο της ατμάμαξας κατασκευαζόταν από δύο μεγάλες δοκούς, που σχημάτιζαν το κυρίως πλαίσιο και συνδέονταν μεταξύ τους με άλλες δοκούς, διαχωριστικά, κυλίνδρους και άλλα συναφή εξαρτήματα. Στην αμερικανική σχεδίαση αρχικά το κύριο σώμα του σασί το αποτελούσε ο ίδιος ο λέβητας. Η σχεδίαση αυτή άλλαξε γύρω στα 1920, οπότε υιοθετήθηκε η σχεδίαση τύπου "κλίνης", δηλ. ενός συστήματος από πλαίσια σφυρήλατου χάλυβα για τη στήριξη του λέβητα, της ανάρτησης των τροχών, των βραχιόνων κίνησης, της καπνοδόχης και του θαλάμου καύσης. Το σύστημα ήταν πολύ ανθεκτικό αλλά και μεγάλου βάρους. Πολύ αργότερα έγινε προσπάθεια αντικατάστασης του συστήματος στερέωσης των πλαισίων με ειδικού τύπου οξυγονοκόλλησης αντί με ατσαλόκαρφα, που μείωνε κατά 30% το βάρος της κατασκευής, αλλά λόγω εγκατάλειψης της ατμάμαξας εγκαταλείφθηκε και το σύστημα αυτό.

Σύστημα έλξης - μετάδοσης κίνησης

Ο ατμός που παράγεται στον λέβητα συγκεντρώνεται αρχικά στο κενό διάστημα μεταξύ ανώτατου τοιχώματος του λέβητα και της στάθμης του νερού και στη συνέχεια διοχετεύεται στον ατμοδόμο. Η μέγιστη πίεση του ατμού καθορίζεται από τον κατασκευαστή. Για λόγους ασφαλείας υπάρχουν βαλβίδες - με ελεγχόμενες από το πλήρωμα της ατμάμαξας - τόσο στο λέβητα όσο και στον ατμοδόμο, ώστε η πίεση του ατμού να μην υπερβεί το καθοριζόμενο από τον κατασκευαστή όριο σε κανένα σημείο. Στον ατμοδόμο υπάρχει μια ρυθμιστική βαλβίδα, ελεγχόμενη από τον μηχανοδηγό, η οποία ρυθμίζει την ποσότητα του ατμού που θα φύγει από αυτόν (throttle). Ο ατμός, περνώντας από τη βαλβίδα εισέρχεται στον ατμοσωλήνα ο οποίος τον κατευθύνει στον ατμοθάλαμο. Σε ορισμένες βελτιωμένες ατμάμαξες ο ατμός μπορεί να περνά και από υπερθερμαντή, για τη βελτίωση της θερμοδυναμικής του απόδοσης αλλά και την απαλλαγή του από τυχόν σταγονίδια υγρού νερού που διέφυγαν από το σίφωνα του ατμοδόμου. Στη συνέχεια, ο ατμός περνά στον ατμοθάλαμο, ο οποίος βρίσκεται (συνήθως) στο άνω μέρος του συστήματος κυλίνδρου - εμβόλου. Στον ατμοθάλαμο υπάρχει, υπό τύπο βαλβίδας, ένας ολισθαίνων σωλήνας, ο οποίος συνδέει τον ατμοθάλαμο είτε με τον κύλινδρο είτε με το σωλήνα διαφυγής του "χρησιμοποιημένου" ατμού.
Από τον ατμοθάλαμο ο ατμός περνά στον κύλινδρο και, εκτονούμενος, ωθεί το έμβολο προς την αντίθετη φορά της πλευράς εισόδου του. Παράλληλα, με τη βοήθεια ενός συστήματος ράβδων, ο ολισθαίνων σωλήνας μετακινείται ανοίγοντας, μετά την εκτόνωση του ατμού, το σωλήνα απ' όπου αυτός απομακρύνεται, ενώ από την αντίθετη πλευρά εισέρχεται εκ νέου θερμός ατμός, που ωθεί ξανά το έμβολο προς την αντίθετη φορά. Με τον τρόπο αυτό είναι εκμεταλλεύσιμες και οι δύο πλευρές του εμβόλου. 
Το έμβολο είναι συνδεδεμένο με μεταλλική ράβδο, η άκρη της οποίας στερεώνεται στον τροχό της ατμάμαξας. Περισσότεροι άξονες είναι δυνατό να συνδέουν τον κύριο κινητήριο τροχό με τους γειτονικούς του.
Η σχεδίαση και κατασκευή του συστήματος εμβόλων ήταν από τα πλέον δυσχερή σημεία των ατμαμαξών. Κατά τη συντήρησή τους απαιτούνταν εξονυχιστικός έλεγχος και ιδιαίτερα προσεκτική λίπανση σε συγκεκριμένα σημεία, καθώς μια σχετικά μικρή βλάβη σε αυτό το σύστημα ήταν δυνατό να ακινητοποιήσει την ατμάμαξα.
Όταν εκκινεί η ατμάμαξα είναι πιθανό το έμβολο να βρίσκεται σε τέτοια θέση που ο εισερχόμενος ατμός να μην είναι δυνατό να το ωθήσει περισσότερο (νεκρό σημείο). Αν αυτό συμβεί και στον κύλινδρο της άλλης πλευράς, η ατμάμαξα δεν θα είναι δυνατόν να εκκινήσει. Για να αποφευχθεί η πιθανότητα αυτή (δηλ. και οι δύο κύλινδροι σε νεκρό σημείο) οι ράβδοι κάθε πλευράς διατάσσονται έτσι ώστε να παρουσιάζουν διαφορά φάσης 90ο. Έτσι, αν το ένα έμβολο βρίσκεται σε νεκρό σημείο, το άλλο θα βρίσκεται περίπου στη μέση της διαδρομής του.

Κλάσεις ατμαμαξών

Δεν είναι όλοι οι τροχοί της ατμάμαξας κινητήριοι. Η κλάση μιας ατμάμαξας προσδιορίζεται ακριβώς από τους κινητήριους και μη τροχούς με σημειογραφία που αποκαλείται "σημειογραφία Whyte". Ο συμβολισμός, π.χ., 2-8-4 καταδεικνύει ότι υπάρχουν δύο μη κινητήριοι τροχοί στο εμπρός τμήμα, οκτώ κινητήριοι στη συνέχεια και άλλοι τέσσερις μη κινητήριοι στο πίσω τμήμα. Ο αριθμός των τροχών που αναπαριστώνται στη σημειογραφία είναι ο συνολικός αριθμός (τροχοί και των δύο πλευρών). Οι μη κινητήριοι τροχοί τις περισσότερες φορές είναι μικρότεροι από τους κινητήριους και χρησιμεύουν απλά ως υποστηρίγματα του βάρους της ατμάμαξας. Οι μεγαλύτεροι, κινητήριοι, τροχοί φέρουν ένα αντίβαρο, τοποθετημένο στην εσωτερική τους στεφάνη, ώστε να εξισορροπείται το "κτύπημα" (hammer blow) από την αρχική ώση του εμβόλου.

Σύστημα πέδησης

Οι ατμάμαξες διέθεταν ανεξάρτητο σύστημα πέδησης (φρένα), το οποίο συνίστατο από μεγάλα πέλματα κατασκευασμένα από υλικό τριβής, τα οποία κατά την πέδηση επενεργούσαν στην αύλακα των κινητήριων τροχών. Στα αρχικά στάδια της χρήσης συρμών, τα ελκόμενα οχήματα (βαγόνια) δε διέθεταν σύστημα πέδησης και η τεχνική πέδησης, ιδιαίτερα σε φορτηγούς συρμούς, απαιτούσε ιδιαίτερες ικανότητες και συνεργασία θερμαστή - οδηγού. Χαρακτηριστικά αναφέρεται ότι προκειμένου να σταματήσει φορτηγός συρμός με βαγόνια χωρίς φρένα, η διαδικασία πέδησης ήταν δυνατό να αρχίζει και 10 χιλιόμετρα πριν τη στάθμευση, καθώς έπρεπε να υπερνικηθεί η αδράνεια των βαγονιών.  Αν αυτό δε συνέβαινε η απότομη και μη υπολογισμένη πέδηση ήταν εύκολο να οδηγήσει σε εκτροχιασμό. Αργότερα και με την εφεύρεση των φρένων αέρα ο οδηγός μπορούσε να ελέγξει την πέδηση τόσο στην ατμάμαξα όσο και στα βαγόνια. Τα φρένα ενεργοποιούνταν αρχικά με τη βοήθεια ατμού από το λέβητα και στην περίπτωση των αερόφρενων υπήρχε ένας αεροσυμπιεστής με ειδική δεξαμενή, ο οποίος επίσης λειτουργούσε με ατμό από το λέβητα. Το σύστημα αυτό είχαν υιοθετήσει κυρίως οι ατμάμαξες στις ΗΠΑ.
Παραλλαγή του αερόφρενου ήταν η πέδη κενού (vacuum brake): Σε αυτό το σύστημα ένας εξολκέας (ejector), επίσης ενεργοποιούμενος με ατμό, δημιουργούσε κενό (υποπίεση) ενεργοποιώντας έτσι τα πέλματα. Το σύστημα αυτό είχαν υιοθετήσει κυρίως οι βρετανικές ατμάμαξες.
Σε ορισμένες ατμάμαξες παρατηρείται ένα επιπλέον εξόγκωμα στο άνω μέρος του λέβητα, κοντά στον ατμοδόμο. Το "εξόγκωμα" αυτό στέγαζε την αμμοδόχο, ένα δοχείο στο οποίο περιεχόταν άμμος. Σε περιπτώσεις όπου απαιτείτο μεγάλη τριβή μεταξύ σιδηροτροχιών και τροχών, στις σιδηροτροχιές εκτοξευόταν άμμος, αυξάνοντας έτσι την τριβή. Η διάταξη αυτή ήταν ιδιαίτερα χρήσιμη σε σιδηροτροχιές υγρές (από βροχή) ή φέρουσες πάγο. Αμμοδόχους διέθεταν όλες οι ατμάμαξες (διαθέτουν και οι σύγχρονοι συρμοί). Στις ΗΠΑ η αμμοδόχος βρισκόταν επάνω στο λέβητα, στη Βρετανία βρισκόταν κοντά στους κινητήριους τροχούς.

Βαλβίδες ασφαλείας

Οι πρώτες ατμάμαξες διέθεταν μια βαλβίδα διαφυγής ατμού η οποία ήταν αρκετά "πρωτόγονη": Επρόκειτο για ένα βραχίονα που έφερε ένα εμφράκτη κωνικού σχήματος κοντά στο άκρο του ενώ ακριβώς στο άκρο του είχε αναρτημένο ένα βαρίδι. Όταν η πίεση του ατμού υπερνικούσε το βάρος του βαριδιού, ο βραχίονας ανασηκωνόταν, ο κωνικός εμφράκτης μετατοπιζόταν προς τα άνω και ο ατμός διέφευγε. Το βασικό μειονέκτημα αυτής της απλής βαλβίδας ήταν η αναπόφευκτη ταλάντωση του βαριδιού καθώς η ατμάμαξα βρισκόταν σε κίνηση, γεγονός που απελευθέρωνε τη βαλβίδα με συνακόλουθη απώλεια ατμού. Προβληματική ήταν, επίσης, η χρήση της σε διαδρομές με κλίσεις. Για τους λόγους αυτούς το αναρτημένο βαρίδι αντικαταστάθηκε από βαριά ράβδο περικλειόμενη από ελατήριο. Ωστόσο ο κίνδυνος αυτής της διάταξης ήταν ότι το πλήρωμα της ατμάμαξας μπορούσε να "μπει στον πειρασμό" να προσθέσει ένα επιπλέον βάρος στην άκρη του βραχίονα, για να αυξήσει την πίεση του ατμού και την ταχύτητα της ατμάμαξας. Γι' αυτό και σχεδόν από τα πρώτα βήματα της χρήσης ατμάμαξας εγκαταστάθηκε μια ακόμη βαλβίδα ασφαλείας, η οποία αποτελείτο από μια σφαίρα  έμφραξης, καλυπτόμενη από ειδικό κάλυμμα, στην οποία το πλήρωμα δεν είχε δυνατότητα πρόσβασης. Στα τέλη της δεκαετίας του 1850 ο Βρετανός Τζον Ραμσμπότομ (John Ramsbottom) επινόησε μια βαλβίδα στην οποία δεν είχε πρόσβαση το πλήρωμα αλλά ακόμη και αν αποκτούσε, με την έμφραξή της η πίεση του ατμού μειωνόταν αντί να αυξηθεί. Ανάλογη εφεύρεση έγινε και από τον Τζον Ρίτσαρντσον (George Richardson) το 1875 στις ΗΠΑ, η οποία άνοιγε μόνον όταν ο ατμός έφθανε τη μέγιστη προκαθορισμένη από τον κατασκευαστή πίεση και όχι βαθμιαία, όπως οι υπόλοιπες. Η βαλβίδα αυτή υιοθετήθηκε παγκοσμίως με εξαίρεση τις ατμάμαξες της Βρετανικής "Great Western Railway" (GWR).

Αντλίες και εγχυτές

Ο εγχυτής (injector) ήταν η συσκευή που τροφοδοτούσε το λέβητα με νερό. Το νερό του λέβητα καταναλώνεται, μετατρεπόμενο σε ατμό και γι' αυτό ο λέβητας πρέπει να έχει σταθερή τροφοδοσία. Αρχικά η τροφοδοσία γινόταν με χειροκίνητες αντλίες ή με αντλία που λειτουργούσε παίρνοντας κίνηση από τους τροχούς. Αυτό όμως δημιουργούσε πρόβλημα όταν η ατμάμαξα σταματούσε, καθώς η αντλία έπαυε να λειτουργεί. Στα πρώτα στάδια χρήσης ατμαμαξών με τέτοιου τύπου εγχυτές οι γραμμές κάτω από τους κινητήριους τροχούς επαλείφονταν με γράσο και οι μη κινητήριοι τροχοί σταθεροποιούνταν με "τάκους". Διοχετευόταν στη συνέχεια λίγος ατμός στο έμβολο ώστε να κινούνται οι τροχοί αλλά όχι και η ατμάμαξα. Με τον τρόπο αυτό λειτουργούσε και ο εγχυτής και διατηρούσε την πληρότητα του λέβητα.
Το 1858 ο Γάλλος μηχανικός Ανρί Ζιφάρ (Henri Giffard) εφηύρε τον αυτόματο εγχυτή, ο οποίος απαρτιζόταν από μια σειρά σωλήνων που αναμίγνυαν νερό από τη δεξαμενή ή την εφοδιοφόρο με ατμό υπό πίεση από το λέβητα, κι έτσι το νερό ωθούνταν από τον ατμό από τη δεξαμενή στο λέβητα. Η ποσότητα του ατμού που διοχετευόταν στους σωλήνες του εγχυτή ελεγχόταν από ένα περιστροφικό ρυθμιστή στην καμπίνα οδήγησης. Αργότερα ο ατμός που δημιουργούσε στην πίεση δεν ήταν ο παραγόμενος στο λέβητα αλλά ο ήδη χρησιμοποιημένος από το έμβολο, πράγμα που μείωνε το λειτουργικό κόστος της ατμάμαξας. 
Η αρχή λειτουργίας του εγχυτή βασίστηκε στο γεγονός ότι ο ατμός που διαφεύγει από ένα ακροφύσιο έχει μεγαλύτερη ταχύτητα από το ρεύμα νερού (υπό την αυτή πίεση) που διαφεύγει από το ίδιο ακροφύσιο. Αν στον ατμό διοχετευθεί ψυχρό νερό, ο ατμός αρχίζει να συμπυκνώνεται και η ταχύτητά του αυξάνεται αρκετά ώστε να υπερνικήσει την πίεση του νερού που ήδη υπάρχει στο λέβητα κι έτσι νερό μπορεί να εισαχθεί στο λέβητα παρά την πίεση του εκεί υπάρχοντος νερού. Σε ορισμένες ατμάμαξες χρησιμοποιήθηκε και μίγμα ατμού υπό πίεση και ατμού που είχε υποστεί εκτόνωση, ώστε να περιορίζεται το λειτουργικό κόστος αλλά και να εξασφαλίζεται επαρκής πίεση για την πλήρωση του λέβητα.
Ο χειρισμός του εγχυτή ήταν αρκετά δύσκολος και απαιτούσε σχετικά υψηλή δεξιότητα από το χειριστή (συνήθως ήταν ο θερμαστής). Όταν η ατμάμαξα εκκινούσε, χρειαζόταν να επιτευχθεί η σωστή "ισορροπία" μεταξύ παρεχόμενου νερού και κατανάλωσής του προς ατμό. Η ισορροπία αυτή εξασφαλιζόταν με τις σωστές ρυθμίσεις πίεσης τόσο του νερού όσο και του ατμού. Βασικό σημείο ήταν η μόνιμη επικάλυψη του λέβητα με νερό: Αν υπήρχε λίγο νερό, εμφανιζόταν ο κίνδυνος τήξης κάποιου σημείου του θαλάμου καύσης ή του λέβητα (με συνακόλουθη την έκρηξή του), περισσότερο νερό σήμαινε ότι ο προς χρήση ατμός συμπαρέσυρε λεπτά διαμερισμένα σταγονίδια υγρού νερού στο έμβολο, με συνακόλουθο τη γρήγορη φθορά του.

Όργανα ένδειξης

Οι ατμάμαξες ήταν εφοδιασμένες με όργανα ένδειξης. Σε όλες υπήρχαν ενδείκτες για τη στάθμη του νερού στο λέβητα (συνήθως διπλοί για λόγους ασφαλείας), την πίεση του ατμού στο λέβητα και την πίεση του αέρα στα φρένα. Κάποιες επίσης διέθεταν και πρόσθετα όργανα ενδείξεων για την πίεση του ατμού στο σύστημα υπερθέρμανσης, την πίεση του ατμού στον ατμοδόμο και τη στάθμη νερού στη δεξαμενή. Στις παλαιότερες ατμάμαξες δεν υπήρχε καθόλου μετρητής πίεσης ατμού στο λέβητα, καθώς αυτή ήταν δυνατό να υπολογιστεί (χονδρικά) από το βραχίονα της βαλβίδας ασφαλείας που έφθανε μέχρι την οπίσθια πλευρά του θαλάμου καύσης. Ορισμένοι από αυτούς τους βραχίονες έφεραν χαραγματιές βαθμονόμησης, αλλά από το 1849 υιοθετήθηκε ευρύτατα η χρήση μετρητή πίεσης. Μερικές ατμάμαξες διέθεταν επίσης και μετρητή πίεσης ατμού στον ατμοθάλαμο.

Τροφοδότης

Ένα από τα καθήκοντα του θερμαστή ήταν η τροφοδοσία του θαλάμου καύσης με καύσιμο. Η εργασία αυτή γινόταν συνήθως με τη βοήθεια ενός ειδικού πτύου (φτυαριού) με το οποίο ο θερμαστής μετέφερε κάρβουνο από την εφοδιοφόρο ή το χώρο αποθήκευσής του στο θάλαμο καύσης. Προς τα τέλη του 19ου αιώνα, όμως, και ιδιαίτερα στις ΗΠΑ, οι ατμάμαξες μεγάλωσαν τόσο ώστε η επαρκής τροφοδοσία τους με στερεό καύσιμο ήταν ανέφικτη με το χέρι. Κατασκευάστηκαν ειδικοί μηχανισμοί τροφοδοσίας (stokers), οι οποίοι κινούνταν με ατμό, για να είναι δυνατή η επαρκής τροφοδοσία του θαλάμου καύσης με καύσιμο. Στις αρχές του 20ού αιώνα οι μηχανικοί τροφοδότες αποτελούσαν στάνταρ εξοπλισμό στις ατμάμαξες των ΗΠΑ, της Αυστραλίας και της Νότιας Αφρικής.

Φωτισμός

Όταν οι συρμοί άρχισαν να διανύουν μεγαλύτερες αποστάσεις, οι εταιρίες σιδηροδρόμων εφοδίασαν τις ατμάμαξες με φώτα, ώστε ο οδηγός να μπορεί να βλέπει αν υπάρχουν εμπόδια στη γραμμή αλλά και για να γίνεται αντιληπτή η ατμάμαξα όπου πλησίαζε. Τα φωτιστικά σώματα στην αρχή ήταν λάμπες ασετυλίνης, τα οποία αργότερα (γύρω στο 1880) αντικαταστάθηκαν από λαμπτήρες τόξου που λειτουργούσαν με ηλεκτρικό ρεύμα. Για το σκοπό αυτό υπήρχε μια μικρή ηλεκτρογεννήτρια που έπαιρνε κίνηση από τον ατμό της μηχανής και βρισκόταν κοντά στην καμπίνα στο επάνω μέρος του λέβητα. Ορισμένα φωτιστικά σώματα ήταν ιδιαίτερα ισχυρά. Η εγκατάσταση αυτών των φωτιστικών σωμάτων δεν υιοθετήθηκε από τη Βρετανία, καθώς θεωρήθηκε (μάλλον ορθά) ότι η χρήση τους θα εμπόδιζε τον οδηγό να δει τις ασθενείς φωτεινές ενδείξεις των σημαφόρων (semaphores) που λειτουργούσαν με λαμπτήρες ασετυλίνης. Θεωρήθηκε, επίσης, ότι η απόσταση πέδησης ενός συρμού ήταν πολύ μεγαλύτερη από την απόσταση που κάλυπτε το φωτιστικό σώμα, ενώ οι γραμμές είχαν πλήρη σηματοδότηση και ήταν περιφραγμένες σε όλο τους το μήκος, εμποδίζοντας έτσι την πρόσβαση τόσο σε ζώα όσο και σε ανθρώπους. Τα μόνα φώτα που έφεραν οι ατμάμαξες ήταν μικρές λάμπες πετρελαίου, οι οποίες καταδείκνυαν την κλάση τους.

Ηχητικά όργανα

Προκειμένου να ειδοποιεί τους πεζούς όταν βρισκόταν σε αστικές περιοχές η ατμάμαξα έπρεπε να διαθέτει μια ηχητική συσκευή, παρά το γεγονός ότι η ατμάμαξα κατά τη λειτουργία της κάθε άλλο παρά αθόρυβη μπορούσε να χαρακτηριστεί. Ήδη από το 1835 θεσπίστηκε στην Πολιτεία της Μασαχουσέτης νόμος που υποχρέωνε όλες τις ατμάμαξες να έχουν μια συσκευή ηχητικής προειδοποίησης. Για το σκοπό αυτό εγκαταστάθηκαν μικρές καμπάνες (αγγλ. bells) στο άνω μέρος του λέβητα, που ενεργοποιούνταν με συρματόσχοινο από τον οδηγό. Η ένταση του ήχου που δημιουργούσαν οι καμπάνες ήταν επαρκής για μικρές αποστάσεις, δεν ήταν όμως καθόλου επαρκής σε περιστάσεις όπως πνοή ισχυρών ανέμων, διέλευση πλησίον δρόμων με πυκνή κυκλοφορία οχημάτων (μηχανοκίνητων ή ιπποκίνητων) την παρεμβολή φυσικών εμποδίων κτλ. Ως ηχητική σήμανση τοποθετήθηκε επιπλέον μια "σφυρίχτρα" (αγγλ. whistle) η οποία λειτουργούσε με τη διαφυγή μικρής ποσότητας ατμού και παρήγαγε ένα συριστικό ήχο, διακριτό από αρκετά μεγάλες αποστάσεις.<

Καύσιμο και νερό

Οι ατμάμαξες σχετικά μικρών αποστάσεων μεταφέρουν το (στερεό) καύσιμο σε μια ειδική υποδοχή στο πίσω μέρος της καμπίνας, η οποία αποκαλείται "bunker" και το απαιτούμενο νερό σε ειδικές υδατοδεξαμενές στο πλάι ή επάνω από τον λέβητα. Οι ατμάμαξες αυτές αποκαλούνται "tank engines". 
Αντίθετα, οι ατμάμαξες μεγάλων αποστάσεων, που απαιτούν μεγάλους χρόνους ανάμεσα σε διαδοχικούς ανεφοδιασμούς, χρησιμοποιούν την εφοδιοφόρο (tender), ένα μικρό ειδικό βαγόνι στο οποίο αποθηκεύεται τόσο η καύσιμη ύλη (στο πρόσθιο τμήμα του, ώστε να υπάρχει η δυνατότητα απευθείας τροφοδοσίας του θαλάμου καύσης) όσο και το απαιτούμενο νερό.
Η καύσιμη ύλη εξαρτιόταν, κατά περιόδους, από τους διαθέσιμους πόρους σε κάθε χώρα. Στην Ευρώπη και στη Βρετανία η χρήση του γαιάνθρακα ήταν η προφανής επιλογή. Αντίθετα, στις ΗΠΑ η πλειοψηφία των ατμαμαξών χρησιμοποιούσαν ως καύσιμο το ξύλο μέχρι το 1870, οπότε η χρήση του γαιάνθρακα γενικεύτηκε. Στις ΗΠΑ η ανακάλυψη του πετρελαίου έκανε δημοφιλέστερο καύσιμο από τις αρχές του 1900 το βαρύ πετρέλαιο.
Συχνά γινόταν διάκριση καυσίμου ανάμεσα σε ατμάμαξες (ίδιου τύπου) ανάλογα με το αν αυτές προορίζονταν για έλξη επιβατηγών ή φορτηγών συρμών. Οι επιβατηγοί συρμοί είχαν προτεραιότητα απέναντι στους φορτηγούς, μολονότι η ικανότητα έλξης που απαιτείτο για τους τελευταίους τις περισσότερες φορές ήταν μεγαλύτερη. Αυτό γινόταν με κύριο γνώμονα το οικονομικό κόστος.
Σημαντικό στοιχείο της ατμάμαξας ήταν η τροφοδοσία της με νερό. Κατά μήκος μιας σιδηροδρομικής γραμμής υπήρχαν συγκεκριμένα σημεία (σημεία υδροληψίας) στα οποία σταματούσαν οι ατμάμαξες προκειμένου να πάρουν νερό. Για το σκοπό αυτό υπήρχαν ειδικές υδροδεξαμενές με κατάλληλες απολήξεις προκειμένου να γεμίσουν οι δεξαμενές της ατμάμαξας με νερό (water towers). Αργότερα εγκαταστάθηκαν στη Βρετανία, στη Γαλλία και στις ΗΠΑ ειδικές δεξαμενές (troughs), από τις οποίες μπορούσε να ανεφοδιαστεί η ατμάμαξα με νερό χωρίς να σταματήσει.

Πλήρωμα

Το σύνηθες πλήρωμα μιας ατμάμαξας περιλάμβανε τουλάχιστον δύο άτομα: Τον μηχανοδηγό (driver) και τον θερμαστή (fireman). Ο μηχανοδηγός ήταν υπεύθυνος για την εκκίνηση, την ομαλή κύλιση και το σταμάτημα της ατμάμαξας (και του συρμού), ενώ ο θερμαστής ήταν υπεύθυνος για την τροφοδοσία του θαλάμου καύσης με καύσιμη ύλη, την πίεση του ατμού και τις στάθμες νερού τόσο στο λέβητα όσο και στις υδατοδεξαμενές. Τόσο η οδήγηση όσο και σωστή τροφοδοσία της ατμάμαξας απαιτούσαν ειδικές δεξιότητες από το πλήρωμα. Στη Βρετανία οι καλύτεροι μηχανοδηγοί προορίζονταν για τις επιβατηγές αμαξοστοιχίες, ώστε να διασφαλίζεται η μεγαλύτερη δυνατή άνεση στους επιβάτες. Στον αντίποδα, οι θερμαστές ήταν οι κύρια υπεύθυνοι για την πέδηση (φρενάρισμα) των εμπορικών αμαξοστοιχιών, καθώς για μεγάλο χρονικό διάστημα τα περισσότερα φορτηγά βαγόνια δεν διέθεταν δικό τους σύστημα πέδησης και έπρεπε να υιοθετηθεί ειδική τεχνική προκειμένου η εμπορική αμαξοστοιχία να σταματήσει με ασφάλεια - ο θερμαστής εκκινούσε τη διαδικασία πέδησης αποκόπτοντας ελαφρά την παροχή ατμού, πριν αναλάβει την πέδηση ο οδηγός. Το πλήρωμα της ατμάμαξας στεγαζόταν στην "καμπίνα" (cabin), η οποία στην αρχή ήταν ανοικτή, αργότερα όμως μετατράπηκε σε κλειστή, προκειμένου να προστατεύεται το πλήρωμα από τις καιρικές συνθήκες. Σε μεγάλες διαδρομές υπήρχε πάντα διπλό πλήρωμα προκειμένου να αντικαθίσταται το αρχικό περίπου στο μέσον της διαδρομής (σε ακόμη μεγαλύτερες διαδρομές η οδήγηση γινόταν με βάρδιες). Η καμπίνα σε ορισμένες ατμάμαξες επικοινωνούσε με τον υπόλοιπο συρμό μέσω ενός "διαδρόμου", χάρη στον οποίο η αλλαγή πληρώματος μπορούσε να γίνει χωρίς να χρειαστεί να σταματήσει ο συρμός, συνηθέστερα όμως η αλλαγή αυτή γινόταν σε κάποιο σταθμό.

Συντηρητής

Ο συντηρητής ήταν υπεύθυνος για την προετοιμασία της ατμάμαξας πριν αυτή εκκινήσει. Συνήθως δεν εργαζόταν μόνος αλλά διέθετε μια μικρή ομάδα βοηθών. Αρμοδιότητά του ήταν η έναυση του καυσίμου στο θάλαμο καύσης, η λίπανση όλων των κινουμένων τμημάτων της μηχανής, η πλήρωση της αμμοδόχου με άμμο (όπου υπήρχε αμμοδόχος) και όφειλε να βεβαιώνεται ότι όλος ο εξοπλισμός που τυχόν θα χρειαζόταν από το πλήρωμα ήταν διαθέσιμος. Ήταν,επίσης, υπεύθυνος για την πλήρωση των αντίστοιχων δεξαμενών με νερό και καύσιμα και τον καθαρισμό (ή το άδειασμα) του θαλάμου καύσης όταν η ατμάμαξα έφθανε στον προορισμό της. Συνήθως αποτελούσε την αρχική ειδικότητα του πληρώματος πριν αναλάβει καθήκοντα θερμαστή ή οδηγού.

Μηχανικός

Ήταν αρμόδιος να ελέγξει αν η ατμάμαξα ήταν κατάλληλη να εκκινήσει με συρμό. Στις περισσότερες περιπτώσεις δεν συμμετείχε στο ταξίδι της, αλλά μόνον αν η προβλεπόμενη διαδρομή ήταν μεγάλη. Ήταν υπεύθυνος για την εν γένει καλή λειτουργία της ατμάμαξας, αν και ποτέ δεν την οδηγούσε. Οι αρμοδιότητές του κάλυπταν την καλή λειτουργία του λέβητα, των βαλβίδων, της βαλβίδας ρύθμισης ροής ατμού (throttle), της προειδοποιητικής σφυρίκτρας, των φρένων, των φωτιστικών σωμάτων και του μοχλού αναστροφής πορείας (όπισθεν). Αν συμμετείχε στο πλήρωμα, είχε υπό τις εντολές του τον θερμαστή.

Ατμάμαξες χωρίς θάλαμο καύσης

Οι ατμάμαξες αυτές (αγγλ. fireless) δεν διαθέτουν θάλαμο καύσης και, φυσικά, δεν έχουν ούτε καύσιμα ούτε λέβητα ούτε καπνοδόχη (συχνά η "καμινάδα" που υπάρχει σε αυτές προορίζεται μόνο για τη διαφυγή ατμού ή είναι διακοσμητική). Αντ' αυτών διαθέτουν θάλαμο αποθήκευσης συμπιεσμένου και έτοιμου προς χρήση ατμού, τον οποίο προμηθεύονται σε ειδικά σημεία εφοδιασμού (boiler plants). Οι περισσότερες ατμάμαξες αυτού του τύπου είχαν τον ατμοθάλαμο και το έμβολο τοποθετημένα κάτω από την καμπίνα οδήγησης. Η ακτίνα δράσης τέτοιων ατμαμαξών ήταν επαρκής για τους χώρους που προορίζονταν: Συνήθως χρησιμοποιήθηκαν σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις όπως βιομηχανίες χάρτου, χημικών προϊόντων, εκρηκτικών κτλ. όπου η τυχαία παρουσία ενός σπινθήρα θα μπορούσε να είναι καταστρεπτική. Ένας ακόμη πιο ειδικός τύπος αυτών των ατμαμαξών εμφανίστηκε στον υπόγειο του Λονδίνου και διέθετε ένα ειδικό συμπυκνωτή (steam condenser), αποτελούμενο από μια σειρά παχέων σωλήνων, μέσα στους οποίους ο "χρησιμοποιημένος" ατμός συμπυκνωνόταν και αποθηκευόταν σε μια δεξαμενή υπό μορφή νερού. Οι λόγοι χρήσης αυτών των ατμαμαξών σε υπόγειες στοές (τούνελ) είναι προφανείς, καθώς δεν άφηναν παρά ίχνη ατμών να διαφύγουν στο περιβάλλον, στο οποίο διακινούνταν επιβάτες. Η σχετική νομοθεσία προέβλεπε ότι "οι ατμάμαξες οφείλουν να καταναλώνουν τον καπνό που παράγουν" (locomotives have to consume their own smoke).

Αεροδυναμικές ατμάμαξες

Καθώς η τεχνολογία εξελισσόταν, οι κατασκευαστές αντιλήφθηκαν ότι μεγάλο τμήμα της ενέργειας που κατανάλωνε η ατμάμαξα δαπανούνταν για την υπερνίκηση της αντίστασης του αέρα, ιδιαίτερα σε υψηλές ταχύτητες. Ως συνέπεια άρχισαν να εμφανίζονται ατμάμαξες με ειδικά διαμορφωμένο σχήμα ώστε να εμφανίζουν μικρότερο συντελεστή αεροδυναμικής αντίστασης, ενώ ο τρόπος κατασκευής κατά βάση παρέμενε ο ίδιος. Χαρακτηριστικές ατμάμαξες αυτού του τύπου ήταν η κλάση "Castle" (αναπτύχθηκε και χρησιμοποιήθηκε από την εταιρεία "Great Western Railway") και η κλάση "Pacific" (αναπτύχθηκε και χρησιμοποιήθηκε από την εταιρεία "London and North Eastern Railway"). Ατμάμαξες αυτού του τύπου έφθασαν ταχύτητες 120 μιλίων / ώρα (195 km/h), ενώ η ατμάμαξα "Mallard" έφθασε τα 126 μίλια / ώρα (210 km/h) το 1935.

Αρθρωτές ατμάμαξες

Οι αρθρωτές ατμάμαξες (articulated locomotives) διέθεταν περισσότερες της μιας ατμομηχανές και ομάδες κινητήριων τροχών, καθεμιά από τις οποίες μπορούσε να εργάζεται ανεξάρτητα από την άλλη. Κατασκευάστηκαν για την παροχή περισσότερης ισχύος, αν και δεν ήταν ιδιαίτερα συνηθισμένες στην Ευρώπη, όσο στις ΗΠΑ. Οι ατμάμαξες αυτές είχαν ειδικές χρήσεις, π.χ. την έλξη πολλών βαγονιών σε σιδηροτροχιές με κλειστές στροφές. Στη σημειογραφία Whyte η αρθρωτή ατμάμαξα συμβολίζεται με τέσσερις αριθμούς αντί τριών, π.χ. ο συμβολισμός 4-6+6-4 δείχνει ότι η ατμάμαξα διαθέτει τέσσερις υποστηρικτικούς τροχούς, έξι κινητήριους, έξι ακόμη κινητήριους και τέσσερις ακόμη υποστηρικτικούς ενώ το σύμβολο (+) δείχνει πως κάθε ομάδα είναι τοποθετημένη σε ξεχωριστό υποπλαίσιο.