Norsk damplokomotivteknologi

Norsk damplokomotivteknologi omfatter hvordan en i utgangspunktet internasjonal teknologi har blitt tatt i bruk i Norge. Damplokomotiver er de offentlige jernbanenes første framdriftsmidler, og kom til å prege jernbanedrift verden over i ca 150 år. Et damplokomotiv er en varmekraftmaskin og benytter således velkjent teknologi som også ble anvendt ved stasjonære dampmaskiner og dampmaskiner til sjøs. Anvendelsen av dampmaskin på et lokomotiv bød imidlertid på sin egne problemstillinger som stasjonære maskiner og skipsmaskiner ikke hadde, nemlig en streng begrensing i omfang og vekt, avhengig av den infrastrukturen lokomotivene skulle brukes på. For en stor del var damplokteknologi en internasjonal teknologi, men fordi lokale forhold også spilte inn på hva slags lokomotiver man trengte – eller hadde råd til, er damplokomotivhistorien verden over tett knyttet til de aktuelle baneselskapene lokomotivene ble benyttet hos. Denne artikkelen omhandler derfor damplokomotivteknologien slik den ble anvendt ved norske jernbaneselskaper (i hovedsak NSB), og som fortsatt videreføres ved de museumsbanene i landet som fortsatt holder denne teknologien levende ved sine kjørbare damplokomotiver.

Tanklok og tenderlok

Damplokomotiver bygges som tanklokomotiver eller tenderlokomotiver. Et tanklokomotiv har vanntanker og kullbeholdning på selve lokomotivet («maskinen»), mens et tenderlokomotiv har vann og kull på en egen vogn som er koblet tett inntil maskinen. Denne vognen med vann og kull kalles tender.

Maskinanordning og dampkvalitet

Et lokomotiv angis ofte med å angi dampens beskaffenhet og hvordan brukes i selve maskineriet (stemplene).
Dampen kan være såkalt «våt» eller «overhetet». Er den våt, er den mettet med vannpartikler og temperaturen når sjelden opp i mer enn 200 °C. Er den overhetet, varmer man opp mettet damp en gang til, slik at den blir tørr og når en temperatur på 300–400 °C.
Det vanligste er at dampen sendes til maskineriet opptil fullt damptrykk fra kjelen. Dampen brukes da én gang i sylinderne, før det slippes ut i det fri. Slike lokomotiver kalles høyttykkere, eller man kan angi antall sylindre som tvilling (to like sylindre) eller firling (fire like sylindre).
Man kan også anvende dampen to ganger i sylinderne, og da må loket utstyres med en liten høyttrykksylinder og en stor lavtrykksylinder. Slike lokomotiver kalles compoundlokomotiver. De kan være 2-sylindrede eller 4-sylindrene.

Akselanordning

En mye benyttet måte å si noe om et lokomotiv på, er å angi hva slags aksler loket er utstyrt med, siden et damplok ofte har aksler som ikke er koblet til maskineriet. Det er utarbeidet flere systemer for dette. NSB har fulgt et system som kalles . Systemet angir antall aksler loket har, og starter forfra og teller opp antall aksler i hver gruppe. Ikke-drivende aksler, såkalte løpeaksler, angis med siffer. Er akselen(e) svingbare eller dreibare i forhold til lokets ramme, angis det ved en apostrof bak tallet. Drivende aksler, det vil si for damplok de som er koblet til sylinderne ved hjelp av veivstang og koblestenger, angis med stor bokstav slik at A er 1 aksel, B er 2 aksler og så videre I nyere tid er det blitt vanlig å angis antall aksler i tenderen også, og da med tall siden de er ikke-drivende. Siden tenderen er en egen vogn, plasseres det en bindstrek mellom maskinens aksler og tenderens aksler. En bindstrek i UIC-systemet angir skille mellom to rammer.
Akselrekkefølgen på de to loktypene på bildene er hhv C og 1'C-3.

Kjelen

Kjeltypen som har vært anvendt på norske damplokomotiver kalles røykrørskjele. Det betyr at vannet varmes opp ved at det føres en rekke rør gjennom vannet, og i de rørene går det varm røyk fra ildstedet.
Kjelen består av tre hoveddeler, regnet fra førerhuset og framover: fyrkassen (ildstedet), rundkjelen (selve kjelen med røykrør gjennom), røykskapet (der røyken ender og sendes ut gjennom skorsteinen).
Skissen nedenfor viser hovedprinsippet for en lokomotivkjele med overheting. Fyrkassen er helt til venstre (rød-oransje farge antyder høy varme). Rundkjelen er i midten der vannet (blått og lilla) er gjennomboret av røykrørene. Røykskapet helt til høyre har gul farge for å antyde at varmen på røykgassene fra fyrkassene har avtatt på vei fram dit. Grønnfargen viser hvor dampen er, nemlig først som mettet vanndamp umiddelbart over vannspeilet inne i kjelen. Den lysere grønnfargen antyder såkalt overheting av dampen, som tegningen viser skjer ved å føre dampen i rør inne i røykrørene igjen, for så å føres ut av kjelen gjennom røykskapet ned til maskineriet. Virkningsmåten for en dampkjel er enkelt. Man koker vann, men sørger for at dette skjer i en helt lukket beholder. Ettersom det produseres mer og mer damp, og den ikke slipper ut, vil også trykket på vanndampen øke. Når trykket er tilstrekkelig høyt, typisk 12 ganger vanlig lufttrykk, kan den slippes kontrollert ut gjennom rør til maskineriet som så bruker trykket på dampen til å drive stemplene i sylindrene.
Måten dampen produseres på er viktig, og man skjelner derfor mellom våtdamplokomotiver og overheterlokomotiver.

Våtdampkjel

Lokomotivkjeler ble bygget i hovedsak i to varianter. Den enkleste og eldste typen kalles våtdampkjel, og består av ett sett med røykrør, og dampen tas ut på toppen av kjelen og slippes via regulatoren direkte til sylindernes sleider. Denne dampen er mettet med vannpartikler og avgir en del vann når den avkjøles på vei fra kjelen og fram til sylinderne. Dermed mister den også litt av energien.

Overheterkjel

En bedre metode er det dersom dampen varmes opp en gang til for å gjøre den mindre mettet. Dette skjer i en overheterkjel, slik skissen viser. Dampen føres inn på nytt til varmen via en rekke mindre overheterrør som ligger inne i noen forstørrede røykkrør, og først deretter via regulatoren til sylinderne. Ved å varme opp dampen til et ekstra nivå til 300° – 400° C, oppnår man en tørrere damp som tåler et større trykktap uten at dampen kondenseres.
Norge fikk sitt første overheterlok i 1909 (21b nr. 208). Overheting regnes som en av de viktigste tekniske forbedringene med damplokteknologien etter Stephensons «Rocket» fra 1829.

Maskineriet

Maskineriet består av sylindre med stempler, sleider, sleidstyring og veiver.

Sylindre

Det er i sylindrene at dampen fra kjelen ekspanderer og omsetter dampens energi til bevegelsesenergi. Damptrykket presser på stempelet i en sylinder og får det til å bevege når trykket er høyt nok i forhold til den motstand stempelet yter.
I Norge har damplokene hatt to eller fire sylindre. To-sylindrede lokomotiver er enklere i konstruksjonen og vedlikehold, mens man med fire sylindre kan øke lokomotivets ytelse ved at det er dobbelt så mange kraftkilder, samt at det er letter å utbalansere alle de bevegelige massene ved fire sylindre enn to. Det er en fordel dersom loket skal brukes under høy fart. Et tre-sylindret lokomotiv har også disse gode utbalanseringsegenskapene, men har ikke vært anvendt i Norge. Begge de to damplokomotivtype i verden som har sikker hastighetsregistrering på over 200 km/t, LNER A4 og DRG BR 05, er konstruert med tre sylindre.
Dampen kan ekspandere i sylinderne på to måter. Enten slippes dampen til i begge sylinderne samtidig, og da kalles lokomotivet for en «høyttrykker», eller den slippes først inn i en høyttrykksylinder, for deretter å slippes videre til en mye større lavtrykksylinder som kan nyttiggjøre seg av dampens resttrykk etter å ha flyttet på stempelet i høyttrykksylinderen. I siste tilfellet kalles lokomotivet en «compounder» eller «kompundlokomotiv». Compoundere er noe mer drivstofføkonomisk ved at den utnytter energien som ligger i dampens trykk enda mer enn høyttrykkere.

Ramme

Rammen er lokomotivets bærekonstruksjon. Hjulene er lagret i rammen. Maskineriet er festet til rammen, og det samme er buffer- og trekkanordningen. Oppå rammen hviler kjelen, førerhuset og tanker for vann og kull. Ved tenderlok er vann- og kulltankene utskilt som egen vogn med sin egen ramme.
I Norge har man benyttet to typer rammer, platerammer og barrerammer. Platerammer var det meste vanlige, med en platetykkelse på 25-30 mm. Barrerammene ble satt sammen av stålbarrer med et tverrsnitt på ca 75×100 mm. Barrerammer ble bare brukt på noen amerikanskbygde lokomotiver og noen av de tyske krigslokene av type 63.
På norske damplok har man utelukkende benyttet innvendige rammer. Det vil si at hjulene ligger utenpå rammen. Tendere uten boggier har som oftest utvendige rammer. Enten det brukes utvendige eller innvendige rammer har rammen utsparinger for akselkassene som bærer hjulene. Ved platerammer ble det av og til også laget ekstra utsparinger i rammene, dels for å spare vekt, dels for å gjøre ting inni rammen lettere tilgjengelig.
De to langsgående rammevangene er satt sammen ved hjelp av en rekke tverrforbindelser. Den forreste av disse er bufferbjelken der bufferene og dragkroken er. Den viktigste tverrforbindelse utgjøres av partiet som blir en del av rammen. Her utsettes rammen for de største kreftene og ble derfor utført særlig kraftig.

Hjul

Damplokomotiver har tre typer hjul, drivhjul, koplehjul og løpehjul.
Drivhjulene er de hjulene som er forbundet direkte med maskineriets sylindre ved hjelp av veivstenger.
Koplehjulene er også med på å drive lokomotivet framover, men det skjer via koplestenger som forbinder koplehjulene til drivhjulene. Noen ganger ser man at man også bruker betegnelsen drivhjul på koplehjulene siden drivhjulene og koplehjulene til sammen bidrar til lokomotivets framdrift.
Løpehjul er alle andre hjul. De brukes dels til å avlaste lokomotivets vekt slik at vekten på hver aksel holder seg innenfor det ønskede. Dels brukes løpehjul til å føre lokomotivet bedre gjennom kurver. De fleste løpehjul er derfor svingbare eller sideforskyvbare i forhold til lokomotivets ramme. Dersom lokomotivet har tender, har de også funkjsonelt sett løpehjul, men disse betegnes tenderhjul.
Det øverste bildet i dette avsnittet viser driv- og koplehjul på et damplokomotiv av type 26c etter at koplestenger og veistang er demontert. Tappene for disse stengene synes godt, og i den andre enden av hjulet er det motvekter som balanserer ut vekten av koplestengene og tappene. Det tredje hjulet fra venstre er drivhjulet, og det har en lengre tapp, siden den skal ha plass til både koplestenger for å forbindes med de to hjulene bakenfor og det ene i framkant, og veistangen som står ytterst. Motvekten har her en forskutt plassering. Det skyldes at dette er et firesylindret lokomotiv som har to veistenger også på innsiden av rammen som står i en annen vinkel enn de utvendige veivene. Det er summen av disse kreftene som motvekten skal utbalansere og som da bestemmer plasseringen av motvekten.

Hjelpeinnretninger

De første norske damplokomotivene hadde bare det mest nødvendige av hjelpeinnretninger: smøreapparater, mateapparater og bremser.
Smøreapparatene sørger for at alle bevegelige deler får tilstrekkelig med smøring for at bevegelsene skal skje så friksjonsfritt som mulig. Den enkleste formen er en smørekopp som står rett over smørepunktet, slik at smøremiddelet via en veke kan trekkes ned til flaten som skal smøres. Siden smørekoppene leverer smøring hele tiden, gikk man etterhvert over til mer kontrollert smøring. Lubrikatorer, smørepresser og smørepumper er slike innretninger som presser smøremiddelet fram når maskinen er i drift, men ellers er avstengt. Dette muliggjorde også at påfyllingen av smøringen skjedde sentralt på maskinene, framfor på alle enkelte smørestedene. Et damplokomotiv har en rekke smøresteder. Alle hjulakslene skal smøres, men også i alle ledd i drivverket. Smørestedene på det høyst bevegelige drivverket lar seg ikke smøre ved hjelp av sentralsmøring, så disse smørepunktene måtte stadig etterses at hadde nok smøring i koppene.
Mateapparatene sørger for at kjelen alltid har nok vann. Mateapparatene tar vann fra lokomotivets eller tenderens vanntank og presser det inn på kjelen. Uten en slik påfylling av vann i tide, vil røykrørene inne i kjelen etterhvert miste vannet rundt seg. Da vil temperaturen i rørene øke og til slutt revne, med kjeleksplosjon som resultat. Fungerende mateapparater er derfor svært viktig for et damplokomotiv. De første mateapparatene var pumper som ble drevet via et eksenter fra hjulene. Loket måtte altså bevege seg for å få etterfylt vann på kjelen. Dermed kunne ikke stillestående lokomotiver få etterfylt vann. Pumper ble derfor etterhvert erstattet av såkalte injektorer, som er et apparat som ved hjelp av damp dels varmer opp vannet, dels gir det så stort trykk at det klarer å komme inn på en dampkjele under trykk. Injektorene ble laget som friskdampinjektorer og senere også eksosdampinjektorer som benyttet seg av avløpsdampen. Det siste er mer økonomisk i og med at damp som kunne vært brukt til framdrift ikke brukes til mateprosessen, men at man bruker avløpsdamp (eksos) som har mistet sin nytteverdi til framdrift, til dette formålet. I senere tid ble norske damplok gjerne utstyrt med en friskdampinjektor og en eksosdampinjektor.
De første lokomotivene hadde bare håndbremser. Bremseklosser ble presset inn på hjulbanen, gjerne ved hjelp av en skrueinnretning for å sikre tilstrekkelig trykk. På tenderlok var det gjerne bare tenderhjulene som var bremset på de eldste lokene. Etterhvert kom dampbremser i bruk. Her var det en dampsylinder som presset på bremseklossene. Etter hvert som vognene luftbremser, ble gjerne lokomotivene utstyrt med samme type luftbremser, siden luften til togets bremser ble produsert på lokomotivet. Av luftbremser har man benyttet to typer i Norge, vakuumbremser (på normalt spor mellom ca 1880 og 1945) og trykkluftbremser (på smalt spor allerede fra ca 1895, og på normalt spor fra ca 1935). En ny bremsetype avløste ikke nødvendigvis en eldre bremsetype, men kom i tillegg. Unntaket er at trykkluftbremsen erstattet vakuumbremsen, bortsett fra at de fleste lokomotiver i en overgangsfase 1935–1945 ble utstyrt med begge deler for å kunne trekke togstammer med både vakuum- eller trykkluftbremser.
Andre hjelpeinnretninger er sandstrøapparat for å øke friksjonen ved igangsetting og nødbremsing, ulike lysmaskiner for belysningen av loket og for frontlyktene, ulike manometre for å måle trykk på gasser, og hastighetsmåler.

Førerhus, tanker og tender

De første damplokomotivene i Norge gav ikke større beskyttelser for personalet enn en liten vindskjerm. Vindskjermen ble etterhvert utviklet til et helt rom med tre vegger og tak. Bak var det ingen vegg, for fyrbøteren skulle nå til kullene på tenderen. Etterhvert ble tenderen utstyrt med en vinskjerm, som var nyttig når lokomotivet kjørte baklengs med tenderen først. I en mellomperiode forsøkte man å tette førerhusets åpninger med seilduk. Helt innebygde førerhus kom med de første hurtigtogslokomotivene for Bergensbanens høyfjell, NSB type 26a i 1910. Litt senere, med type 30, kom en traktanordning mellom tenderens kullkasse og førerhuset, slik at avskjermingen mot vær og vind ble enda mer effektiv. Arbeidsmiljøet på norske damplok i mellomkrigstiden ble etter forholdene ganske bra, og konstruksjonen med helt innebygget førerhus ble av tyskerne kalt for «Norwegen-Hütte», en konstruksjon tyskerne selv tok med seg ved byggingen av den store tyske serien med Kriegslokomotiven BR52 fra andre verdenskrig.