Dampflokomotive

Eine Dampflokomotive ist eine Dampfmaschine auf Rädern, die Brennstoff und Wasser mitführt und Züge auf Schienen zieht. Richard Trevithick ließ 1804 in Wales die erste fahren, und Robert Stephensons Rocket von 1829 setzte das Muster, dem die meisten späteren Lokomotiven folgten: ein Kessel voller Rauchrohre, ein Blasrohr unter dem Schornstein und Zylinder, die die Räder direkt antreiben.

Was es ist

Eine Dampflokomotive ist eine Dampfmaschine auf einem Fahrgestell mit Rädern, gebaut, um Züge auf einer Eisenbahn zu ziehen. Sie führt Kohle oder Koks und Wasser mit, verbrennt den Brennstoff in einer Feuerbüchse und verwandelt den Druck des Dampfes über Kolben und Stangen in die Drehung ihrer Treibräder. Ihre eisernen Räder laufen auf Schienen aus Eisen oder Stahl und rollen dort viel leichter als Räder auf einer Straße, sodass eine einzige Maschine viele beladene Wagen ziehen kann.

Die Tafel zeigt die Rocket, 1829 von Robert Stephenson and Company in Newcastle upon Tyne gebaut. Sie vereinte in einer Maschine einen Kessel mit vielen Rauchrohren und ein Blasrohr; beides blieb bei späteren Dampflokomotiven üblich.

Wie es funktioniert

Das Feuer brennt auf einem Rost in der Feuerbüchse am hinteren Ende. Seine heißen Gase ziehen nach vorn durch den Langkessel, in 25 kupfernen Rohren von etwa 76 mm Durchmesser, die vom Wasser umspült werden. Viele kleine Rohre bieten dem Wasser weit mehr heißes Metall als ein einziges großes Flammrohr: Bei der Rocket hatten die Rohre ein Mehrfaches der Heizfläche der Feuerbüchswände (die Angaben in den Quellen weichen ab). Über dem Wasser sammelt sich Dampf mit etwa 3,4 bar Überdruck.

Das Blasrohr stößt den Abdampf in den Schornstein und facht das Feuer bei jedem Kolbenhub an.

Vom Kessel strömt der Dampf zu den beiden Zylindern, einem auf jeder Seite. Ein Schieber lässt ihn erst hinter den Kolben und dann davor, sodass der Kolben in beide Richtungen gedrückt wird. Jede Kolbenstange bewegt eine Treibstange, die einen Kurbelzapfen im großen Vorderrad derselben Seite dreht. Das Gewicht auf diesem Räderpaar, bei der Rocket etwa 2,6 Tonnen, begrenzt zusammen mit der Haftung zwischen Rad und Schiene, wie stark die Lok ziehen kann, bevor die Räder durchrutschen.

Der Abdampf verlässt die Zylinder durch ein Rohr, das in einer Düse unter dem Schornstein endet. Jeder Stoß reißt den Rauch mit und saugt frische Luft durch das Feuer. Je stärker die Maschine arbeitet, desto kräftiger wird der Zug, was dem Kessel hilft, mit dem Dampfverbrauch der Zylinder Schritt zu halten; der Heizer muss trotzdem nachfeuern und Wasser nachspeisen.

Wie man sie baut

Der Spurkranz an der Innenkante jedes Rades hält den Radsatz zwischen den Schienen.

Lokomotiven in voller Größe entstehen in Eisenbahnwerkstätten. Kesselschmiede biegen Eisen- oder Stahlbleche, nieten sie zu Langkessel und Feuerbüchse und setzen die Rohre in die Rohrwände an beiden Enden ein. Bevor er angeheizt werden darf, wird der Kessel mit Wasser bei einem Druck über dem Betriebsdruck geprüft, den die geltenden Vorschriften festlegen, und von einem unabhängigen Sachverständigen abgenommen. Gießer gießen die Zylinder, Mechaniker bohren sie aus und setzen Kolben und Schieber ein, und die Räder erhalten heiß aufgezogene Radreifen aus Eisen. Museumsbahnen, die heute Lokomotiven aufarbeiten, unterliegen vergleichbaren Prüfungen und Abnahmen.

Ein Modell ganz ohne Dampf zeigt, wie die Räder angetrieben werden.

Rad aussägen. Aus Sperrholz eine Scheibe von etwa 20 cm Durchmesser sägen. Einen Rundstab als Achse fest in die Mitte leimen und 5 cm von der Mitte ein zweites Loch für den Kurbelzapfen bohren, in das ein kurzer Rundstab geleimt wird. Zwei aufrechte Klötze auf ein Grundbrett schrauben und so durchbohren, dass die Achse mit Spiel darin liegt und sich das Rad frei dazwischen dreht.

Zylinder bauen. Ein etwa 15 cm langes Papp- oder Kunststoffrohr auf einen Holzklotz leimen, der neben dem Rad auf das Grundbrett geschraubt ist, sodass das Rohr in der Ebene des Rades liegt und seine Achse in Höhe der Radachse auf deren Mitte zeigt. Ein Rundstab, der darin leicht gleitet, ist die Kolbenstange.

Verbinden. Eine dünne Holzleiste von etwa 25 cm als Treibstange zuschneiden. Ein Ende passend zum Kurbelzapfen bohren, das andere mit einem kleinen Nagel drehbar am Ende der Kolbenstange befestigen. Prüfen, dass sich das Rad ganz herumdrehen lässt, ohne dass die Stange an das Rohr stößt.

Bewegen. Die Kolbenstange hin- und herschieben: Das Rad dreht sich einmal für je 10 cm vor und 10 cm zurück. Dabei zeigen sich die beiden Totpunkte, an denen Kurbelzapfen, Achse und Ende der Kolbenstange in einer Linie liegen und Schieben nichts bewirkt. Bei echten Lokomotiven mit zwei Zylindern sind die Kurbeln beider Seiten um eine Vierteldrehung versetzt, sodass immer eine außerhalb ihres Totpunkts steht.

Sicherheit. Niemals Wasser in einem geschlossenen Gefäß erhitzen oder einen Kessel selbst bauen: Dampf unter Druck kann ein Gefäß zerreißen und schwere Verbrühungen verursachen. Echtdampfmodelle nur aus handelsüblichen Bausätzen mit geprüften Kesseln und funktionierenden Sicherheitsventilen betreiben, unter Aufsicht eines Erwachsenen. Die Finger von der Kurbel fernhalten, wenn sich das Rad dreht.

Geschichte und Entwicklung

Auf der Pferdebahn von Penydarren führten kurze, auf Steinblöcke genagelte Gussplatten Räder ohne Spurkranz; unter dem Gewicht der Lokomotive brachen sie.

Richard Trevithick, ein Ingenieur aus Cornwall, baute für das Eisenwerk Penydarren in Merthyr Tydfil die erste Lokomotive, die auf Schienen fuhr. Am 21. Februar 1804 zog sie zehn britische Tonnen Eisen, etwa 10 t, in fünf Wagen, auf denen siebzig Männer mitfuhren, über die Pferdebahn zum Kanal bei Abercynon, rund 14 km, nach seinem eigenen Bericht mit fast 8 km/h. Auf der Rückfahrt brach ein Bolzen, der Kessel wurde undicht, und die Maschine kam erst am nächsten Tag zurück. Sie war zu schwer für die gusseisernen Platten der Strecke, die unter ihr brachen, und endete als ortsfeste Maschine, die einen Schmiedehammer antrieb.

Im Oktober 1829 veranstaltete die Liverpool and Manchester Railway in Rainhill Vergleichsprüfungen, um ihre Lokomotiven auszuwählen. Fünf Maschinen traten an, nur die Rocket bestand alle Prüfungen. Ihre Prüfläufe ergaben je nach Berechnung Durchschnitte von 19 bis 23 km/h; ohne Last erreichte sie etwa 48 km/h. Sie gewann den Preis von 500 Pfund sowie den Auftrag für die Lokomotiven der Strecke. Bei der Eröffnung der Bahn 1830 erfasste die Rocket den Abgeordneten William Huskisson, der an seinen Verletzungen starb. Binnen achtzehn Monaten wurde sie stark umgebaut, nach weniger als zehn Jahren abgestellt. Ihre Reste kamen 1862 in das Londoner Patent Office Museum und gehören heute zur Sammlung der Science Museum Group.

Spätere Lokomotiven wurden viel größer, mit mehr gekuppelten Rädern, die das Gewicht trugen und schwere Züge zogen, und mit höherem Druck. Am 3. Juli 1938 erreichte die Mallard der London and North Eastern Railway auf einem Gefälle südlich von Grantham 203 km/h, bis heute der Rekord für Dampftraktion. Sie wurde 1963 ausgemustert, als Diesel- und Elektroloks den Betrieb übernahmen.