蒸汽機車的汽門運作 Steam locomotive valve operation
本文取材自 世界的蒸汽火車 交通科學技術博物館 數位資料庫
本文沿續自 Steam locomotive valve gear
蒸汽火車最引人入勝的地方，在於它複雜的「連桿」，奧妙韻律的舞動，對大部份的人而言覺得有趣，但是原理深不可測。其實，蒸汽火車的傳動機構沒有想像中複雜，要將蒸汽推動的活塞運動，轉變成圓周運動，只要在適當地將推動連桿“往後推”或“往前拉”，車輪就會不停地前進或後退，而且沒有停頓的死點。蒸汽火車就會不停的運轉。
Steam locomotive wheels, valve & engine animation. Walschaerts valve gear
蒸汽火車的運作，是由蒸汽推動活塞，活塞驅動連桿（Connecting Rod）帶動車輪。基本上每一次行程（ Stroke），可以分成引氣（ Lead）、關閉（ Cut off）、全蓋（ Closure）和排氣（ Exhaust lap）四個階段，每轉動一圈汽缸，左右各進氣排氣做功一次，從0到180度向後推，從180度到360度向前拉。不過，由於0度和180度連桿推到了「死點」，也就是完全沒有推力，所以蒸汽火車左右機構相差90度，當左側cos90度和cos270度推到死點時，右側恰好是sin90度和sin270度力氣達到最大，如此左右不停地交替出力，火車才能不停地前進。
上圖以最常見的Walschaerts valve gear 為例，當蒸汽慢慢地進入汽缸左側，開始引氣（lead），隨著汽門的前進，汽門全開使蒸汽全力推動活塞。汽缸右側的餘氣迅速地排出，活塞獲得推力向右推動。 當活塞驅動連桿，汽門隨之後退，關閉（cut off）蒸汽進氣口，亦隨後將排氣口關閉。此時汽缸完全依靠方才送入的蒸汽壓縮的膨脹力，稱為全蓋（Closure），連桿向右推到底。當連桿來到270度位置，後退的汽門使進氣方向改由“右側“進入汽缸，左側壓縮的蒸氣由於排氣門的開放（Exhaust Lap），餘氣立即排出，活塞運動的方向將向左推動。一切的循環，又回到0度原點，周而復始。
https://www.youtube.com/watch?v=8yRVMnPJmdQ
原來，蒸汽火車就是這樣動起來的!
- 不過以上是以兩缸型蒸汽火車為範例，多缸型蒸汽火車請參閱下一篇 3-4 cylinder steam locomotive
參考文獻 建議典藏 拙作 台灣蒸汽火車百科 (數位繪圖 張毓軒)
