Vývoj dopravních prostředků, od nejstarších dob dopravujících náklady jakoukoli silou, ať lidskou, zvířecí nebo strojovou, vystupňoval nejen jejich způsobilost a výkonnost co do rychlosti a spolehlivosti, ale velmi značně přispěl též k opanování tak rozsáhlého pole, že si toho nikdo dříve nemohl prostě ani představiti.
Již staří národové zřizovali si pro dopravu kolejová zařízení kamenná ve způsobu dvou vydlabaných souběžných žlábků, snad prvý krok to ke vzniku nynější železnice. Později se používalo dřevěných trámců, jejichž oježdění bránilo se okováním. Koncem XVIII. století rozšiřují se kolejnice lité na dřevěných pražcích ve tvaru _|, aby kola vozu nemohla sběhnouti stranou. Současně zavedeny obruče na kolech s vystupujícím okolkem na vnitřní straně, aby kola nevyběhla s kolejí. Postupem doby nahrazuje se litina kujným železem a konečně na počátku předešlého století zavedením válených kolejnic z kujného železa učiněny byly další kroky, aby mohly kolejnice bezpečně nositi vozidla. Na takových drahách jezdily jen vozíky, poháněné ručně nebo tažené koňmi a sloužily jen potřebě horních závodů nebo továrních podniků.
Je zajímavo, že v této době vyskytují se již návrhy na zřizování železných drah, pro veřejnou dopravu. Jeden z prvních a pro nás zvláště pozoruhodných je návrh na zřízení dráhy, která by spojovala Vltavu a Dunaj; vypracoval jej r. 1807 František Josef ryt. Gerstner. Myšlenka spojiti obě řeky byla vyslovena již v době Karla IV. a byla hospodářsky odůvodněna dovozem soli do Čech ze Solné komory a výměnou zboží mezi Čechami a Rakousy. Myšlenka tato uskutečněna byla teprve r. 1825 zřízením koňské železnice pro veřejnou dopravu, která byla nejen první v našich zemích, nýbrž první na evropském kontinentě vůbec.
Že se páry bud používati k pohonu vozidel, předpověděl již anglický astronom Newton (1642-1727) a sám provedl pokus, umístiv na voze parní kotel, opatřený vzadu trubkou pro výfuk páry. Reakční silou vyfukující páry se uváděl vůz do pohybu.
První, kdo sestrojil parní vůz schopný jízdy po obyčejných cestách, byl francouzský důstojník Nicolas Joseph Cugnot (1725-1824). Jeho vůz, který měl dopravovati děla, se však při pokusné jízdě převrátil a další pokusy byly pak zakázány. I u nás mechanik stavovského technického učiliště Josef Božek sestrojil parovůz, ale pro nedostatek technické podpory neměl jeho vynález praktického významu.
Zrození parní lokomotivy spadá do prvního čtvrtstoletí XIX. století. První lokomotiva tohoto druhu, která nahradila koňské potahy, postavena byla Angličanem Trevithickem r. 1803. Když dostal patent na parní stroj o tlaku 3 atmosfér, umístil svůj stroj na vozík, pojíždějící po železné dráze, a chtěl jím táhnouti několik vozů. Vyfukující páru zavedl do komína, čímž zvětšil tah v kotli. Ve vynálezu použil již jednoho ze základních principů lokomotivy. Síla přenášela se ojnicí parního stroje na kliku hřídele, který byl opatřen setrvačníkem, od hřídele pak ozubenými čelnými koly na dvě nápravy lokomotivy. Kola byla hladká a pohybovala se po hladkých kolejích. Byla to, podobně jako dnešní lokomotivy, lokomotiva adhesní. Byla však příliš těžká, takže se lámaly v této době ještě krátké kolejnice a od jejího používání bylo upuštěno. I další jeho lokomotivy potkal podobný osud, neboť poškozovaly kolejnice; byly tedy po krátkém používání demontovány a parní provoz opět nahrazen koňmi.
I ostatní konstrukce parních lokomotiv z té doby, třebaže mnohde ukazovaly důvtip vynálezcův, staly se brzy pro provoz neschopnými. Z nich pro zajímavost uvádíme pouze lokomotivu Blenkinsopovu s ozubeným hnacím kolem, uloženým na lokomotivě a poháněným parním strojem se dvěma svislými válci. Ozubené kolo zasahovalo do ozubené kolejnice. Blenkinsopův princip ozubených kolejnic značí krok nazpět, neboť hladká kola u lokomotivy Trevithickovy a hladké kolejnice ukázaly, že tření kol postačí úplně. Blenkinsop otočil kliky hřídelů proti sobě o 90o, takže stroj se mohl rozjeti v každé poloze. Tohoto principu používá se do dnešního dne u dvojčitých lokomotiv.
Rovněž i návrh bratří Chapmanů je zajímavý tím, že oheň v topeništi lokomotivy byl rozdmycháván zvláštním ventilátorem. Chapman se zmiňuje i o dvounápravových podvozcích, ale na své lokomotivě jich ještě nepoužil k usnadnění běhu lokomotivy v obloucích. Sledy těchto myšlenek vidíme v pozdějších konstrukcích a teprve v dalším vývoji lokomotivy nabývá podvozek nového významu, jako zařízení, usnadňující projíždění lokomotivy v traťových obloucích.
Významnější než všechny uvedené konstrukce byly kuriosní pokusy Hedleyovy, jejichž účelem bylo zjistiti, zda tření mezi hladkými koly stačí pro pohyb delších vlaků. Po různých pokusech vystavěl Hedley adhesní lokomotivu, jejíž kotel byl po prvé z kujného železa, tedy nikoli jako až dosud z litiny.
Vyvrcholením je v této době významný den, který jest význačným mezníkem technického pokroku a má historickou důležitost v dějinách parní železnice. Je to den 27. září 1825, kdy byla slavnostně zahájena jízda na první parní železnici v Anglii mezi městy Stockton-Darlington a odevzdána veřejné dopravě. Zde použito bylo parní lokomotivy, postavené mužem, který má o další rozvoj lokomotivy velké zásluhy a je právem nazýván otcem lokomotivy. Je to Jiří Stephenson (1781-1848).
Georg Stephenson, přední tvůrce lokomotivy, narodil se 9. června 1781 ve Wylam na Tynu v Anglii jako syn důlního topiče. Život jeho byl pestrý. V mládí žil v trudných poměrech a jako pasák dobytka vypomáhal rodičům vydělávati těžký chléb. V 15 letech stal se jako jeho otec topičem, čímž se jeho postavení podstatně zlepšilo. V 17 letech pak ustanoven byl dozorcem u téhož stroje, u kterého jeho otec topil. Sebevzděláním a pilnou prací ve večerní škole naučil se čísti a psáti. Současně obíral se počtářstvím, ve kterém činil přímo zázračné pokroky, a tak záhy svým nadáním dohonil vše, co zameškal.
Již tehdy projevoval se u něho velký zájem o strojírenství. S velkým zájmem sledoval konstrukci lokomotivy Hedleyovy. U svých představených vzbudil pozornost různými důmyslnými pracemi na strojích jemu svěřených, takže byl povýšen na strojmistra. Zdařila se mu některá zdokonalení čerpacích strojů na dolech. Jeho zaměstnavatel lord Ravensworth jmenoval ho po těchto úspěších ředitelem uhelných dolů u Darlingtonu v Anglii a poskytl mu zároveň prostředky k uskutečnění jeho snah.
Stephenson se s chutí dal do práce. Zabýval se i myšlenkou sestrojiti parní lokomotivu, jež by předčila dosavadní pokusy nejzdatnějších inženýrů. Roku 1814 sestrojil první svou vlastní lokomotivu, zvanou „La Blucher“, jejíž konstrukce se podobala lokomotivě Blenkinsopově. Proti dosavadním pokusům znamenala již velký pokrok, neboť využitkoval unikající páry k urychlení spalování v ohništi. Příštího roku sestrojil druhou lokomotivu, u které hnací nápravy s klikami o 90o pootočenými spojeny byly řetězem bez konce. Do roku 1821 vystavěl Stephenson ještě 5 podobných lokomotiv a do roku 1825 šestnáct. Žádná z těchto konstrukcí však nenalezla praktického upotřebení.
V r. 1823 počala se v Anglii stavba první veřejné železné dráhy Stockon-Darlington. Řízení tohoto podniku zúčastnil se Stephenson a založil hned příštím rokem první továrnu na lokomotivy v Newcastlu, kterou pak vedl jeho syn Robert.
Konečně dochází dne 27. září 1825 k otevření dráhy Stockton-Darlingtonn Při jejím otevření použito bylo poprvé lokomotivy Stephensonovy, zvané „Locomotion1“. Dráha tato používala k pohonu jak koní, tak i lokomotiv. Otázka pohonu byla však předmětem těžkých zápasů, neboť ani vážní technikové v tehdejší době nevyjadřovali se o vyhlídkách parní lokomotivy příznivě.
Stephenson však se nevzdal a hájil neustále význam parních lokomotiv a snažil se všemožně o další jejich zdokonalení. Podnět k pronikavému jejímu zlepšení přišel mu v té době z Francie. Vynález nového typu stabilního kotle jedním z podnikatelů první francouzské železnice Lyon-St. Étienne, Marcem Séguinem, nemálo přispěl k dalšímu rozvoji lokomotivy. Stephenson dodal pro tuto dráhu dvě svoje lokomotivy s plaméncovým kotlem, které současně byly prvními lokomotivami ve Francii vůbec. Séguin zlepšil tyto lokomotivy vynálezem trubkového kotle a zvýšil současně tah použitím ventilátoru. Další zlepšení bylo ještě zavedení vyfukující páry do dmychavky v komíně.
K veřejnému úspěchu dopomohla mu v r. 1825 vypsaná soutěž lokomotiv pro druhou dráhu Manchester-Liverpool, jejíž dokončení se blížilo ke konci. Podmínky soutěže byly na tehdejší poměry velmi přísné. (Tlak páry 3,5 atm., váha 6 tun, rychlost 16 km za hod.) Jeho soutěžící lokomotiva „Rocket“ nejen splnila, ba dokonce i předčila podmínky, neboť dosáhla rychlosti až 46 km v hodině a přinesla mu tak vítězství, všeobecného uznání a obdiv. Od té doby stává se nejznámější osobností v celé Evropě a nejhledanějším inženýrem.
V r. 1830 vystavěl Stephenson ještě dalších 7 lokomotiv podle vzoru Rockety a dosáhl rychlosti až 58 km za hodinu. Chod jejich však by neklidný, což způsobovala šikmá poloha válců, které směřovaly od stanoviště strojvůdcova šikmo dolů k hnací nápravě, umístěné vpředu.
Od r. 1840 zanechal Stephenson své technické činnosti a hospodařil až do své smrti dne 12. srpna 1848 na svém statku v Tapton House.
Jsa povahou vytrvalý a houževnatý zůstane nám vždy vzorem velké tvůrčí síly, velkého technického nadání a energického ducha.
Jakkoli není Stephenson přímo vynálezcem parní lokomotivy, je přece první, jemuž se podařilo zdokonaliti parní stroj do takové míry, že se ho mohlo prakticky používati. Název lokomotiva patrně je z této doby a pochází rovněž od něho, neboť značí vozidlo samočinně místo (locus) měnící (motivus). Tohoto označení obecně se používalo teprve kolem r. 1840.
Stephensova vítězná lokomotiva definitivně rozhodla otázku používání motorické síly pro železnice a dala tak podnět k rychlému vývoji a rozvoji železnic s parním pohonem. Konečného tvaru dosáhla teprve jeho lokomotiva „Planet“, postavená v r. 1830. V ní shrnul všechny dosavadní zkušenosti. „Planet“ měla trubkový kotel k rychlejšímu a mocnějšímu vývinu páry, parní dmychavku, vnitřní parní válce umístěné v dýmnici a dvakrát zalomenou hnací nápravu. Zavedení vyfukující páry do komína zlepšilo spalování paliva. Tato poslední lokomotiva představuje již prototyp lokomotivy, jak se udržela do dnešní doby, třebaže s nesčetnými zdokonaleními v rozměrech i v detailu. Je zajímavo, že vnitřní uložení válců stalo se od té doby v Anglii typickým vzorem pro anglické lokomotivy.
Za zmínku stojí i další zlepšení konstrukce kol, která byla opatřena obručemi z kujného železa. Při stavbách železnic používalo se též hladkých válcovaných kolejnic a Stephenson byl první, který jich užil.
K dalšímu pochopení rozvoje lokomotiv je třeba aspoň zhruba orientovati se o silách, příčinách a okolnostech, které jsou pro pohyb vlaku směrodatné. Je proto nutno nastíniti nejdůležitější zásady teorie vlakového pohybu.
Stroje parní označujeme jako hnací stroje pístové, poněvadž se do pohybu uvádějí tlakem páry. Vlak se pak pohybuje tažnou silou lokomotivy. Tažná síla lokomotivy závisí: a) na tlaku páry ve válci parního stroje, b) na tření hnacích kol na kolejnici, adhesi či tornosti a c) na výkonu parního kotle. Má-li se vlak pohybovati, musí býti lokomotiva tak silná, aby jej utáhla, tj., její tažná síla musí býti alespoň tak veliká, jako jsou odpory vlaku proti pohybu.
Měnící se síly – odpory, které povstávají proti pohybu jedoucího vlaku, tedy proti tažné síle lokomotivy, která vlak veze, jsou vyvolány hlavně třením náprav v ložiskách, valivým třením vozidlových kol a jejich obručí po kolejnicích, tlakem vzduchu a jinými podobnými překážkami. Velikost těchto odporů je závislá hlavně na rychlosti jízdy. Rovněž i proti působení síly odstředivé, aby vozidla nevyjela z traťových oblouků, je třeba vyvinouti sílu dostředivou, která působí opačně.
Všeobecně se od lokomotiv žádá:
- aby táhly vlak co možno nejtěžší určitou rychlostí na nepříznivé trati při hospodárné spotřebě vody a paliva.
- aby byly schopny vyvinouti i na nepříznivé trati určitou maximální rychlost.
Jak již bylo řečeno, použil Stephenson pro rychlý vývin páry na své lokomotivě kotle plaméncového se žárovými trubkami, aby se získala větší žárová plocha. A tak první stavěné válcové kotle žárnicové udržely se až do dnešní doby.
Horké plyny, procházející větším počtem žárových trubek, odevzdají své teplo vodě, která trubky obklopuje. Snahou je při malém prostoru vývin páry co nejvíce urychliti, proto je prostor pro kotel u lokomotivy velmi omezen. Docílí se toho dostatečně velikou výhřevnou plochou, neboť rychlý vývin páry je závislý na rychlosti, s jakou se palivo na roštu spaluje.
Kotel lokomotivy, s jehož částmi se nyní obeznámíme, je sestaven ze 3 dílů, a to skříňového kotle, podélného kotle a dýmnice.
Skříňový kotel se skládá z pece a kotlové skříně. V peci je rošt, na kterém se palivo spaluje. Stěny pece, která je nejúčinnější výhřevnou plochou kotle, jsou výhradně z měděných plechů, ač Amerika staví pece z plechů železných, kterých se i v Evropě zvláště v době světové války také používalo. Části pece jsou: pecní trubkovice, pecní dveřnice s topným otvorem a jednodílný plášť, tvořící pecní postranice a strop pece. Kotlová skříň, rovněž z jednodílného nebo třídílného pláště a z dveřnice, přechází rakovou stěnou z rovné části, v níž je spojena s pecní trubkovnicí ve tvar válcový nebo poloválcový, aby mohla býti obrubou spojena podélným kotlem. V této druhé části se přeměňuje voda v páru a tvoří největší část odpařovací plochy. Podélný kotel je zakončen vpředu železnou trubkovnicí, která je spojena s pecní trubkovnicí žárovými trubkami na obou stranách zaválenými.
Na podélný kotel je připojena dýmnice, jejímž úkolem je odváděti kouř komínem ven do volného prostoru, jakož i zachycovati výfukem unášený žhavý popel a jiskry. Dýmnice je velmi důležitá součást kotle lokomotivy. Je v ní výfuková trouba, kterou se odvádí výfuková pára z parních válců. K zesílení tahu vede se spotřebovaná pára do zvláštní zúžené trouby, zvané dyšna, pod komín, v níž roste výtoková rychlost páry a působí pak s komínem jako ejektor, vyssávajíc vzduch z dýmnice. Dosáhne se tím nejen tahu v kotli, ale i lepší intensity hoření. Účinnému spalování paliva na roštu napomáhá též dmychavka (fukač), která vyvolává tah v kotli v době, kdy stroj nepracuje.
Skříňový kotel s pecí je dole neprodyšně spojen nožním rámem. Veškeré rovné části kotle jsou ztuženy měděnými rozpěrkami, které znemožňují též deformaci skříňového kotle. Všechny části kotle jsou navzájem snýtovány; v nynější době se svařují s dobrým výsledkem. V přední třetině kotle je na povrchu parojem, shromaždiště to suché páry. Volí se velký, aby parní prostor byl co největší.
Vyjma jmenované části patří ke kotli ještě zákonem předepsaná výstroj, tvořící kotlovou armaturu. Obsahuje napájecí zařízení, umístěná v čele na obou stranách kotle a na sobě úplně nezávislá, pojišťovací záklopky vyfukující páru, přesahuje-li tlak v kotli stanovenou mez, ukazovatele vody (dva vodoznaky) k zjištění výšky vodní hladiny a manometr pro pozorování přetlaku páry v kotli.
Parní kotel s parním strojem, tj. válci, rozvodem a ostatním příslušenstvím je vsazen do rámu a tvoří jeden celek.
Parní stroj lokomotivy využitkuje práce páry v kotli vyrobené k pohonu stroje a dále i vozů s náklady. Pára z parojemu otevřením regulátoru vniká přítokovou troubou do šoupátkové komory parního válce.
Mechanismus, pohybující šoupátkem, který řídí množství páry, přiváděné do parního válce před nebo za píst, jakož i výfuk páry sluje rozvod, podle jehož určitého postavení dostává se píst do pohybu vpřed nebo vzad. Píst spojený s křižákem převádí pak přímočarý pohyb pístu na ojnici, jejíž druhý konec je upevněn na čepu hnací nápravy a koná s čepem pohyb otáčivý. Podle úpravy a polohy parních válců stavěly se pak různé typy lokomotiv.
Předešlé století tvoří samostatnou epochu v konstrukci lokomotiv. První lokomotivy byly vyráběny v Anglii. I Amerika koupila první stroje z Anglie, když používání jich v Evropě vzbudilo pozornost amerických inženýrů. Ostatní pak země, než započaly s vlastní stavbou lokomotiv, využívaly nejprve zkušeností již získaných jak při stavbě železnic, tak i při stavbě lokomotiv a vozů, jež již byly v provozu. Rozvoj železnic ve třetím a čtvrtém desítiletí minulého století nejen v Americe, ale i v Evropě, najmě v Anglii a Belgii vyvolal odezvu a zájem i v tak konservativních státech, jako bylo tehdy Rakousko. A tak vyrůstá na území naší republiky první železnice s parním pohonem. Byla to trať, protínající Moravu od Břeclavě do Bohumína, jejíž výstavbu provedla společnost dráhy Ferdinandovy (bývalá severní dráha). První stroje, dodané z Anglie firmami G. Stephenson & Comp. v Newcastlu a John Taylor & Comp ve Warringtonu, byly zařízeny na vytápění dřívím. Ježto příliš jiskřily, počalo se pro ně dovážeti uhlí ze slezské pánve.
Teprve v druhé polovici minulého století rozvětvuje se železniční síť měrou netušenou, ba téměř překotně. Zakládají se společnosti pro stavbu drah a stavějí se továrny na lokomotivy. (Günther v Rakousku, Krauss v Německu, Baldwin v Americe aj.). Nejstarší naše česká továrna na lokomotivy je „První českomoravská továrna na stroje v Praze (1899).
První stroje byly třínápravové a dvojčité se stejně velkými parními válci na obou stranách. Byly to vlastně 2 samostatné stroje, jež se lišily jen postavením klik o 90o proti sobě natočených proto, aby chod stroje byl klidný a pravidelný. Přiváděná pára z kotle byla čerstvá.
První tyto stroje měly pumpy pro čerpání vody do kotle, jejichž pohon byl závislý na pohybu lokomotivy. Teprve nový napáječ (injektor), vynález inženýra Giffarda (1858), učinil napájení kotle nezávislé na pohybu lokomotivy. Dnešní napáječe jsou buď ssací, které vodu do kotle samy nassávají, nebo tlakové, k nimž musí voda přitékati, a ony ji do kotle pouze vpravují.
Rostoucí intensita železniční dopravy však vyžadovala stále nových konstrukcí. První lokomotivy doplňovaly zásoby uhlí a čerpaly vodu z nádrží, umístěných na přívěsném vozíku. Později bylo použito zvlášť konstruovaného zásobníku (tendru), jehož hořejší prostor byl určen pro uhlí, dolní prostor pak tvořil vodojem, z kterého se voda čerpala do kotle. Pro vlaky na kratší vzdálenosti byly zkonstruovány lokomotivy tendrové bez přívěsného zásobníku (tendru). Nádrže (vany) upraveny po stranách podélného kotle a uhelný prostor byl umístěn k zadní stěně lokomotivy. U nich je poměr váhy adhesní k váze celkové zpravidla výhodnější a hlavně menší váha i cena než u lokomotiv s tendrem rozhodla o jejich velkém rozšíření. Tam, kde poměry dovolují snadno obnoviti zásoby uhlí a doplniti i zásoby vody, hodí se dobře i pro dopravu dálkovou. Záhy se poznalo, že ve stroji dvojčitém při jednoduché expanci pára dosti značného tlaku unikla do komína úplně nevyužita. Byl vytvořen tedy nový typ lokomotiv, o jehož uvedení do života má zásluhy švýcarský inženýr Mallet.
Obr. Osobní lokomotiva trojválcová pro těžké mezinárodní rychlíky
Jsou to lokomotivy sdružené dvouválcové, které hledí expanse páry využitkovati co nejvíce tím, že čerstvá pára o vysokém tlaku (až 18 atm.) vstupuje do válce o malém průměru, kde expanduje s napětím dosti vysokým a posunuvši píst vstupuje pak na konci každého zdvihu do zvláštní spojovací trouby, zvané přestupník či receiver, umístěné mezi oběma válci, a odtud teprve vstupuje do šoupátkové komory válce o nízkém tlaku a o větším průměru, kde expanduje dále a poměrně s malým tlakem vyfukuje. Později rozšiřuje se tento nový typ i na nové druhy lokomotiv sdružených čtyřválcových. Takovéto lokomotivy typu Vauclainova budovala i Amerika v Baldwinově továrně na lokomotivy.
V této první fázi vývojové byly lokomotivy zdokonaleny i ve svém zařízení. Hned za prvním dómem sestrojen písečník, lokomotivy vyzbrojeny parní píšťalou, nezbytnou pro potřebné návěstí místo dřívějších zvonů, které se dodnes zachovaly ponejvíce u horských drah, a k mazání pohybujících se součástek dostaly lokomotivy maznice a lubrikátory pro spojité, nepřetržité a samočinné mazání parních válců a šoupátek.
Zdokonaleno bylo i brzdové zařízení. Až do počátku let sedmdesátých minulého století byly všechny vlaky brzděny ručně. Ruční brzdy byly tytéž jako u silničních vozů. Ruční klikou se otáčelo šroubové vřeteno, na němž se pohybovala matka, spojená pákovím, kterým se zdrže, ze začátku dřevěné, (brzdové špalíky) přitlačovaly na kola. Toto brzdění bylo však závislé na spolupůsobení mnoha lidí, bylo velmi nestejnoměrné a řídilo se spádovým i a rychlostními poměry v dopravě. Z bezpečnostních důvodů jezdilo se malou rychlostí, kterážto závada pociťována byla zvláště v osobní dopravě. Upotřebení atmosférického nebo stlačeného vzduchu k brzdění podstatně zlepšilo ovládání vlaků. Po prvních pokusech, objevivších se již koncem let šedesátých minulého století, zaváděla se pak vzduchová brzda nejdříve v Americe a v Anglii. Vzduchové brzdy záležely v podstatě v tom, že bylo použito vzduchového potrubí, probíhajícího od lokomotivy až na konec vlaku, na něž jsou připojeny brzdové válce, v nichž může strojvůdce ze stroje vyvolati rozdílné tlaky na obou stranách pístu a uvésti jej tak v pohyb, který se pak pákovím přenáší na zdrže. Zhuštěného vzduchu použil George Westinghouse, vynálezce tlakové brzdy v Americe (1869), zředěného vzduchu John Hardy, vynálezce ssací brzdy v Anglii (1872). Teprve další zdokonalení, provedené r. 1872 u tlakové brzdy Westinghousem a r. 1890 u ssací brzdy Claytonem způsobily větší rozšíření brzd, takže ovládly nejen Ameriku, ale i větší část Evropy. Ssací brzda zůstala však omezena pouze na Anglii a několik států (Španělsko, Portugalsko, balkánské, severské státy a Rakousko). Používá se jí až do dnešní doby.
Pro tlakovou brzdu čerpají potřebný vzduch do potrubí kompresory, hnané parou z lokomotivy a umístěné na stroji vpředu, pro ssací brzdu jsou lokomotivy opatřeny vyssavači.
Nové století znamená novou epochu ve vývoji stavby lokomotiv. Místo páry nasycené nastupuje pára přehřátá, která vyvolává další konstruktivní změny a nové typy lokomotiv.
Lokomotivy sdružené konstruují se nyní na páru přehřátou. Pára přehřátá vzniká, oddělíme-li páru od vody a zahříváme ji dále v prostoru odděleném. Při tom stoupá její teplota, pára řídne, až se přiblíží svými vlastnostmi plynům permanentním, které jsou již kondensačnímu bodu velmi vzdálené. Má proto proti páře nasycené, jsouc špatným vodičem tepla, velké výhody velkou tepelnou hodnotou.
Mnoho konstrukcí zmizelo pro nedokonalost nebo nesnadné udržování. U strojů na páru přehřátou jest v dýmnici zařízení na přehřívání páry. Jedno z nejdokonalejších takových zařízení, hojné v Evropě, je přehřívač Schmidtův. Principem jeho je, že nasycená pára, přicházející z kotle od regulátoru zvláštní troubou, nejde k parním válcům přímo, nýbrž vystupuje do přehřívačové skříně, proběhne řadou trubek, které jsou uloženy v kouřových troubách lokomotivního kotle, a ohřívána jsouc na vyšší teplotu čili přehřáta vede se potom k parním válcům. Výhodou tohoto přehřívače je, že tepla plynů využije se lépe, než tomu bylo až dosud, tedy nastává zde lepší využití tepelného spádu. Stoupne též odpařivost kotle i přehřátí páry.
I u tendrových lokomotiv jsou snahy po všeobecném jejím zlepšení obdobné. U lokomotiv sdružených dvouválcových je pak třeba zvláštního rozjížděcího zařízení, které umožňuje v mrtvých polohách pístu parního válce o vysokém tlaku přístup čerstvé páry do šoupátkové komory válce o nízkém tlaku.
Do té doby spadají další zlepšení jak pomocných zařízení, tak i součástí lokomotivy.
Rozvody se dvěma výstředníky, jak se jich dříve výhradně používalo (Stephenson, Gooch), jsou nahrazovány rozvody kulisovými, z nich nejznámější je rozvod Heusingerův-Waldeggův, u něhož výstředníky nahrazuje mechanismus pákový.
Třebaže je složitější, snadno se přizpůsobí pro vnitřní vstup páry a má výhodu před staršími, že všechny součástky jeho leží v jedné rovině. Ježto je kulisa na rámu pevně přidělána, rozvod nekymácí. U těchto lokomotiv je přestavění rozvodu pro chod stroje vpřed i vzad provedeno vratným šroubem na rozdíl od staršího uspořádání táhla s vratnou pákou.
Personál stroj obsluhující byl z počátku vystaven všem povětrnostním poměrům. Lokomotivy proto byly opatřeny strojvůdcovskou budkou, která postupem vývoje je již upravena tak, aby personál (strojvůdce a topič) měl pobyt na lokomotivě snesitelný.
Mazání zavádí se centrálními mazacími lisy, kterými vytlačuje se mazivo tenkými trubičkami pomocí pumpy nebo parou. Lokomotivy jsou opatřeny svítilnami petrolejovými i acetylenovými s vlastním vyvíječem pro každou svítilnu, nebo u novějších typů je zařízen centrální vyvíječ acetylenu, umístěný v budce na straně topičově (levé).
Stále rostoucí váha lokomotivy, zvláště strojů čtyřválcových se zalomenými hřídeli, volala po nové konstrukci, neboť doba žádala stroje, které pracují hospodárně. Podmínkám vyhověla dvojčitá lokomotiva, ježto se poznalo, že dvojitá expanse páry není při páře přehřáté zdaleka tak výhodná jako při páře nasycené a komplikuje konstrukci lokomotivy. Nové typy lokomotivní jsou vesměs stroje s jednoduchou expansí páry. Staré lokomotivy se rekonstruují na dvojčité s přehřívačem páry a vnitřním vstupem páry.
Doba poválečná změnila způsob nazírání v technice do té míry, že kdybychom dnes mluvili o předválečném stavu jejím, byla by to již jen historie strojnictví. Žijeme v době, kdy se chaotické technické názory, za světové války rozptýlené, sjednocují. Výroba se zdokonalovala, neboť požadavky rostly. Byly požadovány stroje nejspolehlivější konstrukce, z nejlepšího materiálu a nejpřesnějšího provedení. Rozměry lokomotiv sice stále rostly, ale jejich výkon neodpovídal provozním poměrům vzhledem na jejich rostoucí váhu. Proto k zvýšení výkonu obdržel kotel druhý parojem, který byl s prvním spojen komunikační troubou. Tím se zvětšil parní prostor kotle a docílilo se rovnoměrnějšího vývinu páry. Do předního parojemu se umístil ventilový regulátor místo dřívějších šoupátkových, umístěných v přehřivačové komoře. Strhování vody do regulátoru zmírňuje se odlučovačem vody. Rekonstrukcí rozvodu u dvojčitých strojů dociluje se klidnějšího chodu stroje i zlepšení jeho efektu. Zavádějí se ohřívače napájecí vody. V nejnovější době v některých evropských zemích (Anglie, Francie, Belgie) a též u našich drah zaveden jest injektor soustavy Metcalfe, který je současně ohřívačem napájecí vody. Je sestrojen na principu velké rychlosti páry, proudící do prostoru, kde je podtlak. Používá výhradně výfukové páry nejen k ohřátí, ale i ku dopravě napájecí vody do kotle. Využití výfukové páry při těchto injektorech kotlových má velké výhody, neboť voda se předehřívá a změkčuje a tím i provoz kotle je hospodárnější, neboť se spotřebuje méně uhlí a také i vody. Proti jiným ohřívačům má výhodu tu, že nepotřebuje zvláštní pumpy, k jejichž pohonu je nezbytně třeba ostré páry z kotle, po případě části hnací síly. Pracuje tedy úsporněji. Při uzavřeném regulátoru nahradí se výfuková pára ostrou parou pomocnou, přicházející otevřením zvláštního ventilku potrubím do injektoru.
U všech lokomotiv dnešních jeví se snaha po jednoduchém provedení při současném použití všech v praktickém provozu jinde již osvědčených novot.
Nejnovější lokomotivy mají již přehřívače o malých trubkách, injektorový ohřivač napájecí vody (Metcalfe), místo plochých šoupátek jsou lokomotivy vyzbrojeny šoupátky kulatými pro vnitřní vstup páry, aby bylo dosaženo větší těsnosti, široké šoupátkové kroužky nahrazují se úzkými k zmenšení tření šoupátkové válce a i s ohledem na snažší jejich konstruktivní provedení; zavádí se ústřední mazání válců i ložisek, specielní ucpávky pro přehřátou páru, odkalovače k odvádění nečistot, a aby se znemožnilo tvoření kotelního kamene apod.
Nové stroje mají elektrické osvětlení sestávající z parní turbiny, napájené ostrou parou z kotle a pohánějící dynamo.
Tyto stroje dvouválcové, zejména pro těžké mezinárodní rychlovlaky o velkých rychlostech, záhy nevyhovují zvýšeným požadavkům rychlíkové dopravy. Volí se proto nová úprava trojválcová. Konstrukce je jednodušší, lehčí a levnější. Dosáhne se tedy rychlejšího a spolehlivějšího rozjíždění a klidnějšího chodu lokomotivy za jízdy.
Obr. Moderní rychlovlak zv. „Zeppelin na kolejích“, dosahující lehce rychlosti 200 km za hodinu. Je poháněn výbušným motorem pomocí vrtule vzadu umístěné. Zkoušky s ním se provádějí v Německu
Konečně za zmínku stojí v poslední době konstruované lokomotivy s ventilovým rozvodem. Vedle soustavy Caprotti je nejznámější u nás a v okolních státech soustava Lentzova. Rozvod tento se nejdříve rozšířil u lokomobil stabilních a pojízdných i u strojů lodních. U lokomotiv bylo ho po prvé použito v Německu r. 1906. Po zkušenostech nabytých v železničním provozu byl rozvod překonstruován a upraven a teprve pak se rozšířil i v jiných státech. Místo šoupátek jsou ventily, které jsou uspořádány v poloze vodorovné v jediné ose za sebou a tvoří tak zvaný rozvod klíčový. Ventily jsou uloženy ve ventilové komoře. Parní kanály jsou úplně rovné a krátké, čímž škodlivý prostor v parním válci se značně zmenšil. Pohyby ventilů obstarává rozvod zvlášť k tomu přizpůsobený nebo specielní rozvod Lentzův s rotační kulisou.
Parní lokomotivy dospěly ve svém vývoji, jak se zdá, ke kulminačnímu bodu. Jsou snad vyčerpány již všechny prostředky, které by zvýšily jejich výkonnost a které technika ve svém vývoji poznala. Srovnáme-li dnešní lokomotivy moderní se staršími typy, seznáme, že získané teplo z kouřových plynů a výfukové páry se stráví do značné míry opět v pomocných přístrojích, což znamená zdražení nejen pořizovacích výloh, ale i udržovacích nákladů stroje. Obrací se proto dnes, kdy železnice pozbývají svého monopolního postavení ve velké dopravě a soutěží s jinými dopravními prostředky – automobily – pozornost technického světa k otázce, jakým způsobem lze zvýšiti termickou účinnost parní lokomotivy a snížiti tak spotřebu paliva.
Nastává nová epocha vývoje lokomotiv, která sice nemá ještě dnes takového praktického významu, ale bude snad míti v nedaleké budoucnosti.
Cesty vedoucí k dosažení tohoto cíle jsou dvojího druhu. První – ke zlepšení účinnosti tepelného oběhu u lokomotivy – je zavedení kondensace vyfukující páry a druhá cesta znamená zvýšení tlaku páry v kotli. V současné době konané pokusy v obou směrech ukáží nám praktičnost a schopnost jejich jako dopravního prostředku v budoucí době.
Velké typy lokomotiv o výkonu několika tisíc k. s. přímo vyzývají ke konstrukci lokomotiv s parní turbinou, která pracuje při velké výkonnosti daleko úsporněji než parní stroj. Ve Švýcarsku brzo po válce přestrojena byla jedna z pístových lokomotiv na lokomotivu turbinovou podle návrhů ing. Kjelsberga ing. Dr. Zoellyho. V téže době zkonstruována byla ve Švýcarsku parní turbina systému Ljungströmova. I Kruppovy závody v Německu pokusily se o konstrukci turbinové lokomotivy, která se svým uspořádáním blíží švýcarské turbinové lokomotivě Zoellyho.
Parní turbina v principu využitkuje buď jen dolního stupně expanse páry a kombinuje se pak se strojem pístovým, nebo se konstruuje s kondensací a využitkuje jen výfuk dosavadního pístového stroje. Tohoto druhého principu je u shora jmenovaných turbin použito. Tato turbinová lokomotiva pak nahrazuje parní pístový stroj úplně.
Lokomotiva turbinová má před pístovým parním strojem určité přednosti, ale naproti tomu též nevýhody. Vyznačuje se tím, že zde chybí válec, komplikovaný pákový mechanismus rozvodu, křižák i jeho vedení, běh její je klidný a spotřeba páry malá. Nevýhodou však je její složitost, neboť potřebuje více pomocných strojů. Pára z turbiny vystupující neodchází jako u parního stroje do komína, ale do kondenzátoru. Ježto voda stále obíhá a jen občas se doplňuje, není tato lokomotiva závislá na napájecích stanicích. Pracuje hospodárně jen při normálních poměrech, pro které je stavěna. Obrátky nelze ekonomicky měniti a hřídel je možno otáčeti jen jedním směrem. Pro běh obrácený nutno použíti druhé turbiny, tzv. reversní, což ji činí zatím prakticky neúčelnou.
Jak dopadne boj mezi pístovou a turbinovou lokomotivou, ukáží teprve zkušenosti. Je jisto, že parní pístové stroje se tak lehce vytlačiti nedají, neboť jejich snadná ovladatelnost, jemné řízení a naprostá spolehlivost jsou důležité požadavky dnešní doby.
Druhá cesta ke zvýšení tepelného oběhu páry v lokomotivě je zvýšení tlaku páry v kotli. Mez tlaku dosaženého dnes u kotle Stephensonova dosahuje u parních turbinových lokomotiv až 22 atmosfer.
Pro vyšší tlaky je třeba použíti kotle s vodními trubkami. Kotle tohoto druhu bylo již použito jak u amerických lokomotiv, tak i u německých (firma Krupp, Henschel), a sice vesměs u pístových lokomotiv pro přehřátou páru s kotelním tlakem 60 atmosfer.
Firma Berliner Maschinenbau A. G. vorm. Schwartzkopf postavila dokonce na zkoušku podle návrhu prof. ing. dra. Löfflera trojčitou sdruženou lokomotivu rychlíkovou s kotelním tlakem 100 atm. Firma Maffei v Mnichově projektovala lokomotivu dokonce na tlak 225 atm. Je viděti, že tlaky tyto nepůsobí při stavbě jak pístových, tak i parních turbinových lokomotiv žádných obtíží.
Princip nových konstrukcí lokomotiv o vysokém tlaku spočívá v cirkulačním uzavřeném procesu vody a páry, a to buď s kondensací páry v povrchovém kondenzátoru, nebo lze jej uskutečniti i bez kondensace pracovní páry nepřímým vytápěním kotle, ve kterém se pracovní pára vyvinuje. Ve vodotrubném kotli je tohoto uzavřeného cirkulačního procesu dosaženo, čímž je pak usazování kotelního kamene vyloučeno.
U lokomotiv podle systému Löfflerova využívá se tepla ve dvou stupních, podobně jako je tomu u lokomotivy sdružené. Část tepla odebírá se v topném systému cirkulující přehřáté páry o napětí 100 až 120 atm. pro parní válce na vysoký tlak, ve kterých expanduje na tlak 18 atm. Vystoupivši z válců na vysoký tlak se tato pára sráží ve zvláštním topném tělese. Kondensátu se používá po předehřátí zase k napájení kotle a získaného tak tepla použije se k výrobě páry pro stupeň nízkého tlaku o počátečním napětí 14 atm. Tato pára expanduje ve válci na nízký tlak přibližně až na 1 atm. a vyfukuje obvyklým způsobem dmychavkou do komína. Lokomotiva má svoje zařízení – vysokotlakové a nízkotlakové. Konstrukce její je velmi složitá. Úspora paliva u lokomotiv tohoto druhu je prakticky tak veliká (45 %), že ji lze právem považovati za velký úspěch konstruktérů. Zda úspory, získané na palivu, nebudou pohlceny při její složitosti udržovacími výlohami, ukáže teprve budoucnost.
Jisté zvýšení termické účinnosti parní lokomotivy lze též očekávati od zavedení topení uhelnou moučkou. Tímto druhem topení zabývaly se již americké dráhy v posledních letech. Uhelný prach leží ve velké nádržce na tendru a jest odssáván dmychadlem hnaným parní turbinou. Dmychadlo mísí uhelný prach již před hořákovou trubicí s příslušným množstvím vzduchu potřebného k spálení. Při tomto topení odstraňuje se nebezpečí ohně jiskrami a přestalo by též obtěžování cestujících kouřem a sazemi. Práce topičova omezuje se pouze na měření a pozorování. Topení uhelným prachem ukáže se pravděpodobně též výhodným u kotlů na vysoký tlak. Dodnes vystavěné všechny lokomotivy těchto vyjmenovaných typů jsou pouze začátkem nových možností. Podrobné zkoušky o jejich způsobilosti k racionelnímu provozu nás teprve přesvědčí, zda zvítězí a bude-li jejich úspěch trvalý. Jisto je, že parní lokomotiva bude v nejbližší době podstatně změněna ve své termické účinnosti.
V začátcích vývoje železnice byly jak osobní, tak i nákladní vozy převážně dřevěné konstrukce; pouze ústrojí narážecí, táhlové a běžné (dvojkolí, ložiska a zpružiny) bylo ze železa. Vzrůst a hustota dopravy vynucovaly si stálé větší a větší ložný prostor těchto vozů, což vedlo též ke zdokonalování jejich konstrukce. Spodek vozů byl již sestavován z profilovaných želez a pomalu se oddělil od skříně, se kterou tvořil dříve jednotný celek. Tento způsob stavby zachovává se podnes, a to nejen u osobních vozů dvounápravových, ale i u nejtěžších podvozkových vozů lůžkových, jídelních apod.
Vozy nákladní, které jsou jednodušší než osobní, prodělaly ještě další vývoj. U nich se hledělo, aby spodek vozu, sestavený z úhelníků, a kostra skříně, snýtovaná se spodkem, tvořily jeden celek, neboť celá konstrukce musí vzdorovati námaze způsobené hmotou nákladu při náhlých změnách rychlosti (rychlé zabrzdění, nárazy při posunu apod.).
V nejnovější době stavějí se již celé železné kostry skříní osobních vozů, ač stavba těchto vozů byla již na počátku tohoto století v Americe prováděna. Tam ovšem přikročili tak záhy ke stavbě těchto vozů z důvodů bezpečnostních, neboť Amerika byla odedávna zemí největších lokomotiv, nejvyšších rychlostí a proto měly tyto železné vozy chrániti cestující obecenstvo od těžkých úrazů při častých srážkách.
V přítomné době má stavba těchto železných konstrukcí vozových v evropských zemích jiný důvod, totiž zmenšení váhy vozů. Požadavek malé váhy vozů, co se hospodárnosti provozu týká, je plně oprávněn.
Dnešní konstrukce nákladních i osobních vozů je u nás tak dokonalá, že vyhovuje všestranně nejen pohodlí cestujícího obecenstva, ale pevností skýtá úplnou záruku dopravní bezpečnosti. Je chloubou naší technické práce. Bezpečnost dopravy je podmíněna též správným dorozuměním tratě s jedoucím vlakem. Signalisace uplatňovala se již v prvých letech železnice. Správné a bezvadně pracující signální zařízení jsou pro železnici tak důležitá jako lokomotivy s dobrým využitím paliva. Signalisace je mluva železniční a je založena na hbitém vnímání železničních zřízenců, budí pozornost a pocit zodpovědnosti.
Bezpečnost a spolehlivost dopravy závisí vždy na dobrém stavu návěštních přístrojů. Počáteční signály praporky a svítilnami strážníků na trati vystřídaly ramenové a deskové semafory. Ramenových návěstidel bylo poprvé použito v Anglii na trati London-Croydon r. 1842. Do této doby spadá i zavedení ústředního stavědla výhybek bez závislosti na návěštích.
Zavedením telegrafie v železniční službě nastala nová epocha, neboť dorozumívání jednotlivých stanic navzájem stalo se nezbytnou složkou dopravní bezpečnosti. Byla to zase Amerika, která využila prakticky ceny elektřiny indukční pro telegrafii vlakovou. Užitím telefonu dal Edison základ k nové myšlence, totiž o dorozumívání tratí s vlakem telefonicky; tímto objevem vyplnila se dávná touha lidstva dorozuměti se s celým světem.
Použití telefonního sluchátka spočívalo s počátku jen v odposlouchávání značek, stejných, jakých po léta používala bezdrátová telegrafie.
Až do světové války v celé Evropě řídil přednosta stanice spolu s přidělenými úředníky jízdy vlaků jen k nejbližší stanici, kde starost o další chod vlaku převzal opět její přednosta. Všechny stanice byly zapjaty do jednoho vedení za sebou. Teprve po světové válce, kdy se k řízení dopravy používá více telefon místo telegrafu, objevil se u nás nový systém, který vznikl v Americe. Jeho zlepšení provedené rovněž v době poválečné, bylo teprve zdokonaleno novými přístroji telefonními.
Je to systém zvaný selektorový (dispatching či ústřední řízení oběhu vlaků), zvláště v západní Evropě hojně zaváděný. Přednost tohoto telefonu je v tom, že doprava se řídí na určitém, dopravně omezeném a co možno samostatném úseku trati z jednoho místa. Nemohou tedy vznikati žádné lokální poruchy. Zvláštním zařízením lze volati po jediném dvojnásobném vedení z celé řady stanic pouze onu, kterou si právě přejeme, aniž by byly ostatní stanice při tom nějak rušeny. V centrále má každá stanice svůj volací přístrojek a v každé stanici je zvláštní zařízení – selektor, kterým se rozezvučí zvonky právě ve stanici centrálou volané. Tímto zařízením lze veškeré nepravidelnosti a dopravní poruchy překonati.
Rovněž i blokování tratí, při němž je celá trať rozdělena na menší úseky, které pomocí určitých návěstidel jsou pro dopravu buď volny neb uzavřeny, mělo dobré výsledky.
Dosud jsou návěstidla dvoje, posiční a světelná. Posičních se používá ve dne, světelných v noci. Tvar návěstidla je pak posice jednoho neb více ramen, ukazující strojvůdci, zda trať je volná neb uzavřená. V nejnovější době k zamezení možných omylů zavádějí se obvyklé noční návěští i v denním provozu, jimiž se vyjadřují příslušné návěštní pojmy ve dne i v noci elektrickým světlem o značné svítivosti, aby byly z dálky viditelné. Návěští tato se přestavují elektrickými motory, do nichž se vysílá proud z dopravní kanceláře. I v seřaďovacích nádražích, kde je bezpečnost ohrožována posunováním, dává se návěští k uvolnění koleje pro přijíždějící vlak pomocí světelných transparentů, umístěných tak, aby byly po celé stanici snadno viditelné; jimi se oznamuje osvětlením číslo koleje přijíždějícího vlaku.
Pro bezpečnost přejezdů v úrovni dráhy používá se nyní výstražných křížů a zkouší se i zabezpečiti přejezdy kmitavým světlem. Kromě toho zkouší se i automatické zařízení, ukazující, když se vlak blíží svítící nápis: „Vlak přijíždí!“
Velké množství různých pokusů, zkoušek a zařízení, jichž nelze ani pro stručnost zde uvésti, svědčí jen o pokroku doby, která hledí nejmodernějšími prostředky dosáhnouti dokonalého zabezpečení vlakové dopravy a umenšiti procento ztrát na lidských životech.
Časovou je též snaha železničních správ, umožniti poslech rozhlasu cestujícímu obecenstvu. Zatím má použití radiotechniky ve vlacích pouze cenu individuelní. Není pochyby, že delší rozvoj otevře jí cestu i do dopravnictví, aby se stala vážnou složkou dopravní bezpečnosti.
Z malého počátku před 100 roky netušených rozmachem staly se dráhy nezbytnou potřebou celého lidstva. Dnešní stupeň dokonalosti není dílem jednotlivce, nýbrž celého národa inženýrů. Mají velký význam pro mezinárodní styk a život hospodářský. Jsou nástrojem civilisace a dopomáhají člověčenstvu plniti nejvznešenější jeho poslání.
Ing. Karel Feierabend, Dvacáté století – pokroky v průmyslu, Nakladatelství Vladimír Orel 1932
Obr. v úvodu textu: vysokotlaká lokomotiva s úsporným kotlem Lӧfflerova systému na tlak 120 atmosfér
