قاطرة بخارية

استخدمت السكك الحديدية الأولى الخيول لجر العربات على طول مساراتها . ^{[ 14 ]} في عام 1784، بنى المخترع الاسكتلندي ويليام مردوخ نموذجًا أوليًا صغيرًا لقاطرة بخارية في برمنغهام . ^{[ 15 ] [ 16 ]} اقترح ويليام رينولدز قاطرة بخارية كاملة الحجم حوالي عام 1787. ^{[ 17 ]} يشكك بعض الخبراء في صحة وتاريخ هذه القاطرة، وكان لا بد من انتظار اختراع محرك البخار عالي الضغط على يد ريتشارد تريفيتيك ، رائد استخدام القاطرات البخارية، قبل أن يصبح القطار البخاري عمليًا. ^{[ 18 ]}

كانت أول قاطرة بخارية عاملة بالحجم الكامل هي قاطرة كولبروكديل، التي يبلغ عرضها 914 ملم ( 3  أقدام ) ، والتي بناها تريفيتيك عام 1802. وقد شُيّدت لمصنع كولبروكديل للحديد في شروبشاير بالمملكة المتحدة، على الرغم من عدم وجود أي سجل لعملها هناك. ^{[ 19 ]} في 21 فبراير 1804، سُجّلت أول رحلة قطار تجرها قاطرة بخارية، حيث قامت قاطرة أخرى من قاطرات تريفيتيك بجر قطار على طول خط الترام الذي يبلغ عرضه 1321 ملم ( 4 أقدام و4 بوصات ) من مصنع بن-واي-دارين للحديد، بالقرب من ميرثير تيدفيل ، إلى أبركينون في جنوب ويلز. ^{[ 20 ] [ 21 ]} برفقة أندرو فيفيان ، سارت الرحلة بنجاح متفاوت. ^{[ 22 ]} تضمن التصميم عددًا من الابتكارات المهمة، بما في ذلك استخدام البخار عالي الضغط، مما قلل من وزن المحرك وزاد من كفاءته.     

زار تريفيتيك منطقة نيوكاسل عام 1804، حيث استقبله بحفاوة أصحاب مناجم الفحم والمهندسون. وقد حققت الزيارة نجاحًا باهرًا، ما جعل خطوط سكك حديد مناجم الفحم في شمال شرق إنجلترا مركزًا رائدًا لتجارب وتطوير قاطرات البخار. ^{[ 23 ]} وواصل تريفيتيك تجاربه الخاصة على دفع البخار من خلال ثلاث قاطرات أخرى، واختتمها بقاطرة " Catch Me Who Can" عام 1808، التي كانت أول قاطرة في العالم تنقل ركابًا بأجر.

في عام ١٨١٢، انطلقت قاطرة سالامانكا، ذات الأسطوانتين والمزودة بنظام التروس، والتي صممها ماثيو موراي بنجاح ، لأول مرة على خط سكة حديد ميدلتون ذي نظام التروس المسننة . ^{[ ٢٤ ]} ومن القاطرات المبكرة الأخرى المعروفة قاطرة بافينغ بيلي ، التي بناها المهندس ويليام هيدلي في الفترة ما بين ١٨١٣ و١٨١٤ . وكان من المقرر أن تعمل في منجم ويلام للفحم بالقرب من نيوكاسل أبون تاين. وتُعد هذه القاطرة الأقدم المحفوظة، وهي معروضة بشكل ثابت في متحف العلوم بلندن .

قبل وصول الواردات البريطانية، بُنيت واختُبرت بعض النماذج الأولية لقاطرات البخار المحلية في الولايات المتحدة، بما في ذلك النموذج المصغر لجون فيتش. صمّم رائد السفن البخارية جون فيتش نموذجًا عمليًا مبكرًا لقاطرة بخارية تعمل بالسكك الحديدية في الولايات المتحدة عام 1794. ^{[ 26 ]} تشير بعض المصادر إلى أن نموذج فيتش كان جاهزًا للتشغيل بحلول ثمانينيات القرن الثامن عشر، وأنه عرض قاطرته على جورج واشنطن . ^{[ 27 ]} استخدمت قاطرته البخارية عجلات داخلية ذات شفرات موجهة بواسطة قضبان أو مسارات. لا يزال النموذج موجودًا في متحف جمعية أوهايو التاريخية في كولومبوس، الولايات المتحدة. ^{[ 28 ]} ومن الأمثلة البارزة بالحجم الطبيعي "عربة البخار" للعقيد جون ستيفنز، والتي عُرضت على مسار دائري في هوبوكين، نيو جيرسي عام 1825. ^{[ 29 ]}

استُوردت العديد من أوائل القاطرات المُخصصة للاستخدام التجاري على خطوط السكك الحديدية الأمريكية من بريطانيا العظمى، بما في ذلك قاطرة "ستوربريدج ليون" أولًا ، ثم قاطرة "جون بول" لاحقًا . مع ذلك، سرعان ما نشأت صناعة محلية لتصنيع القاطرات. في عام 1830، كانت قاطرة "توم ثامب" التابعة لسكك حديد بالتيمور وأوهايو ، والتي صممها بيتر كوبر ، ^{[ 30 ]} أول قاطرة تجارية أمريكية الصنع تعمل في أمريكا؛ وكان الهدف منها إثبات إمكانات الجر البخاري، لا أن تكون قاطرة تجارية. وكانت قاطرة " ديويت كلينتون" ، التي بُنيت عام 1831 لسكك حديد موهوك وهدسون ، من القاطرات المبكرة البارزة. ^{[ 25 ] [ 31 ]}

اعتبارًا من عام 2021كانت النسخة الأصلية من جون بول معروضة بشكل ثابت في المتحف الوطني للتاريخ الأمريكي في واشنطن العاصمة ^{[ 32 ]،} أما النسخة المقلدة فهي محفوظة في متحف السكك الحديدية في بنسلفانيا . ^{[ 33 ]}

في ألمانيا، كانت أول قاطرة بخارية عاملة من نوع "الجريدة المسننة"، تشبه قاطرة سالامانكا ، وقد صممها رائد صناعة القاطرات البريطاني جون بلينكينسوب . بُنيت القاطرة في يونيو 1816 على يد يوهان فريدريش كريغار في مصنع الحديد الملكي في برلين ( Königliche Eisengießerei zu Berlin)، وكانت تسير على مسار دائري في ساحة المصنع. كانت أول قاطرة تُبنى في البر الأوروبي الرئيسي، وأول خدمة نقل ركاب تعمل بالبخار؛ وكان بإمكان المتفرجين الفضوليين ركوب العربات الملحقة بها مقابل رسوم. يظهر تصميمها على شارة رأس السنة الجديدة للمسبك الملكي، مؤرخة عام 1816. بُنيت قاطرة أخرى باستخدام النظام نفسه عام 1817. كان من المقرر استخدامها على خطوط السكك الحديدية في كونيغشوت ولويزنتال على نهر السار (التي تُعد اليوم جزءًا من فولكلينغن )، لكن لم يكن بالإمكان إعادة أي منهما إلى الخدمة بعد تفكيكهما ونقلهما وإعادة تجميعهما. في 7 ديسمبر 1835، سارت قاطرة أدلر لأول مرة بين نورمبرغ وفورث على خط سكة حديد لودفيغ البافاري . كانت القاطرة رقم 118 من مصانع روبرت ستيفنسون للقاطرات ، وكانت محمية ببراءة اختراع. ^{[ 34 ]}

في روسيا ، بُنيت أول قاطرة بخارية عام 1834 على يد عائلة تشيريبانوف ، إلا أنها عانت من نقص الفحم في المنطقة، فاستُبدلت بالجر بالخيول بعد قطع جميع الأشجار المجاورة. وبدأ تشغيل أول خط سكة حديد بخاري روسي في تسارسكوي سيلو عام 1837 بقاطرات تم شراؤها من شركة روبرت ستيفنسون .

في عام 1837، انطلق أول خط سكة حديد بخاري في النمسا على خط سكة حديد الإمبراطور فرديناند الشمالي بين فيينا-فلوريدسدورف ودويتش -فاجرام . كما تعمل في النمسا أقدم قاطرة بخارية عاملة باستمرار في العالم: قاطرة GKB 671 التي بُنيت عام 1860، والتي لم تُخرج من الخدمة قط، ولا تزال تُستخدم في رحلات خاصة.

في عام 1838، تم تصنيع قاطرة ساكسونيا ، ثالث قاطرة بخارية تُبنى في ألمانيا، من قبل شركة ماشينينباوفيرما أوبيغاو بالقرب من دريسدن ، على يد البروفيسور يوهان أندرياس شوبرت . أما أول قاطرة مصممة بشكل مستقل في ألمانيا فكانت قاطرة بيوث ، التي بناها أوغست بورسيغ عام 1841. بينما تم تسليم أول قاطرة أنتجتها شركة هينشل-فيركه في كاسل ، وهي قاطرة دراخه ، عام 1848.

كانت أولى قاطرات البخار التي تعمل في إيطاليا هي قاطرتا بايار وفيزوفيو ، اللتان كانتا تعملان على خط نابولي-بورتيتشي ، في مملكة الصقليتين.

كان أول خط سكة حديد يمر عبر الأراضي السويسرية هو خط ستراسبورغ - بازل الذي افتتح في عام 1844. وبعد ثلاث سنوات، في عام 1847، تم افتتاح أول خط سكة حديد سويسري بالكامل، وهو خط Spanisch Brötli Bahn ، من زيورخ إلى بادن.

شكّلت طبيعة جنوب أستراليا القاحلة تحدياتٍ فريدة لشبكة قاطرات البخار المبكرة. فقد تسبّب التركيز العالي لكلوريد المغنيسيوم في مياه الآبار المستخدمة في غلايات قاطرات خط السكة الحديد العابر لأستراليا في مشاكل صيانة خطيرة ومكلفة. ولأن الخط لا يمرّ بأي مجرى مائي دائم للمياه العذبة على طول مساره، كان لا بدّ من الاعتماد على مياه الآبار. ولم تكن هناك معالجة رخيصة لهذه المياه الغنية بالمعادن، ما أدّى إلى انخفاض عمر غلايات القاطرات إلى أقل من ربع المدة المتوقعة عادةً. ^{[ 35 ]} في أيام قاطرات البخار، كان الماء المزوّد للمحرك يشكّل حوالي نصف حمولة القطار الإجمالية. وكانت شركة " سكك حديد الكومنولث" ، المشغّلة للخط ، من أوائل الشركات التي اعتمدت قاطرات الديزل الكهربائية .

كان استخدام غلاية الأنابيب النارية ممارسة شائعة في قاطرات البخار. وعلى الرغم من تقييم أنواع أخرى من الغلايات، إلا أنها لم تُستخدم على نطاق واسع، باستثناء حوالي 1000 قاطرة في المجر استخدمت غلاية بروتان ذات الأنابيب المائية .

يتكون المرجل من صندوق احتراق يتم فيه حرق الوقود، وبرميل يتم فيه تحويل الماء إلى بخار، وصندوق دخان يتم الحفاظ عليه عند ضغط أقل قليلاً من الضغط خارج صندوق الاحتراق.

يُلقى الوقود الصلب، كالخشب أو الفحم أو فحم الكوك، في غرفة الاحتراق إما عبر باب بواسطة عامل الإطفاء ، أو على شبكة تُثبّت الوقود في طبقة أثناء احتراقه، أو في بعض الحالات، يُدخل إلى غرفة الاحتراق بواسطة موقد ميكانيكي. يتساقط الرماد عبر الشبكة في وعاء مخصص له. أما إذا استُخدم الزيت كوقود، فيلزم وجود باب لضبط تدفق الهواء، وصيانة غرفة الاحتراق، وتنظيف فوهات الزيت.

يحتوي غلاية الأنابيب النارية على أنابيب داخلية تربط غرفة الاحتراق بصندوق الدخان، حيث تتدفق غازات الاحتراق ناقلةً الحرارة إلى الماء. توفر هذه الأنابيب مجتمعةً مساحة تلامس كبيرة، تُسمى سطح تسخين الأنابيب، بين الغاز والماء داخل الغلاية. يحيط ماء الغلاية بغرفة الاحتراق لمنع المعدن من السخونة الزائدة. هذه منطقة أخرى ينقل فيها الغاز الحرارة إلى الماء، وتُسمى سطح تسخين غرفة الاحتراق. يتجمع الرماد والفحم في صندوق الدخان بينما يُسحب الغاز إلى أعلى المدخنة ( أو ما يُعرف في الولايات المتحدة باسم "المدخنة ") بواسطة بخار العادم من الأسطوانات.

يجب مراقبة الضغط داخل المرجل باستخدام مقياس بخار مثبت في الكابينة. ويمكن للسائق أو مساعده تخفيف ضغط البخار يدويًا. إذا وصل الضغط إلى حد التشغيل التصميمي للمرجل، يُفتح صمام أمان تلقائيًا لخفض الضغط ^{[ 36 ]} وتجنب وقوع حادث كارثي.

يندفع بخار العادم من أسطوانات المحرك عبر فوهة موجهة لأعلى المدخنة في صندوق الدخان. ويسحب البخار معه غازات صندوق الدخان، مما يحافظ على ضغط أقل داخله مقارنةً بالضغط أسفل شبكة غرفة الاحتراق. ويؤدي فرق الضغط هذا إلى تدفق الهواء لأعلى عبر طبقة الفحم، مما يُبقي النار مشتعلة.

دفع البحث عن كفاءة حرارية أعلى من كفاءة غلاية الأنابيب النارية التقليدية مهندسين، مثل نايجل غريسلي ، إلى التفكير في غلاية الأنابيب المائية . ورغم أنه اختبر هذا المفهوم على قاطرة LNER من الفئة W1 ، إلا أن الصعوبات التي واجهها أثناء التطوير فاقت الرغبة في زيادة الكفاءة بهذه الطريقة.

لا يُستخدم البخار المتولد في المرجل لتحريك القاطرة فحسب، بل يُستخدم أيضًا لتشغيل أجهزة أخرى مثل صفارة الإنذار، وضاغط الهواء الخاص بالمكابح، ومضخة إعادة ملء المرجل بالماء، ونظام تدفئة عربة الركاب. ويتطلب الطلب المستمر على البخار إضافة الماء إلى المرجل بشكل دوري. يُخزن الماء في خزان داخل عربة القاطرة، أو يُلف حول المرجل في حالة القاطرة ذات الخزانات . وتتطلب إعادة ملء الخزانات توقفات دورية؛ وكان البديل هو تركيب مغرفة أسفل عربة القاطرة لجمع الماء أثناء مرور القطار فوق حوض تجميع المياه الموجود بين القضبان.

أثناء إنتاج القاطرة للبخار، تتم مراقبة كمية الماء في المرجل باستمرار من خلال فحص مستوى الماء في أنبوب شفاف، أو ما يُعرف بنافذة الرؤية. يتطلب التشغيل الفعال والآمن للمرجل الحفاظ على مستوى الماء بين الخطين المحددين على نافذة الرؤية. إذا ارتفع مستوى الماء أكثر من اللازم، ينخفض ​​إنتاج البخار، وتتراجع الكفاءة، ويتسرب الماء مع البخار إلى الأسطوانات، مما قد يُسبب تلفًا ميكانيكيًا. والأخطر من ذلك، إذا انخفض مستوى الماء أكثر من اللازم، تنكشف الصفيحة العلوية (الغطاء العلوي) لغرفة الاحتراق. وبدون وجود الماء فوق الصفيحة لنقل حرارة الاحتراق ، تلين الصفيحة وتتلف، مما يسمح بدخول بخار عالي الضغط إلى غرفة الاحتراق وكابينة القيادة. وقد ساهم تطوير السدادة القابلة للانصهار ، وهي جهاز حساس للحرارة، في ضمان تصريف مُتحكم به للبخار إلى غرفة الاحتراق لتنبيه عامل الإطفاء بضرورة إضافة الماء.

يتراكم الترسب الكلسي في المرجل، مما يعيق انتقال الحرارة بكفاءة، ويؤدي التآكل في نهاية المطاف إلى تدهور مواد المرجل لدرجة تستدعي إعادة بنائه أو استبداله. وقد يستغرق تشغيل محرك كبير ساعات من التسخين الأولي لمياه المرجل قبل توفر كمية كافية من البخار.

على الرغم من أن الغلاية توضع عادة بشكل أفقي، إلا أنه بالنسبة للقاطرات المصممة للعمل في مواقع ذات منحدرات شديدة، قد يكون من الأنسب النظر في استخدام غلاية رأسية أو غلاية مثبتة بحيث تظل الغلاية أفقية ولكن العجلات مائلة لتناسب ميل القضبان.

يملأ البخار المتولد في المرجل الحيز فوق الماء في المرجل المملوء جزئيًا. ويُحدَّد أقصى ضغط تشغيل له بواسطة صمامات أمان زنبركية. ثم يُجمَع إما في أنبوب مثقب مُثبَّت فوق مستوى الماء، أو بواسطة قبة غالبًا ما تحتوي على صمام منظم، أو صمام خانق، وظيفته التحكم في كمية البخار الخارج من المرجل. بعد ذلك، ينتقل البخار إما مباشرةً عبر أنبوب بخار إلى وحدة المحرك، أو قد يمر أولًا إلى المجمع الرطب للمُسخِّن الفائق ، الذي تتمثل وظيفته في تحسين الكفاءة الحرارية وإزالة قطرات الماء العالقة في "البخار المشبع"، وهي الحالة التي يخرج بها البخار من المرجل. عند خروجه من المُسخِّن الفائق، يخرج البخار من المجمع الجاف للمُسخِّن الفائق ويمر عبر أنبوب بخار، ليدخل إلى غرف البخار المجاورة لأسطوانات المحرك الترددي. يوجد داخل كل غرفة بخار صمام منزلق يوزع البخار عبر منافذ تربط غرفة البخار بنهايات حيز الأسطوانة. يتمثل دور الصمامات في شقين: إدخال كل جرعة جديدة من البخار، وإخراج البخار المستخدم بمجرد أن يؤدي وظيفته.

الأسطوانات مزدوجة الفعل، حيث يُضخ البخار إلى كل جانب من المكبس بالتناوب. في قاطرة ثنائية الأسطوانات، توجد أسطوانة على كل جانب من جوانب المركبة. يتم ضبط ذراعي التدوير بفارق طور 90 درجة. خلال دورة كاملة لعجلة القيادة، يوفر البخار أربع أشواط طاقة؛ حيث تتلقى كل أسطوانة حقنتين من البخار لكل دورة. يكون الشوط الأول أمام المكبس، والشوط الثاني خلفه؛ ومن هنا يأتي شوطا العمل. بالتالي، فإن ضخ البخار مرتين على كل وجه من أوجه المكبس في الأسطوانتين يُولد دورة كاملة لعجلة القيادة. يرتبط كل مكبس بمحور القيادة من كل جانب بواسطة ذراع توصيل، وترتبط عجلات القيادة معًا بواسطة أذرع توصيل لنقل الطاقة من عجلة القيادة الرئيسية إلى العجلات الأخرى. تجدر الإشارة إلى أنه عند نقطتي " المركز الميت "، عندما يكون ذراع التوصيل على نفس محور ذراع التدوير في عجلة القيادة، لا يُطبق ذراع التوصيل أي عزم دوران على العجلة. يضمن فرق الطور البالغ 90 درجة عدم حدوث ذلك لكليهما في نفس الوقت.

ينقل كل مكبس الطاقة عبر رأس متقاطع ، وذراع توصيل ( يُسمى الذراع الرئيسي في الولايات المتحدة)، ومحور مرفقي على عجلة القيادة ( يُسمى المحرك الرئيسي في الولايات المتحدة)، أو إلى مرفق على محور القيادة. تُتحكم حركة الصمامات في غرفة البخار بواسطة مجموعة من القضبان والوصلات تُسمى آلية الصمامات ، والتي يتم تشغيلها من محور القيادة أو من المحور المرفقي. تتضمن آلية الصمامات أجهزة تسمح بعكس اتجاه دوران المحرك، وضبط شوط الصمام، وتوقيت دخول وخروج البخار. تحدد نقطة القطع اللحظة التي يغلق فيها الصمام منفذ البخار، مما يؤدي إلى قطع دخول البخار، وبالتالي تحديد نسبة الشوط التي يدخل خلالها البخار إلى الأسطوانة؛ على سبيل المثال، يسمح قطع بنسبة 50% بدخول البخار لنصف شوط المكبس. أما النصف الآخر من الشوط فيُحركه ضغط البخار. يُؤدي الاستخدام الدقيق لنقطة القطع إلى ترشيد استهلاك البخار، وبالتالي تقليل استهلاك الوقود والماء. وبالتالي ، فإن ذراع عكس الاتجاه ( ذراع جونسون في الولايات المتحدة)، أو ذراع عكس الاتجاه اللولبي (إن وجد)، الذي يتحكم في قطع الوقود، يؤدي وظيفة مشابهة لوظيفة ناقل الحركة في السيارة - حيث يُستخدم أقصى قطع للوقود، مما يوفر أقصى قوة جر على حساب الكفاءة، للانطلاق من وضع التوقف التام، بينما يُستخدم قطع منخفض يصل إلى 10% عند القيادة بسرعة ثابتة، مما يوفر قوة جر أقل، وبالتالي استهلاكًا أقل للوقود/الماء. ^{[ 37 ]}

يُوجَّه بخار العادم إلى أعلى خارج القاطرة عبر المدخنة، بواسطة فوهة تُسمى أنبوب النفخ ، مُصدرًا صوت "النفخ" المألوف لقاطرة البخار. يُوضع أنبوب النفخ في نقطة استراتيجية داخل صندوق الدخان، حيث تمر عبره في الوقت نفسه غازات الاحتراق المسحوبة عبر المرجل والشبكة بفعل نفخة البخار. يُعدّ دمج تيارَي البخار وغازات العادم أمرًا بالغ الأهمية لكفاءة أي قاطرة بخارية، وتتطلب الأشكال الداخلية للمدخنة (أو، بدقة أكبر، جهاز القذف ) تصميمًا وضبطًا دقيقين. وقد كان هذا موضوع دراسات مكثفة من قِبل عدد من المهندسين (وغالبًا ما يتجاهله آخرون، ما يؤدي أحيانًا إلى عواقب وخيمة). ولأن قوة السحب تعتمد على ضغط العادم، فإن توصيل الطاقة وتوليدها يتكيفان تلقائيًا. ومن بين أمور أخرى، يجب تحقيق توازن بين الحصول على قوة سحب كافية للاحتراق، مع إعطاء غازات العادم والجسيمات وقتًا كافيًا للاحتراق. في الماضي، كان تيار الهواء القوي قادرًا على إزاحة النار عن الموقد، أو التسبب في انبعاث جزيئات وقود غير محترقة، وأوساخ، وملوثات، وهي أمور اشتهرت بها قاطرات البخار. علاوة على ذلك، فإن عملية ضخ العادم لها تأثير معاكس يتمثل في الضغط العكسي على جانب المكبس الذي يستقبل البخار، مما يقلل من قوة الأسطوانة بشكل طفيف. وقد أصبح تصميم قاذف العادم علمًا متخصصًا، حيث حقق مهندسون مثل شابيلون ، وجيزل، وبورتا تحسينات كبيرة في الكفاءة الحرارية، وخفضوا بشكل ملحوظ وقت الصيانة ^{[ 38 ]} والتلوث ^{[ 39 ]} . وقد استخدم بعض مصنعي جرارات البنزين/الكيروسين الأوائل ( أدفانس-روميلي / هارت-بار ) نظامًا مشابهًا، حيث كان يتم تصريف غاز العادم عبر برج تبريد، مما يسمح لعادم البخار بسحب المزيد من الهواء أمام المبرد.

تشمل مجموعة الحركة نظام الفرامل، ومجموعات العجلات ، ومحاور العجلات ، ونظام التعليق، وآليات الحركة التي تتضمن قضبان التوصيل وآلية الصمامات. يُعد نقل الطاقة من المكابس إلى القضبان، وسلوك القاطرة كمركبة، وقدرتها على اجتياز المنحنيات والنقاط والتضاريس غير المنتظمة في السكة، أمرًا بالغ الأهمية. نظرًا لأنه يجب تطبيق الطاقة الترددية مباشرةً على السكة بدءًا من الصفر  دورة في الدقيقة، فإن هذا يخلق مشكلة التصاق عجلات القيادة بسطح السكة الأملس. يُعرف وزن الالتصاق بأنه جزء من وزن القاطرة الذي يتحمله عجلات القيادة. ويزداد هذا الوزن فعاليةً إذا تمكن زوج من عجلات القيادة من الاستفادة القصوى من حمولة محوره، أي حصته الفردية من وزن الالتصاق. غالبًا ما اعتُبرت العوارض المتوازنة التي تربط نهايات النوابض الورقية تعقيدًا في بريطانيا، ومع ذلك، فإن القاطرات المجهزة بهذه العوارض عادةً ما تكون أقل عرضة لفقدان الجر بسبب انزلاق العجلات. كان نظام التعليق باستخدام أذرع معادلة بين محاور القيادة، وبين محاور القيادة والعربات، ممارسة قياسية في قاطرات أمريكا الشمالية للحفاظ على أحمال العجلات متساوية عند التشغيل على مسار غير مستوٍ.

تفتقر القاطرات ذات التماسك الكامل، حيث تكون جميع العجلات متصلة ببعضها، إلى الثبات عند السرعات العالية. ولمعالجة هذه المشكلة، تُزود القاطرات عادةً بعجلات حمل غير مُحركة مثبتة على عربات ثنائية العجلات أو عربات رباعية العجلات ، تتوسطها نوابض/أذرع متأرجحة مقلوبة/بكرات مسننة، مما يساعد على توجيه القاطرة عند المنعطفات. وعادةً ما تتحمل هذه العجلات وزن الأسطوانات الأمامية أو صندوق الاحتراق الخلفي عندما يتجاوز عرضها عرض الهيكل الرئيسي. أما القاطرات ذات العجلات المتعددة المتصلة على هيكل صلب، فتُعاني من قوى غير مقبولة على حواف العجلات عند المنعطفات الضيقة، مما يؤدي إلى تآكل مفرط للحواف والسكك الحديدية، وتباعد القضبان، وخروج القاطرة عن القضبان نتيجة صعود العجلات. وكان أحد الحلول إزالة أو ترقيق حواف المحور. أما الحل الأكثر شيوعًا، فهو منح المحاور خلوصًا محوريًا واستخدام نظام تحكم في الحركة الجانبية باستخدام نوابض أو أجهزة جاذبية ذات مستوى مائل.

فضّلت شركات السكك الحديدية عمومًا القاطرات ذات المحاور الأقل لتقليل تكاليف الصيانة. وكان عدد المحاور المطلوبة يُحدد بناءً على أقصى حمولة محورية لخط السكة الحديدية المعني. وكان المصنّع يُضيف المحاور عادةً حتى يصبح أقصى وزن على أي محور مقبولًا ضمن أقصى حمولة محورية لخط السكة الحديدية. تُعتبر القاطرة ذات ترتيب العجلات المكون من محورين أماميين، ومحورين دافعين، ومحور خلفي واحد، قاطرة عالية السرعة. وكان وجود محورين أماميين ضروريًا للحصول على تتبع جيد عند السرعات العالية. وكان للمحورين الدافعين كتلة ترددية أقل من ثلاثة أو أربعة أو خمسة أو ستة محاور متصلة. وبالتالي، كانت قادرة على الدوران بسرعات عالية جدًا نظرًا لانخفاض الكتلة الترددية. وكان المحور الخلفي قادرًا على دعم صندوق احتراق ضخم، ولذلك سُميت معظم القاطرات ذات ترتيب العجلات 4-4-2 (النوع الأمريكي أتلانتيك) بالقاطرات البخارية الحرة، وكانت قادرة على الحفاظ على ضغط البخار بغض النظر عن وضع الخانق.

الهيكل، أو إطار القاطرة ، هو البنية الأساسية التي تُركّب عليها المرجل، والتي تتضمن مختلف عناصر نظام الحركة. يُثبّت المرجل بإحكام على "سرج" أسفل صندوق الدخان وأمام أسطوانة المرجل، بينما يُسمح لصندوق الاحتراق الخلفي بالانزلاق للأمام والخلف للسماح بالتمدد عند ارتفاع درجة حرارته.

تستخدم القاطرات الأوروبية عادةً "إطارات صفائحية"، حيث تُشكّل صفيحتان مسطحتان رأسيتان الهيكل الرئيسي، مع مجموعة متنوعة من الفواصل وعارضة عازلة في كل طرف لتشكيل بنية صلبة. عند تركيب الأسطوانات الداخلية بين الإطارات، تُصبح الإطارات الصفائحية قطعة واحدة كبيرة مصبوبة تُشكّل عنصر دعم رئيسي. تنزلق صناديق المحاور لأعلى ولأسفل لتوفير بعض التعليق الزنبركي، مقابل عوارض سميكة متصلة بالإطار، تُسمى "كتل التثبيت". ^{[ 40 ]}

كان النهج الأمريكي لسنوات عديدة هو استخدام هياكل قضبان مركبة، مع دمج هيكل صندوق الدخان/الأسطوانة وعارضة السحب فيها. في عشرينيات القرن العشرين، ومع ظهور "القوة العظمى"، أصبح هيكل القاطرة المصنوع من الفولاذ المصبوب هو المعيار، حيث يضم هياكل، وحوامل زنبركية، وأقواس حركة، وهيكل صندوق الدخان، وكتل الأسطوانات في قطعة واحدة معقدة ومتينة ولكنها ثقيلة. وقد أسفرت دراسة تصميمية أجرتها شركة السكك الحديدية الوطنية السويسرية (SNCF) باستخدام هياكل أنبوبية ملحومة عن هيكل صلب مع تخفيض في الوزن بنسبة 30%. ^{[ 41 ]}

عمومًا، تُربط أكبر القاطرات بشكل دائم بعربة وقود تحمل الماء والوقود. غالبًا ما لا تحتوي القاطرات التي تعمل لمسافات أقصر على عربة وقود، بل تحمل الوقود في مخزن، بينما يُخزن الماء في خزانات بجوار المرجل. يمكن أن تكون الخزانات بأشكال مختلفة، منها خزانان متجاوران ( خزانات جانبية )، أو خزان واحد في الأعلى ( خزان علوي )، أو خزان واحد بين الهيكلين ( خزان مركزي ).

كان نوع الوقود المستخدم يعتمد على ما هو متاح اقتصاديًا لخطوط السكك الحديدية. ففي المملكة المتحدة وأجزاء أخرى من أوروبا، جعلت وفرة إمدادات الفحم منه الخيار الأمثل منذ بدايات استخدام المحركات البخارية. وحتى عام 1870، ^{[ 42 ]} كانت غالبية القاطرات في الولايات المتحدة تعمل بالخشب، ولكن مع إزالة الغابات الشرقية، ازداد استخدام الفحم تدريجيًا حتى أصبح الوقود السائد عالميًا في القاطرات البخارية. وكانت خطوط السكك الحديدية التي تخدم مزارع قصب السكر تستخدم تفل قصب السكر ، وهو منتج ثانوي لتكرير السكر. وفي الولايات المتحدة، جعل توفر النفط وانخفاض سعره منه وقودًا شائعًا للقاطرات البخارية بعد عام 1900 لخطوط السكك الحديدية الجنوبية الغربية، وخاصة خط سكة حديد المحيط الهادئ الجنوبي. وفي ولاية فيكتوريا الأسترالية، تم تحويل العديد من القاطرات البخارية للعمل بالزيت الثقيل بعد الحرب العالمية الثانية. كما جربت خطوط السكك الحديدية الألمانية والروسية والأسترالية والبريطانية استخدام غبار الفحم لتشغيل القاطرات.

خلال الحرب العالمية الثانية، تم تعديل عدد من قاطرات المناورة البخارية السويسرية لاستخدام غلايات تعمل بالكهرباء، مستهلكةً حوالي 480  كيلوواط من الطاقة المجمعة من خط علوي بواسطة جامع التيار . كانت هذه القاطرات أقل كفاءة بشكل ملحوظ من القاطرات الكهربائية ؛ وقد استُخدمت لأن سويسرا كانت تعاني من نقص في الفحم بسبب الحرب، لكنها كانت تتمتع بوفرة في الطاقة الكهرومائية . ^{[ 43 ]}

استخدمت العديد من خطوط السكك الحديدية السياحية والقاطرات التراثية في سويسرا والأرجنتين وأستراليا زيت الديزل الخفيف. ^{[ 44 ]}

كان يتم تزويد محطات التوقف ومستودعات القاطرات بالمياه من برج مياه مخصص متصل برافعات أو جسور مائية. في المملكة المتحدة والولايات المتحدة وفرنسا، وُضعت أحواض مياه ( أحواض مسارات في الولايات المتحدة) على بعض الخطوط الرئيسية لتمكين القاطرات من إعادة ملء خزاناتها المائية دون توقف، وذلك من مياه الأمطار أو ذوبان الثلوج التي تملأ الحوض بسبب سوء الأحوال الجوية. وقد تحقق ذلك باستخدام "مغرفة مياه" قابلة للسحب مثبتة أسفل العربة الخلفية أو خزان المياه الخلفي في حالة القاطرة الكبيرة؛ حيث يقوم عامل الإطفاء بإنزال المغرفة عن بُعد في الحوض، فتدفع سرعة القاطرة الماء إلى الخزان، ثم تُرفع المغرفة مرة أخرى عند امتلائه.

الماء ضروري لتشغيل قاطرة البخار. كما أوضح سوينجل:

يتميز الماء بأعلى سعة حرارية نوعية بين جميع المواد الشائعة؛ أي أنه يخزن طاقة حرارية أكبر عند تسخينه إلى درجة حرارة معينة مقارنةً بتسخين كتلة مماثلة من الفولاذ أو النحاس إلى نفس درجة الحرارة. إضافةً إلى ذلك، فإن خاصية التبخر (تكوين البخار) تخزن طاقة إضافية دون زيادة درجة الحرارة... يُعد الماء وسطًا مثاليًا لتحويل الطاقة الحرارية للوقود إلى طاقة ميكانيكية. ^{[ 45 ]}

أشار سوينجل إلى أنه "عند درجات حرارة منخفضة وإنتاجية غلايات منخفضة نسبيًا"، كان استخدام مياه جيدة وتنظيف الغلاية بانتظام ممارسة مقبولة، على الرغم من ارتفاع تكلفة هذه الصيانة. مع ذلك، ومع ازدياد ضغط البخار، ظهرت مشكلة "الرغوة" أو "التسخين المسبق" في الغلاية، حيث تشكلت فقاعات صلبة من المواد الصلبة الذائبة في الماء داخل الغلاية، والتي بدورها انتقلت إلى أنابيب البخار وقد تتسبب في انفصال رؤوس الأسطوانات. وللتغلب على هذه المشكلة، كان يتم تصريف المياه الساخنة المركزة بالمعادن عمدًا (نفخها) من الغلاية بشكل دوري. تطلبت ضغوط البخار العالية تصريفًا أكبر للمياه من الغلاية. يهاجم الأكسجين الناتج عن غليان الماء الغلاية، ومع ازدياد ضغط البخار، يزداد معدل الصدأ (أكسيد الحديد) المتولد داخلها. إحدى طرق المساعدة في التغلب على هذه المشكلة هي معالجة المياه. اقترح سوينجل أن هذه المشاكل ساهمت في الاهتمام بكهربة السكك الحديدية. ^{[ 45 ]}

في سبعينيات القرن الماضي، طورت شركة إل دي بورتا نظامًا متطورًا لمعالجة المياه كيميائيًا ( معالجة بورتا ) لا يقتصر دوره على الحفاظ على نظافة الجزء الداخلي للغلاية ومنع التآكل فحسب، بل يُعدّل الرغوة بطريقة تُشكّل "طبقة" كثيفة على سطح الماء تعمل على ترشيح البخار أثناء إنتاجه، مما يحافظ على نقائه ويمنع انتقاله إلى أسطوانات الماء والمواد الكاشطة العالقة. ^{[ 46 ] [ 47 ]}

تم تشغيل بعض قاطرات البخار بوقود بديل مثل زيت الطهي المستعمل ، كما هو الحال في قاطرات سكة حديد جراند كانيون 4960 و 29 و US Sugar 148 وقاطرات سكة حديد ديزني لاند . ^{[ 48 ] [ 49 ] [ 50 ] [ 51 ] [ 52 ] [ 53 ] [ 54 ]}

تُتحكم قاطرة البخار عادةً من الجزء الخلفي للغلاية ، ويحمي كابينة القيادة الطاقم من العوامل الجوية. ويتطلب تشغيل قاطرة البخار عادةً طاقمًا من شخصين على الأقل. أحدهما، سائق القطار أو المهندس (في أمريكا الشمالية) ، مسؤول عن التحكم في بدء تشغيل القاطرة وإيقافها وسرعتها، والآخر، وهو مساعد السائق، مسؤول عن الحفاظ على النار، وتنظيم ضغط البخار، ومراقبة مستويات المياه في الغلاية وخزان الوقود. ونظرًا للفقدان التاريخي للبنية التحتية التشغيلية والموظفين، غالبًا ما يكون لقاطرات البخار المحفوظة التي تعمل على الخطوط الرئيسية طاقم دعم يرافق القطار.

يجب تزويد المرجل بالماء ( ماء التغذية ) لتعويض البخار المتصاعد بعد شوط التشغيل. ولأن المرجل يكون تحت ضغط أثناء التشغيل، يجب ضخ ماء التغذية إليه بضغط أعلى من ضغط البخار، مما يستلزم استخدام مضخة. كانت المضخات اليدوية كافية للقاطرات الأولى. أما القاطرات اللاحقة، فاستخدمت مضخات تعمل بحركة المكابس (مضخات المحور)، والتي كانت سهلة التشغيل وموثوقة وقادرة على ضخ كميات كبيرة من الماء، ولكنها كانت تعمل فقط أثناء حركة القاطرة، وقد تُحمّل آلية الصمامات وقضبان المكابس فوق طاقتها عند السرعات العالية. لاحقًا، استُبدلت المضخة بحاقنات البخار ، بينما تحولت بعض القاطرات إلى المضخات التوربينية . تطورت الممارسة القياسية لاستخدام نظامين مستقلين لتغذية المرجل بالماء؛ إما حاقنان للبخار، أو في التصاميم الأكثر تحفظًا، مضخات المحور عند التشغيل بسرعة الخدمة، وحاقن بخار لملء المرجل عند التوقف أو عند السرعات المنخفضة. بحلول القرن العشرين، كانت جميع القاطرات الجديدة تقريبًا تستخدم حاقنات البخار فقط - غالبًا ما كان أحد الحاقنات يُزود بالبخار "الحي" مباشرة من المرجل نفسه، بينما يستخدم الآخر بخار العادم من أسطوانات القاطرة، وهو ما كان أكثر كفاءة (لأنه يستغل البخار الذي كان سيُهدر لولا ذلك)، ولكن لم يكن بالإمكان استخدامه إلا عندما تكون القاطرة متحركة ويكون منظم الضغط مفتوحًا. أصبحت الحاقنات غير موثوقة إذا كانت مياه التغذية في درجة حرارة عالية، لذلك استخدمت القاطرات المزودة بسخانات مياه التغذية، وقاطرات الخزانات التي تكون خزاناتها متصلة بالمرجل، وقاطرات التكثيف، مضخات بخار ترددية أو مضخات توربينية في بعض الأحيان.

تُظهر الأنابيب الزجاجية العمودية، المعروفة بمقاييس الماء أو أكواب الماء، مستوى الماء في المرجل، وتُراقَب بدقة طوال فترة تشغيل المرجل. قبل سبعينيات القرن التاسع عشر، كان من الشائع تركيب سلسلة من صمامات التحكم في المرجل في متناول الطاقم؛ وكان كل صمام (اثنان على الأقل، وثلاثة في الغالب) مُثبَّتًا على مستوى مختلف. ومن خلال فتح كل صمام ومراقبة خروج البخار أو الماء، يُمكن تقدير مستوى الماء في المرجل بدقة محدودة. مع ازدياد ضغط المرجل، أصبح استخدام صمامات التحكم أكثر خطورة، وأصبحت الصمامات عُرضة للانسداد بالترسبات أو الرواسب، مما يُعطي قراءات خاطئة. هذا ما أدى إلى استبدالها بزجاج الرؤية. وكما هو الحال مع الحاقنات، كان يتم عادةً تركيب زجاجتين بوصلات منفصلة لتوفير قراءات مستقلة.

يُطلق على عزل الأنابيب والغلايات مصطلح "العزل" ^{[ 55 ]} ، وهو مصطلح مشتق من مصطلح يستخدمه صانعو البراميل للإشارة إلى لوح البرميل الخشبي . ^{[ 56 ]} استخدمت اثنتان من أوائل قاطرات البخار عزلًا خشبيًا لغلاياتهما: قاطرة سالامانكا ، أول قاطرة بخارية ناجحة تجاريًا، والتي بُنيت عام 1812، ^{[ 5 ]} وقاطرة لوكوموشن رقم 1 ، أول قاطرة بخارية تنقل الركاب على خط سكة حديد عام. تُهدر كميات كبيرة من الحرارة إذا لم تكن الغلاية معزولة. استخدمت القاطرات المبكرة ألواحًا خشبية مُشكّلة، تُركّب طوليًا على طول أسطوانة الغلاية، وتُثبّت في مكانها بواسطة حلقات أو أشرطة معدنية، وهذه المصطلحات والأساليب مُستمدة من صناعة البراميل .

شملت طرق العزل المحسّنة استخدام معجون سميك يحتوي على معدن مسامي مثل الكيزلغور ، أو تثبيت كتل مُشكّلة من مركبات عازلة مثل كتل المغنيسيا . ^{[ 57 ]} في أواخر عصر البخار، كانت تُثبّت "فرش" من قماش الأسبستوس المخيط والمحشو بألياف الأسبستوس على المرجل، على فواصل بحيث لا تلامس المرجل تمامًا. مع ذلك، يُحظر استخدام الأسبستوس حاليًا في معظم البلدان لأسباب صحية. أما المادة الأكثر شيوعًا في العصر الحديث فهي الصوف الزجاجي ، أو أغلفة من رقائق الألومنيوم.

يتم حماية العازل بواسطة غلاف معدني محكم التركيب ^{[ 58 ]} يُعرف باسم ملابس الغلاية أو التغطية.

يُعدّ العزل الفعال بالغ الأهمية، لا سيما في القاطرات عديمة الاحتراق ؛ إلا أنه في الآونة الأخيرة، وتحت تأثير إل دي بورتا، شاع استخدام عزل "مبالغ فيه" لجميع أنواع القاطرات على جميع الأسطح المعرضة لتبديد الحرارة، مثل نهايات الأسطوانات والوصلات بين الأسطوانات والهياكل الرئيسية. ويؤدي هذا إلى تقليل وقت تسخين المحرك بشكل ملحوظ، مع زيادة كبيرة في الكفاءة الإجمالية.

زُوِّدت القاطرات الأولى بصمام يُتحكَّم فيه بواسطة ثقل مُعلَّق من نهاية ذراع، وكان مخرج البخار يُغلق بواسطة صمام مخروطي الشكل. ولعدم وجود ما يمنع الذراع المُثقَّل من الارتداد عند مرور القاطرة فوق تضاريس السكة، مما يُؤدي إلى هدر البخار، استُبدل الثقل لاحقًا بعمود زنبركي أكثر استقرارًا، غالبًا ما كانت تُورِّده شركة سالتر، وهي شركة معروفة بتصنيع موازين الزنبرك . يكمن خطر هذه الأجهزة في إمكانية إغراء طاقم القيادة بإضافة ثقل إلى الذراع لزيادة الضغط. زُوِّدت معظم الغلايات الأولى بصمام كروي مُحمَّل مباشرة ومُحكم الإغلاق، ومحمي بغطاء. في أواخر خمسينيات القرن التاسع عشر، قدَّم جون رامسبوتوم صمام أمان لاقى رواجًا في بريطانيا خلال النصف الثاني من القرن التاسع عشر. لم يكن هذا الصمام مُحكم الإغلاق فحسب، بل إن أي عبث من قِبَل السائق لن يُؤدي إلا إلى تخفيف الضغط. كان صمام الأمان الذي ابتكره جورج ريتشاردسون اختراعًا أمريكيًا طُرح عام 1875، ^{[ 59 ]} وقد صُمم لإطلاق البخار فقط عند بلوغ الضغط الحد الأقصى المسموح به. ويُستخدم هذا النوع من الصمامات على نطاق واسع في الوقت الحاضر. وكانت شركة السكك الحديدية البريطانية "غريت ويسترن" استثناءً بارزًا لهذه القاعدة، إذ احتفظت بالنوع ذي التحميل المباشر حتى نهاية وجودها المستقل، لاعتقادها بأن هذا النوع من الصمامات يفقد ضغطًا أقل بين الفتح والإغلاق.

لم تكن القاطرات الأولى تُظهر ضغط البخار في المرجل، ولكن كان من الممكن تقديره من خلال موضع ذراع صمام الأمان الذي كان يمتد غالبًا إلى اللوحة الخلفية لغرفة الاحتراق؛ وكانت التدريجات ​​الموجودة على عمود الزنبرك تُعطي مؤشرًا تقريبيًا للضغط الفعلي. حثّ منظمو تجارب رينهيل كل متسابق على امتلاك آلية مناسبة لقراءة ضغط المرجل، فابتكر ستيفنسون أنبوبًا رأسيًا من الزئبق بطول تسعة أقدام مزودًا بنافذة رؤية في الأعلى، مثبتًا بجانب المدخنة، لقاطرته " روكيت" . تم تقديم مقياس أنبوب بوردون ، الذي يقوم فيه الضغط بتقويم أنبوب ملفوف بيضاوي المقطع مصنوع من النحاس أو البرونز ومتصل بمؤشر، في عام 1849، وسرعان ما لاقى قبولًا واسعًا، ولا يزال يُستخدم حتى اليوم. ^{[ 60 ]} تحتوي بعض القاطرات على مقياس ضغط إضافي في صندوق البخار. يساعد هذا المقياس السائق على تجنب انزلاق العجلات عند بدء التشغيل، من خلال التنبيه إذا كانت فتحة منظم الضغط كبيرة جدًا.

مانع شرر وصندوق دخان ذاتي التنظيف

تُصدر مواقد الحطب كميات كبيرة من الشرر المتطاير، مما يستلزم وجود جهاز فعال لكبح الشرر، يُوضع عادةً داخل المدخنة. وقد تم تركيب أنواع عديدة من هذه الأجهزة، ^{[ 61 ]} وكان النوع الأكثر شيوعًا في البداية هو مدخنة بونيه، التي تتضمن عاكسًا مخروطي الشكل موضوعًا أمام فتحة أنبوب المدخنة، وشبكة سلكية تغطي مخرج المدخنة العريض. أما التصميم الأكثر كفاءة فهو مدخنة رادلي وهنتر الطاردة المركزية، الحاصلة على براءة اختراع عام 1850 (والمعروفة باسم المدخنة الماسية)، والتي تتضمن حواجز موجهة بطريقة تُحدث دوامة في الحجرة، مما يُساعد الجمر على الاحتراق حتى النهاية والسقوط إلى القاع على شكل رماد. في صندوق الدخان ذاتي التنظيف، تم تحقيق تأثير معاكس: فبفضل السماح لغازات الاحتراق بالاصطدام بسلسلة من ألواح الانحراف، المائلة بزاوية لا تعيق قوة الانفجار، تتفتت الجزيئات الكبيرة إلى قطع صغيرة تُقذف مع الانفجار، بدلاً من أن تستقر في قاع صندوق الدخان ليتم إزالتها يدويًا في نهاية التشغيل. وكما هو الحال مع مانع اللهب، تم دمج شبكة لحجز أي جمرات كبيرة. ^{[ 62 ]}

كانت قاطرات السكك الحديدية البريطانية من الفئات القياسية المزودة بصناديق دخان ذاتية التنظيف تُعرف بلوحة بيضاوية صغيرة مصبوبة تحمل علامة "SC"، مثبتة أسفل باب صندوق الدخان. تطلبت هذه القاطرات إجراءات تخلص مختلفة، وقد أبرزت اللوحة هذه الحاجة لموظفي المستودع.

من العوامل التي تحدّ من أداء القاطرات معدل تغذية الوقود في النار. ففي أوائل القرن العشرين، أصبحت بعض القاطرات ضخمة لدرجة أن عامل الإشعال لم يكن قادراً على تجريف الفحم بالسرعة الكافية. ^{[ 58 ]} وفي الولايات المتحدة، أصبحت أنواع مختلفة من أجهزة إشعال الفحم الميكانيكية التي تعمل بالبخار من المعدات القياسية، وتم اعتمادها واستخدامها في أماكن أخرى، بما في ذلك أستراليا وجنوب إفريقيا.

يؤدي إدخال الماء البارد إلى المرجل إلى تقليل الطاقة، ومنذ عشرينيات القرن الماضي، تم دمج أنواع مختلفة من السخانات . كان النوع الأكثر شيوعًا في القاطرات هو سخان مياه تغذية بخار العادم، الذي ينقل جزءًا من غازات العادم عبر خزانات صغيرة مثبتة أعلى المرجل أو صندوق الدخان أو إلى خزان العربة الملحقة؛ ثم يتم توصيل الماء الدافئ إلى المرجل بواسطة مضخة بخار مساعدة صغيرة. أما النوع النادر الموفر للطاقة، فقد اختلف في أنه يستخلص الحرارة المتبقية من غازات العادم. ومن الأمثلة على ذلك أسطوانة التسخين المسبق الموجودة في مرجل فرانكو-كروستي .

يُسهم استخدام حاقنات البخار الحي وبخار العادم في التسخين المسبق لمياه تغذية الغلاية بدرجة طفيفة، مع العلم أنه لا توجد ميزة إضافية من حيث الكفاءة لحاقنات البخار الحي. كما يُقلل هذا التسخين المسبق من الصدمة الحرارية التي قد تتعرض لها الغلاية عند إدخال الماء البارد مباشرةً. ويُعزز ذلك نظام التغذية العلوي، حيث يُضخ الماء إلى أعلى جزء من الغلاية ويُترك ليتدفق ببطء على سلسلة من الصواني. وقد قام جورج جاكسون تشورتشوارد بتركيب هذا النظام في الجزء العلوي من غلاياته المخروطية عديمة القبة. كما قامت خطوط سكك حديدية بريطانية أخرى، مثل خط سكة حديد لندن وبرايتون والساحل الجنوبي، بتجهيز بعض القاطرات بنظام التغذية العلوي داخل قبة منفصلة أمام القبة الرئيسية.

تستهلك قاطرات البخار كميات هائلة من الماء لأنها تعمل بدورة مفتوحة، حيث تُطلق بخارها مباشرةً بعد كل استخدام بدلاً من إعادة تدويره في حلقة مغلقة كما هو الحال في محركات البخار الثابتة والبحرية . كان الماء يُمثل مشكلة لوجستية مستمرة، ولذلك صُممت محركات التكثيف للاستخدام في المناطق الصحراوية. احتوت هذه المحركات على مشعات ضخمة في خزانات الوقود، وبدلاً من إطلاق البخار من المدخنة، كان يُجمع ويُعاد إلى خزان الوقود ويُكثف. أُزيل زيت تزييت الأسطوانات من البخار المُطلق لتجنب ظاهرة تُعرف باسم "التحضير"، وهي حالة ناتجة عن تكوّن رغوة في المرجل، مما يسمح بدخول الماء إلى الأسطوانات مُسبباً تلفاً بسبب عدم انضغاطه. عملت أبرز المحركات التي تستخدم المكثفات (الفئة 25، "القاطرات التي لا تُطلق الرغوة أبداً" ^{[ 63 ]} ) عبر صحراء كارو في جنوب إفريقيا من خمسينيات القرن العشرين حتى ثمانينياته.

زُوِّدت بعض القاطرات البريطانية والأمريكية بمغارف لجمع المياه من "أحواض المياه" ( أحواض السكك الحديدية في الولايات المتحدة) أثناء سيرها، ما يُجنِّبها التوقف للتزود بالماء. في الولايات المتحدة، غالبًا ما كانت المجتمعات الصغيرة تفتقر إلى مرافق إعادة التعبئة. في بدايات السكك الحديدية، كان الطاقم يتوقف ببساطة بجوار جدول ماء ويملأ خزان المياه باستخدام دلاء جلدية. عُرف هذا الأسلوب بـ"التزود بالماء المتقطع"، وأدى إلى ظهور مصطلح "مدن المياه المتقطعة" (وهو مصطلح يُعتبر اليوم ازدرائيًا). ^{[ 64 ]} في أستراليا وجنوب إفريقيا، كانت القاطرات في المناطق الجافة تعمل بخزانات مياه كبيرة الحجم، بل إن بعضها كان مزودًا بعربة مياه إضافية، تُسمى أحيانًا "مقصفًا" أو في أستراليا (خاصة في نيو ساوث ويلز) "مخزنًا للمياه".

زُوِّدت قاطرات البخار العاملة على خطوط السكك الحديدية تحت الأرض (مثل خط متروبوليتان في لندن) بأجهزة تكثيف لمنع تسرب البخار إلى أنفاق السكك الحديدية. وظلت هذه القاطرات تُستخدم بين محطتي كينغز كروس ومورغيت حتى أوائل الستينيات.

عادةً ما تمتلك قاطرات البخار نظام فرامل خاص بها، مستقل عن باقي القطار. تستخدم فرامل القاطرة أحذية كبيرة تضغط على مداسات عجلات القيادة. وقد تكون هذه الفرامل هوائية أو بخارية . بالإضافة إلى ذلك، تحتوي القاطرات دائمًا تقريبًا على فرامل يدوية لتثبيت القاطرة في مكانها عند انقطاع ضغط البخار لتشغيل أنظمة الفرامل الأخرى.

نظراً لمحدودية قوة الكبح التي توفرها مكابح القاطرة فقط، زُوِّدت العديد من قاطرات البخار بمكابح قطار. وكانت هذه المكابح نوعين رئيسيين: مكابح هوائية ومكابح تعمل بالشفط . وقد مكّنت هذه المكابح السائق من التحكم في مكابح جميع عربات القطار.

تستخدم مكابح الهواء، التي اخترعها جورج وستنجهاوس ، ضاغط هواء يعمل بالبخار مثبت على جانب المرجل لتوليد الهواء المضغوط اللازم لتشغيل نظام المكابح. ^{[ 65 ]} كانت مكابح الهواء هي الشكل السائد لكبح القطارات في معظم البلدان خلال عصر البخار.

كان المنافس الرئيسي لفرامل الهواء هو فرامل التفريغ ، حيث يُركّب قاذف يعمل بالبخار على المحرك بدلاً من مضخة الهواء، لتوليد الفراغ اللازم لتشغيل نظام الفرامل. ويُستخدم قاذف ثانوي أو مضخة تفريغ ذات رأس متقاطع للحفاظ على الفراغ في النظام ضد التسريبات الصغيرة في وصلات الأنابيب بين العربات. وكانت فرامل التفريغ هي الشكل السائد لكبح القطارات في المملكة المتحدة والدول التي تبنت ممارساتها، مثل الهند وجنوب إفريقيا ، خلال عصر البخار.

تُجهز قاطرات البخار بصناديق رملية يُمكن من خلالها وضع الرمل على سطح السكة لتحسين قوة الجر والكبح في الطقس الرطب أو الجليدي. في القاطرات الأمريكية، تُركّب الصناديق الرملية، أو قباب الرمل، عادةً فوق المرجل. أما في بريطانيا، فإن محدودية عرض السكة تحول دون ذلك، لذا تُركّب الصناديق الرملية أعلى أو أسفل لوحة التشغيل مباشرةً.

كانت مكابس وصمامات القاطرات الأولى تُشحّم بواسطة سائقيها عن طريق إسقاط قطعة من الشحم في أنبوب العادم . وسرعان ما طُوّرت طرق أكثر تطورًا لتوصيل هذه المادة. يلتصق الشحم جيدًا بجدران الأسطوانات، وهو أكثر فعالية من الزيت المعدني في مقاومة تأثير الماء. ولا يزال مكونًا أساسيًا في تركيبات زيوت أسطوانات قاطرات البخار الحديثة. ^{[ 66 ] [ 67 ] [ 68 ]}

مع ازدياد السرعات والمسافات، طُوّرت آليات لحقن زيت معدني كثيف في نظام إمداد البخار. أول هذه الآليات، وهو مُشحِّم الإزاحة المُثبَّت في كابينة القيادة، يستخدم تيارًا مُتحكَّمًا به من البخار يتكثَّف في وعاء مُحكم الإغلاق مملوء بالزيت. يُزيح الماء الناتج عن البخار المُتكثِّف الزيت إلى داخل الأنابيب. عادةً ما يُزوَّد الجهاز بنوافذ مراقبة للتأكد من معدل الإمداد. أما الطريقة اللاحقة فتستخدم مضخة ميكانيكية تعمل من أحد رؤوس التوصيل . في كلتا الحالتين، يتناسب إمداد الزيت طرديًا مع سرعة القاطرة.

تعتمد عملية تزييت مكونات الهيكل (محامل المحاور، وكتل التثبيت، ومحاور العربات) على الخاصية الشعرية : حيث تُسحب قصاصات خيوط الصوف من خزانات الزيت إلى الأنابيب المؤدية إلى المكون المعني. ^{[ 69 ]} يُتحكم في معدل تدفق الزيت بحجم حزمة الخيوط وليس بسرعة القاطرة، لذا من الضروري إزالة القصاصات (المثبتة على سلك) عند توقف القطار. مع ذلك، عند التوقفات الدورية (مثل رصيف محطة الوصول)، قد يظل تسرب الزيت إلى السكة مشكلة.

تحتوي محامل عمود المرفق ومحامل رأس التوصيل على خزانات صغيرة على شكل أكواب للزيت. تتصل هذه الخزانات بأنابيب تغذية تصل إلى سطح المحمل، وتبدأ هذه الأنابيب من مستوى أعلى من مستوى التعبئة الطبيعي، أو تُغلق بواسطة دبوس غير محكم، بحيث لا يدخل الزيت إلا عند تحرك القاطرة. في المملكة المتحدة، تُغلق هذه الخزانات بسدادات فلين بسيطة، ولكن يُمرر من خلالها قطعة من قصب مسامي للسماح بدخول الهواء. من المعتاد وضع كبسولة صغيرة من زيت ذي رائحة نفاذة (كاليانسون أو الثوم) داخل معدن المحمل للتنبيه في حال فشل التزييت وحدوث ارتفاع مفرط في درجة الحرارة أو تآكل. ^{[ 70 ]}

عندما تعمل القاطرة، يُولّد بخار العادم الموجّه إلى أعلى المدخنة عبر أنبوب النفخ تيارًا هوائيًا على النار. وبدون هذا التيار، تخبو النار بسرعة وينخفض ​​ضغط البخار. وعندما تتوقف القاطرة، أو تسير بانسيابية مع إغلاق منظم الضغط، لا يوجد بخار عادم لتوليد تيار هوائي، لذا يُحافظ على هذا التيار بواسطة منفاخ. وهو عبارة عن حلقة تُوضع إما حول قاعدة المدخنة أو حول فتحة أنبوب النفخ، وتحتوي على عدة فوهات بخار صغيرة موجهة إلى أعلى المدخنة. تُغذّى هذه الفوهات بالبخار مباشرةً من المرجل، ويتم التحكم بها بواسطة صمام المنفاخ. عندما يكون منظم الضغط مفتوحًا، يكون صمام المنفاخ مغلقًا؛ وعندما ينوي السائق إغلاق منظم الضغط، يقوم أولًا بفتح صمام المنفاخ. من المهم فتح المنفاخ قبل إغلاق منظم الضغط، لأنه بدون تيار هواء كافٍ للنار، قد يحدث ارتداد للهواء - حيث يندفع الهواء الجوي إلى أسفل المدخنة، مما يؤدي إلى انعكاس تدفق الغازات الساخنة عبر أنابيب الغلاية، وبالتالي اندفاع اللهب نفسه عبر فتحة النار إلى منصة القيادة، مما قد يُعرّض الطاقم لخطر جسيم. يزداد خطر الارتداد عند دخول القاطرة نفقًا بسبب صدمة الضغط. يُستخدم المنفاخ أيضًا لتوفير تيار هواء عند رفع مستوى البخار في بداية تشغيل القاطرة، وفي أي وقت يحتاج فيه السائق إلى زيادة تيار الهواء للنار، ولإزالة الدخان من مجال رؤيته. ^{[ 71 ]}

كانت حوادث ارتداد القاطرات شائعة إلى حد ما. ففي تقرير صدر عام 1955 عن حادث وقع بالقرب من دنستابل ، كتب المفتش: "في عام 1953، تم الإبلاغ عن 23 حالة لم تكن ناجمة عن عيب في المحرك، وأسفرت عن إصابة 26 من عمال المحركات. وفي عام 1954، كان عدد الحوادث والإصابات هو نفسه، بالإضافة إلى حالة وفاة واحدة." ^{[ 72 ]} ولا تزال هذه الحوادث تشكل مشكلة، كما يتضح من حادث عام 2012 الذي وقع مع قاطرة السكك الحديدية البريطانية من الفئة القياسية 7 رقم 70013 ، أوليفر كرومويل .

في الممارسة البريطانية والأوروبية (باستثناء دول الاتحاد السوفيتي سابقًا)، عادةً ما تحتوي القاطرات على مصدات في كل طرف لامتصاص أحمال الضغط ("مصدات" ^{[ 73 ]} ). ويتحمل نظام الربط قوة الشد اللازمة لسحب القطار (قوة السحب) . وتعمل هذه الأنظمة مجتمعةً على التحكم في الارتخاء بين القاطرة والقطار، وامتصاص الصدمات الطفيفة، وتوفير نقطة ارتكاز لحركات الدفع.

في الممارسة الكندية والأمريكية، تُنقل جميع القوى بين القاطرة والعربات عبر وصلة الجر - وخاصة وصلة جاني ، التي تُعدّ معيارًا أساسيًا في عربات السكك الحديدية الأمريكية - وجهاز الجرّ الخاص بها ، والذي يسمح ببعض الحركة المريحة. تسمح تجاويف صغيرة تُسمى "جيوب الدفع" في الزوايا الأمامية والخلفية للقاطرة بدفع العربات إلى مسار مجاور باستخدام عمود مثبت بين القاطرة والعربات. ^{[ 74 ]} في بريطانيا وأوروبا، أصبحت وصلات الجرّ من نوع "باك آي" على الطراز الأمريكي الشمالي، وغيرها من الوصلات التي تنقل القوى بين عربات السكك الحديدية، شائعة بشكل متزايد.

كانت مقدمة القاطرة تُثبّت عادةً في الجزء الأمامي، مع أنها اعتُبرت غير ضرورية في أوروبا وبعض أنظمة السكك الحديدية الأخرى، بما فيها نيو ساوث ويلز . كانت هذه المقدمة، التي تشبه المحراث وتُسمى أحيانًا "مصدات الأبقار"، كبيرة الحجم، ومصممة لإزالة العوائق من السكة، مثل الماشية والبيسون وغيرها من الحيوانات وأغصان الأشجار. ورغم عدم قدرتها على "الإمساك" بالماشية الشاردة، فقد بقيت هذه القطع المميزة على القاطرات حتى نهاية عصر البخار. عادةً ما استبدلت قاطرات المناورة المقدمة بدرجات صغيرة تُعرف باسم ألواح القدم . استخدمت العديد من أنظمة السكك الحديدية المقدمة وغيرها من عناصر التصميم لإضفاء مظهر مميز.

عندما بدأت عمليات التشغيل الليلي، قامت شركات السكك الحديدية في بعض البلدان بتجهيز قاطراتها بأضواء لتمكين السائق من رؤية ما أمام القطار، أو لتمكين الآخرين من رؤية القاطرة. كانت المصابيح الأمامية في الأصل مصابيح زيتية أو مصابيح أسيتيلين، ولكن عندما أصبحت مصابيح القوس الكهربائي متاحة في أواخر ثمانينيات القرن التاسع عشر، حلت محل الأنواع القديمة بسرعة.

لم تعتمد بريطانيا المصابيح الأمامية الساطعة لأنها تؤثر على الرؤية الليلية، وبالتالي قد تحجب مصابيح الزيت منخفضة الإضاءة المستخدمة في إشارات السكك الحديدية وفي طرفي القطارات، مما يزيد من خطر تفويت الإشارات، خاصة على الخطوط المزدحمة. كما كانت مسافات توقف القاطرات عادةً أكبر بكثير من مدى المصابيح الأمامية، وكانت خطوط السكك الحديدية مزودة بإشارات جيدة ومسيجة بالكامل لمنع الماشية والناس من التجول عليها، مما قلل إلى حد كبير من الحاجة إلى المصابيح الساطعة. وهكذا استمر استخدام مصابيح الزيت منخفضة الإضاءة، مثبتة في مقدمة القاطرات للإشارة إلى فئة كل قطار. ووُفرت أربعة حوامل للمصابيح: واحد أسفل المدخنة وثلاثة موزعة بالتساوي على الجزء العلوي من عارضة المصد. وكان الاستثناء من ذلك هو خط سكة حديد الجنوب وفروعه، الذين أضافوا حامل مصباح إضافي على كل جانب من صندوق الدخان، وكان ترتيب المصابيح (أو في وضح النهار، لوحات دائرية بيضاء) يُشير إلى موظفي السكك الحديدية بنقطة انطلاق القطار ووجهته. في جميع المركبات، تم توفير أعمدة إنارة مماثلة في الجزء الخلفي من القاطرة أو العربة الملحقة بها عندما كانت القاطرة تسير بالعربة الملحقة أو خزان الوقود أولاً.

في بعض البلدان، لا يزال تشغيل القطارات البخارية التراثية مستمراً على الشبكة الوطنية. وقد فرضت بعض هيئات السكك الحديدية تشغيل المصابيح الأمامية القوية باستمرار، حتى خلال النهار، وذلك لإعلام الجمهور أو عمال الصيانة بوجود أي قطارات عاملة.

استُخدمت الأجراس وصفارات البخار في القاطرات منذ بدايات استخدام القطارات البخارية. في الولايات المتحدة والهند وكندا، كانت الأجراس تُستخدم للتحذير من وجود قطار متحرك. أما في بريطانيا، حيث تُسيّج جميع خطوط السكك الحديدية بموجب القانون، ^{[ 75 ]} فكان استخدام الأجراس إلزاميًا فقط في خطوط السكك الحديدية التي تسير على الطرق (أي غير المسوّرة)، مثل خطوط الترام على جانب الطريق أو في أحواض بناء السفن. ونتيجةً لذلك، لم تكن الأجراس مُثبّتة إلا في عدد قليل من القاطرات في المملكة المتحدة. تُستخدم الصفارات للإشارة إلى العاملين ولإعطاء التحذيرات. وبحسب طبيعة التضاريس التي تُستخدم فيها القاطرة، يُمكن تصميم الصفارة للتحذير من مسافة بعيدة من وصول قطار وشيك، أو للاستخدام المحلي.

كانت الأجراس والصفارات المبكرة تُصدر صوتها عن طريق حبال سحب وأذرع. وانتشرت أجراس الرنين الآلية على نطاق واسع في الولايات المتحدة بعد عام 1910. ^{[ 76 ]}

منذ أوائل القرن العشرين، بدأت شركات تشغيل السكك الحديدية في دول مثل ألمانيا وبريطانيا بتجهيز قاطراتها بنظام الإنذار التلقائي (AWS) للإشارات داخل الكابينة، والذي يقوم بتفعيل المكابح تلقائيًا عند تجاوز إشارة "الحذر". في بريطانيا، أصبح هذا النظام إلزاميًا عام 1956. وفي الولايات المتحدة، قامت شركة بنسلفانيا للسكك الحديدية أيضًا بتجهيز قاطراتها بهذه الأجهزة. وفي القرن الحادي والعشرين، تم تجهيز قاطرات البخار المحفوظة في أمريكا، والتي كان من المتوقع تشغيلها على خطوط السكك الحديدية الرئيسية، بنظام التحكم الإيجابي في القطارات ، وكانت قاطرة يونيون باسيفيك 4014 المُرممة من أوائل قاطرات الخطوط الرئيسية التي زُوّدت بهذا النظام عام 2021. ^{[ 77 ]}

كان محرك التعزيز محركًا بخاريًا مساعدًا يوفر قوة جر إضافية لبدء التشغيل. كان جهازًا منخفض السرعة، يُركّب عادةً على العربة الخلفية. وكان يُفصل عن العمل بواسطة ترس وسيط عند السرعات المنخفضة، مثل 30  كم/ساعة. شاع استخدام محركات التعزيز في الولايات المتحدة، وجُرّبت تجريبيًا في بريطانيا وفرنسا. في نظام السكك الحديدية الضيق في نيوزيلندا، زُوّدت ست قاطرات من طراز Kb 4-8-4 بمحركات تعزيز، وهي القاطرات الوحيدة في العالم التي يبلغ عرضها 1067 مم ( 3  أقدام  و6  بوصات ) والمجهزة بهذا النوع من المعدات. 

كما تم تركيب محركات معززة على عربات المناقصة في الولايات المتحدة، وكانت تُعرف باسم القاطرات المساعدة. وكانت محاور العربات، اثنان أو حتى ثلاثة، تُربط معًا باستخدام قضبان جانبية، مما حدّ من استخدامها في الخدمة بسرعات منخفضة. ^{[ 78 ]}

يُستخدم باب الحريق لتغطية فتحة النار عندما لا يُضاف الفحم. وله غرضان: أولهما منع دخول الهواء فوق النار، وإجباره على المرور من خلالها. وثانيهما حماية طاقم القطار من ارتداد اللهب. ومع ذلك، فهو مزود بآلية تسمح بمرور بعض الهواء فوق النار (يُشار إليه بـ"الهواء الثانوي") لإتمام احتراق الغازات الناتجة عن النار.

تأتي أبواب الحريق بتصاميم متعددة، أبسطها عبارة عن قطعة واحدة مثبتة بمفصل من جانب واحد، ويمكن فتحها على منصة القيادة. يعاني هذا التصميم من مشكلتين: أولاً، يشغل مساحة كبيرة على منصة القيادة، وثانياً، يميل تيار الهواء إلى إغلاقه تماماً، مما يقطع أي تهوية ثانوية. وللتغلب على هذه المشكلة، زُودت بعض القاطرات بمزلاج يمنع باب الحريق من الإغلاق الكامل، بينما زُودت قاطرات أخرى بفتحة تهوية صغيرة على الباب يمكن فتحها للسماح بتدفق الهواء الثانوي. على الرغم من أنه تم التفكير في تصميم باب حريق يُفتح إلى الداخل داخل صندوق الاحتراق لتجنب الإزعاج الحاصل على منصة القيادة، إلا أن هذا الباب سيتعرض لحرارة النار الكاملة، ومن المرجح أن يتشوه، وبالتالي يصبح عديم الفائدة.

يتكون نوع شائع من أبواب الحريق من باب منزلق مكون من قطعتين يُفتح بواسطة ذراع واحد. يوجد مساران أعلى وأسفل الباب يتحرك عليهما. هذان المساران عرضة للانسداد بالأوساخ، كما أن فتح هذه الأبواب يتطلب جهدًا أكبر من فتح الأبواب المفصلية المذكورة سابقًا. ولحل هذه المشكلة، تستخدم بعض أبواب الحريق نظام تشغيل آلي يعتمد على أسطوانة بخار أو هواء لفتح الباب. من بين هذه الأبواب، الأبواب الفراشية التي تدور حول محورها العلوي، حيث يوفر هذا الدوران مقاومة منخفضة للأسطوانة التي تفتح الباب. ^{[ 79 ]}

كانت قاطرات البخار الأولى مزودة بأسطوانتين، واحدة على كل جانب، واستمر هذا التصميم باعتباره الأبسط. يمكن تركيب الأسطوانات بين الهيكلين الرئيسيين (وتُعرف بالأسطوانات الداخلية)، أو خارج الهيكلين وعجلات القيادة (الأسطوانات الخارجية). تُشغل الأسطوانات الداخلية أذرعًا مدمجة في محور القيادة، بينما تُشغل الأسطوانات الخارجية أذرعًا مثبتة على امتدادات محاور القيادة.

استخدمت التصاميم اللاحقة ثلاث أو أربع أسطوانات، مثبتة داخل وخارج الهيكل، لتحقيق دورة طاقة أكثر انتظامًا وقدرة خرج أكبر. ^{[ 80 ]} لكن ذلك جاء على حساب تعقيد آلية الصمامات وزيادة متطلبات الصيانة. في بعض الحالات، أُضيفت الأسطوانة الثالثة في الداخل ببساطة للسماح باستخدام أسطوانات خارجية ذات قطر أصغر، وبالتالي تقليل عرض القاطرة لاستخدامها على خطوط ذات عرض تحميل محدود، مثل فئتي SR K1 و U1 .

كانت معظم قاطرات الركاب السريعة البريطانية التي بُنيت بين عامي 1930 و1950 من نوع 4-6-0 أو 4-6-2 بثلاث أو أربع أسطوانات (مثل فئة GWR 6000 ، وفئة LMS Coronation ، وفئة SR Merchant Navy ، وفئة LNER Gresley A3 ). ابتداءً من عام 1951، استخدمت جميع قاطرات السكك الحديدية البريطانية الجديدة من الفئة القياسية، والبالغ عددها 999 قاطرة، باستثناء واحدة، تكوينات ثنائية الأسطوانات لتسهيل الصيانة.

استخدمت القاطرات الأولى آلية صمامات بسيطة تُعطي الطاقة الكاملة سواءً في الاتجاه الأمامي أو الخلفي. ^{[ 60 ]} وسرعان ما سمحت آلية صمامات ستيفنسون للسائق بالتحكم في قطع التيار؛ وقد حلت محلها إلى حد كبير آلية صمامات والشارترز وأنماط مشابهة. كانت تصاميم القاطرات الأولى التي تستخدم صمامات انزلاقية ومدخل خارجي سهلة البناء نسبيًا، ولكنها كانت غير فعالة وعرضة للتآكل. ^{[ 60 ]} وفي النهاية، حلت صمامات المكبس ذات المدخل الداخلي محل الصمامات الانزلاقية ، على الرغم من وجود محاولات لتطبيق صمامات بوبيت (الشائعة الاستخدام في المحركات الثابتة) في القرن العشرين. كانت آلية صمامات ستيفنسون توضع عمومًا داخل الهيكل، وكان الوصول إليها للصيانة صعبًا؛ أما الأنماط اللاحقة التي طُبقت خارج الهيكل فكانت أكثر وضوحًا وأسهل صيانة.

استُخدمت القاطرات المركبة منذ عام 1876، حيث يتم تمديد البخار مرتين أو أكثر عبر أسطوانات منفصلة، ​​مما يقلل من الفاقد الحراري الناتج عن تبريد الأسطوانات. وكانت القاطرات المركبة مفيدة بشكل خاص في القطارات التي تتطلب فترات طويلة من العمل المتواصل. وقد ساهم تركيب هذه القاطرات في الزيادة الهائلة في الطاقة التي حققتها عمليات إعادة بناء أندريه شابيلون بدءًا من عام 1929. وكان من التطبيقات الشائعة استخدامها في القاطرات المفصلية، وأكثرها شيوعًا تلك التي صممها أناتول ماليه ، حيث تم تثبيت مرحلة الضغط العالي مباشرة على هيكل المرجل؛ وأمامها تم تثبيت محرك الضغط المنخفض على هيكله الخاص، والذي يستقبل العادم من المحرك الخلفي. ^{[ 81 ]}

تميل القاطرات ذات القدرة العالية إلى أن تكون أطول من تلك ذات القدرة المنخفضة، إلا أن التصاميم الطويلة ذات الإطار الصلب غير عملية في المنعطفات الضيقة التي تكثر على خطوط السكك الحديدية الضيقة. وللتغلب على هذه المشكلة، طُوّرت تصاميم مختلفة للقاطرات المفصلية. وكانت قاطرتا ماليت وغاريت الأكثر شيوعًا. احتوت كلتاهما على غلاية واحدة ووحدتي محرك (مجموعتين من الأسطوانات وعجلات القيادة): كانت كلتا وحدتي محرك غاريت مثبتتين على إطار دوار، بينما كانت إحدى وحدتي محرك ماليت مثبتة على إطار دوار والأخرى ثابتة أسفل وحدة الغلاية. كما صُممت بعض القاطرات الثلاثية ، بوحدة محرك ثالثة أسفل العربة الملحقة. ومن بين التصاميم الأخرى الأقل شيوعًا قاطرة فيرلي ، التي احتوت على غلايتين متقابلتين على إطار مشترك، مع وحدتي محرك منفصلتين.

جُرِّبت أيضًا القاطرات المزدوجة ، التي تحتوي على محركين في هيكل صلب واحد، لكنها لم تُحقق نجاحًا ملحوظًا. فعلى سبيل المثال، عانت قاطرات الفئة T1 من طراز 4-4-4-4 التابعة لسكك حديد بنسلفانيا ، والمصممة للسير بسرعات عالية جدًا، من مشاكل انزلاق متكررة وغير قابلة للإصلاح طوال فترة خدمتها. ^{[ 82 ]}

بالنسبة للقاطرات التي تتطلب عزم دوران عالٍ عند بدء التشغيل وسرعة منخفضة، لم يكن نظام الدفع المباشر التقليدي كافيًا. ولتلبية هذه الحاجة في خطوط السكك الحديدية الصناعية، وخطوط قطع الأشجار، وخطوط التعدين، وخطوط المحاجر، طُوّرت قاطرات بخارية مُزوّدة بنظام تروس، مثل قاطرات شاي، وكليماكس، وهيسلر . وكانت السمة المشتركة لهذه الأنواع الثلاثة هي توفير تروس تخفيض السرعة وعمود إدارة بين عمود المرفق ومحاور الدفع. وقد سمح هذا التصميم للمحرك بالعمل بسرعة أعلى بكثير من سرعة عجلات الدفع مقارنةً بالتصميم التقليدي، حيث تكون النسبة 1:1.

في الولايات المتحدة، وعلى خط سكة حديد ساوثرن باسيفيك ، تم إنتاج سلسلة من قاطرات "كابينة أمامية" حيث تقع الكابينة وغرفة الاحتراق في مقدمة القاطرة، بينما تقع العربة الملحقة خلف صندوق الدخان، مما يوحي بأن القاطرة تسير للخلف. لم يكن ذلك ممكناً إلا باستخدام وقود الديزل . اختارت ساوثرن باسيفيك هذا التصميم لتوفير هواء نقي خالٍ من الدخان لسائق القاطرة أثناء مرورها عبر أنفاق الجبال ومستودعات الثلج. ومن بين التصاميم الأخرى، قاطرة "كاميلباك" التي تقع كابينتها في منتصف المرجل. في إنجلترا، طور أوليفر بوليد قاطرة "إس آر ليدر" خلال عملية التأميم في أواخر الأربعينيات. خضعت القاطرة لاختبارات مكثفة، لكن العديد من عيوب التصميم (مثل استخدام الفحم وصمامات الأكمام) أدت إلى تفكيك هذه القاطرة وغيرها من القاطرات التي لم تكتمل. نقل بوليد تصميم الكابينة الأمامية إلى أيرلندا، حيث انتقل إليها بعد التأميم، وهناك طور قاطرة "تيرفبيرنر". كان هذا القاطر أكثر نجاحًا، لكن تم تفكيكه بسبب تحويل السكك الحديدية الأيرلندية إلى الديزل .

في فرنسا، تم بناء قاطرات هايلمان الثلاث بتصميم كابينة أمامية، بينما تم إنتاج 43 قاطرة من طراز FS Class 670 في إيطاليا.

القاطرة الوحيدة المحفوظة ذات الكابينة الأمامية هي قاطرة Southern Pacific 4294 الموجودة في سكرامنتو، كاليفورنيا.

ابتُكرت التوربينات البخارية في محاولة لتحسين تشغيل وكفاءة قاطرات البخار. وقد أثبتت التجارب التي أُجريت على التوربينات البخارية باستخدام الدفع المباشر وناقلات الحركة الكهربائية في مختلف البلدان عدم نجاحها في الغالب. ^{[ 58 ]} قامت شركة سكك حديد لندن وميدلاند واسكتلندا ببناء قاطرة "توربوموتيف" ، التي كانت محاولة ناجحة إلى حد كبير لإثبات كفاءة التوربينات البخارية. ^{[ 58 ]} ولولا اندلاع الحرب العالمية الثانية ، لكان من الممكن بناء المزيد منها. عملت قاطرة "توربوموتيف" من عام 1935 إلى عام 1949، ثم أُعيد بناؤها لتصبح قاطرة تقليدية نظرًا لحاجة العديد من أجزائها إلى الاستبدال، وهو أمر غير اقتصادي بالنسبة لقاطرة مصممة خصيصًا لهذا الغرض. في الولايات المتحدة، قامت شركات سكك حديد يونيون باسيفيك ، وتشيسابيك وأوهايو ، ونورفولك وويسترن (N&W) ببناء قاطرات توربينية كهربائية. كما قامت شركة سكك حديد بنسلفانيا (PRR) ببناء قاطرات توربينية، ولكن باستخدام علبة تروس ذات دفع مباشر. مع ذلك، فشلت جميع التصاميم بسبب الغبار والاهتزازات وعيوب التصميم أو عدم الكفاءة عند السرعات المنخفضة. وكان آخر تصميم بقي في الخدمة هو تصميم شركة نورفولك وويسترن، الذي أُحيل إلى التقاعد في يناير 1958. أما التصميم الناجح حقًا فكان TGOJ MT3، الذي استُخدم لنقل خام الحديد من غرانغيسبيرغ في السويد إلى موانئ أوكسيلوسوند . وعلى الرغم من عمله بشكل صحيح، لم يُبنَ منه سوى ثلاثة تصاميم. اثنان منها محفوظان بحالة جيدة في متاحف في السويد.

في القاطرة عديمة الاحتراق، يُستبدل المرجل بمُجمِّع بخاري يُملأ بالبخار (في الواقع، ماء بدرجة حرارة أعلى بكثير من نقطة الغليان، 100 درجة مئوية (212 درجة فهرنهايت) ) من مرجل ثابت. استُخدمت القاطرات عديمة الاحتراق في الأماكن التي يرتفع فيها خطر الحريق (مثل مصافي النفط )، أو حيث تُعدّ النظافة أمرًا بالغ الأهمية (مثل مصانع إنتاج الأغذية)، أو حيث يتوفر البخار بسهولة (مثل مصانع الورق ومحطات توليد الطاقة حيث يكون البخار إما منتجًا ثانويًا أو متوفرًا بتكلفة زهيدة). يُعزل وعاء الماء ("المرجل") عزلًا حراريًا كثيفًا، كما هو الحال في القاطرة التي تعمل بالوقود. وحتى يتبخر الماء بالكامل، لا ينخفض ​​ضغط البخار إلا مع انخفاض درجة الحرارة.  

وهناك نوع آخر من القاطرات التي تعمل بدون نار وهي القاطرة التي تعمل بالهواء المضغوط.

تُصنّف قاطرات البخار حسب ترتيب عجلاتها. النظامان الرئيسيان لهذا التصنيف هما نظام وايت ونظام تصنيف الاتحاد الدولي للسكك الحديدية (UIC) .

يُستخدم نظام وايت في معظم الدول الناطقة بالإنجليزية ودول الكومنولث، حيث يُمثل كل مجموعة عجلات برقم. تُشير هذه الأرقام عادةً إلى عدد العجلات الأمامية غير المُحركة، متبوعةً بعدد عجلات القيادة (أحيانًا في عدة مجموعات)، ثم عدد العجلات الخلفية غير المُحركة. على سبيل المثال، تُصنف قاطرة ساحة ذات 4 عجلات قيادة فقط، بدون أي عجلات أمامية أو خلفية، على أنها بترتيب عجلات 0-4-0 . أما القاطرة ذات عربة أمامية بأربع عجلات، تليها 6 عجلات قيادة، وعربة خلفية بعجلتين، فتُصنف على أنها بترتيب عجلات 4-6-2 . وقد أُطلقت أسماء على الترتيبات المختلفة، تعكس عادةً أول استخدام لها؛ فعلى سبيل المثال، سُمي نوع "سانتا فيه" ( 2-10-2 ) بهذا الاسم لأن النماذج الأولى منه بُنيت لخط سكة حديد أتشيسون وتوبيكا وسانتا فيه . وقد أُطلقت هذه الأسماء بشكل غير رسمي، وتفاوتت تبعًا للمنطقة وحتى للسياسة.

يُستخدم تصنيف الاتحاد الدولي للسكك الحديدية (UIC) في الغالب في الدول الأوروبية باستثناء المملكة المتحدة. وهو يُشير إلى أزواج متتالية من العجلات (تُسمى بشكل غير رسمي "محاور") برقم للعجلات غير المُحركة وحرف كبير للعجلات المُحركة (A=1، B=2، إلخ). لذا فإن تصنيف Whyte 4-6-2 يُعادل تصنيف 2-C-1 في الاتحاد الدولي للسكك الحديدية.

في بعض هيئات تشغيل السكك الحديدية، مثل شركات السكك الحديدية أو الحكومات، كانت القاطرات تُصنّف إلى فئات . أحيانًا، كانت الفئات تُمثّل قاطرات قابلة للاستبدال في الخدمة، ولكن في الغالب، كانت الفئة تُمثّل تصميمًا واحدًا لقاطرة بخارية. تفاوتت أسماء الفئات تبعًا لهيئة السكك الحديدية المُشرفة عليها؛ فبعضها صُنّف تحت رمز مُحدد، وبعضها الآخر سُمّي نسبةً إلى ترتيب عجلاته، وبعضها الآخر سُمّي ببساطة باسمه (مثل فئة التتويج التابعة لشركة LMS ). كما اكتسبت الفئات ألقابًا، مثل "باغ" (قاطرة مناورة صغيرة)، تُشير إلى خصائص بارزة في القاطرات. ^{[ 84 ] [ 85 ]}

في عصر قاطرات البخار، كان يُطبق معياران رئيسيان لتقييم أداء القاطرات. في البداية، كانت القاطرات تُصنف حسب قوة الجر، والتي تُعرف بأنها متوسط ​​القوة المتولدة خلال دورة واحدة لعجلات القيادة عند رأس السكة. ^{[ 45 ]} ويمكن حساب ذلك تقريبًا بضرب مساحة المكبس الكلية في 85% من ضغط المرجل (وهي قاعدة عامة تعكس انخفاض الضغط الطفيف في حجرة البخار فوق الأسطوانة) ثم القسمة على نسبة قطر عجلة القيادة إلى شوط المكبس. ومع ذلك، فإن الصيغة الدقيقة هي

${\displaystyle t={\frac {cPd^{2}s}{D}},}$

حيث يمثل d قطر تجويف الأسطوانة بالبوصة، وs شوط الأسطوانة بالبوصة، و P ضغط الغلاية بالرطل لكل بوصة مربعة، و D قطر عجلة القيادة بالبوصة، و c عامل يعتمد على القطع الفعال. ^{[ 86 ]} في الولايات المتحدة، عادةً ما يتم ضبط قيمة c على 0.85، ولكنها تكون أقل في المحركات التي يكون فيها القطع الأقصى محدودًا بنسبة 50-75%.

إن قوة الجر ليست سوى القوة "المتوسطة"، إذ لا تكون جميع الجهود ثابتة خلال دورة واحدة للمحركين. ففي بعض مراحل الدورة، يبذل مكبس واحد فقط عزم دوران، بينما يعمل كلا المكبسين في مراحل أخرى. ولا تُنتج جميع الغلايات كامل طاقتها عند بدء التشغيل، كما أن قوة الجر تتناقص مع ازدياد سرعة الدوران. ^{[ 45 ]}

قوة الجر هي مقياس لأثقل حمولة يمكن للقاطرة بدء تشغيلها أو جرها بسرعة منخفضة جدًا على المنحدر السائد في منطقة معينة. ^{[ 45 ]} ومع ذلك، مع تزايد الضغط لتشغيل قطارات بضائع أسرع وقطارات ركاب أثقل، تبين أن قوة الجر مقياس غير كافٍ للأداء لأنه لا يأخذ السرعة في الحسبان. لذلك، في القرن العشرين، بدأ تصنيف القاطرات بناءً على قدرتها الإنتاجية. طُبقت حسابات ومعادلات متنوعة، ولكن بشكل عام، استخدمت السكك الحديدية عربات قياس القوة لقياس قوة الجر عند السرعة في اختبارات الطرق الفعلية.

لطالما كانت شركات السكك الحديدية البريطانية مترددة في الكشف عن أرقام قوة الجر، وعادة ما تعتمد بدلاً من ذلك على جهد الجر المستمر .

يرتبط تصنيف القاطرة بشكل غير مباشر بأدائها. فمع مراعاة النسب المناسبة لبقية أجزاء القاطرة، يتحدد ناتج الطاقة بحجم النار، وبالنسبة للقاطرات التي تعمل بالفحم الحجري، يتحدد ذلك بمساحة الشبكة. وتستطيع القاطرات الحديثة غير المركبة عادةً إنتاج حوالي 40 حصانًا من قوة الجر لكل قدم مربع من الشبكة. أما قوة الجر، كما ذُكر سابقًا، فتتحدد إلى حد كبير بضغط المرجل، ونسب الأسطوانات، وحجم عجلات القيادة. ومع ذلك، فهي محدودة أيضًا بالوزن الواقع على عجلات القيادة (المعروف باسم "الوزن الاحتكاكي")، والذي يجب أن يكون أربعة أضعاف قوة الجر على الأقل. ^{[ 58 ]}

يتناسب وزن القاطرة تقريبًا مع قدرتها؛ ويُحدد عدد المحاور المطلوبة بقسمة هذا الوزن على حد حمولة المحور المسموح به على السكة الحديدية التي ستُستخدم عليها القاطرة. ويُستنتج عدد عجلات القيادة من وزن الالتصاق بنفس الطريقة، بينما تُحدد المحاور المتبقية بواسطة العربات الأمامية والخلفية. ^{[ 58 ]} كانت قاطرات الركاب تُزود تقليديًا بعربات أمامية ثنائية المحور لتحسين التوجيه عند السرعات العالية؛ من ناحية أخرى، أدى التزايد الهائل في حجم الشبكة وصندوق الاحتراق في القرن العشرين إلى الحاجة لعربة خلفية لتوفير الدعم. في أوروبا، استُخدمت بعض أنواع عربات بيسل، حيث تتحكم الحركة الدورانية لعربة ذات محور واحد في الإزاحة الجانبية للمحور الأمامي (وفي حالة واحدة، المحور الثاني أيضًا). وقد تم تطبيق هذا في الغالب على قاطرات النقل السريع والمختلط ذات 8 عجلات، مما أدى إلى تحسين قدرتها بشكل كبير على اجتياز المنحنيات مع تقييد قاعدة عجلات القاطرة الإجمالية وزيادة وزن التماسك إلى أقصى حد.

كقاعدة عامة، كانت قاطرات المناورة ( قاطرات التحويل ) تستغني عن العربات الأمامية والخلفية، وذلك لزيادة قوة الجر المتاحة وتقليل قاعدة العجلات. لم تكن السرعة مهمة؛ بل كان الأهم هو تصميم أصغر قاطرة (وبالتالي أقل استهلاك للوقود) لقوة الجر المطلوبة. كانت عجلات القيادة صغيرة وعادةً ما تدعم غرفة الاحتراق بالإضافة إلى الجزء الرئيسي من المرجل. أما قاطرات المساعدة ( قاطرات الدفع ) فكانت تتبع مبادئ قاطرات المناورة، باستثناء عدم وجود قيد على قاعدة العجلات، لذا كانت قاطرات المساعدة تميل إلى امتلاك عدد أكبر من عجلات القيادة. في الولايات المتحدة، أدت هذه العملية في النهاية إلى ظهور قاطرة من نوع ماليت ذات العجلات الدافعة الكثيرة، والتي اكتسبت بدورها العربات الأمامية ثم الخلفية مع ازدياد أهمية توجيه القاطرة.

مع بدء تباين أنواع القاطرات في أواخر القرن التاسع عشر، ركزت تصاميم قاطرات الشحن في البداية على قوة الجر، بينما ركزت تصاميم قاطرات الركاب على السرعة. ومع مرور الوقت، ازداد حجم قاطرات الشحن، وزاد عدد محاورها تبعًا لذلك؛ وكانت العربة الأمامية عادةً ذات محور واحد، ولكن أُضيفت عربة خلفية إلى القاطرات الأكبر حجمًا لدعم صندوق احتراق أكبر لم يعد بالإمكان وضعه بين عجلات القيادة أو فوقها. أما قاطرات الركاب، فكانت عرباتها الأمامية ذات محورين، وعدد أقل من محاور القيادة، وعجلات قيادة كبيرة جدًا للحد من سرعة حركة الأجزاء المترددة.

في عشرينيات القرن العشرين، تحوّل التركيز في الولايات المتحدة إلى قوة المحرك، وتجسّد ذلك في مفهوم "القوة الخارقة" الذي روّجت له شركة ليما لصناعة القاطرات، مع أن قوة الجرّ ظلت الاعتبار الأساسي بعد الحرب العالمية الأولى وحتى نهاية عصر البخار. صُممت قطارات البضائع لتسير بسرعة أكبر، بينما احتاجت قاطرات الركاب إلى جرّ أحمال أثقل بسرعة. وقد تحقق ذلك من خلال زيادة حجم الشبكة وغرفة الاحتراق دون تغيير بقية القاطرة، مما استلزم إضافة محور ثانٍ للعربة الخلفية. أصبحت قاطرات الشحن من نوع 2-8-2 تُعرف باسم 2-8-4 ، وكذلك قاطرات 2-10-2 . وبالمثل، أصبحت قاطرات الركاب من نوع 4-6-2 تُعرف باسم 4-6-4 . في الولايات المتحدة، أدّى ذلك إلى توحيد قاطرات 4-8-4 ثنائية الغرض وقاطرات 4-6-6-4 المفصلية، التي استُخدمت لنقل البضائع والركاب على حدّ سواء. ^{[ 87 ]} مرت قاطرات ماليت بتحول مماثل، حيث تطورت من محركات بنكية إلى قاطرات ضخمة للخطوط الرئيسية ذات صناديق احتراق أكبر بكثير؛ كما تم زيادة حجم عجلات القيادة الخاصة بها للسماح بالتشغيل بشكل أسرع.

تُعدّ قاطرات البخار الروسية من الفئة E (0-10-0) الأكثر إنتاجًا في العالم، حيث بلغ عددها حوالي 11,000 قاطرة، سواء في روسيا أو في دول أخرى مثل تشيكوسلوفاكيا وألمانيا والسويد والمجر وبولندا. أما قاطرات الفئة O الروسية، فقد بلغ عددها 9,129 قاطرة، بُنيت بين عامي 1890 و1928. كما تم إنتاج حوالي 7,000 وحدة من قاطرات DRB الألمانية من الفئة 52 (2-10-0) المعروفة باسم "كريغسلوك ".

في بريطانيا، تم بناء 863 من فئة GWR 5700 ، و943 من فئة DX التابعة لسكك حديد لندن والشمال الغربي - بما في ذلك 86 محركًا تم بناؤها لسكك حديد لانكشاير ويوركشاير . ^{[ 88 ]} 

قبل قانون التجميع لعام 1923 ، كان الإنتاج في المملكة المتحدة مختلطًا. فقد قامت شركات السكك الحديدية الكبرى ببناء القاطرات في ورشها الخاصة، بينما كانت الشركات الأصغر والمؤسسات الصناعية تطلبها من شركات بناء خارجية. ونشأ سوق واسع لشركات البناء الخارجية نتيجة لسياسة البناء الداخلي التي انتهجتها شركات السكك الحديدية الرئيسية. ومن الأمثلة على ورش ما قبل التجميع ورشة ميلتون كونستابل ، التي كانت تتولى صيانة وبناء بعض القاطرات لخط سكة حديد ميدلاند وغريت نورثرن المشترك . وشملت ورش أخرى ورشة في بوسطن (مبنى تابع لشركة غريت نورثرن في بداياتها) وورشة هورويتش .

بين عامي 1923 و1947، قامت شركات السكك الحديدية الأربع الكبرى (سكك حديد غريت ويسترن، وسكك حديد لندن وميدلاند واسكتلندا، وسكك حديد لندن وشمال شرق، وسكك حديد ساوثرن) ببناء معظم قاطراتها الخاصة، ولم تشترِ القاطرات من شركات بناء خارجية إلا عندما كانت مصانعها مشغولة بالكامل (أو نتيجة للتوحيد القياسي الذي فرضته الحكومة خلال الحرب). ^{[ 89 ]}

ابتداءً من عام 1948، سمحت السكك الحديدية البريطانية (BR) لشركات "الأربع الكبرى" السابقة (التي أصبحت تُعرف باسم "المناطق") بمواصلة إنتاج تصاميمها الخاصة، كما ابتكرت مجموعة من القاطرات القياسية التي يُفترض أنها جمعت أفضل الميزات من كل منطقة. وعلى الرغم من اعتماد سياسة التحول إلى الديزل في عام 1955، استمرت السكك الحديدية البريطانية في بناء قاطرات بخارية جديدة حتى عام 1960، حيث سُميت آخر قاطرة من هذا النوع " نجمة المساء" . ^{[ 90 ]}

استمر بعض المصنّعين المستقلين في إنتاج قاطرات البخار لبضع سنوات أخرى، وكان آخرها قاطرة بخارية صناعية بريطانية الصنع من إنتاج شركة هانسليت عام ١٩٧١. ومنذ ذلك الحين، واصلت بعض الشركات المتخصصة إنتاج قاطرات صغيرة للسكك الحديدية الضيقة والمصغرة، ولكن نظرًا لأن السوق الرئيسي لهذه القاطرات هو قطاع السكك الحديدية السياحية والتراثية ، فإن الطلب عليها محدود. وفي نوفمبر ٢٠٠٨، تم اختبار قاطرة بخارية جديدة للخطوط الرئيسية، تحمل الرقم ٦٠١٦٣ تورنادو ، على الخطوط الرئيسية في المملكة المتحدة تمهيدًا لاستخدامها في الرحلات السياحية والتأجير.

في القرنين التاسع عشر والعشرين، صُنعت معظم قاطرات البخار السويدية في بريطانيا. لاحقًا، تولت مصانع محلية، منها NOHAB في ترولهاتان وASJ في فالون ، بناء معظمها . وكان من أنجحها الفئة "ب" ( 4-6-0 )، المستوحاة من الفئة البروسية P8. وقد حُفظت العديد من قاطرات البخار السويدية خلال الحرب الباردة تحسبًا للحرب. وفي تسعينيات القرن الماضي، بيعت هذه القاطرات لجمعيات غير ربحية أو إلى الخارج، ولذا يُمكن رؤية قاطرات الفئة "ب" والفئة "س" ( 2-6-4 ) والفئة "هـ2" ( 2-8-0 ) السويدية اليوم في بريطانيا وهولندا وألمانيا وكندا.

كانت قاطرات السكك الحديدية الأمريكية تُصنع في الولايات المتحدة الأمريكية في أغلب الأحيان، مع استيراد كميات قليلة جدًا، باستثناء بدايات استخدام محركات البخار. ويعود ذلك إلى الاختلافات الجوهرية في أسواق الولايات المتحدة، التي كانت في البداية تضم العديد من الأسواق الصغيرة المتباعدة جغرافيًا، على عكس الأسواق الأوروبية الأكثر كثافة. كانت هناك حاجة إلى قاطرات رخيصة ومتينة، قادرة على قطع مسافات طويلة على خطوط سكك حديدية رخيصة البناء والصيانة. وبمجرد أن ترسخ تصنيع القاطرات على نطاق واسع، لم يعد هناك فائدة تُذكر من شراء قاطرة من الخارج، والتي كان سيتعين تعديلها لتناسب المتطلبات المحلية وظروف السكك الحديدية. وقد أدخل المصنعون تحسينات على تصميم القاطرات، سواء الأوروبية أو الأمريكية، عندما كان ذلك مبررًا في سوق محافظة وبطيئة التغير عمومًا. وباستثناء قاطرات USRA القياسية التي صُنعت خلال الحرب العالمية الأولى، كان تصنيع قاطرات البخار في الولايات المتحدة دائمًا شبه مُخصص. كانت شركات السكك الحديدية تطلب قاطرات مصممة خصيصًا لتلبية متطلباتها، مع وجود بعض السمات التصميمية الأساسية دائمًا. وقد طورت شركات السكك الحديدية بعض الخصائص المميزة. على سبيل المثال، فضّلت سكة حديد بنسلفانيا وسكة حديد غريت نورثرن استخدام صندوق احتراق بيلبير. ^{[ 91 ]} في الولايات المتحدة، قامت شركات تصنيع واسعة النطاق ببناء قاطرات لجميع شركات السكك الحديدية تقريبًا، على الرغم من أن جميع خطوط السكك الحديدية الرئيسية تقريبًا كانت تمتلك ورشًا قادرة على إجراء إصلاحات كبيرة، وبعض خطوط السكك الحديدية (على سبيل المثال، سكة حديد نورفولك وويسترن وسكة حديد بنسلفانيا، التي كانت تمتلك ورشتين للتجميع) قامت ببناء القاطرات بالكامل في ورشها الخاصة. ^{[ 92 ] [ 93 ]} من بين الشركات المصنعة للقاطرات في الولايات المتحدة: بالدوين لوكوموتيف ووركس ، وشركة أمريكان لوكوموتيف (ALCO)، وليما لوكوموتيف ووركس . إجمالاً، بين عامي 1830 و1950، تم بناء أكثر من 160,000 قاطرة بخارية في الولايات المتحدة، واستحوذت بالدوين على الحصة الأكبر، حيث بلغت حوالي 70,000 قاطرة. ^{[ 94 ]}

كانت قاطرات البخار تتطلب صيانة دورية، وبالمقارنة مع محركات الديزل الكهربائية، صيانةً وتجديداً متكررين (غالباً على فترات زمنية محددة من قبل الحكومات في أوروبا والولايات المتحدة). وكانت عمليات التجديد تتضمن تعديلات وتحسينات دورية. فقد أُضيفت أجهزة جديدة، وأُزيلت الميزات غير المرضية، وجرى تحسين الأسطوانات أو استبدالها. وتم استبدال أو ترقية جميع أجزاء القاطرة تقريباً، بما في ذلك الغلايات. وعندما أصبحت تكاليف الصيانة أو التحسينات باهظة، كانت القاطرة تُباع أو تُخرج من الخدمة. في خط سكة حديد بالتيمور وأوهايو، تم تفكيك قاطرتين من طراز 2-10-2 ؛ ووُضعت غلاياتهما على قاطرتين جديدتين من طراز T 4-8-2، وصُنعت من أجزاء العجلات المتبقية قاطرتان من طراز U 0-10-0 مزودتان بغلايات جديدة. وفي عام 1942، تم تحويل أسطول شركة يونيون باسيفيك من محركات 4-10-2 ثلاثية الأسطوانات إلى محركات ثنائية الأسطوانات، بسبب مشاكل الصيانة المرتفعة.

في سيدني ، قامت كل من شركة كلايد للهندسة وورش إيفلي للسكك الحديدية ببناء قاطرات بخارية لسكك حديد حكومة نيو ساوث ويلز . وتشمل هذه القاطرات فئة C38 ذات الترتيب 4-6-2 ؛ حيث بُنيت أول خمس قاطرات في كلايد مع تحسينات انسيابية ، بينما بُنيت القاطرات الـ 25 المتبقية في ورش إيفلي (13 قاطرة) وورش كارديف (12 قاطرة) بالقرب من نيوكاسل. وفي كوينزلاند، قامت شركة ووكرز بتصنيع القاطرات البخارية محليًا . وبالمثل، قامت سكك حديد جنوب أستراليا أيضًا بتصنيع القاطرات البخارية محليًا في ورش إزلنجتون للسكك الحديدية في أديلايد . أما سكك حديد فيكتوريا، فقد قامت بتصنيع معظم قاطراتها في ورش نيوبورت وفي بينديجو ، بينما في بداياتها، كانت القاطرات تُصنع في مسبك فينيكس في بالارات . تراوحت القاطرات التي صُنعت في ورش نيوبورت بين قاطرة الفئة nA 2-6-2 T المصممة للسكك الحديدية الضيقة ، وصولاً إلى قاطرة الفئة H 4-8-4 ، وهي أكبر قاطرة تقليدية عملت في أستراليا على الإطلاق، إذ بلغ وزنها 260 طنًا. مع ذلك، فإن لقب أكبر قاطرة استُخدمت في أستراليا يعود إلى قاطرة نيو ساوث ويلز من الفئة AD60، بوزن 263 طنًا، من طراز 4-8-4+4-8-4 Garratt، ^{[ 95 ]} التي صنعتها شركة باير، بيكوك وشركاه في إنجلترا. معظم قاطرات البخار المستخدمة في غرب أستراليا صُنعت في المملكة المتحدة، على الرغم من أن بعضها صُمم وبُني محليًا في ورش سكك حديد ميدلاند التابعة لسكك حديد حكومة غرب أستراليا . كانت قاطرات الفئة S العشر التابعة لشركة WAGR (التي تم تقديمها عام 1943) الفئة الوحيدة من قاطرات البخار التي تم تصميمها وبناؤها بالكامل في غرب أستراليا، ^{[ 96 ]} في حين شاركت ورش ميدلاند بشكل ملحوظ في برنامج بناء قاطرات غاريت الأسترالية القياسية على مستوى أستراليا - تم بناء هذه القاطرات التي تعود إلى زمن الحرب في ميدلاند في غرب أستراليا، وكلايد إنجينيرينغ في نيو ساوث ويلز، ونيوبورت في فيكتوريا، وإزلنغتون في جنوب أستراليا، وشهدت درجات متفاوتة من الخدمة في جميع الولايات الأسترالية. ^{[ 96 ]}