4-2-0

وفقًا لتصنيف وايت لقاطرات البخار ، يُمثل الترتيب 4-2-0 ترتيب العجلات بأربع عجلات أمامية على محورين، وعجلتين دافعتين على محور واحد، وبدون عجلات خلفية . يُطلق على هذا النوع من القاطرات غالبًا اسم " قاطرة جيرفيس" ، نسبةً إلى مصممها الأصلي.

كان تصميم قاطرات 4-2-0 شائعًا في خطوط السكك الحديدية الأمريكية من ثلاثينيات القرن التاسع عشر وحتى خمسينياته. أول قاطرة من هذا النوع بُنيت كانت " إكسبيرمنت " ، التي سُميت لاحقًا "براذر جوناثان" ، لخط سكة حديد موهوك وهدسون عام 1832. وقد بُنيت في مصنع ويست بوينت بناءً على تصميم جون ب. جيرفيس . ونظرًا لقلة المراجع المتاحة، استوحى المصنعون تصميم المرجل وآلية الصمامات من قاطرات بناها روبرت ستيفنسون من إنجلترا. كانت بعض قاطرات ستيفنسون تعمل بالفعل في أمريكا، لذا لم يضطر المهندسون إلى السفر بعيدًا للحصول على أفكارهم الأولية.

في إنجلترا، تم تطوير تصميم 4-2-0 حوالي عام 1840 من تصميم 2-2-2 لأول قاطرة ذات غلاية طويلة لستيفنسون ، والتي قام بتعديلها لوضع زوجين من العجلات في المقدمة لتحسين الاستقرار، مع وجود الأسطوانات الخارجية بينهما.

في الولايات المتحدة، كان التصميم تعديلًا لتصميم 0-4-0 ، الذي كان شائع الاستخدام آنذاك. وقد أثبت تصميم 0-4-0 أنه شديد الصلابة بالنسبة لسكك الحديد في ذلك الوقت، حيث كان كثيرًا ما ينحرف عن مساره عند المنعطفات الضيقة والتغيرات السريعة في الارتفاعات التي كانت تميز سكك الحديد الأمريكية في بداياتها. بالنسبة لتصميم 4-2-0 ، أدخل جيرفيس عربة أمامية رباعية العجلات أسفل صندوق الدخان . وكانت هذه العربة تدور بشكل مستقل عن الهيكل الرئيسي للقاطرة، على عكس محركات 4-2-0 الإنجليزية ذات الهياكل الصلبة. وكانت المكابس تُشغل محور قيادة واحدًا في الجزء الخلفي من القاطرة، خلف صندوق الاحتراق مباشرةً . وقد أدى هذا التصميم إلى قاطرة أكثر استقرارًا، قادرة على توجيه نفسها في المنعطفات بسهولة أكبر من تصميم 0-4-0 . ^{[ 1 ] [ 2 ]}

أثبت هذا التصميم فعاليته الكبيرة على خطوط السكك الحديدية الأمريكية، لدرجة أن العديد من قاطرات 0-4-0 المبكرة أُعيد بناؤها لتصبح قاطرات 4-2-0 . تميزت قاطرات 4-2-0 بقدرتها الفائقة على البقاء على السكة، لا سيما تلك التي تحتوي على محور قيادة واحد خلف صندوق الاحتراق، والتي كانت ميزتها الرئيسية هي الثبات. مع ذلك، بوجود محور قيادة واحد فقط خلف صندوق الاحتراق، توزع وزن القاطرة على نسبة صغيرة من العجلات المُحركة، مما قلل بشكل كبير من وزنها الاحتكاكي. في قاطرات 4-2-0 التي كان محور القيادة فيها أمام صندوق الاحتراق، ازداد الوزن الاحتكاكي. في حين أن هذا التصميم وضع جزءًا أكبر من وزن القاطرة على محور القيادة، إلا أنه قلل من الوزن على العربة الأمامية، مما جعلها أكثر عرضة للخروج عن القضبان . ^{[ 1 ] [ 2 ]}

تم تسجيل براءة اختراع أحد الحلول الممكنة عام 1834 باسم إي. إل. ميلر، واستخدمه ماتياس دبليو. بالدوين على نطاق واسع . كان الحل يعمل برفع زوج من الروافع لربط هيكل العربة الملحقة بامتداد هيكل المحرك، مما ينقل جزءًا من وزن العربة الملحقة إلى هيكل القاطرة ويزيد من قوة التماسك. وفي عام 1835، حصل جورج إي. سيلرز على براءة اختراع نسخة أوتوماتيكية من هذا النظام، واستخدمها صانع القاطرات ويليام نوريس على نطاق واسع بعد حصوله على حقوقها. يعتمد هذا النظام على عارضة محورها هو محور الدفع. فعلى الأسطح المستوية، ترتفع العارضة قليلاً، ولكن عند بدء الحركة أو على المنحدرات، تجعلها المقاومة تتخذ وضعًا أفقيًا، مما يؤدي إلى ميل القاطرة للأعلى. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

كان الحل الأكثر عملية، الذي بدأ نوريس بإنتاجه، هو نقل محور القيادة إلى موقع على الهيكل أمام صندوق احتراق القاطرة. جاء ذلك بعد رفض بالدوين منح نوريس حقوق استخدام تصميمه الحاصل على براءة اختراع "نصف ذراع التدوير". أدى تعليق وزن صندوق الاحتراق وطاقم القاطرة خلف محور القيادة إلى زيادة الضغط عليه دون تقليل الوزن على العربة الأمامية بشكل ملحوظ. مع ذلك، أدى تصميم نوريس إلى قاعدة عجلات أقصر، مما قلل من أي مكاسب في قوة الجر على محور القيادة، وذلك بتقليل استقرار القاطرة بشكل عام. تم استيراد عدد من قاطرات نوريس إلى إنجلترا لاستخدامها على خط سكة حديد برمنغهام وبريستول ، نظرًا لرفض الشركات المصنعة البريطانية التوريد بسبب التحديات التي يمثلها منحدر ليكي . ^{[ 1 ] [ 2 ]}

بمجرد توفر الفولاذ ، أصبح من الممكن تحقيق سرعات دوران أعلى بفضل استخدام عدة عجلات صغيرة متصلة. بعد خمس سنوات من بدء بناء القاطرات الجديدة مع قاطرة "بيست فريند أوف تشارلستون" من طراز 0-4-0 عام 1831، في مصنع ويست بوينت الأمريكي، صمم هنري ر. كامبل ، كبير مهندسي سكة حديد فيلادلفيا وجيرمانتاون ونوريستاون آنذاك ، أول قاطرة من طراز 4-4-0 . حصل كامبل على براءة اختراع للتصميم في فبراير 1836، وسرعان ما شرع في بناء أول قاطرة من هذا الطراز . كانت قاطرة كامبل من طراز 4-4-0 عملاقة بين القاطرات في ذلك الوقت. بلغ حجم أسطواناتها 356 مم × 406 مم ، وقطر عجلاتها الدافعة 1372 مم، وضغط غلايتها 620 كيلو باسكال ، ووزنها 10.9 طن . قُدِّر أن قاطرة كامبل قادرة على جر قطار يزن 450 طنًا قصيرًا (410 أطنان) بسرعة 24 كم/ساعة (15 ميلًا في الساعة) على مسار مستوٍ، متفوقةً بذلك على أقوى قاطرات بالدوين من طراز 4-2-0 في قوة الجر بنحو 63%. مع ذلك، تبيّن أن هيكل قاطرته وآلية جرها صلبة للغاية بالنسبة لسكك الحديد في ذلك الوقت، مما جعل نموذج كامبل الأولي عرضةً للخروج عن القضبان. ^{[ 1 ] [ 2 ]}              

مع اقتراب أربعينيات القرن التاسع عشر، ومع بدء المزيد من خطوط السكك الحديدية الأمريكية تجربة نوع القاطرات الجديد 4-4-0 ، تراجعت شعبية قاطرات 4-2-0 لضعف قدرتها على سحب الأحمال. استمر بناء قاطرات 4-2-0 حتى خمسينيات القرن التاسع عشر، لكن استخدامها اقتصر على القطارات الخفيفة، إذ وجدت معظم خطوط السكك الحديدية في ذلك الوقت أنها غير مناسبة للعمل المنتظم. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

في إنجلترا، أثبتت القاطرات ذات الأربع والست وصلات كفاءتها في نقل البضائع. مع ذلك، كان الهدف في نقل الركاب هو زيادة السرعة. ونظرًا لهشاشة قضبان التوصيل المصنوعة من الحديد الزهر ، استمر استخدام القاطرات ذات الوصلة الواحدة، مع استخدام أكبر عجلات قيادة ممكنة.

لأسباب غير واضحة، لم يتبنَّ المصنّعون البريطانيون فكرة تركيب العجلات الأمامية على عربة لعدة سنوات. ربما كانت هناك مخاوف بشأن ثباتها، ومع وجود إطار صلب طويل، تم تحقيق سرعة أكبر، وإن كان ذلك على حساب اهتزازات شديدة وتلف السكة. وقد تجلّى هذا النهج في قاطرة كرامبتون ، حيث تم تركيب عجلات القيادة خلف صندوق الاحتراق لجعلها أكبر ما يمكن. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}