Бурхливе зростання промисловості і торгівлі наприкінці XIX століття спричинив за собою настільки ж стрімкий розвиток всіх галузей залізничного транспорту. Виникла проблема збільшення провізної спроможності залізниць, а разом з нею необхідність підвищення сили тяги, потужності і паливної економічності паровоза. Конструкція паровоза в основному сформувалася до 1900 р. і збереглася до останніх років його споруди. Доцільність збільшення потужності паровозів, особливо вантажних, диктувалася також комерційними міркуваннями.
До початку XX століття стало очевидним, що витрати на перевезення вантажів зменшуються зі збільшенням маси поїздів. Російський професор Ю. В. Ломоносов ще в 1924 р. говорив, що особливо повчальний приклад американських доріг: вони палять в годину майже вдвічі більше вугілля, ніж наші, але вони утричі сильніше наших і в результаті, незважаючи на дорожнечу робочих рук в Америці, собівартість тонно-кілометра перевезеного вантажу там значно нижче, ніж у нас.
Збільшення енергетичної потужності локомотива доцільно лише при наявності можливості перетворення її в зовнішнє механічну роботу, затрачену на пересування поїздів, тобто в забезпеченні надійної реалізації високих значень сили тяги. Таким чином, назріла необхідність зростання потужності паровозів неминуче тягла за собою збільшення числа спарених (ведучих) осей, навантаження на вісь або того й іншого разом. До початку XX століття панівним типом вантажних паровозів у Європі були тривісні машини з осьовим формулою 0-3-0 * (* Прим: Осьова формула характеризує тип локомотива: перша цифра - число передніх підтримують осей, друга - число рушійних (зчіпних), а третина - число задніх підтримують осей.), в Америці - паровози з чотирма зчіпними осями 1-4-1 (типу "Мікадо").
У 20-і роки переважаючими типами вантажних паровозів у країнах Європи стали паровози 1-4-0, 1-5-0 при навантаженнях на вісь 20 т, німецькі залізниці мали кілька танк-паровозів типу 1-5-1 з навантаженням на вісь 25 т для водіння важких вантажних поїздів.
У Сполучених Штатах Америки і Канаді найбільше поширення ня отримали вантажні паровози з п'ятьма рухомими осями типів 1-5-0 (Декапод), 1-5-1 (Санта-Фе), 1-5-2 (Техас) з навантаженням на вісь приблизно 27 т; для доріг з більш потужним верхнім будовою були побудовані паровози з навантаженням на вісь до 35 т.
З подальшим збільшенням потужності вантажних паровозів у Європі та Америці стали створюватися паровози з числом спарених осей в жорсткій рамі більше п'яти. Вперше паровоз з шістьма спареними осями був побудований в 1912 р. в Австрії; в 1918 р. для Вюртемберскіх залізниць був побудований паровоз 1-6-0; в 1931 р. в Польщі був створений паровоз 1-6-2 для гірських ділянок Болгарії , сила тяги цього паровоза 270 кН.
У 1926 р. для Тихоокеанської залізниці був побудований трициліндровий шестіосний паровоз 2-6-1 для роботи на ділянках з крутими і затяжними підйомами. Цей паровоз мав силу тяги 438 кН при потужності 3490 кВт (4750 л. С.). Парк цих машин досяг 60 паровозів.
На залізницях Радянського Союзу до створення в 1931 р. потужного паровоза ФД парк вантажних паровозів складався в основному з паровозів 0-5-0 серії Е і паровозів 1-5-0 серії Е різних модифікацій з розрахунковою силою тяги 181-195 кН (18 ,1-19, 5 тс) і осьовими навантаженнями 15,6-17,1 т. У 1934 р. було розпочато масовий випуск паровоза 1-6-0 серії СО, створеного на базі паровоза Ем, що має розрахункову силу тяги 199 кН при навантаженні на вісь 17,5 т.
У 1931 р. Луганський паровозобудівний завод почав випуск вантажних паровозів серії ФД типу 1-5-1 з розрахунковою силою тяги 233 кН (3,3 тс). Це був найпотужніший в Європі паровоз масового випуску того часу з розрахунковою потужністю 1910 кВт (2600 л. С.). Протягом обмеженого часу реалізувалися потужності до 2130 кВт (2900 л. С.).
У 1935 р. на Ворошиловградському заводі був побудований дослідний вантажний паровоз типу 2-7-2. Це був єдиний паровоз у світі з сімома спареними осями в жорсткій рамі. Його розрахункова сила тяги становила 280 кН (28,0 тс), що розвиває потужність - до 2940 кВт (4000 л. С.). Паровоз практично не був використаний у поїзній роботі через руйнівних впливів настільки складного екіпажу на верхню будову колії.
У післявоєнний період паровозобудування в СРСР були випущені два серійні типу вантажних паровозів з п'ятьма зчіпними осями в жорсткій рамі з навантаженням на вісь 18 т: паровози 1-5-0 серії Л і 1-5-1 серії ЛВ з розрахунковою силою тяги відповідно 221, 5 і 231,5 кН. Умови експлуатації та вимоги перевізної роботи дозволяли обходитися паровозами, що мають не більше чотирьох-п'яти спарених осей в єдиній рамі.
Зростання вантажообігу залізниць, прокладка трас в гірських умовах вимагали створення паровозів з великим числом осей. Побоюючись високих бічних впливів рушійних осей на шлях при багатовісних жорстких екіпажах, паровозне техніка пішла по шляху створення потужних багатовісних паровозів при екіпажі зчленованого типу. Найбільшого поширення набув зчленований паровоз типу "Маллет", вперше побудований в 1894 р. Відомі також інші типи зчленованих паровозів, які отримали, проте, широкого поширення через свою складність і високих ремонтних витрат: паровози Ферлі, Гаратта, гольве, Дю-Буську та ін Паровоз типу "Маллет" мав, як правило, дві рами: задню, жорстко прикріплену до котла, і рухому передню, з'єднану з задньої за допомогою шворня. Кожна рама розташовувалася на окремій групі спарених рушійних осей (від двох до п'яти), що мали свою парову машину. Найбільшого поширення такі паровози отримали на залізницях США і Канади (вперше в 1904 р. на залізницях штатів Балтімор і Огайо).
Американські зчленовані паровози забезпечували реалізацію розрахункової сили тяги 660 кН (паровоз типу 1-5 +5-1). У 1915-1916 рр.. в Сполучених Штатах Америки був створений потрійний зчленований вантажний паровоз (триплекс) "Маллет" з 12 зчіпними осями типу 1-4 +4 +4-1 для залізниць Ері і Вергінської. Третя група провідних осей цього паровоза з машиною розташовувалася під тендером. Розрахункова сила тяги триплексу становила 72,6 кН. Для збільшення потужності вантажних паровозів без зміни їх розмірів і істотного зростання навантаження на зчіпні осі на американських паровозах застосовували допоміжний паровий двигун - бустер (паровози Лайма). Бустерний двигун, як правило, розташовувався на задній (підтримуючої) візку паровоза і включався в дію періодично: при рушанні і розгоні важкого поїзда, малих швидкостях руху на підйомах.
У Росії перші зчленовані вантажні паровози нормальної колії були побудовані Брянським і Путиловський заводами за проектом заводу Хеншель в 1898-1899 рр.. для Московсько-Казанської залізниці. Паровози типу 0-3 +3-0 отримали серію Q. Пізніше, в 1903 р., такі паровози були замовлені і для Сибірської залізниці. Сила тяги паровоза Q доходила до 140 кН, що призводило до розривів гвинтовий упряжі перших вагонів поїзда. У 1949 р. Коломенським паровозобудівним заводом ім. В. В. Куйбишева був побудований дослідний зразок зчленованого вантажного паровоза П-34 типу 1-3 +3-1 з розрахунковою силою тяги 242 кН. Потужний паровоз П-34 з відносно невисокою осьовим навантаженням призначався для широкого використання на лініях, що мають верхню будову колії, відповідне технічному рівню передвоєнних років. У 1954 р. на тому ж заводі були побудовані два досвідчених зчленованих паровоза П-38 типу "Маллет" 1-4 +4-2. Розрахункова сила тяги паровоза cоставляющая 400 кН. Це був самий потужний радянський паровоз.
Потужність паровоза, яка може бути реалізована досить тривалий час за інших рівних умов, безпосередньо залежить від паропродуктивності котла, тобто розмірів поверхні, що випаровує котла, кількості і якості палива, яке може бути ефективно спалено в топці. Площа колосникових решіток і обсяг топок потужних паровозів, весь час збільшуючись, досягли межі можливості їх опалення вручну, виникла нагальна потреба у створенні механічного углеподатчіка. Так, площа колосникових грат зчленованих американських паровозів 1-4 +4-1 і 1-4 +4-2 досягла 7,7-16,9 кв. м. Перші спроби створення механічного углеподатчіка - стокера були зроблені в США в 1889 р., але вони виявилися незадовільними. Знадобилися багаторічну працю, великі спеціальні досліди, експлуатаційні перевірки углеподатчіков багатьох систем, поки було створено кілька типів, що відповідають вимогам ефективного спалювання вугілля в паровозної топці. В результаті потужні паровози стали оснащуватися стокера двох видів: з верхньої та нижньої подачею палива. Паровози з великою площею колосникових грат оснащувалися також Стокер "Дуплекс" - з двостороннім верхньою подачею вугілля в топку. У Радянському Союзі стокери вперше були встановлені на паровозах ФД і ІС; паровоз 2-7-2 Луганського заводу, який мав площу колосникових грат 12 кв. м, був обладнаний Стокером типу "Дуплекс". Тендери деяких потужних американських паровозів оснащувалися пушера - механічним пристроєм, що просуває вугілля до транспортера стокера від задньої частини вугільного бункера. Пушер також використовувався для розпушування смерзшегося вугілля.
Успіхи застосування пиловугільного опалення в стаціонарній енергетиці викликали інтерес до цього виду опалення на паровозах. Смолоскипна спалювання вугільного пилу, стійко забезпечує підвищений коефіцієнт корисної дії (К. П.Д.) паровоза, стало надзвичайно важливим резервом збільшення його потужності і економічності при обмеженому обсязі топки. Спроба застосування пиловугільного опалювання на паровозі вперше була зроблена в США в 1900 р., в 1914 р. був переданий в дослідну експлуатацію перший паровоз з пиловугільним опаленням. У наступні роки інженери-теплотехніки ряду країн неодноразово поверталися до цієї проблеми.
Найбільш суттєві роботи в цій галузі проводилися в США і Бразилії в 1917-1929 рр.., В Німеччині - в 1923-1930 рр.., Потім до НДР у повоєнні роки. У Радянському Союзі питаннями пиловугільного опалення займалися в 1920-1925 рр.. верб 1930-1934 рр.. Був створений паровоз серії ФД з пиловугільним опаленням. У 1950-1956 рр.. пристроями пиловугільного опалювання були обладнані чотири серійні типу паровоза радянських залізних доріг. Щоправда, всі ці роботи як у нашій країні, так і за кордоном не виходили за межі досвідчених, пошукових. У процесі цих робіт і створювалися варіанти конструкцій паровозів з пилепріготовленія на паровозі і стаціонарним, випробовувалися різні принципи освіти пилоповітряної суміші для факела, досліджувалося застосування вугілля різних фізико-хімічних якостей. У ряді випадків будувалися досвідчені партії паровозів, як це було в Бразилії, Німеччини. Але необхідна експлуатаційна надійність роботи пиловугільних паровозів не була досягнута. Згоряння маси вугілля в потоці факела при високих температурах, що відбувається не тільки в топковому просторі, але і в трубчастої частини котла, призводило до занесення розплавленими частинками шлаку задньої решітки топки і жарових труб, що різко погіршувало процес згоряння палива. Причому при використанні пилу з малозольних вугілля з високою температурою плавлення шлаку час безперервної форсованої роботи котла значно зростає, але неминуче має місце процес шлакоутворення на трубчастій частині котла.
В останні десятиліття світового паровозобудування неодноразово піднімалося питання про можливі межах потужності паровозів, що було викликано наявністю конкуренції інших видів локомотивної тяги та вимогами безперервного збільшення пропускної здатності доріг. Наведений аналіз і розрахунки з урахуванням реальних можливостей існуючих конструкцій і теплотехнічних якостей паровозів показали, що для європейських та американських доріг кордоном потужності є 5900-6600 кВт (8000-9000 к.с.), що обумовлено граничними розмірами котла. Таким чином, перехід на прогресивні види тяги - тепловозну і електричну, що стався в кінці 50-х - початку 60-х років, був продиктований не межею потужностних можливостей паровоза, а значною перевагою нових видів тяги перед паровий з енергетичної економічності, середньодобової продуктивності, а також скороченням числа працюючих в локомотивному господарстві, поліпшенням умов праці.
Але паровози не пішли в небуття подібно Атлантиді, в ряді країн (преімушественно азіатських і африканських) вони до цих пір працюють, в основному як маневрові локомотиви.
Ведуться і розробки з удосконалення паровоза. На думку фахівців, ККД сучасного паровоза може бути піднято до 15%. За цих умов витрати на експлуатацію таких паровозів, за даними розрахунків істотно нижче витрат на тепловоз тягу ...