A. SIROT

Définition de la voie ferrée. — On désigne, en général, sous le nom de chemins de fer, des voies de communication munies de bandes en fer ou en acier, appelées rails, fixées au sol et sur Lesquelles circulent des trains ou véhicules remorqués par une machine locomotive. L'interposition de ces rails entre le sol et le véhicule a pour effet, en diminuant le frottement, de faciliter le roulement et, par suite, de diminuer l'effort à exercer par le moteur.

Déjà dans les temps anciens, et au fur et à mesure que Tbomme sentit le besoin d'améliorer ses moyens de communication, pour faciliter le roulage sur les routes, on avait imaginé de faire porler les roues des véhicules sur deux fdes de pierres dures posées à plat et bien dressées, les chevaux marchant dans l'espace libre entre ces bandes de pierres. Plus lard, voulant encore augmenter la résistance du chemin au poids des chargements, on a cherché à remplacer ces bandes pavées par des plaques ou bandes de fer ou de fonte. Telle a été l'origine des chemins de fer, appelés d'abord en Angleterre railways (de way, chemin, et rail, bande).

Éléments de la voie ferrée. — Le chemin de fer se compose donc de deux éléments distincts : la voie ferrée, ou railway, et le moteur animal ou mécanique. Ces deux éléments ont dû exister et fonctionner longtemps séparément. On trouve, en effet, de ces voies de fer, à traction de chevaux, dans les exploitations industrielles ou minières, dans

les houillères, comme nous les voyons actuellement en usage dans les grands travaux de terrassements et aussi dans certaines villes où, sous le nom de tramways, elles servent au transport des voyageurs. On a peu d'exemples de l'emploi séparé de la locomotive sans rails, si ce n'est pour les quelques cas de locomotives routières servant à remorquer des rouleaux compresseurs, aujourd'hui très répandus pour les cylindrages des chaussées macadamisées.

Les premiers chemins de fer de ce genre ont fait usage de rails à bandes plates, garnis de rebords en saillie pour maintenir les roues (fig. 1), ce qui permettait d'employer des véhicules avec des roues ordinaires. Mais ces sortes de voies

Fio. 1.

devaient avoir, par la forme des rails, entre autres inconvénients, celui d arrêter et faciliter les amoncellements de détritus, immondices et boues provenant des chaussées, et aussi de se prêter mal aux croisements des trains et aux traversées des routes et chemins où ce mode de transport était usité. Ce n'est que plus tard qu'on en vint à l'emploi des rails noyés dans le sol et de forme à peu près semblable à ceux employés aujourd'hui. La réunion du véhicule et du moteur mécanique fonctionnant sur rails constitue le chemin de fer.

Premiers essais. — Les premiers chemins de fer à petite vitesse ont été établis en Angleterre pour le service des mines et des usines du pays de (ialles et dans le Northumberland. La première locomotive fut construite en 1814 par un ouvrier mineur, Georges Stephenson, qui l'employa pour le service

des houillères de Killing^'orth, dont il devint Tingénieur. Après plusieurs essais et à Toccasion du concours ouvert par la Société du chemin de fer de Liverpool h Manchester, ce fut lui qui y apporta sa fameuse machine Fusée qui réalisait alors, et au delà, les conditions imposées par le concours et qui fut la première locomotive véritablement digne de ce nom et restée, depuis, le type des locomotives usitées encore actuellement. C'est à cet ouvrier que revient l'honneur d'avoir construit le premier chemin de fer à grande vitesse, non seulement de l'Angleterre, mais du monde entier.

L'esprit public anglais, plus particulièrement tendu que le nôtre vers le progrès industriel, ne tarda pas à prévoir le développement que pourrait donner au commerce et aux relations sociales ce nouveau mode de transport. Des essais furent tentés en Europe et en Amérique, sans grand succès, pendant un certain temps qui constitua pour ainsi dire une période de tâtonnements. En i834, après l'ouverture de la ligne de Liverpool à Manchester, et la poseï de la première pierre du chemin de Londres à Birmingham, M. Peel, ministre anglais, terminait un discours au meeting de Tamworth par ces paroles : « Hâtons-nous, Messieurs, hâtons- « nous; il est indispensable d'établir d'un bout à l'autre du « royaume des communications à la vapeur, si la Grande-Bre- « tagne veut maintenir dans le monde son rang et sa supé- « riorité. »

La Belgique a suivi de près l'Angleterre dans l'établissement de son réseau de chemins de fer, à peu près terminé aujourd'hui, et dont la création fut décrétée par une loi de 1834.

L'énormité des dépenses à faire, qui dépassaient les forces isolées de l'État, avait fait concevoir en France des craintes au sujet de l'éventualité des avantages à. retirer de ces entreprises, et abandonner l'exécution des travaux à des sociétés ou intérêts privés, toutes choses et circonstances favorisant le monopole que devaient s'attribuer les grandes compagnies. Aussi, par suite de ces hésitations, la France n'a suivi que d'assez loin le progrès social et industriel accompli en Angleterre et en Belgique, et ne s'est engagée dans ce mouvement qu'avec une certaine réserve. Ces craintes

étaient d'ailleurs partagées par les hommes politiques d'alors, et M. Thiers, en 1834, déclarait à la tribune qu'il se tiendrait pour son compte fort heureux si Von exécutait en France 'ZO kilomètres de chemins de fer en un an. Ce même ministre, ayant fait quelque temps après une visite de la ligne de Liverpool à Manchester, soutenait que les chemins do fer n'étaient bons qu'à servir de jouets aux curieux d'une capitale ou de moyens de transport pour les voyageurs de commerce dans quelques cas exceptionnels ^.

Loi de 1842. — Ce fut en 1842 seulement que le Parlement vota une loi qui, bien qu'imparfaite encore, n'en fut pas moins pour la France le point de départ d'une ère nouvelle de prospérité pour la richesse du pays.

Cette loi décida la construction immédiate de sept grandes lignes partant de Paris (qui ont donné naissance k la plupart de nos grands réseaux) et se dirigeant sur Lille, le Havre, Nantes et Bordeaux, Bourges, Lyon-Marseille, Strasbourg, et •d'une ligne transversale joignant de Bordeaux à Cette TOcéan à la Méditerranée. Elle décida en même temps que ces diverses lignes seraient concédées soit à l'industrie i)rivée, soit à des compagnies, avec le concours de l'État, et que le Gouvernement prendrait à sa charge, à titre de subvention, la construction de la plate-forme (infrastructure), ainsi que les bâtimentsdesstations.Cotte disposition, qui laissait rÉtat maître des tracés qu'il s'agissait de créer, et laissait à la Compagnie la superstructure, c'est-à-dire la voie, quelquefois les bâtiments et l'exploitation, caractérise la loi de 1842.

Au point de vue législatif, on divise les chemins de fer en trois catégories :

Chemins de fer d'intérêt général ;

Chemins de fer d'intérêt local ou départementaux ;

Tramways.

Nous ne nous arrêterons pas davantage sur les détails de cette classification qui sortent du cadre de la construction et sont traités dans la Législation des Chemins de fer.

Nous ne nous occuperons ici que de la construction des

* Perdornkt, tome I.

chemins de fer d'intérêt général, autrement dits à voie normale, tels qu'ils sont établis par les diverses Compagnies qui exploitent les réseaux français.

Parmi les constructeurs et ingénieurs français ayant attaché leurs noms aux nombreux essais tentés dans les premiers temps pour la réussite de ces entreprises, nous citerons les frères Seguin (constructeurs qui inventèrent la chaudière tubulaire et aussi l'échappement de la vapeur par la cheminée, afin d'en augmenter le tirage), Stephen, Mony, Lamé, Clapeyron et Flachat, ingénieurs du chemin de fer de Paris à Saint-Germain; Talabot et Didion, créateurs de la ligne d'Âlais à Beaucaire; le banquier James Rothschild et Bineau, ingénieur de la première Compagnie de Rouen ; l'ingénieur Julien et François Bartholoni, le président de la Compagnie d'Orléans.

Développement en France. — Depuis 1850, les chemins de fer se sont développés avec une grande activité, non seulement en France et en Europe, mais dans l'univers entier. On peut dire que les ingénieurs anglais ont été les initiateurs des chemins de fer, mais aussi que les ingénieurs français en ont été les vulgarisateurs, grâce, il faut le reconnaître, à la facilité avec laquelle le Gouvernement les a toujours mis à la disposition de l'industrie privée, des Compagnies et des Gouvernements étrangers pour l'établissement de ces utiles moyens de communication.

Les effets de ce développement, véritable révolution économique et sociale, n'ont pas tardé à se faire sentir, et les conséquences en ont été considérables : abaissement des prix de transports des voyageurs et des marchandises de toutes sortes, accroissement de la vitesse de ces transports, augmentation du tonnage des marchandises et du nombre des voyageurs transportés, à tel point que toute comparaison est impossible entre la circulation et le trafic actuels et ceux existant avant rétablissement des chemins de fer. On peut seulement en considérer l'importance en pensant à ce que deviendraient le mouvement de la vie et les relations sociales, si ces moyens actuels de communication venaient à disparaître subitement.

Situation au 31 décembre 1895.— Voici, d'après la statistique, la situation des chemins de fer français au 34 décembre 1895, y compris le réseau d'État :

kilomètres

En exploitation 36.564

En construction , . . . 2.535

A construire 1 . 129

Non déclarés d'utilité publique... 3.085

Ensemble 43.313

D'autre part, les chemins de fer d'intérêt local et ceux des petites Compagnies industrielles, chemins de fer départementaux, etc., forment une longueur d'environ 8.000 kilomètres, non compris les tramways.

Efforts de traction sur une route et sur un chemin de fer.

— Le chemin de fer se compose, ainsi qu'il a été dit plus haut, du railway, qui a pour effet de diminuer l'effort de traction, nécessaire sur une route ordinaire, et de la locomotive qui est destinée à diminuer le prix de cet effort.

Sur route, l'effort de traction Varie avec le diamètre des roues des véhicules; on admet généralement, avec les dimensions en usage, qu'il est en moyenne, pour une tonne, de 0,03, soit de 30 à 40 kilogrammes pour des vitesses de 1 mètre à 3 mètres par seconde ; pour des vitesses plus grandes, cet effort s'accroît sensiblement.

Sur un chemin de fer en ligne droite horizontale, autrement dit en palier, l'effort de traction pour traîner une tonne est seulement de 0,003 (soit de 3 à 4 kilogrammes), et cela à une vitesse quatre fois plus grande (8 mètres par seconde), soit 28'*°»,8.

C'est ce qui fait ressortir l'utilité de l'interposition des rails et l'avantage de leur emploi au point de vue de l'effort à exercer pour produire le mouvement du véhicule.

Si on désigne par P la charge brute remorquée, l'effort de trartion sur un alignement droit et en palier est représenté par les formules ;

Sur route :

sur chemin de fer

Inllaence des rampes. — Quand on gravit une rampe, refTort nécessaire pour vaincre le frottement des roues, ou frottement de roulement, est encore augmenté de la composante de la gravité, qui reste la même, selon que la traction se fait sur une route ou sur un chemin de fer.

Supposons un alignement faisant avec Thorizontale un angle a et une charge P, appliquée au point B {fig. 2) ; la composante de la pesanteur est représentée par DB; le rapport

Fio. 2.

de cette composante au poids BP est égal au sinus de Tangle a, formé par le plan du tracé avec la projection horizontale. Comme, en général, il s*agit d'angles très petits, on peut remplacer sans inconvénient le sinus par la tangente. L'efTort additionnel est donc P sin a ou P tang a. L'effort de traction devient sur roule :

sur chemin de fer ;

>(0,03 + tang a),

P (0,003 4- tang a).

mais tang a n'est autre chose que la déclivité ; c'est, pour mieux dire, la montée par mètre de parcours horizontal; on 1^ désigne ordinairement par i.

L*efTort de traction est donc, sur route :

sur chemin do fer :

L'examen de ces deux expressions fait ressortir immédiatement l'influence énorme des rampes sur les chemins de fer.

Ainsi une rampe de 0,003 augmente Teffort de traction sur route de 1/10, et le double sur un chemin de fer; en effet :

devient :

ou et

devient :

ou

Si la rampe atteint 0,01, Teffort de traction augmente de 1/3 sur route, tandis qu'il est plus que quadruplé sur le chemin de fer : on a :

P(0,03 + 0,01) ou

P(0,04), et

P(0,003 + 0,01) ou

On voit par ce qui précède que, malgré la faiblesse du coefficient de roulement, les rampes sont excessivement sen-

NOTIONS GÉNÉRALES il

sibles sur les chemins de fer et qu'on ne doit en faire usage que dans certaines limites.

l'ne autre considération en faveur des faibles rampes tient à la façon dont se fait la transmission du mouvement de la locomotive. L'action de la vapeur agit directement sur chacune des faces de deux pistons glissant, à frottement doux, chacun dans un cylindre et animés d'un mouvement alternatif et rectiligne qui, par l'intermédiaire d'une bielle et d'une manivelle, est transformé en un mouvement de rotation transmis aux roues motrices par leur essieu dont elles sont solidaires. Comme on le voit, la locomotive ne produit pas par elle-même un mouvement d'avancement, mais imprime seulement un mouvement de rotation à une paire de roues qui, en reposant sur le rail, les fait ainsi avancer avec le train remorqué par la locomotive. Mais, pour que ce mouvement en avant se produise, il faut que l'efTort tangentiel à vaincre par les roues motrices pour avancer soit moindre que l'effort qu'elles auraient à surmonter pour tourner sur place. Ce dernier effort, dû à la résistance du rail au glissement, est appelé frottement de glissement^ ou adhérence^ dans la langue ordinaire des chemins de fer. Il résulte que, pour qu'il y ait avancement de la locomotive sur les rails, il ♦*sl indispensable que l'effort à vaincre par les roues soit inférieur à l'adhérence, sans quoi les roues tourneraient sur place; on dit alors que la locomotive patine. On remédie à cet inconvénient qui se produit quelquefois dans les souterrains, dans les tranchées humides ou en temps de verglas, en répandant du sable sur les rails, en avant des roues motrices, ou plus ordinairement en y lançant un jet de vapeur ou d'eau qui lave les rails.

Désignons par f le coefficient d'adhérence, c'est-à-dire le rapport de la force nécessaire pour vaincre le frottement au poids du chargement qui le produit ; par P, le poids total des wagons à remorquer par la locomotive; par p, relui de la locomotive (P+p sera le poids du train); et par w, la portion du poids de la machine supportée par les roues motrices.

wf représente le frottement de glissement que les rails opposent aux roues motrices, ou le plus grand effort tangentiel que la machine puisse utilement exercer sur les roues.

(S*il est dépassé, le frottement du rail est vaincu, et les roues patinent.)

l/effort de traction étant exprimé par P (0,003 + î), ou doit avoir la relation P +|î (0,003 + i) <w^, condition sans laquelle le mouvement en avant de la locomotive se traduirait par un mouvement sur place des roues motrices.

Appliquons ces données à un exemple, et supposons un train du poids de 200 tonnes, remorqué par une locomotive à roues libres, à trois essieux pesant 39 tonnes, dont 1/3 seulement porte sur les roues motrices. Quelle sera la rampe limite ?

P — 200, p — 89, co— 13.

Le coefficient d'adhérence f est variable : selon l'état d'atmosphère, il est plus grand lorsque le rail est très sec ou complètement mouillé ; il diminue avec l'humidité ou les brouillards. On l'évalue ordinairement à J /6 ou 4 /7, soit 0,i 5. La condition d'inégalité ci-dessus devient :

ou

d'où

I z=z 0,0082 — 0,003 ou 0,0052.

Telle est la limite de rampe qui ne saurait être atteinte ni dépassée, sinon la pression de la locomotive ferait tourner les roues motrices sans les faire avancer, le point d'appui leur manquant : il n'y a pas d'action efticace où il n'y a pas de réaction.

Les développements qui précèdent sortent un peu du cadre de la construction et trouveront leur place au titre Exploitation et Traction ; mais nous avons cru devoir en parler, au moins sommairement, pour mettre en évidence les relations qui doivent exister sur un chemin de fer entre la force du moteur, le poids du train remorqué et les conditions du

tracé, en palier ou en rampe, et par conséquent la nature et la force du maténel à utiliser.

Influence des conrbes. — Des raisons de même importance commandent Tadoption de courbes à grand rayon; cela ré:$ulte des dispositions de construction du matériel. On sait, en effet, que le mouvement étant transmis aux roues motrices par rintermédiaire des essieux qui les unit, il faut nécessairement que ces deux parties soient solidaires, car autrement le mouvement en avant produit par la rotation de ces roues n'aurait plus lieu. Cette nécessité n'est pas indispensable pour les wagons dont le mouvement en avant résulte de la traction exercée sur ces véhicules par la locomotive, comme cela a lieu, du reste, pour les voitures ordinaires. Néanmoins, pour des raisons de solidité et de sécurité, les roues des wagons sont solidaires de leur essieu d'un bout à l'autre du train.

Il résulte de cette disposition que dans une courbe les deux roues d'un même essieu, ayant même diamètre, doivent néanmoins effectuer des parcours différents, le rail de la courbe extérieure ayant un développement légèrement plus grand que celui delà courbe intérieure. Cette différence de parcours ne peut être rachetée que par un glissement transversal des roues sur les rails, — qui est d'autant plus sensible que la courbure est plus prononcée. De là un surcroît d'effort de traction, une usure plus rapide des rails et des bandages des roues et aussi un effort de torsion qui occasionne souvent des ruptures d'essieux.

D'autre part, une autre disposition du matériel, qui s'oppose à l'adoption d'une forte courbure de la voie, résulte du parallélisme des essieux d'une même voiture qui forment ainsi avec le véhicule un châssis rigide ayant la forme d'un parallélogramme. On comprend dès lors que sur un alignement droit cette disposition n'offre aucun inconvénient ; mais, si on entre dans une courbe, la position normale qui conviendrait aux essieux serait déterminée par les lignes AA' et BB', convergentes par rapport au centre de la courbe {fig. 3). 11 faut donc que le parallélogramme déterminé par le plan des roues et des essieux puisse s'inscrire dans le plan de courbure des deux files de rails, sans trop de frottement, pour

augmeuter Teffort de traction et sans risquer de sortir des rails d'un côté et de tomber dans la voie de l'autre. Pour cela il est nécessaire que la voie ait un certain jeu, c'est-à-dire une largeur un peu plus grande que la largeur entre l'axe des roues d'un même essieu; en d'autres termes, il faut que la flèche de la courbe dont la ligne AB, joignant deux roues

Fio. 3.

d'un même côté, est la corde, soit inférieure au jeu ou revanche de la voie sur la largeur normale entre les bandages des roues.

C'est ce jeu qu'on appelle surlargeur ou surécarteraent.

Ainsi que nous le verrons à la pose des voies, on admet, selon le type des chemins de fer, trois largeurs usuelles: la voie de 1™,45, qui est la voie normale, la voie de i mètre et la voie de 0™,60, dites voies étroites. A l'une comme à l'autre, on donne habituellement lors de la pose un surécartement ou jeu de 0™,01.

Comme on le voit, deux raisons importantes, provenant des dispositions d'établissement du matériel des chemins de fer, commandent des courbes de grand rayon : la solidarité des roues et de leurs essieux et le parallélisme de ceux-ci.

Donc, en résumé, d'une part de faibles rampes, et de l'autre de grands rayons de courbes, constituent les conditions auxquelles doit satisfaire un tracé de chemin de fer. Ces conditions donnent évidemment lieu à des ouvrages exceptionnels et à des dépenses énormes comparativement aux autres voies de communication n'offrant pas ces sujétions.

Limites des rampes et des courbes. — - Dans la construction des premières grandes lignes formant les principales

artères du réseau français et sur lesquelles circulent des trains de voyageurs à grandes vitesses et à grands parcours. on a adopté, comme maximum, des rampes de O^jOOS et des courbes de 800 à 4.000 mètres de rayon; ces limites correspondent à d'excellentes conditions d'exploitation. Mais au fur et à mesure que le réseau s'est complété par la construction de lignes secondaires ou de moindre importance, on a dû envisager la question d'économie des frais d'établissement; les limites de i*ampes et de courbes ont été abaissées, grâce aussi aux modifications apportées dans le matériel et les moyens d'exploitation, mais peut-être aussi au détriment de l'usure de ce matériel. Sur des lignes secondaires établies depuis plusieurs années on est descendu à des rampes de 0",015 à 0»,020 et même 0",025 et 0»,030 (lignes des Cévennes et celle de Grenoble à Veynes, avec des vitesses de 25 à 30 kilomètres à l'beure), et à des courbes de 250 à 300 mètres de rayon, et quelquefois même exceptionnellement à 200 mètres à l'entrée et à la sortie des gares, où les vitesses sont notablement ralenties.