CHAPITRE PREMIER Dispositions générales
NOTICI HlSTOHTQaE
1, — Premieî's essais. — La première application de la machine à vapeur è la locomotion sur routes a été faite par Cugnot^ qui parvint, en 1769, à transporter quatre personnes à la vitesse de quatre kilomètres à l'heure; le fardier de Cugnot, dont le modèle est conservé en France, reposait sur un essieu à deux roues à l'arrière et sur une roue pivotante directrice à Tavant; celle-ci était actionnée par deux cylindres verticaux à simple effet dont les tiges de piston étaient liées par des encliquetages aumoyeudelaroue. Aprt^s quelques essais, l'invention fut abandonnée j son insuccès s'explique par les grandes difficultés que présente encore aujourd'hui la locomotion sur roules, et par Tétat rudimentaire dans lequel se trouvaient la chaudière et la machine à vapeur avant Tépoque de Watt,
Olivier Evans aux États-Unis, Walt et William Symingion en Angleterre, s'occupèrent à la Un du siècle dernier de la locomotion à vapeur ; Evans réussit même à faire circuler une voilure dans une rue de Philadelphie en 1803- I8Û4.
Richard Tre^ithick prit, en 1802, une patente pour une voiture à vapeur qu'il construisit dans le pays de Galles, et qui circulait sur les routes ordinaires; le moteurn'avait qu'un cylindre vertical à double effet, il actionnait les roues par deux bielles pendantes renversées ; l'essieu commandait par engrenages un arbre auxiUaire portant un volant. Trevithick acquit bientôt la conviction qu'il ne pourrait arriver à
MACHlKfiS LOCOMOTIVJSa. 1
des résultats satisfaisants que sur les voies ferrées, et dirigea tous ses efforts de ce côté.
A partir de ce moment, l'histoire de la locomotion mécanique se bifurque :
D'une part on continue à poursuivre le problème du transport sur routes, qui aboutit, en Angleterre surtout, aux machines destinées à la traction lente de lourdes charges, et tout récemment, en France, à une série de voitures relativement légères et rapides, connues sous le nom à^ automobiles, et sur lesquelles Tattention est fort portée en ce moment (•) ;
D'autre part, la locomotion sur voies ferrées prend un essor beaucoup plus rapide et laisse dans l'ombre les efforts tentés pour perfectionner la locomotive routière. La seconde machine de Trevithick, en 1803, roulait sur rails et fut employée à l'exploitation d'une petite ligne pour le
Fig. 1. — Trevithick (1803).
transport de la fonte près de Swansea, dans le pays de Galles ; elle pesait 8 tonnes en ordre de marche, et remorquait 25 tonnes de charge brute à la vitesse de 6,8 kilomètres à l'heure sur une voie défectueuse ; à vide
1 . Le cadre de cet ouvrage ne comporte pas l'examen d'applications aussi spéciales, dont les difficultés sont d'ordre plutôt technologique : on consultera :
Minutes of Proccedings, CE. t. 36, p. 33; t. 103, p. 3; sur les voitures automobiles, l'ouvrage intitulé : Les Automobiles, par D. Farman, Paris, Fritsch, ainsi que les revues : Le Génie civil, août et septembre 1894, un article par G. Brabantdaiis la R. U. des Mines, novembre 1894, la description des voitures Serpollet, Leblant, Panhard-Levassor, Peugeot, Engineering, 1895, 1« sem., p. 246, 472, 499; 1896, 1«p sem., p. 6, 274, 376; une série d'articles intitulés les « Voitures automobiles > dans Vlndustrie, 1897.
filSTOBTOÎIÏ
elle atleîgnit la vitesse de 2S kilomètres. Un modèle de celte macliîne (fig. i) a été reconstitué parles ateliers de Crewe, et a figuré à Chicago en 1893 (*),
Il semble probable que le tirage n'était pas produit par la vapeur d'échappement, car l'inventeur employa plus tard des ventilateurs pour activer la combustion; cette machine -, parait aussi avoir manqué d'adhérence; d'ailleurs ^ l'état de la voie, en rails plats de fonte, ne comportait pas une charge suffisante.
Préoccupé d'augmenter cependant la puissance, Blenkinsop place , en 1811, une crémaillère sur le côté de la voie (fig* 2); &a machine pesait 5 tonnes; elle fonctionna, paraît«il, avec succès jusque vers 1830^ entre Middleton et Leeds.
L'insuffisance supposée de Tadhérence conduisit encore IJrunlon à préconiser, en 1813, l'emploi d'une chaîne dormante placée entre les rails et s'enroulant sur un tambour actionné par le mécanisme, Brunlon prit même une patente pour une machine munie â Tarriére de jambes ou béquilles articulées s'appuyant sur le sot Blackeit et Hedle^ revinrent cependant à la même époque aux machines à adhérence à roues hsses pour le transport de la houiUe entre Wylam et Leminglon, près de Newcaslle, mais en accouplant tous les emeux au moyen de roues den-* tées avec pignons intermédiaires, de manière à utiliser tout le poids poxir l'adhérence . (Cette machine, nommée * puffing Billy y>^ est au musée de South Kensingion).
Fig, 2, — Bloalinsop (1811),
2. — Les SlephensùH. — (leorge Siephemon réalisa, en 1814, avec l'aide de lord Havenworth, une locomotive améliorée pour le chemin de fer de Killingworth à Ifetton, qui servait au transport de la houille»
1, Pour l'tîistoire des premières Jocomolives, voir surtout r
Ruehlniann; Allg-timtniie M, L, vol. lU ;
Une série de notiez*, sur ies raacliiii^'g aii^rtatses et amôrii^aînes exposées à Chicago, dans Engineering, i«^a, li" ^:em,, i*. 104, *70, hrZ; 189 J, 1^=- tsem,, p. 34λ 377, +61, 639, 718; L89+, t^ sem., p, i!y5, 480, 574;
LechatrUer, Flachat^ P*^iiet et Poloaceaa-, Guide du mécanicien, etc* (introductïoti).
Cette machine, appelée « Blûcher », fut essayée le 25 juillet 1814 ; elle rappelait les dispositions de celle de Blenkinsop, mais sans la crémaillère ; les roues, d'abord accouplées par engrenages, furent ensuite attaquées directement par les bielles pendantes, une chaîne de Galle servant à établir la solidarité de leur mouvement.
En 1825, les locomotives de Stephenson avaient des bielles d'accouplement extérieures et étaient montéessur ressorts ; depuis 1815,1a vapeur d'échappement était conduite dans Taxe de la cheminée pour activer le tirage. Le succès relatif de ces machines les fit adopter pour la ligne de Stockton à Darlington, près de Newcastle, ouverte en septembre 1825 ; l'une d'elles remorqua un train de 90 tonnes à la vitesse de 13,5 kilomètres à l'heure (*).
Jusque-là, les machines avaient des cylindres verticaux et s'inspiraient des moteurs fixes de l'époque ; V Expérimenta construite en 1826 pour le même chemin de fer, avait des cylindres inclinés ; il en fut de même de VAmericay construite en 1828 pour Horatio Allen, et expédiée en 1829. Cette dernière machine avait un châssis en barres carrées qui fut le point de départ du mode de construction toujours suivi depuis lors aux États-Unis.
La ligne de Stockton à Darlington fut la première ouverte au service des voyageurs ; c'est à une locomotive de cette ligne que le chef mécanicien Hackworth appliqua, en 1827, une tuyère convergente d'échappement, ce qui lui a fait attribuer à tort l'invention du tirage par jet de vapeur, qu'il a simplement amélioré.
A partir de 1827, Robert Stephenson dirigea les atehers établis par son père à Newcastle, et intervint pour sa part dans les progrès de la locomotive.
3* — La Fusée. — Vers 1829, les travaux du chemin de fer de Liverpool à Manchester étaient à peu près terminés, au prix de difficultés très grandes, notamment la traversée des marécages de Chat-Moss, et différents systèmes d'exploitation étaient proposés, parmi lesquels il s'en trouvait même comprenant l'emploi de machines fixes. C'est alors que fut ouvert le concours de Rainhill (à 15 km. de Liverpool), qui imposait
1. Voir, pour les particularités de la machine Locomotion N^ 1, exposée en 1889 À Paris par la Compagnie du North-Eastern : Engineering, 1889, l^f sem., p. 707 ; l'ancien tronçon de Stockton à Darlington est incorporé dans le réseau de cette Compagnie.
auxmachines fixes un poids maximum de 6 tonnes, une charge remorquée de 20 tonnes et une vitesse de 10 milles (16 knu environ) à l'heure. Quatre locomolîvea entrèrent en lice (6 octobre 18â9); l'une d'elles s'écartait des conditions du concours; deux autres furent désemparées; la Rockeit (% 3},présentée par Stephenson, obtint le prix ; elle pesait 4.300 kilogrammes; elle remorqua, à la vitesse de i2,S railles, une charge de 12750 kilogrammes ; avec une seule voiture, elle atteignit la vitesse de M milles (38,6 km.) à l'heure.
La * Fusée », qui fut ainsi adoptée pour Texploitalion de la première grande ligne dlntérèt public, avait la chaudière à tubes de fumée avec boite à feu intérieure, généralement attribuée à Seguin aîné^ directeur du chemin de fer de Lyon à Saint- Etienne, qui Ta vait appliquée dt*s 1827 à une machine achetée en Angleterre (le brevet français de Seguin est du 2â février 1828). Toutefois, l'idée en avait été suggérée à Hobert Stephenson par Henry Booth, secrétaire de la ligne,
La a Fusée \y av^ait aussi la tuyère d'échappement pour activer le tirage; elle était portée par deux essieuz indépendants; les roues motrices placées à l'avant étaient actionnées par deux cylindres inclinés agissant sui' des manivelles à angle droit ('),
La < John Bull * fut commandée par Hobert L, Stevens et expédiée aux États-Unis pour le chemin de fer de Camden-Amboy ; elle pesait en-
Ffg. 3,^U iRockeUi (18S9).
I * Les maehinea qui suivirent furent PiaHel(18îM)) (flg.4)î Vesia (lfi3i); Atlas (t83î). Les dimensions prlndpaieâ do la c Plane! « sont :
Diamètre dûs cyliadr©» < .
319 mil Um.
Course de^ pistons . . .
Diamètre des roues root mes
— pur te mes
i«, mi
Sorfiee de grille, , . ,
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Surface du foyer , . . ,
Surface dos lubes . ^ >
Poids eo charge . . , ,
— du tender ,
Timbre, >.,.,,
3|5 atm.
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Fig. 4
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vîron 10 tonnes et fut pourvue par Stevens d'un chasse-bœufs rudiinentaire, dont l'usage s'est conservé en Amérique; elle a fait un service prolongé et a été remise sous vapeur pour remorquer jusqu'à Chicago, en 1893, un train composé de deux voitures.
Le concours de Rainhill a marqué la fin de la période d'invention de la locomotive qui, depuis lors, a suivi le développement régulier amené par les exigences du trafic et les progrès de la construction.
4. — Période postérieure à 1830. — La machine Atlas avait trois essieux. Uobert Slephenson perfectionna ce type en 1833, et les machines eurent dès lors des dispositions définitives : deux cylindres intérieurs horizontaux à l'avant sous la boite à fumée montés entre longerons extérieurs aux roues (fig. 5), l'essieu moteur à grandes roues libres au milieu,
Kju
un essieu porteur à l'avant un peu à l'arrière des cylindres dont il fallait éviter l'assemblage avec les longerons, et un essieu porteur à l'arrière de la boite à feu. Pour faciliter le passage en courbe, les roues motrices n'avaient pas de boudin.
HISTOaiQUÏ 7
Les machines de Sharp et Roberês^ à Manchester, avaient les mêmes dispositions; elles furent les premières à porter des contrepoids aux roues pour équilibrer seiUemenl les parties tournantes excentriques, et à être munies d'un dôme de prise de vapeur à Ta vaut»
Plus tard, Faugmentation de longueur du corps cylîodrique et de la grille amena Slephenson â nie tire la boite à feu en porte-à-faux ; il revint aussi au châssis intérieur aux roues» qui pennel d'avancer un peu Tessieu porteur de Tavant (fig, 6), La répartition du poids était cependant moins bonne que dans le type précédent^ et la surcharge relative de Tessieu d'arrière était aggravée par un dôme assez lourd formé par le prolongement des parois de la boite à leu extérieure.
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Fig. ti
Le système de distribution employé à celte époque consistait en deux excentriques avec barres à fourches (5'' fascicule, u"" 92); la coulisse de Slephenson date de 1843, ainsi que celle de Gooch; elles lurent suivies bientôt de la distribution Walschaerls (1844) qui, toutefois, se répandit mieux en Belgique et en Allemagne; la coulisse d'AUan est de 1850.
Les célèbres machines Crampion^ dont plusieurs sont encore en service sur TEst français, ont été conçues en 1846.
La plupart des chemins de fer ont été tributaires de l'Angleterre pour les locomotives employées au début de Texploitation; mais les pays industriels s'affranchirent de très bonne heure de celte tutelle (*), et la
1. Les célèbres ateliers Baldwin (aujourd'hiii BurDham Wtllïama et C«), de PhiladeJphie, furent fondés en IB3] et praduisireut, en !83i, la mat^hiiie Olà Iromides, Il y uvaiten BoLgique» dès 1840, trois établissements coneitniiâant ta
machine locomotive, malgré sa communauté d'origine, se présente aujourd'hui dans les divers pays avec des différences parfois assez saillantes, qui s'expliquent par l'organisation du trafic, le tracé du réseau, la nature du combustible et même les ressources différentes de la métallurgie.
Sous le rapport de l'emploi de la vapeur, le problème est beaucoup plus circonscrit que pour les moteurs fixes ou ceux employés dans la navigation, la condensation devant a jmori être écartée, et le travail par coup de piston devant pouvoir varier entre des limites très larges.
Ces conditions condamnent la locomotive à une imperfection relative; aussi, les seules améliorations apportées au cycle depuis le début consistent dans l'élévation de la pression initiale et, à l'époque moderne, dans l'emploi de la détente étagée.
A tous les autres point& de vue, au contraire, les machines se sont profondément transformées par le détail.
Par de nouvelles proportions données à la grille et au foyer, on a substitué la houille au coke, dont l'emploi était général et nécessaire au début (*). La houille ordinaire a été employée pour la première fois en Belgique par le chemin de fer du « Pays de Waes » (1847) ; elle est depuis longtemps d'un usage général dans tous les pays producteurs de charbon ou dépourvus d'autres combustibles : toutes les variétés, depuis les maigres jusqu'aux houilles flambantes, et depuis les menus jusqu'aux houilles en roches sont du reste utilisées, ainsi que l'anthracite.
Les sujétions imposées par la largeur de la voie, la limite de charge qu'on peut faire porter aux essieux, la réalisation de très grandes vitesses ou celle de grands efforts de traction malgré la limite imposée par l'adhérence, enfin la nécessité pour tout le mécanisme de fonctionner avec sécurité sans être à l'abri de la poussière et des trépidations destructives, ont exigé une étude attentive de tous les détails de construc-
locomotive : la Société Cociverill, les ateliers Régnier-Poncelet et Ja Société du « Renard d, à Bruxelles; les établissements de Haswell, à Vienne, Borsig, à Berlin, Maffei, à Munich, furent fondés à peu près à la même époque. La construciion de la locomotive ne prit vraiment son essor en France qu'après 1845; à la fin de l'année 1849, Lechatelier comptait déjà 850 machines construites en France, circulant sur le réseau frani^^ais et sorties de divers ateliers qui, à l'exception du Creuset, ont aujourd'hui disparu ou se sont transformés.
1. La houille avait été employée, dès le début, dans les essais antérieurs à la « Fujfée »; elle fut reprise en 1837, par Gray et CJianter^ au chemin de fer de Liverpool à. Manchester.
tion; la locomotive moderne est donc un organisme très perfectionné qu'il est téméraire de vouloir altérer si l'on ne possède beaucoup d'expérience.
Parmi les modifications qui ont fait époque et qui sont plus ou moins oubliées aujourd'hui, il convient de signaler des tentatives peu heureuses pour appliquer aux locomotives les systèmes de dis tribu lion par tiroirs superposés, bientôt abandonnés devant le moyen si simple d'opérer la détente par les divers systèmes de coulisses,
Lamise en exploitation de la ligne accidentée du Semmering, en 1851, marque une date importante dans la construction des locomotives de fortes rampes à grand effort de traction, à forte adhérence, et possédanl une flexibilité suffisante pour passer dans des courbes de petit rayon (*).
Les grandes difficultés d'exploitation de cette ligne conduisirent aux machines attribuées à Engerth (dues en réalité à trois de ses ingénieurs) qui présentaient des caractères très particuliers, et notamment Tin te rvention du tender dans l'adhérence, grâce à un accouplement par engrenages entre son train de roues et celui de la locomotive proprement dite. Établir cette liaison sans nuire à la flexibilité serait encore un problème très difficile à résoudre aujourd'hui; le système Engertli, bientôt modifié par la suppression d'un accouplement aussi délicat, a servi de point de départ au type à marchandises pour trains lourds à quatre essieux accouplés très fréquent en France et en Autriche.
Au point de vue de la flexibilité, le perfectionnement le plus important est celui qui résulte de l'emploi du truck ou bogie américain, ainsi que de Tavant-train pivotant à deux roues dû à Levi Bissel (1858).
L'injecteur Giffard devient, en 1858, l'appareil d'alimentation par excellence, puisqu'une nécessite plus l'emploi de voies spéciales dans les gares, et qu'il permet le refoulement de l'eau pendant les stationnements.
Quant à la substitution de la houille au coke, elle a surtout demandé l'agrandissement de la grille, la houille ne permettant pas la combustion en couche aussiépaisse; la recherche de la fumivori té a amené les grilles de Chobrzynski et de Marsilly, essayées à partir de 1851 sur le Nord et l'Est français, puis abandonnées. Dans le même ordre d'idées, Clarh-
1. Ruehlmann, ouvrage cité page 369. L'une des machines, présentée fjar la Société Cockerill, et nommée Seraing, se rapprochait du dispositif pJuâ récetiL de Fairlie,
préconise, en 1858, l'injection d'air au-dessus de la grille par le moyen de Jets de vapeur; Cudworthy en Angleterre, fait usage de grandes gj'iUes avec foyer divisé par une cloison, et renfermant une voûte en briques; le système de Yarrow, en 1857, comportait déjà l'emploi d'un écran en fonte au-dessus du feu, écran qui a probablement amené l'idée lie la voûte; Douglas améliore la combustion en armant la porte, vers riiitêrieur, du déflecteur très souvent employé aujourd'hui, surtout dans les machines anglaises. En France, Ten-Brink réussit, en 1860, au rnovLni du foyer très répandu actuellement à l'Orléans, à brûler la houille trùi;; fumeuse de Sarrebruck.
lie! paire construit, en 1860, les foyers à grandes grilles pour la combustion des houilles très menues (*); il inaugure un système de construclioD et d'entre toisement de la boite à feu qui, sans être général, s'est [îropagé partout, même aux États-Unis, où la pratique de notre cou !i lient a cependant très peu pénétré.
Daijs les locomotives spéciales pour profils accidentés, beaucoup de Bv fi Le mes sur lesquels on avait fondé de grandes espérances ont été essayés^ puis abandonnés; il en a été ainsi des machines Engerth (voir plus haut), Beugniot (1859), Steirdorff, Petiet (à quatre cylindres), Meyer. Lu machine Fairlie, à double bogie (1860) a mieux réussi, et on continue à remployer dans des cas spéciaux.
ÏVmr gravir les fortes rampes des lignes de montagne, les voies à crijirinillères ont été reprises : Riggenbach et Zschokke (1870) ont créé tie nombreux types de locomotives s'adaptant à ces voies, dont la premièrej en Europe, a été celle du Rigi (*).
U\ modification la plus importante de la période moderne qui ait \\Qv\v sur le moteur est l'application du fonctionnement compound à la locoïnolive par M. Anatole Mallety en 1876; d'abord essayé sur les machiin'H du chemin de fer de Rayonne à Biarritz, il s'est, depuis lors, rapidemr^nt développé; déjà vers 1850, John Nicholson et Samuel diN^xeni ima^Mné un système assez complexe qu'on peut considérer comme un aclu iiiinement vers le compound, mais qui avait été abandonné sans faire avancer la question.
J^:j locomotive américaine avait acquis rapidement des caractères spéciaux à peu près invariables; le bogie y a été introduit dès 1832 par Hall; les machines de Norris et de Baldwin, déjà en 1837, avaient les
I. Ces foyers sont aussi attribués à Behne{* Ruehlmann », ouvrage cité, p. 399). t. La ligne du mont Washington aux États-Unis date de 1867.
cylindres extérieurs, les tiroirs placés au-dessus et actionnés par balancier de renvoi, disposition restée générale. La fonte de très bonne qualité a toujours été employée aux États-Unis pour un grand nombre de pièces, même pour les roues motrices des machines d'express; les petites roues des bogies sont coulées en coquille, sans bandages. Les longerons, au lieu d'être en tôle, sont composés de pièces de forge à section carrée assemblées à la façon des pièces de charpente ; les boîtes à feu intérieures sont presque toujours en acier ; les faisceaux tubulaires sont en fer. Le système compound se développe rapidement avec des groupements variés de cylindres.
§11 Dispositions générales
11 convient, pour établir la liaison indispensable entre les diverses parties de la locomotive, de décrire rapidement l'ensemble d'une machine moderne. Nous nous bornerons à l'examen de deux types classiques (*).
