COMME MOTEUR SUR LES CHEMINS DE FER

La vapeur agissant comme moteur sur les chemins de fer au moyen des machines locomotives , est, sans contredit, le principal élément du succès miraculeux que ces voies nouvelles de communication ont eu de nos jours. Il est donc intéressant de pouvoir calculer exactement la force de ce nouvel agent, comme aussi les pertes qu’il est susceptible de recevoir dans son application utile pour

traîner un poids déterminé.

Occupons-nous d’abord des différentes causes de résistance qui s’opposent à l’action même du locomoteur.

Trois causes principales de résistance agissent

la gravité , le frottement et la force d'inertie de l atmosphère. Nous verrons plus tard comment

pour diminuer l’effet de l'agent de la force motrice

agit et se calcule l’effet de la gravité ; riouS commencerons par l’appréciation’ des effets du lî*ôt-‘ tement. -

Frottement.

Par frottement, on* désigne là' somme des obstacles au mouvementd’une voiture ou plusieurs voitures résultant de la résistance exercée sur la circonférence des roues au moment où elle s’avance sur les rails , et de l ? effet> de l’attrition sur les essieux par suite de la répartition de la charge.

Or l’expérience prouve que cettte résistance, calculée sur une moyenne des roues le plus généralement en usage (car le diamètre des roues influe sur cette question), est aussi exactement que possible 7 de l’expression totale du* frottement, ou environ t-Vt de la. charge ; quant à la - moyenne de l’effet d’attrition sur les; essieux, elle peut être évaluée à environ ~ de la charge; mais comme la proportion moyenne du diamètre dés roues à' celui des essieux (les points d’appui étant en dehors des roues ) est de 16 k - 1 ; le résultat précédent doit être réduit dans cette proportion; c’està-idire que la somme totale moyenne est 1 de pour la résistance, plus pour l’attrition surles f ' essieux; ou ensemble -rf^de la charge; on environ

9 livres anglaises par tonne, dont 2 livres 1/4 expriment la résistance.

Il existe cependant plusieurs circonstances qui influent différemment et assez sensiblement sur ces résultats moyens; ce sont celles de la résistance de la boue sur les rails, lorsque la charge n’occasionne pas de glissement, la force d’attrition suivant le bon ou mauvais état des essieux , état qui peut varier beaucoup suivant la nature du graissage. On ne saurait porter trop d’attention à la composition des matières employées pour le graissage, et nous ne connaissons rien de supérieur à l’huile de pied de bœuf appliquée aux rouages, et à l’huile de palmier dans le graissage pour les roues.

Nous venons de dire que la proportion ordinaire entre le diamètre des roues et celui des essieux (les points d’appui étant en dehors des roues), était de 16 à 1; on eût été en droit, d’après la théorie, de s’attendre qu’en changeant ces proportions on arriverait à des résultats différents ; la pratique n’a pas cependant confirmé ce principe. Du moins telle est la conséquence que nous devons tirer des dernières expériences faites par M. Wood sur cette matière, en se servant de wagons ordinaires employés au transport de la houille. Ces wagons étaient dans un état parfait,

et le rapport du diamètre des roues à celui des essieux (les points d’appui étant en dedans), ftait seulement de 12 à 1 ; malgré cette proportion, la somme totale du frottement n’a pas été matériellement augmentée. En d’autres termes, M. Wood n’a pas été amené à conclure qu’il y eût un avantage bien marqué à placer le point d’appui des essieux en dehors des roues ( et par conséquent à l’intérieur dû cadre), au lieu de l’avoir au dedans des roues (et par conséquent en dehors du cadre), en changeant la proportion de 16 à 1 dans celle de 12 à 1.

Ce résultat, tout contraire qu’il est à la théorie, n’en est pas moins remarquable en ce qu’on pourrait en conclure qu’on ne gagnerait rien , ou au moins fort peu de choses à réduire le diamètre des essieux au delà d’une proportion voulue. Nous devons prendre acte de ce fait à cause de son influence directe sur l’importante question à résoudre , de la meilleure proportion à donner à la largeur de la voie , ainsi que sur la disposition relative des roues par rapport au cadre des voitures (soit au dedans , soit au dehors), et par suite, sur les dimensions à donner aux roues. Néanmoins , quoiqu’il résulte de ce qui précède que la réduction du diamètre de l’essieu au delà d’une proportion voulue, n’amène pas une diminution équivalente de frottement ; cependant il est incontestable

qu’on peut toujours obtenir des avantages réels en augmentant le diamètre des roues , si , toutefois, ces avantages ne sont pas achetés trop cher.

Pans l’effet de l’attrition sur les essieu* , il était un point bien important à connaître , c’était la proportion à donner à la surface de support pour que le résultat obtenu comme point de support , tout en atténuant les effets de. l’attrition , fût le plus satisfaisant possible. M. Wood est parvenu , dans ces dernières expériences , à prouver que la longueur de la surface de support de l’essieu devait être la même à peu près que son diamètre. Or, jusqu’ici une opinion assez généralement accréditée parmi les praticiens et même par quelques hommes de science, était que moins la surface de support était grande, et moins le frot* tement était considérable, tandis que l’expérience démontre que cette surface doit avoir une proporv tion déterminée parle diamètre des essieux, et que les rails ainsi que les bandages des roues doivent aussi avoir une surface de frottement déterminée.

De cette opinion si diamétralement en contradiction avec l’expérience, il était résulté de grandes erreurs dans la construction des railways, car on avait donné aux essieux, aux bandages des roues et aux rails, une surface de frottement si étroite que ce§ parties se sont usées plus promptement,

et ont occasionné des espèces de rainures sur les jantes qui ont ainsi augmenté considérablement le frottement. On trouve en Belgique un exemple de l’emploi de rails trop étroits; les roues par suite se creusent assez vite, et le frottement a beaucoup augmenté; par suite aussi, on est souvent obligé de réparer les roues et de les remettre sur le tour.

L’effet du frottement latéral sur le tirage d’un convoi, à des vitesses différentes, n’est point encore bien déterminé; il est vrai qu’on est parvenu à en atténuer considérablement les effets en détruisant presque entièrement ce qu’on appelle le mouvement du lacet , oscillation des plus fatigantes pour les voyageurs même, et qu’on éprouve ordinairement aux moments de départ ou d’arrivée, ou sur des parties d’un railway en mauvais état de réparation.

La méthode deM. Booth, mais surtout celle de M. Bergin, remplit complètement ce but; elle con- r

siste clans l’emploi de doubles menottes à vis agis- %

sant sur des heurtoirs à ressort. Au moyen de cet *

appareil fort ingénieux, les voitures sont serrées les unes contre les autres par la compression partielle des ressorts des heurtoirs ; par suite, la commotion qui est ordinairement ressentie lorsqu’un convoi se met en marche ou s’arrête, est rendue insensible. .

Digitiz«*by (ioogIe4

Force d’inertie de l’atmosphère.

La résistance qu’oppose la force d’inertie de l’atmosphère à la marche des convois mus à des vitesses différentes, est un effet bien reconnu aujourd’hui, mais qui, pour être déterminé d’une manièreprécise, demande encore à être soigneusement examiné par une série d’expériences nouvelles. Déjà on a commencé à s’occuper de ce sujet dans quelques expériences récemment faites sur le chemin du Great- Western par M. Wood ; mais on s’est trop hâté d’en déduire des conclusions qü’on désirait établir comme règle dans l’appréciation de la valeur de cette résistance. Â ce sujet, M. Wood a cru devoir adresser une rectification des faits avancés sous son nom aux directeurs du chemin du Great-Western. « On ne peut pas , dit-il , déduire des expériences que j’ai faites sur votre chemin, une règle pour apprécier à sa juste valeur la résistance de l’air, car dans les formules dont je me suis servi, j’ai considéré que la résistance de l’air sur des convois était proportionnelle au carré de la Vitesse. Or, l’expérience n’a point encore suffisamment prouvé la vérité de cette règle. Les convois ses composent ordinairement de voitures de diverse formes, et présentent par conséquent des contours différents, tant sur l’avant que sur les côtés;

d’ailleurs les circonstances qui influent sur la résistance sont si complexes , que jusqu’à ce qu’on ait répété une série d’expériences plus variées que celles que j’ai pu faire jusqu’ici, on ne peut établir aucune règle un peu satisfaisante pour déterminer l’effet de la résistance de l’air. Pour ces motifs, je ne suis point satisfait des calculs basés sur les formules dont j’ai fait usage pour déterminer les quantités relatives du frottement proprement dit , et la part de résistance provenant de l’air. J’ai l’intention de continuer mes expériences sur des convois composés d’un nombre varié de voitures, comprenant toutes les formes en usage ; et jusqu’à ce qu’elles soient faites , on ne peut arriver à aucune conclusion utile pour la pratique sur la règle à suivre pour fixer la quantité précise de résistance qui revient à l’air. Néanmoins, les expériences dernières sont précieuses en ce qu’elles commencent la série à continuer pour établir cette enquête , et leur utilité est incontestable puisqu’elles confirment jusqu’à un certain point les résultats obtenus par les expériences sur les locomotives, que la résistance de l'air sur des conçois, marchant à de très-grandes vitesses , est beaucoup plus grande quon ne l avait généralement supposé. »

La vitesse étant la principale recommandation des railways comme moyen de transport pour les

DigitizadJ

voyageurs, on> dbit s’attendre à ce que , par suite des perfectionnements introduite chaque jour dans

toutes les parties des machines locomotives, on arrivera à obtenir une vitesse moyenne, beaucoup plus grande que celle à laquelle on est arrivé jusqu’ici. Si nous nous reportons en effet à l’époque de l’ouverture du chemin de fer de Liverpool à Manchester, le premier sur lequel les transports, au moyen de locomotives, ont été effectués ; nous remarquerons que, depuis lors, la vitesse a toujours été croissante: ainsi de 4 lieues qu’elle était alors , elle est arrivée à 7 et 8 lieues à l’heure pour les trajets ordinaires,, et souvent elle est poussée à 12 et là lieues. Sur le chemin de Birmingham, elle est de 8 lieues à l’heure , y compris les temps d’arrêt. En Belgique, la vitesse moyenne, y compris le temps perdu aux stations, est de 6 lieues 1/2 par heure seulement.

Ainsi , en supposant même qu’on ne parvînt pan à obtenir dans la pratique des perfectionnements tels que les railways présentassent des surface» plus unies et plus uniformes à la marche des machines, et que l’effet de l’attrition sur les essieu» fut considérablement réduit, on doit s’attendre à ce que l’effet du frottement latéral sera presque nul, que les progrès dans la fabrication des machines apporteront une meilleure proportion dans les parties dont se composent les rouage» et aug-

monteront ainsi la puissance des machines sans ajouter à leur poids, et qu’en résultat final on sera à même d’obtenir une plus grande vitesse que celle dont on dispose déjà. Dès lors nous verrons

le public ne plus se contenter de voyager à raison d’une vitesse de 7 à 8 lieues à l’heure, lorsqu’il pourra, avec autant de facilité, parcourir de 12 à 13 lieues à l’heure, sur un tracé accidenté et y compris les pertes de temps aux stations, ou même de 15 à 16 lieues par heure 6ur un tracé plus horizontal.

Nous venons de parler de la force motrice, noue nous occuperons de l’agent moteur lui-même , et ferons voir comment cette machine exercé sa force.

De l’ adhérence ; mesure de ses effets.

Une machine locomotive effectue son mouvement au moyen de l’adhérence de ses roues sur les rails : cette force d’adhérence varie avec le poids de la machine, l'état de l’atmosphère et celui des rails. Dans des circonstances ordinaires, cette force est généralement évaluée à *rj- du poids de cette portion de la machine qui repose sur les roues motrices mises directement ou indirectement en mouvement, La force d’adhérence est à son maximun par un temps très sec ou au contraire

très humide, la surface des rails étant alors e lemême parfaitement sèche, ou, dans le cas contraire, mouillée, ce qui éloigne également l’interposition de corps étrangers. Les temps favorables à la for mation de la boue ou à la création du verglas diminuent cette force, car alors la boue on le verglas s’interposant entre les surfaces des bandages des roues et celles des rails, produit le même effet que l’huile qu’on emploie pour diminuer l’action du frottement ou de l’attrition des parties.

Nous avons vu, en hiver, des machines dont les roues tournaient sans pouvoir avancer, à cause de l’épaisseur du verglas, qui s’était formé sur les rails. Du reste, on obvie facilement à cet inconvénient, en plaçant dans chaque train, en avant de la locomotive, un wagon pesamment chargé, monté sur des roues d’un très-petit diamètre. L’action de ces roues brise complètement le verglas, et la marche de la machine se fait aussi facilement qu’à l’ordinaire.

Quelquefois c’est la neige qui vient faire obstacle à la marche des machines , en recouvrant entièrement la surface des rails. Pour enlever cet obstacle on emploie un grand triangle en bois, qui est poussé devant une machine que l’on fait avancer lentement; par ce moyen, la neige est divisée et rejetée sur les côtés.

Il existe encore un cas où les roues d’une locomotive peuvent glisser sans avancer : c’est lorsque le chargement est d’un poids plus grand que la foice d’adhérence ; ce glissage a lieu alors dans le même rapport de l’excès du chargement sur la force d’adhérence.

Le chargement qu’une forte machine ordinaire peut toujours tirer sur un palier horizontal , correspondant à la force d’adhérence du poids d’une tonne sur les roues conductrices, isolées ou accouplées, est, en moyenne, de 17 tonnes et demie, et de 20 tonnes dans les circonstances les plus favorables ; mais sur des pentes variant de l’horizontalité au degré d’inclinaison sur lequel la machine absorbe toute sa puissance à se mouvoir, le chargement que la machine peut alors tirer, est en raison inverse du sinus de l’angle d’inclinaison, augmenté de l’effet du frottement propre de la charge.

Sur une pente ascendante de 1 centimètre (0,01 m )par mètre, une machine du poids de 14 tonnes et ayant des roues accouplées, peut facilement tirer un chargement de 70 tonnes avec la même vitesse que la puissance génératrice de la machine peut fournir de vapeur aux cylindres, en quantité et en pression égales à l’effet de trac-

tion d’une pareille charge sur cette pente , c’est-àdire à raison de quatre lieues à l’heure.

Influence directe de l'adhérence sur l’usement

des roues.

La force d’adhérence et le degré auquel elle est employée exercent une grande influence sur la détérioration et fusement des bandages des roues.

Sur le railway de Stanhope et Tyne, en Angle- ' terre, chetniu construit pour l’exploitation de houillères et sur lequel , par conséquent, les machines ont toujours à remorquer un maacirnutn de charge, et par suite, sont plus exposées à l’effet dm glissage, .les. frais dlusement et de réparation. sont dïun tiers plus considérables que sur le railway de New-Castle à Carlisle , sur lequel les convois prem nent un chargement mixte de voyageurs et de marchandises-qnii rarement arrive à son maximum.

La développement. total de parcours auquel unei paire de roues a* pu résister sans que le bandage nécessitât de réparation a été , sur le railway de Stanhope,, de 6,000 lieues, et sur: celui de New- Castle 8,000 lieues.

Sans doute on doit admettre que la construction des railways a reçu de très-grands perfectionnements depuis l’époque de sa première application aux transports des marchandises et des voyageurs, néanmoins il est évident qu’elle est susceptible de recevoir encore de grandes modifications, surtout en ce qui regarde ra stabilité et l’homogénéité, afin de réduire les frais d’exploitation et d’entretien , et en faire rentrer le chiffre dans une proportion plus réduite sur l’ensemble des produits bruts.

Parles mêmes raisons, au.ssi, 'tout en reconnaissant que les progrès faits dan s l’att de la fabrication des machines locomotives ont peut-être •dépassé ceux qui ont marqué la construction des railways, nous ne doutons pas, néanmoins, que ces merveilleuses' machines ne soient encore susceptibles de recevoir d’importantes améliorations. Ainsi , nous considérons ces machines comme •étant généralement beaucoup trop' pesantes;' leur 'force motrice ne s’exerce pas' eneore: à l’aide d’un mécanisme assez harmonieux; aussi ceniécanisme e 'St-il une source incessante de réparations et entretien. Néanmoins,' en nous r< “portant. à l’ép* >que où on se servit pour la premn ère fois de ces m siéhinesy on verra, en comparant le- développera eiit de force qu’on 1 en obtenait alo rs avec ce que rie >us leur faisons faire aujourd’hui , quel progrès éri muant cette science a fait.

Perfectionnements dans les machines , diminution dans la consommation du combustible.

En 1825, époque à laquelle on employa pour la première fois la vapeur comme moteur sur les railways des houillères du nord de l’Angleterre , on parvint à faire tirer à une locomotive un chargement de 40 tonneaux sur un palier horizontal et avec une vitesse de deux lieues et demie à l’heure. On considéra alors ce résultat comme très -remarquable, quoique cependant il fût à peine supérieur à l’effet d’une puissance équivalente à celle de sept chevaux en sus de la puissance potir créer le mouvement même delà machine. La force de vaporisation de cette machine était de 1 5 pieds cubes d’eau par heure ( 1 ,142 c * ), à un prix de revient de combustible; déplus de 18 livres par piedcubed’eau convertie en vapeur , ou environ 3 j de livres par tonne et par mille. .

Quatre ans plus tard et peu avant l’ouverture du chemin die Liverpool à Manchester, on parvint à faire traîn er à une locomotive un chargement de 40 tonneaux avec une vitesse de six lieue» à l’heure. O n attribua ce résultat, double du pr écédent, prii icipalement 4 l’introduction des bou.vl-

leurs tubulaires, système suggéré par M. le comte de Romford , mais mis en pratique pour la première fois sur le chemin de Liverpool, par son habile directeur M. Booth, et à l’introduction simultanée d’un perfectionnement dû à M. Timothy Hacworth, par lequel il crée un courant de vapeur qui a pour effet de diminuer la consommation du combustible et d’augmenter la puissance de vaporisation delà chaudière, par l’accroissement de la surface exposée à l’action directe de la flamme et à celle de l’air chaud. La puissance de vaporisation de cette machine était alors d’environ 30 pieds cubes par heure , et la quantité de combustible consommée, moins de 12 livres par pied cube d’eau , ou environ 2 livres et demie par tonne et par mille.

Depuis cette époque, les conducteurs de machines ont porté toute leur attention sur les perfectionnements réclamés par les rouages, mais surtout sur les moyens d’augmenter la puissance de vaporisation des machines, tout en diminuant la consommation du combustible. Pour arriver à ce dernier résultat du maximum d’effet avec le minimum de combustible , nous ferons observer qu’il faut que la chaleur puisse être si facilement absorbée pendant son passage par les tubes ou conduits par l’absorption rapide à travers les surfaces interposantes , que l’air chaud soit ramené

à presque la même température que celle de l’eau dans les bouilleurs , avant detre injecté dans les cheminées. Aussi, cinq ans après les expériences célèbres qui furent faites à Rainbill sur le railway de Liverpool à Mauchester , et dans lesquelles figura la première locomotive perfectionnée, M. de Pambour trouva que quelques unes des meilleures machines de cette époque ( Fire-Fly , par exemple) avaient une force de vaporisation de 70 pieds cubes par heure (l, m - c -978) avec une charge de 40 tonnes et une vitesse de 21,33 milles par heure ( 34,32 kilom. ); la quantité du combustible consommée n’étant que de | de livre par tonne et par mille (0, ki K- 21 par tonne et par kilomètre ).

Les dernières expériences faites en 1 839 sur le Great-lFestern, par MM. Wood et Brunei, donnent pour la force de vaporisation de ces machines 1@5 pieds cubes d’eau par heure (4, m c - 020), aveç une charge de 40 tonneaux et une vitesse de 40 tniUes par heure (62 tiiom. ). ] a quantité de Combustible consommée n’a été que de de livre par tonne et par mille (0, k,lo e- 25 par tonne et pat kilomètre ).

J'ïous résumerons en tableau les résultats des perfectionnements progressifs apportés dans la cpnstrtiction des locomotives depuis 1825.

Tableau des perfectionnements progressifs des locomotives ? depuis 1825 jusqu'en 1839.