SS

LA TBACTION ELECTRIQUE

Lorsqu'on atteint la vitesse de 100 km : fa., une locomotive k vapeur à rana de 2,50 m. ne Fait pas moins de 212 tours par minute et les elTets d'inertie, roulis, lacet et tangage, peuvent acquérir une grande intensité.

Les trépidations qu'ils produisent sont, il est vrai, trop rapides ponrprtDdn une grande amplitude, car elles dépassent de beaucoup la période d'oseillïlioi propre du châssis chargé de la chaudière, des cylindres, etc. ; elles ne peoïtBt dooc sérieusement compromettre la stabilité de la machine, qui eslsoumiMi une bien plus rude épreuve par les chocs périodiques dus aux inégalités deli voie. Aussi les iugénieurs de chemins de fer a 'attachent-ils que peu d'impor tance & ces elTets, 1res atténués d'ailleurs dans les machines modernes. SUit, en outre, ces trépidations fatiguent le mécanisme et entraînent des pcrt« d'énergie supplémentaires ' qui se traduisent p&r une augmeotalioa du «Kflicieot brut de traction.

La variation de la composante verticale soumet, d'autre part, les railsà des

efforts plus considérables que ceux prévus d'après le poids porté par la

essieux: les contre-poids leadeol i

produire à la descente un véritable

effet de marlèlement ; de plus, le

rapport de l'effort de traction i fd-

fort adhérent varie pendant un toat

.- dans des proportions sufnsantti

.:. pour produire des glissemenlspério-

diques qui déterminent des pliU

sur les parties correspondantes de II

jante des roues motrices. Oo aon

une idée de la grandeur de cet efftU

pour une locomotive de médiocre

construction par le tracé graphique

ressantes expériences de U. J. N.

Barr. Le tracé pointillé représenle, ur en coordonnées polaires, les effort!

sur le boulon de manivelle pendant un tour, et le tracé plein les efforts adhérents correspondants sur i>

voie ; il arrive même, d'après les expériences de M. Goss ', que pour cerlaintt

vitesses les roues quittent les rails pcriodiquemenl. On est donc en droit de considérer la locomotive & vapeur, malgré sa grande

perfection pmli'/ue, comme un appareil théoriquemml imparfait au point de

vue de la transmission de l'effort moteur aux roues. Les moteurs électriques, au contraire, donnent un simple mouvement de

rotation uniforme qu'on peut transmettre aux essieux, soit direclemeal, soil

par engrenages; le moment du couple moteur étant rigoureusement cousttni

pendant chaque tour, il n'y a pas d'effets d'inertie; les rails sont doncsoumii

FiR, 426.— Variations de l'itlorl eiercé sur motive à vapiur, d'aprËs M. J. N. Barr.

I Ces pertes sont naturelleTr

' American Society of Mechanicat Engi

out par la conpounle vcrtiult

, décembre 1896.

LOCOMOTIVES ELECTRIQUES

ffort tangentiel constant, qui permet d'utiliser à chaque instant toute ence et de rendre ainsi Tadhérence moyenne égale à l'adhérence a ; Tusure des bandages des roues se trouve réduite ; enfîn tout mou-' ; de lacet est supprimé ^

t différence entre la machine électrique et la machine à vapeur est bien n évidence par les tracés relevés au dynamomètre par la Compagnie

Iftiwin

Lurwaimgaa.

Lf jn> d aragm»

Efliorta àexTmeaon

)/i^^féifY'\^^^

iWff.,<ifa>K

Locumolive Heilmann. Locomolire à vapeur.

J et 427 bis. — Tracés dynamométriques obtenus avec la locomotive Heilmann

et avec une locomotive à vapeur.

est (fig. 427 et 427 bU) : celui qui correspond à lalocomotive à vapeurpréles zigzags très marqués, correspondant aux variations oscillatoires de

longitudinal; celui relevé sur la locomotive Heilmann ne présente, au ire, que de faibles ondulations dues aux irrégularités de la voie. Les parles plus convaincus de la locomotive à vapeur auraient tort de ne pas aitre de bonne grâce qu'il y a là une supériorité au moins théorique en de la locomotive électrique, fûleile sans grande conséquence pratique.

cet avantage spécial des locomotives électriques il faut en ajouter !S certainement importants, résultant du fait que les moteurs peuvent acés à proximité des essieux et logés dans le truck lui-même : c'est d la possibilité de supprimer toute liaison entre les essieux et le châssis, • suite, de faire reposer celui-ci entièrement sur bogies, ce qui perètendre le châssis et, d'autre part, donne à la locomotive une extrême se, irréalisable avec la locomotive ordinaire à deux paires de roues îs et a fortiori avec les locomotives à marchandises ou mixtes; c'est, en

lieu, l'obtention aisée de Yadhérence totale, grâce à la possibilité d'ap-

un moteur à chaque essieu, lemiers avantages ne sont pas absolument le privilège de la locomotive

lapport de M. Mazen à la C'« de TOuest sur la locomotive Heilmann, 9 février îtte supériorité de la traction électrique, signalée par un ingénieur du service iction d'une grande G'* de chemins de fer, est admise aussi par d'autres spéciaalement distingués, tels que MM. Deharme et PuUn [Matériel roulant ^'^,%%)^

électrique, car presque toutes les locomotives à grande vitesse sont construites aujourd'hui avec un bogie porteur à Tavant, qui leur donne une souplesse eo général suffisante ; d'autre part, on a pu, sans réduire cette souplesse, rendre moteurs tous les essieux par l'emploi du dispositif compound de M. Maliet type de la locomotive du Saint-Gothard ^). Enfin l'emploi de quatre cylindres sur les locomotives compound d'express du type le plus employé en France permet de diviser la puissance motrice entre deux essieux et d'équilibrer dans une certaine mesure les efforts moteurs et les forces d'inertie.

Mais ces avantages peuvent être poussés plus loin et obtenus plus simplement dans la locomotive électrique que dans la locomotive à vapeur telle qu'on la construit actuellement. On peut en outre se dispenser plus aisément des bielles d'accouplement, qui, dans les courbes de faible rayon, sont sujettes à des efforts souvent excessifs, et, en tout cas, diminuent la souplesse delà machine.

La locomotive électrique présente, à ce point de vue, des dispositions particulièrement favorables pour la traction sur les voies de montagne, où les courbes sont fréquentes et à faible rayon, et où l'on a besoin d'une forte adhérence.

Sur les lignes ordinaires, l'adhérence réalisée par les locomotives à vapenr, bien que beaucoup plus faible ', est bien suffisante , en général, et c'est la puissance de la chaudière seule et non l'insuffisance d'adhérence qui limite les rampes; aussi voit-on employer en Angleterre, sur certaines lignes, pour les trains de voyageurs à grande vitesse, des locomotives à un seul essien moteur dont le poids adhérent n'atteint pas 20 tonnes^. Quant aux courbes, elles sont d'assez grand rayon sur ces lignes pour que la souplesse obtenue à l'aide d'un seul bogie soit suffisante.

L'emploi des bogies est cependant avantageux à d'autres points de vue: en laissant un grand espace disponible au-dessus du châssis, il permet d'y loger, soit une grande caisse, soit, dans le cas particulier de la locomotive Heilmann, une plus puissante chaudière; en outre, il semble assurer, comme nous allons le voir, un meilleur coefficient de traction.

3® Ainsi que cela est naturel, la locomotive électrique présente, déduction faite de la résistance de l'air, un coefficient de traction comparable à celui des automobiles ou des voitures ordinaires de chemins de fer, suivant qu'elle est à engrenages ou à commande directe. Dans ce dernier cas, le travail néces-

' Cette machine, mise en service en 1891, est à six essieux couplés; elle présente ^n ordre de marche un poids adhérent de 85 t. Elle développe un effort pratique de traction à la jante de 10 000 kg. environ et un effort maximum théorique de 14500 kg. Si Ton compare ces chiffres à ceux d'une locomotive électrique à marchandises, celle du Baltimore and Ohio R. U., qui présente un poids adhérent de 85 t. et un effort maximum de 18 000 k^'., réduit par l'adhérence (1/7) à la valeur pratique de 13 000 kg., on voit que la locomotive électrique, considérée indépendamment de la production du courant, reste un engin supérieur, même pour ce service particulièrement difficile.

* D'après le tableau de la page 490, on voit que le poids adhérent des meilleures loC'>motives est une petite fraction ;l/2 à !/3) de leur poids total. Par exemple, la locomvlive compound du Nord, type primitif, qui pèse 83 t., a 30 t. seulement de poid> adhérent en ordre de marcîie.

* Par exemple, les locomotives du Great Western et du North Eastern, à roues indépendantes, dont le poids adhérent n'est que de 18 t.

saire pour la remorquer est de beaucoup inférieur à celui qu'exige une locomotive à vapeur de même poids, par suite de Timportance des frottements du mécanisme dans celle-ci et de la compression de Tair appelé dans les cylindres. Ce travail dépasse 3 kg. par tonne à 80 km : h. *, lorsque la machine descend une pente en vertu de la gravité, à régulateur fermé, et ne permet pas à la locomotive à vapeur de descendre par gravité des pentes que la locomotive électrique sans engrenages descend aisément. Par exemple, la locomotive Ileilmann descendait avec son train des pentes de 8 mm. par mètre à des vitesses de plus de 100 km : h. à régulateur fermé.

D'autre part, M. Mazen a trouvé dans ses mesures exécutées sur la locomotive Heilmann un coefficient de traction total de 7,5 kg. par tonne à la vitesse de 100 km : h., tandis que les locomotives à vapeur atteignent à la mt^me vitesse jusqu^àl4 kg. à régulateur fermé ^. La différence de 6,5 kg. ainsi mise en évidence peut provenir pour une petite part des formes plus effilées à Tavant de la locomotive Heilmann; mais elle est duc pour beaucoup aux frottements du mécanisme et notamment au travail décompression de l'air dans les cylindres de la locomotive à vapeur et serait par conséquent réduite à 3 ou 4 kg. dans la marche normale à régulateur ouvert; en effet, dans ce cas, il faut retrancher tout ce qui est relatif au frottement du mécanisme, lequel doit être compté dans le rendement du moteur. En tenant compte de cette correction, la différence n'est plus bien grande, et l'on ne peut attribuer qu'une faible partie de la diminution de résistance à la réduction des pertefs d'énergie occasionnées par les trépidations du mécanisme, par le mouvement de lacet' et par les chocs que subit la machine au passage des inégalités de la voie. Les bogies de la machine Heilmann, avec leurs quatre essieux rapprochés, peuvent passer sur ces inégalités sans subir de dénivellation sensible, tandis que les essieux plus chargés et plus écartés des locomotives ordinaires descendent au passage de chaque dépression ^. En admettant même que deux des essieux du bogie s'abaissent, le pivot de celui-ci ne descendra que d'une quantité plus faible.

Cette diminution des chocs, en même temps qu'elle réduit le travail nécessaire pour la traction, peut entraîner une certaine diminution des oscillations de la machine et de la fatigue de la voie; mais les ingénieurs de chemins de fer ne semblent pas jusqu'ici y attacher beaucoup d'importance pratique.

Il faut ajouter que le poids non suspendu appliqué aux essieux moteurs est beaucoup plus faible dans une locomotive électrique que dans une locomotive à vapeur : par exemple, dans la locomotive Heilmann, où le poids supporté par chaque essieu atteint 15 tonnes, le poids non suspendu n'est que de i 500 kg., au lieu de 3 tonnes dans certaines locomotives à vapeur. 4« Une autre différence qui résuite de l'emploi des moteurs électriques

' Cf. Desdouits, Revue générale des chemins de fer.

Nous ne parlons pas ici du iiiccanismc de ki station centrale, pour le motif indiqué plus haut.

* Rapport déjà cité de M. Mazen, auquel appartient la responsabilité de ces chiffres. ' Cf. Deharme et Pulin, toc. cil,, p. 62.

* U y aurait là un effet plus ou moins analogue à la réduction importante du frottement de roulement sur route obtenue pour les voitures par la substitution d*un bandage déformable (pneumatique) au bandage ordinaire rigide des roues.

c*est la possibilité d'employer des roues beaucoup plus petites que celles des locomotives à vapeur: comme nous Tavons dit, les diamètres de f, 00 à 1,30 m. sont des maxima sur les locomotives électriques ; il en résulte qu'on peot abaisser davantage le centre de gravité de la machine et réaliser ainsi ane résistance plus grande au renversement.

Mais, en pratique, cet avantage, qu'on invoque souvent en faveur de la locomotive électrique, est plus apparent que réel ; car la locomotive à vapenr présente aujourd'hui une stabilité surabondante, qui a permis dans les locomotives américaines de surélever sans inconvénient le corps cylindrique au-dessus des roues. De l'avis de spécialistes très compétents S l'emploi des grandes roues présente même de sérieux avantages : une douceur plus grande au passage dans les courbes et une moindre tendance au riperaent de la voie; l'effort de renversement transmis au rail extérieur se rapproche en effei davantage de la verticale, les oscillations du châssis sous l'effet des ressorte sont plus longues et le roulement est plus doux.

La véritable amélioration de stabilité que peuvent offrir les locomotlTes électriques proviendra plutôt de la réduction des chocs auxquels nous venons de faire allusion; elle peut être assez importante.

5* Une dernière propriété spéciale à la locomotive électrique, qu'elle soit alimentée par une ligne aérienne ou par une source d'énergie qu'elle transporte, c'est l'indépendance absolue qui existe entre sa vitesse de marche et la vitesse de rotation des machines génératrices.

Le nombre de coups de piston d'une locomotive à vapeur est proportionnel à la vitesse de marche ; sur les rampes, où Ton est forcé de ralentir ponr ne pas dépenser plus de vapeur que n'en produit la chaudière, le nombre de coups de piston diminue, tandis qu'on a besoin, au contraire, d'augmenter le traîail par unité de temps. C'est là une circonstance très défavorable, à deux points de vue : d'une part, elle force à accroître beaucoup le travail réalisable par coup de piston, et par suite à augmenter les dimensions du cylindre : d'autre part, les variations de puissance ne peuvent être obtenues qu'en faisant varier la détente dans de très grandes limites, d'où résulte un abaissement du rendement moyen.

Avec la locomotive électrique, il en est tout autrement : on peut maintenir la vitesse des machines génératrices constante, ce qui réduit la variation de travail par coup de piston à être simplement proportionnelle à la puissance dépensée ; on peut même aller plus loin et rendre, comme l'a fait M. lleilmann, le travail par coup de piston sensiblement constant, en maintenant la détente la plus économique et faisant varier la vitesse des génératrices proportionnellement à la puissance nécessaire. La possibilité de ces deux méthodes résulte de l'extrême souplesse des transmissions électriques comparées aux transmissions mécaniques.

On pourrait, il est vrai, réaliser des locomotives à vapeur ayant un mode de transmission autre que le mode actuel, en plaçant, par exemple, sur le châssis une machine à vapeur équilibrée analogue à celle de la locomotive

• Cf. Rapport sur les locomotives à grande vitesse, par M. J. A. R. Aspinall, Confftrdes chemins de fer, Londres, 1895, et M. M. DemouÛn, Bulletin du Congrès des cKemins de fer, 1896.

!eilmann et actionnant les essieux moteurs par des engrenages à réduction ftriable. Mais ce serait au prix d^une plus grande complication des organes 'an appareil dont la simplicité constitue Tune des plus grandes qualités et une réyolution complète dans le mode de construction actuel; le mécanisme i résisterait pas aux chocs; enfln, il serait à peu près impossible de rendre lOteurs parce moyen les essieux du bogie d*avant. On peut donc considérer ne les avantages que nous venons de signaler sont bien la conséquence irecte de la transmission électrique de Teffort moteur aux essieux.

Les avantages des locomotives électriques considérées comme latériel roulant sont, en résumé, les suivants, par ordre d'impormce :

Coefficient de traction comparable à celui d*une voiture orditaire mise en tète d*un train, grâce à la suppression des résisances spéciales de la marche à régulateur fermé * ;

Absence de réactions oscillatoires provenant du mécanisme noteur ;

Souplesse extrême du véhicule résultant de la suspension sur 30gies ;

Indépendance complète entre la vitesse de marche et la vitesse le la machine génératrice ;

Adhérence totale;

Accessoirement, possibilité d'exagérer autant qu'on le veut la résistance au renversement.

Poids, puissance et rendement des locomotives électriques à alimentation extérieure. — Il nous reste maintenant à examiner les locomotives électriques au point de vue de leur poids, de leur puissance et de leur rendement, et à partir d'ici, il nous faut distinguer deux cas, suivant la façon dont elles reçoivent Ténergie.

La locomotive à prise de courant extérieure n'a besoin d'aucun approvisionnement de combustible ni d'eau. Par suite, son poids peut être réduit au minimum nécessaire à l'adhérence. La caisse pouvant être utilisée pour une charge utile, la machine présente un poids mort réduit théoriquement à celui des moteurs seuls, c'est-à-dire extrêmement faible.

' Abstraction faite toujours du rendement de Tusine génératrice, qui entre dans le rendement total du système de traction, mais non dans le coefficient de traction de la machine au sens exact de ce terme.

A ce point de vue S la locomotive à vapeur ne peut lutter contre la locomotive électrique, bien qu'on ait fort accru sa puissance spécifique en augmentant la pression de la vapeur, la surface de chauffe et la surface de grille, la puissance de vaporisation (parle tirage artificiel), Tutilisation de la vapeur (par le système compound) et la puissance sur les rampes (par la surchauffe préalable de Teau).

Le tableau de la page 490 indique quels étaient, en 1895, les types les plus puissants de locomotives employés sur divers réseaux français et étrangers; bien qu'un peu ancien déjà, il nous a para intéressant à reproduire ici, parce qu'il contient des données rame* nées à une même base de comparaison. Mais de nouveaux progrès ont été réalisés depuis cette époque; en particulier, les Compagnies françaises du Midi, du P.-L.-M., du Nord, etc., ont constrait des types plus perfectionnés et plus puissants. La nouvelle macbioe compound du Nord français, par exemple, présente les caractéristiques suivantes, qui donnent une idée des résultats obtenus :

Surface de grille 2,30 m*

— de chauffe totale 175,58 —

Volume des cylindres 397 dm*

Pression dans la chaudière par cm' 15 kg.

Effort de traction à la jante à 100 km : h . . 3 080 —

Puissance maxima indiquée à iOO km : h. . 1 300 chev.

Rapport du travail au crochet du tender disponible à 100 km : h. au travail indiqué. . 0,50

Puissance disponible au crochet 650 chev.

Effort de traction correspondant 1 820 kg.

Poids de la machine seule à vide 46 200 —

— — en ordre de marche . . 50 140 —

Poids du tender à vide 20 140 —

— — plein 41 040 —

On voit que les locomotives à vapeur à grande vitesse des derniers modèles pèsent 45 à 55 t. en ordre de marche, à quoi il faut ajouter pour le tender et ses approvisionnements moyens 25 à 35 t., soit en tout 70 à 90 t., pour une puissance indiquée qui peut atteindre i 000 à 1 300 chev., ce qui fait 70 à 90 kg. par

' Pour la discussion qui suit, on pourra utilement se reporter aux indications données plus loin sur radhérence et Tinfluence du poids mort dans la traction (L U. chap. XIII, g 2.);

cheval indiqué* et 80 à 110 kg. par cheval utile à la jante des roues dans la marche en palier; tandis que les moteurs d'une locomotrice électrique capable d'efTectuer le même travail utile en traînant un train dont elle fait partie elle-même (puisqu'elle sert de véhicule) peuvent ne pas peser plus de 20 à 25 kg. par cheval et qu'une locomotive électrique complète, non lestée, peut ne pas peser plus de 50 à 60 kg. par cheval à la jante des roues. Les poids des locomotives décrites ci-dessus dépassent souvent 100 kg. par cheval, mais c'est parce qu'on a cherché, par l'emploi de châssis très lourds et lestés après coup, à réaliser de grands efforts adhérents.

Il est à remarquer, en effet, que l'efTort maximum de traction à la jante des roues des locomotives électriques est très élevé relativement à leur poids. Par exemple, pour les locomotives de la General Electric Go. de 30 à 90 tonnes (p. 452 et 453) cet effort varie entre 0,16 et 0,20 du poids total de la locomotive, au lieu que pour les locomotives à vapeur il varie seulement entre 0,07 et 0,08 du poids total en ordre de marche'.

Les locomotives de 90 tonnes du Baltimore and Ohio R.R. déve^ loppent pour la traction des trains de marchandises un effort normal à la jante des roues de 18 000 kg., soit 1/5 de leur poids ; au démarrage, on a même pu atteindre 27000 kg., soit 1/3,3 du poids total, tandis que les locomotives de marchandises à vapeur ne donnent guère plus de 1/G de leur poids total.

Pour les locomotives des mines, la différence est de même ordre : par exemple, la locomotive de 200 chev. de la C'« Wesiinghouse décrite plus loin (p. 538) et qui pèse 110 kg. par cheval donne un effort maximum égal au 1/4 de son poids, tandis que les locomotives à vapeur équivalentes ne donnent que 1/8 à 1/6.

Le lest est nécessaire si Ton veut tirer complètement parti de cet effort sans risquer le patinage.

Mais, pour des machines à voyageurs, l'emploi de ce lest nous parait être une erreur ; les locomotives électriques que nous avons

' En réduisant les dimensions du tender et en prenant de l'eau en cours de route, on peut descendre à 65 kg. par cheval (Cf. Du Bousquet, Bulletin de la Société des Ingénieurs civils, 1896).

* Nous parlons de TelTort maximum au démarrage ; en marche, TeiTort maximum n*atteint que 0,05 à 0,06 du poids total.