CHAPITRE VI

LES FREINS COMUXUS. — LE FREI.N ÉLECTRIQLIIC. — LE TRELN A VIDiC ET LE FREIN A AIR COMPRIMÉ.

La marche à contre-vapeur, qui exerce directement son action retardatrice sur la marche de la locomotive, en tête du train, possède une grande efficacité, et constitue un moyen d'arrêt rapide aulrement puissant que les freins à main de nos premières locomotives. Cependant, la véritable instantanéité de l'arrêt des trains ne devait être obtenue que par l'emploi des freins continus.

On appelle freins continus^ les freins dont l action s'exerce tout le long du convoi en mouvement, isolément et simultanément sur chaque wagon, tout en restant, néanmoins, dans la main du mécanicien, qui peut, s'il le veut, le faire fonctionner en même temps que la contre-vapeur. Placé en tête du train, le mécanicien est mieux placé que qui que

ce soit, pour prévoir le danger, ou les circonstances qui nécessitent un arrêt subit.

On comprend aisément que si, en augmentant l'énergie de la pression des sabots contre les roues, on vient encore à multiplier les surfaces de pression, en échelonnant les i frottements tout le long du train, c'est-àdire sur les roues de chaque voiture, on doit arriver à avoir une somme de puissance énorme; et par suite, une instantanéité presque complète.

Cependant, la pression des sabots ne peut dépasser certaines limites, sous peine a'échauffement excessif et de détérioration des bandages des roues. La continuité des freins modernes est, dès lors, le véritable élément de leur instantanéité. Cette conti- Huité nécessite une communication entre tous les véhicules, et un agent de transport capable d'actionner les sabots des roues de chaque voiture, svir toute la longueur du train.

Le premier agent auquel on ait songé pour la commande des freins continus^ c'est l'électricité, et le premier des freim électriques est celui de M. Achard, qui figurait déjà à l'Exposition universelle de 185S.

M. Achard a eu recours à deux procédés pour le serrage des freins par l'action du courant électrique.

Dans le premier système le serrage des sabots d'e chaque voiture était obtenu par la rotation d'une roue serre-frein^ dontl'entramement était produit par la rotation même des essieux de la voiture. Pendant la marche, cet entraînement était empêché par un verrou d'arrêt, solidaire d'une masse métallique, placée en regard d'un électroaimant. Un circuit électrique fermé régnant sur toute la longueur du train, s'enroulait sur tous les électro-aimants.

Pour arrêter, le mécanicien envoyait dans le circuit le courant d'une pile placée sur la machine : l'aimantation des électros produisait le déclenchement du verrou ;

d'où résultait le serrage presque instantané des freins.

Modifiant ce premier système, M. Achard en proposa un second, dans lequel l'électricité était directement employée à opérer le serrage des freins. L'aimantation par le courant déterminait une attraction et un contact énergique entre l'essieu et l'électroaimant; et ce dernier, dans son mouvement d'entraînement, opérait le serrage par l'enroulement de chaînes qui actionnaient les leviers des sabots.

Le frein électrique àe^i. Achard, si simple de conception et si ingénieux, n'a cessé d'être expérimenté jusqu'à ces derniers temps ; mais son entretien coûteux et son installation minutieuse, l'ont empêché d'être adopté définitivement. La Compagnie des chemins de fer de l'Est, à laquelle revient l'honneur d'avoir fait les plus sérieuses et les plus persévérantes tentatives pour le faire entrer dans le domaine de la pratique, s'est vue forcée, récemment, de l'abandonner, par suite de la nécessité où elle s'est trouvée d'adopter un frein continu à brève échéance. Elle s'est alors décidée en faveur du frein Westingliouse.

' Signalons, en passant, un frein également fort ingénieux, et qui a eu son heure de succès. Nous voulons parler du frein Guérin, dont le principe est de se servir, pour pousser les sabots contre les roues, de l'effet du ralentissement du train sur les tampons de choc^ et de la compression de ces mêmes organes.

Ce frein, qui est encore à l'étude sur lus lignes de l'État, avait l'immense avantage d'éviter toute communication entre les wagons du train, et de ne demander qu'un faible entretien. Il fournira peut-être un jour la seule solution pratique, pour l'arrêt des trains de marchandises.

Mais les deux freins continus qui se par-

SUPPLÉMENT A LA LOCOMOTIVE

tagent aujoiird'liui la presque totalité des voies ferrées, en Europe et en Amérique, sont le frein à vide, ou à air raréfié^ et le frein à air comprimé, automatique ou non, avec leurs nombreuses modifications, résultant des perfectionnements dont ils n'ont cessé d'être l'objet l'un et l'autre, depuis leur apparition, vers 1871.

La première idée du frein à vide, ou frein à air raréfié, est due à deux ingénieurs français, MM. du Tremblay et Martin, qui en firent des essais en 1860. C'est l'ingénieur américain Smith qui eut le mérite de le faire entrer dans la pratique. D'où le nom de frein Smith, ou Smith-Hardy.

Un frein à vide simple (Smith-Hardy) non automatique, dont nous donnons la disposition d'ensemble (fig. 233), comprend une conduite générale, circulant sur toute la longueur du train, au moyen de tuyaux d'accouplement.

Elle est reliée, par des branchements, avec des sacs flexibles en caoutchouc, placés sous chaque voiture. Chacun de ces sacs, étanches et à soufflet, que nous représentons dans la figure 234, actionne les sabots des freins, par l'intermédiaire d'un fonds mobile, A, B, qui est mis

OC

en mouvement par la pression atmosphérique, quand l'air vient à se raréfier dans l'espace clos formé par la conduite générale et les sacs, et qui entraîne la tige CD, laquelle est reliée avec les sabots des roues.

Au moment où le mécanicien veut faire agir les freins, il détermine, dans la conduite générale , une dépression d'environ 2/3 d'atmosphère , au moyen d'un éjecteur de vapeur placé sur la machine et à sa

portée.

Dans cet appareil , la vapeur s e chappe, à la pression de la chaudière , autour d'une tuyère conique, placée à l'extrémité

de la conduite générale, ce qui détermine, par succion, un appel d'air, qui permet à la pression atmosphérique d'agir rapidement sur les fonds mobiles des sacs.

La figure 235 représente Véjecteur de vapeur, l'organe essentiel du frein à vide. La vapeur arrivant de la chaudière par le tuyau B, traverse l'intervalle CD, et produit dans la conduite générale. EF, l'effet de succion dont il vient d'être parlé.

Il suffit, au moment de la mise en marche, de laisser l'air rentrer dans la conduite générale, par une valve d'introduction d'air, pour repousser les sabots et desserrer les fi'cins.

Il est facile de mettre la commande de la valve de l'éjecteur à la disposition du con-

Fig. 234. — Sac à vide.

ducteur du train, au moyen d'une corde qui longe le train. Un robinet éjecteur (Ym^voAmi dans la conduite générale, une dépression insuffisante pour produire le serrage des sabots, mais sensible au manomètre, permet au mécanicien de s'assurer à chaque instant, si l'appareil est étanche et prêt à fonctionner.

Le frein à vide, qui est exclusivement adopté par la Compagnie du Chemin de fer du Nord, et appliqué sur tout son réseau, y fonctionne depuis 1876, et fournit les meilleurs résultats dus à sa simplicité, à l'absence de tout mécanisme, à la facilité de la manœuvre et

à sonaction progressive, qui n'est pas incompatible avec son instantanéité.

Le frein à vi de simple est employé , en ou tre , sur certaines lignes anglaises, en Suisse, en Autriche et dans l'Allemagne du sud.

Un bon frein continu doit être instantané, en ce sens seulement que son action doit croître le plus rapidement possible de zéro à son maximum d'intensité, mais en passant par toutes les valeurs intei-médiaires, sous peine de déterminer entre les wagons un choc, qui pourrait être très dangereux pour les attelages de voitures et pour les voyageurs.

Le frein à vide est instantané, mais il n'est pas automatique. 1\. peut, toutefois, le devenir

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facilement par une légère modification dans la disposition des sacs à vide. Un éjecteiir moins puissant maintient un vide relatif continuel dans la conduite générale, et c'est la rupture de cet état d'équilibre par une rentrée d'air, accidentelle ou intentionnelle, qui amène le serrage des freins.

Un frein automatique est |i |'|i||fi|n|||||ii||!i|i ii'i ? donc un frein "-^Niillillilillllli il v-i

dans lequel un effort constant est employé à maintenir les sabots écartés des roues pendant la marche, de manière que la rupture de cet équilibre amenée par une diminution d'effort , entraîne l'application immédiate et automatiqu e des sabots contre les roues.

\j autotnaticité qui exige le fonctionnement continu de l'appareil, c'est-àdire un travail

constant, a le double avantage d'accroître l'instantanéité du frein, et d'assurer soîi fonctionnement immédiat, en cas d'accidents, de déraillement par exemple.

Nous dirons cependant que V automaticiti'' n'est pas, selon plus d'un ingénieur, un avantage à rechercher dans un frein continu. Sur les lignes où existe le frein continu automatique, \\ arrive souvent que, par une cause accidentelle, imprévue, les freins se mettent à fonctionner hors de propos.

Fig. 235. — Éjectour simple.

Une résistance anormale, une erreur du mécanicien, peuvent déterminer le fonctionnement des freins, en temps inopportun. Alors, le train s'arrête, on ne sait par quelle cause : c'est le frein qui a agi sans ordre, et par sa propre volonté, pour ainsi dire. Cet excès de zèle, de la part d'un appa-

reilmécanique peut avoir des inconvénients ; ce qui fait, ainsi que nous le disions plus haut, que l' automaticité du serrage des freins continus n'est pas une qualité aux yeux de bien des personnes.

Le frein continu automatique, c'est le frein à air comprirné, inventé par l'ingénieur

américain Westinghouse , que nous avons maintenant à décrire.

Le frein automatique à air comprimé est fondé sur le même principe que le frein à vide, avec cette différence que, dans le frein à vide, c'est la pression de l'air extérieur s'élançant dans un espace vide, qui pousse le sabot, tandis qu'ici, c'est l'air comprimé contenu dans un même espace, qui, par sa force propre, lance les sabots contre les roues.

Le frein Westinghouse, grâce aux derniers perfectionnements qu'il a reçus, peut produire un serrage progressif, ou un ser-

rage brusque et instantané. Ce dernier effet peut être indis;)ensable, en cas de danger absolument imminent, et lorsque, en présence d'une cause inévitable de choc ou de déraillement, la sécurité des attelages et la commodité des voyageurs sont des considérations secondaires.

Le mécanisme du frein à air comprimé est plus compliqué que celui du frein précédent, car il comporte un appareil délicat, la triple valve, que l'on est parvenu, d'ailleurs, à supprimer dans les modifications dues à MM. Wenger et Carpenter.

Nous allons donner la description complète d'une installation du frein Westinghouse.

Sur la locomotive se trouve une pompe à air, à double^ffet, actionnée par un petit cheval, alimenté lui-même par la vapeur de la chaudière, et dont la distribution est faite à l'aide de petits pistons automatiques, comme dans les machines à colonne d'eau. Cette pompe comprime de l'air à 4 ou S atmosphères, dans un réservoir de 300 litres environ de capacité, qui est généralement installé sous le tablier de la machine.

Un robinet à soupapes, le robinet dti mécanicien, communique, au moyen d'un tuyau, avec ce réservoir principal, et au moyen d'un second tuyau, avec une conduite générale régnant sur toute la longueur du train.

Sous la locomotive, sous le tender et sous chaque véhicule, se trouve un petit réservoir à air comprimé, un appareil de distribution (la triple valve) et un cylindre à freins.

Nous donnons, dans la figure 236, la disposition générale du frein placé sous chaque voiture. On voit que la conduite générale, EF, est mise en communication avec le grand réservoir, A, par la triple valve, B, qui sert aussi de moyen de communication entre le réservoir et le cylindre à frein, C, ainsi

qu'entre le cylindre et l'air extérieur.

Voici le fonctionnement de l'ensemble :

-Quand, à l'aide du robinet du mécanicien, on admet l'air du réservoir principal dans la conduite générale, cet air pénètre à travers les triples valves, et remplit les réservoirs A à une pression égale à celle de la conduite générale elle-même. Tant que cet équilibre de pression subsiste, les cylindres à freins, C, restent en communication avec l'atmo sphère , et les freins sont desserrés .

Mais si l'air de la conduite générale vient à s'échapper, par suite d'une circonstance intentionnelle ou accidentelle, la diminution de pression qui en résulte provoque le jeu de la triple valve, et les freins sont instantanément appliqués contre les roues, par suite du passage de l'air des réservoirs A dans les cylindres à freins.

Ce résultat, qui s'obtient au moyen du robinet du mécanicien, peut également être déterminé à l'aide d'un robinet manœuvré par le garde-frein placé en queue du train, et qui laisse échapper l'air de la conduite générale.

Dans les cylindres à freins, C (fig. 236), se meuvent deux pistons, qui sont poussés avec la même énergie lors de l'arrivée de l'air comprimé dans l'espace qui les sépare.

Quand la communication est rétablie avec l'atmosphère, les ressorts qui prennent leurs points d'appui sur les fonds des cylindres, repoussent 1 es pistons en arrière , et desserrent les freins. Par l'emploi de deux pistons on évite un grand nombre d'organes intermédiaires, coûteux et compliqués, pour obtenir le serrage des huit sabots de la voiture.

Afin d'empêcher le serrage du frein par suite de simples fuites survenues à la conduite générale et les autres conduites, une rainure de fuite, pratiquée dans le cylindre à frein et dans le tiroir de la triple valve, permet à l'air qui a pu passer du réservoir dans le cylindre à freins, de s'échapper dans l'atmosphère, sans faire mouvoir les pis-

tons. Si, pour serrer le frein, on réduit la j mouvement des pistons, et tout échappepression, les rainures sont fermées par le ' ment d'air est ainsi empêché.

La triple valve, grâce à laquelle s'effectuent les opération nécessaires entre les différentes parties du frein est, on le voit, l'organe essentiel

Des robinets interrupteurs, D (fig. 235) et grâce à ce fait, la réserve de puissance ne placés entre laconduite générale et les triples manque jamais, la quantité d'air nécessaire valves, permettent, si cela est nécessaire, de ne dépasse jamais celle que la pompe peut supprimer l'action des freins sur une voi- fournir, ture quelconque, sans entraver leur action sur les autres.

F (fig. 236) est une valve de purge, qui peut être ouverte d'un côté ou de l'autre du train , et qui permet de relâcher les freins, s'ils viennent à se serrer en l'absence do la locomotive , en laissant échapper dans l'atmosphère l'air des cylindres à freins.

Grâce au volume du réservoir. A, qui est environ cinq fois celui du cylindre à freins , C , si l'on réduit seulement de 20 pour cent la pression dans la con-

Fig. 237. — Triple valve du frein Westinghouse,

duite générale, on serre les freins à fond ; chaque kilogramme de pression, dans la conduite générale, produisant une pression (le plusieurs kilogrammes par centimètre carré dans le cylindre à freins.

Par l'action des triples valves, les freins ne peuvent être desserrés sans qu'on recharge en môme temps les réservoirs A,

du frein Westingliouse.

C'est cet appareil mécanique qui donne au frein à air comprimé son automaticité , et en même temps, son pouvoir de serrage progressif.

Nous représentons, dans la figure cicontre, cet appareil ingénieux , mais malheureuse ment trop délicat.

Un piston P entraîne avec lui un tiroir T, qui met en communication la lumière a, qui va au cylindre à frein B, et la lumière c, b, qui va à l'air extérieur par le conduit D. Le piston P a, néanmoins, un mouvement limité qui n'entraîne pas le tiroir. L'air comprimé de la conduite générale pénètre à la partie inférieure de la boîte, par le conduit E, et, soulevant le piston, il

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Fig. 238. — Frein automatique Weslioghouse. RoLiuet du mécanicien (coupe).

pénètre dans le réservoir C. On obtient ainsi une pression égale dans le réservoir, la triple valve et la conduite, les freins étant desserrés.

Dans le tiroir T, une petite valve de graduation, V, est destinée à graduer parfaitement l'action du frein. Quand on réduit légèrement la pression dans la conduite, le piston descend, ferme larainure d'alimentation, et entraîne la valve V, qui ouvre le passage à l'air, lequel entre dans l'intérieur du tiroir par un oritice latéral en partie masqué par la valve. Le piston continuant à descendre, entraîne le tiroir T jusqu'à ce que le passage g communique avec l'orifice a, conduisant au cylindre des freins dont la communication avec l'échappement est en même temps interrompue.

Le tiroir T est arrêté dans son mouvement d'abaissement, par la diminution de pression au-dessus du piston, diminution qui a pour cause la détente de l'air dans l'intérieur du cylindre à freins. Dès que la pression du réservoir est légèrement inférieure à celle de la conduite générale, le piston P remonte par la pression de l'air, et ferme la valve V, tandis que le tiroir T reste à sa place.

En régularisant simplement la pression dans la conduite du frein, et obtenant ainsi la répétition du mouvement du piston et de la valve de graduation, le mécanicien peut introduire la pression voulue dans le cylindre à freins, depuis zéro jusqu'à son maximum de puissance. Si l'on veut serrer les freins, brusquement et à fond, il suffit

de réduire subitement la pression dans la conduite générale; l'orifice a est alors entièrement découvert.

Pour desserrer les freins, il suffit d'établir la communication à l'aide du robinet du mécanicien entre la conduite générale et le réservoir principal de la locomotive. Grâce à cette élévation de pression, le piston P remonte à sa position primitive, permettant ainsi à l'air des cylindres de s'échapper, tandis que les petits réservoirs sont rechargés.

Ces variations de pression dans la conduite principale sont obtenues à l'aide du robinet du mécanicien placé sur la machine, entre la conduite et le réservoir principal, et que nous représentons, en coupe et en plan, dans les figures 238 et 239.

La poignée A, en se vissant par un filet à pas rapide, comprime un ressort à spirales, B, qui ferme la valve d'échappement V.

Cette valve porte, au-dessus et au-dessous, une aile aplatie, l'aile supérieure s'ajuste

dans une rainure ménagée dans la poignée, et l'aile inférieure s'engageant dans la grande valve V, communique à cette dernière le mouvement de rotation de la poignée.

Pour la première position de la poignée, les lumières aa' (fig. 239) de la valve principale correspondent avec les ouvertures EE' (fig. 238), ménagées dans son siège; la communication est établie entre le réservoir principal et la conduite générale. Les freins sont desserrés et les petits réservoirs en train de se charger.

Dans la deuxième position, l'air comprimé doit passer par la valve V (fig. 238) avant de gagner la conduite, en passant par le trou g (fig. 239), lequel, dans cette position du robinet, débouche dans le trou E.

Le ressort en spirale de la valve V ayant une pression de 3/4 d'atmosphère, la pression de la conduite est inférieure de 3/4 d'atmosphère à celle du réservoir principal. Cet excès de pression du réservoir est utilisé pour relâcher les freins ; c'est la posi-

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tion d'alimentation d'air pendant la marche.

Mais si on dépasse cette deuxième position, toute communication entre le réservoir principal et la conduite est coupée. En tournant la poignée, on diminue de plus en plus la pression exercée sur le ressort B ainsi que sur la valve supérieure Y, et l'air de la conduite s'échappe dans l'atmosphère. L'application des freins a lieu avec une force correspondante à la diminution dépression.

Dans la troisième position, le ressort B est complètement libre ; l'air s'échappe rapidement et les freins sont serrés à fond.

Ce robinet permet ainsi de graduer d'une façon parfaite l'énergie qu'on vent donner à l'application des freins, quel que soit le nombre des véhicules du train.

Nous représentons dans la figure ci-contro une coupe de la pompe à air à action directe. Lavapeurdela chaudière pénètre, enD, dans l'espace compris entre les deux pistons ^et h du tiroir. Le piston g étant d'un diamètre supérieur à A, la pression tend à faire monter le tiroir, lorsqu'il n'est pas retenu par la pression plus grande du piston k, se mouvant dans le cylindre m. Ce dernier piston est maintenu abaissé par la pression de la vapeur arrivant de la chambre A, laquelle est toujours en communication à l'aide du conduit /avec l'espace compris entre les pistons y et h. Au moment où le piston P achève sa course ascensionnelle, la plaque?* soulève la tige / et avec elle le tiroir p qui vient fermer la communication a entre la chambre A et le cylindre m et ouvrir en même temps l'orifice d'échappement b vers l'extérieur par le conduit c, supprimant ainsi la pression sur la face supérieure du piston /.■.

La vapeur soulève alors l'ensemble du tiroir, et vient agir sur la face supérieure du piston P ; la partie inférieure est ouverte à l'échappement.

En arrivant au bas de sa course le piston principal fait prendre de nouveau à la tige

/ et au tiroir p la position figurée, donne au tiroir principal la position inverse et prend par suite lui-môme un mouvement en sens inverse. La tige T commande directement le

Fig. 240. — Frein Westinghouse (coupe de la pompe à air).

piston Q de la pomjie; l'aspiration de l'air se fait par l'ouverture e, et le refoulement par le tuyau B au moyen des claplets i.

Le frein Weslinghoiise automatique est universellement adopté en iVmérique. En France il fonctionne sur tout le réseau des chemins do fer de l'Ouest et de l'Est. La Compagnie d'Orléans a adopté le perfectionnement Wenger, et la CompagnieParis- Lyon-Méditerranéc le perfectionnement Henry. L'Allemagne du Nord a adopté le perfectionnement Carpenter, qui supprime la triple valve.

Nous venons de décrire les deux systèmes rivaux de freins continus. La pratique n'a pas encore permis de prononcer définitivement entre le frein à . air raréfié et celui à air comprimé, qui se partagent actuellement le service des voies ferrées en Europe. Le frein àvide non automatique se recommande par sa simplicité, et il est facile de le rendre automatique ; d'autre part, dans le frein à air comprimé, les fuites sont difficiles à éviter complètement, et la triple va/ueestun organe malheureusement délicat. Il est vrai qu'on est à peu près arrivé, ainsi que nous l'avons dit, à la supprimer, tout en conservant au frein Westinghouse ses qualités essentielles.

Tels sont les avantages et les défauts de l'un et de l'autre procédé.

Un fait général peut être énoncé à la double louange des deux systèmes de freins continus. C'est que ce genre de frein, primitivement imaginé pour parer aux rencontres des trains, c'est-à-dire pour ne servir que dans les moments critiques d'accidents à prévenir, fonctionne aujourd'hui sur tous les trains, pour le service courant. Le frein à vide et le frein à air comprimé ne sont plus des appareils auxquels on ait recours vmiquement en cas de danger. Ils sont installés sur tous les wagons, et servent à la marche normale des trains, comme aux manœuvres des gares. C'est là le plus grand éloge à faire de l'un et de l'autre.

Le seul point sur lequel hésitent encore les Compagnies de chemin de fer, c'est l'adoption de l'un ou de l'autre système. Le choix définitif sera fait un jour par les ingénieurs des Compagnies, à moins qu'un perfectionnement capital et inattendu ne permette au frein électrique^ actuellement délaissé et môme abandonné, mais dont le principe est certainement le plus simple et le plus rationnel, de reconquérir la première place.