CHAPITRE V

OtSCRimOH t>« Là machine LOCOMOTIVl,

On vient de suivre les différentes plinses que la construction des locomotives a par- T* u

courues jusqu'à notre époque. On a vu ses perfectionnements principaux, depuis le preîïiiermodèledeTrevithick et Vivian, jusqu'aux machines construites en 1830» par George et Robert Stephenson, pour le chemin de fer de Manchester à Liverpool. Nous avons maintenant à donner la description de la locomotive actuelle, et à expliquer le mécanisme à Taide dutiuellaforce élastique delà vapeurs*y trouve utilisée.

Par son aspect extérieur, une locomotive ressemble assez peu à une machine à vapeur. Il faut quelque science pour démêler les éléments d'une machine de ce genre, dans ce véhicule élégant où Taclion d'une force étrangère ne se trahit que par quelques bouffées de vapeur lancées en Tair par intervalles. Cependant les connaissances que nos lecteurs ont acquises dans les Notices précédentes, doivent leur suffire pour reconnaître, à la première vue, quune locomotive renferme les parties essentielles d'une machine a vapeur.

Réduite il ses éléments les plus simples, une machine à vapeur se compose de trois parties : le foyer, la chaudière et l'appareil mécanique destiné à la transmission de la force. Or, ces trois éléments sont faciles à discerner à la simple inspection d*une locomotive. Le foyer s^aperçoit à sa partie postérieure, La chaudière, placée à sa partie moyenne, forme ce cylindre allongé, souvent revêtu d'une enveloppe de bois, et qui semble constituer la majeure partie de la locomotive. Enfin Tappareil moteur, formé de deux cylindres à vapeur, visibles au dehors, est installé en avant des roues.

L'examen des divers éléments qui viennent d'être énumérés, va nous permettre d'expliquer le mécanisme do la locomotive et la destination de ses principaux organes. Nous décrirons d'abord la chaudière et le foyer, nous passerons ensuite à l'appareil moteur qui imprime aux roues le mouvement de progression .

Chaudière tt foyer de la Iccomoiive, — La

f gare 150 rei»résenie une coupe verticale faite à rintérieurde la chaudière et du foyer d'une locomotÎTe. L'espace indiqué par la lettre M est désigné sous le nom de botte à feu^ Tcspace QQ est la baiie à fumée. La boiteàfeucst dmsée en deox parties inégales par une grille horôootale destinée à supporter le combustible, que le cbauSeur y introduit par la porte C. Au-dessous de la grille est le cendrier, qui donne accès à Tair et reçoit les cen- 4fes du foyer. Les barreaux de cette grille mmi Ions mobiles et susceptibles d*étre rapidement enlevés, ce qui permet au mécanicien d'éteindre en quelques instants le feu; il loi suffit de retirer les barreaux à Taide d'une poignée attachée à un levier qui se trouve cous sa main, pour faire aussitôt tomber sur h voie le coke incandescent.

On voit, en examinant la coupe de la chaudière et du foyer, que ce dernier est entouré de toutes parts par Teau de la chaudière, à l'exception de la partie qui correspond à la porte C ; Teau enveloppant de cette manière, presque toute la capacité de la. boite à feu, tout l'effet du combustible se trouve utilisé.

Suivons maintenant la route que doivent prendre, pour se dégager au dehors, l'air chaud et la fumée qui s'échappent du foyer. Cette particularité est des plus importantes à saisir; elle suffit presque à elle seule pour donner l'intelligence de la machine locomotive.

Les produits de la combustion ne passent point directement du foyer M, où ils ont pris naissance, dans la boite à fumée QQ, pour s'échapper dans l'air. Us doivent traverser, avant de se dégager au dehors, toute une longue série de tubes de cuivre, d'un petit diamètre, qui s'ouvrent d'une part dans le foyer, et d'autre part dans la boite à fumée. Ces tubes, dont on n'a représenté qu'un petit nombre sur la figure 150, sont au nombre de cent à cent vingt. Ils sont disposés horizontalement à travers la chaudière, l'eau qui remplit celle-ci n'occupant, de cette manière, que Tespacc qui les sépare. En traver-

sant ces tubes, l'air chaud et la fumée échaut fent l'eau qui se trouve logée entre leurs intervalles, et provoquent, dans un temps très-court, la formation d'une quantité prodigieuse de vapeur.

Cette disposition de la chaudière, dont* l'invention est due , comme nous l'avons dit, à M. Séguin aîné, permet «de donner à la surface chauffée une étendue de 80 mètres carrés. Elle rend compte de la quantité extraordinaire de vapeur, et par conséquent de la force mécanique, que développe la chaudière des locomotives dans l'espace étroit qui lui est réservé.

Que devient maintenant la vapeur engendrée dans la chaudière? Elle se réunit dans l'espace libre que la figure ISO nous montre au-dessus du niveau de l'eau NN. L'espèce de dôme indiqué par la lettre 0, porte le nom de réservoir de vapeur. C'est de là que part le tuyau destiné à introduire la vapeur dans les deux cylindres. Dans toutes les machines à vapeur, la prise de vapeur se fait toujours à une certaine distance au-dessus du niveau de l'eau, afin d'empêcher des particules d'eau liquide, entraînées par le mouvement de l'ébuUition, de passer dans l'intérieur des cylindres, dont elles altéreraient le jeu. Aussi la prise de vapeur se trouve-t-elle ici à la partie supérieure du dôme qui surmonte la chaudière. Partie de ce point, la vapeur passe dans un large tube UPE, qui la conduit dans l'intérieur des cylindres. Ce tube UPE traverse la chaudière dans toute son étendue. Arrivé à son extrémité, il se divise en deux pour conduire, à droite et à gauche, la vapeur dans chacun des cylindres.

Remarquons, avant de quitter cette figure, une pièce métallique OU, mise en mouvement par la manivelle T, placée sous la main du mécanicien ; elle sert à ouvrir ou à fermer à volonté l'entrée U du tuyau UPE. Quand cet orifice est ouvert, la vapeur passe dans le tube UPE et vient presser les pistons ; quand i[est fermé, la vapeur n'a plus d'accès dans les cy-

Fig. l&O. — Coupe d^une locoiiioti?e, moDlranl In distribution de la Tapeur.

liodres, et, privée ainsi de toute action motrice, la locomotive ne tarde pas à s'arrêter. Cette pièce OU, qui permet de mettre la machine en train ou de suspendre sa marche, porte le nom de régulateur.

La locomotive est une machine à vapeur à haute pression. Dans les machines de ce genre, lorsque la vapeur a produit son effet mécanique, on la rejette dansTair. On aurait pu dans les locomotives, lâcher directement au dehors la vapeur sortant des cylindres, comme on le fait dans les machines fixes à haute pression et sans condenseur. Mais nous avons dit plus haut que Robert Stephenson eut ridée d'appliquer le courant de vapeur qui s'échappe des cylindres, à activer le tirage du foyer, en le dirigeant dans la cheminée. Grâce à cet artifice, on peut brûler cinq fois plus de combustible, et par conséquent produire cinq fois plus de force, que Ton n'en produirait en laissant simplement la vapeur se perdre dans l'atmosphère.

La disposition pratique adoptée pour mettre en œuvre cet important moyen, est parfaitement indiquée dans la figure 151, qui représente Y avant dune locomotive^ en d'autres termes qui donne une coupe transversale de la boite à tumée.

En sortant des deux cylindres, que l'on a représentés sur cette figure par les lettres A, la vapeur suit deux tubes recourbés ÂB, qui vont en se rétrécissant, pour se réunir en un sommet commun G, au bas de la cheminée C, supportée par deux arcs-boutants QQ. La vapeur traverse avec une vitesse énorme, le tuyau de la cheminée ; elle se condense dans cet espace, d'une température inférieure à la sienne, et cette condensation produit un vide que vient aussitôt remplir l'air arrivant du foyer par les petits tubes. La succession rapide de ces deux phénomènes, détermine une aspiration d'air très-vigoureuse, et provoque un tirage extraordinairement actif. '

La cheminée des locomotives sert donc

tout à la fois, à donner issue aux produits de la combustion provenant du foyer, et à la vapeur sortant des cylindres. Ainsi s'expliquent ces faits, dont on se rend difficilement compte d'ordinaire, que la cheminée d'une locomotive laisse échapper tantôt de la fumée, tantôt de la vapeur, et que la quantité de force développée par la machine est d'autant plus considérable qu'elle laisse perdre plus de vapeur par la cheminée.

Flg. ISl. — A?ant d'une locomoUT«,ou boîte à famée.

Comme toutes les chaudières de machines i vapeur, la chaudière d'une locomotive doit nécessairement être pourvue d'appareils de sûreté destinés à empêcher la vapeur de dépasser les limites normales assignées à sa prèssion, et en même temps à donner une issue à cette vapeur dès que ce terme se trouve atteint. La chaudière d'une locomotive est, en effet, toujours munie de deux soupapes de su-

reté que l'on place à chacune de ses extrémités. Ces deux soupapes se trouvent représentées sur la figure 150 (page 315) par les lettres R, S. Elles ne sont autre chose, on le voit, que la soupape de Papin. Seulement, comme les mouvements brusques delà machine auraient rendu difficile l'usage de poids pour régler la pression, on les remplace par un ressort en spirale contenu dans une enveloppe métallique, S. Ce ressort, tendu au moyen d'un écrou adapté à la tige qui supporte le levier, et placé au-dessous de ce levier, sert à exercer sur la plaque qui ferme la chaudière, ime traction, que l'on gradue à volonté à l'aide de cet écrou. Une aiguille adaptée à l'extrémité du ressort, indique les différentes tensions de la vapeur exprimées en atmosphères.

On remarque sur la même figure 150, le sifflet B. C'est une lame aiguë, de forme demi-sphérique, qui vibre et produit un bruit strident, quand le mécanicien, en ouvrant un robinet au moyend'unemanivelle,lancesubitement, un jet de vapeur contre cette arête tranchante et sonore.

Pour mettre mieux en évidence ces deux derniers organes, c'estràdire la soupape de sûreté et le sifflet, nous les représentons k part (fig. 152).

A est le timbre sonore; B, la manivelle qui fait ouvrir le robinet donnant accès à la vapeur, en surmontant la résistance d'un petit ressort à boudin; D est une partie du tube qui amène la vapeur de la chaudière; C est la tige horizontale de la soupape de sûreté.

Pour que le mécanicien puisse connaître à chaque instant le degré de pression de la vapeur, la chaudière des locomotives est munie d'un manomètre, qui accuse continuellement le degré de cette pression.

LOCOMOTIVE ET CHEMINS DE FER

Nous n'avons pas besoin de dire que le manomètre à air libre ne saurait être employé sur une locomotive, en raison de sa longueur et de sa fragilité. On se sert du

Flg. 153. — Soupape de sûreté et sifflet.

manomètre à air comprimé^ qui n'occupe qu'un petit espace» Cet instrument indique les variations de pression de la vapeur, par suite de la hauteur qu'occupe une colonne de mercure, dans un tube à deux branches, fermé à l'une de ses extrémités, rempli d'air à son extrémité fermée et conununiquant avec la vapeur par son extrémité ouverte. D'après une loi physique bien connue, l'air comprimé par une vapeur ou par un gaz, occupe un volume qui est toujours en raison inverse de la pression qu'il supporte. Ainsi la hauteur à laquelle s'élève la colonne de mercure dans la branche fermée du tube, fait connaître exactement la force élastique de la vapeur, exprimée en atmosphères, si l'on a gradué d'après ce principe, l'échelle qui accompagne le tube.

Les derniers organes qui viennent d'être décrits se voient sur la figure 183 qui représente V arrière dune locomotive. F est la porte du foyer, C le cendrier, B les trois robinets d'épreuve, qui servent au mécanicien, à s'assurer de la hauteur que l'eau occupe dans la chaudière. A est le manomètre à air comprimé indiquant le degré de pression de la

vapeur, S la soupape de sûreté ; D, la poignée qui sert à faire tomber instantanément le combustible sur la voie , en renversant à moitié la grille, grâce à un mécanisme de levier E, parfaitement indiqué sur cette figure. On voit que le mécanicien a sous la main tous les organes essentiels de la machine.

G, est le grand levier destiné à renverser la vapeur^ c'est-à-dire à changer la direction de la locomotive d'après un mécanisme trèsremarquable, que nous indiquerons plus loin, et qui porte le nom de coulisse de Stephenson.

Ajoutons que tout l'ensemble de la chaudière et du foyer, est fixé solidement sur un châssis de bois, au moyen d'arcs-boutants de fer boulonnés d'un côté contre la chaudière, et de l'autre sur le châssis.

Ce châssis porte sur les trois essieux des six roues de la locomotive, par Tintermédiaire d'un coussinet, d'une tringle et d'excellents ressorts.

Flg. 153. — Arrière de la locomotive.

Tout ce système, construit avec beaucoup de soin et de délicatesse, adoucit les chocs et les ébranlements que l'appareil pourrait

Fig. Ï&4. ^ LocomoUfe en étération, montrant le mécanisme mol«ur.

éprouver par suite de la marche de la locomolive sur les rails.

Appareil moteur. — Le mécanisme au moyeu duquel ou transmet aux roues Taction de la vapeur, se trouve clairement indiqué dans la figure !54, qui représente rélévatioii d'tine locomotive a six roues,

LesCylindresà vapeur, au nombre de deux, sont placés cliacun, sur un des côtés de la locomotive, et à sa partie antérieure. L'on de ces cylindres est représenté sur la ligure 154, par la lettre A. Derrière le cylindre est le tiroir destiné à donner accès à la vapeur, et à la diriger tantôt au-dessus, tantôt au-dessous du piston. Ce tiroir est mis en action par un excentrique que porte Tessicu de la roue motrice; un levier coudé, qui se déplace horilemeut, ouvre successivement, à Tintérdu tiroir* deux orilices qui donnent accès ir$ou$ les deux faces du piston. La S im fitton Bd meut entre deux glistlîgjsasl articulée à une louj^ue

bielle, ou tige D, qui vient agir sur un bouton fixé à la roue EB de la locomotive, à une certaine distance de son axe. La roue motrice de la locomotive fait ainsi elle-même fonction de volant.

L'action de la vapeur s'exerce donc uniquement sur les deux grandes roues; les autres sont entraînées par le mouvement des roues motrices ci ne servent qu*à l'équilibre et à la progression de la machine. Les deux bielles D, partant de chaque cylindre, sont disposées à angle droit l'une sur Tautre» de manière que leur mouvement contre chacune des deux roues motrices soit croisé, et que Tune des bielles se trouvant au point le plus avantageux de sa course, rautre se trouve au point le plus faible, c'est-à-dire au point mort^ ainsi qu'on Ta expliqué pour les bateaux à vapeur.

Le mouvement imprimé à la lige du piston est mis à profil pour faire agir une pompe alimentaire, qui va puiser de Teau dans un réservoir porté par le tendcr. Cette pompe

LOCOMOTIVE ET CHEMINS DE FEIÎ

refoule de l'caii dans la cliaiulière, afin d\ remplacer, à chaque inslaiit,celle qui diîi|>araît constamment sous forme de vapeur. Toute la disposition mécanique de la pompe alimentaire est facile à reconnaUre sur la figure 154. M représente le tuyau de celte petite pompe, qui est fixé à rexlrémité de la tige du pistou^ et en reçoitson mouvementde va-et-vienL Un petit piston placé dans I*i nié rieur du corps de pompe M, aspire, àTaidedu Luyau 0, Teau du tender. Refoulée dans le tuyau MP, cette eau s'introduit dans la chaudière, pour y remplacer celle qui s'échappe sans cesse dans Tatmosphere à Tétai de vapeur.

Le tuyau 00, vientaboutirau tender, auquel il se trouve lié par un genou ou tuyau flexible*

Un niveau d'eau formé d'un tube de verre disposé verticalement et communiquant avec rintérieur de la chaudière, se trouve sous les yeux du mécanicien, qui peut ainsi s*assurer à chaque instant de la quantité d'eau contenue dans le générateur. Lorsque ce niveau vient à baisser, le mécanicien ouvre un rol)inet placé sur le trajet du tube 0 ; Feau du lender est aussitôt aspirée par Us pompes. Si la quantité du liquide introduit est suffisante, il ferme le même robinet, et arrête ainsi Tentrée de l'eau dans 1î^ chaudière.

Passons à la description du londer (fig. 155).

Le tender n'est autre chose, qu'un wagon d'approvisionnement ; il porte Teau et le coke nécessaires à ralimcnlation de la machine pendant un certain temps. Monté, comme la locomotive, sur un châssis et sur des ressorts, il se divise en plusieurs compartiments. Un réservoir de tôle C, rempli i'eau, entoure en forme de fer de clic val, un eâpace intérieur, dans lequel le coke est accunmlé, pour être à la disposition du chauffeur. De cette façon, le poids total se répartit aussi également que possible sur les essieux. La contenance de la caisse à eati varie de 5,000 a 8,000 litres.

La quantité de combustible que doit porter

lé lender complélemenl chargé, varie entre 1,000 et 3,000 kilogrammes de coke ou de houille. Comme cette charge diminue nécessairement pendant le voyage, on la renouvelle de temps à autre, aux stations.

Pour introduire Teau dans la caisse, on emploie une sorte d'entonnoir conique, AB, percé de trous, qui plonge à Tarrière de la caisse. Cet entonnoir a pour but d'empêcher que les détritus et impuretés dont Tcau peut être chargée, ne pénètrent dans le réservoir, et de là dans les tuyaux d'aspiration, qui viennent aboutir vers Tavant de la caisse.

Le tender porte, en même lemps, dans une boîte K, divers outils et pièces de rechange, les chiffons, la graisse, les effets du mécanicien, etc. Il est muni, comme d'autres wagons, d'un double frein GGj mû par la manivelle D, et qui est destiné à détruire progressivement la vitesse du train, lorsqu'il s'agit d'arrêter.

Le tender se relie ordinairement à la locomotive, par une barre dtatteiage^ L, et deux chaînes de sûreté, et au train qui le suit, par un simplet crochet.

Certaines machines, que l'on appelle locomotives-tenders^ porlont elles-mêmes tous ces éléments. D'autres sont reliées à leurs tendcrs d'une façon invariable*

Sur la figure 134, dont nous donnions tout à l'heure rexplication, la lettre V représente le chasse-pierre y destiné a balayer les rails, et la lettre X, le tampon, qui doit amortir le choc des wagons.

Ajoutons, pouren finiravec cette figure !54, que le tuyau F est celui qui introduit la vapeur sortant des cylindres dans la boîte à fumée, et dans le tuyau de la cheminée IL La plaque horizontale qui surmonte la cheminée II, peut fermer plus ou moins, l'orifice de la cheminée, et diminuer à volonté le tirage. Une manivelle permet de manœuvrer cette espèce d'obturateur de la cheminée.

Nous venons d'examiner les différentes pièces qui composent une locomotive. Indi'*

MERVKILLES DE LA SCIENCE

Fig. 1$5. - Tender.

quons maintenant, afin d'en résumer Fensemble, les opérations successives qu'il faut exécuter, pour la gouverner et pour la faire agir.

Lorsque le mécanicien veut mettre la locomotive en marche» il commence par s'assurer, en examinant le manomètre, si la vapeur a atteint le degré suffisant de pression. La tension de la vapeur étant reconnue convenable, il pousse la manivelle du régulateur, qui donne aussitôt accès à la vapeur dans f intérieur du tuyau destiné à Tintroduirc dans les tiroirs. La vapeur passe de là dans les cylindres^ et vient exercer sa pression alternative sur les deux faces du piston. Celui-ci entraîne la bielle qui fait tourner les roues motrices de la locomotive, et la fait avancer sur les rails, en remorquant le tender et la série de wagons ou de voitures qui lui font suite, et qui sont solidement attachés les uns aux autres par un crochet et une chaîne de fer.

Mais pendant que la machine fonctionne, le combuslible se consume sur la grille, Feau de la chaudière disparaît en partie, par suite de . la dépense continuelle de vapeur. Le chauffeur jette donc de nouveau combustible dans le foyer, et le mécanicien remplace Feau éva* porée en ouvrant le robinet du tuyau, qui,

grâce à Faction des pompes foulantes, introduit dans la chaudière une partie de Feau contenue dans le réservoir du tender. Si le tirage présente trop d'activité, ou si Fon veut ralentir la marche, le mécanicien, tirant une longue tige horizontale (page 318) qui s'étend sur Fun des côtés et vers la partie supérieure de la locomotive, déplace Fobturateur mobile, lequel, fermant Fissue aux produits delà combustion, ralentit le tirage de la cheminée, et modère ainsi la puissance de la vapeur*

Arrivé à une station, le mécanicien fait entendre un coup de sifflet, en dirigeant» comme nous Favons expliqué , un jet de vapeur, empruntée à la chaudière, contre la tranche aiguë d'un timbre métallique ; il ferme ensuite le régulateur, à Faîde de la manivelle. Toute communication se trouve ainsi interrompue entre la chaudière et le cylindre; le jeu des pistons s'arrête aussitôt, et le convoi ne marche plus qu*en vertu de sa vitesse acquise. Ne pouvant s'échapper au dehors, la vapeur, qui se forme toujours, par suite de Faction du foyer, continue à exercer sa pression à Fintérieur; elle ne tarde pas à atteindre ainsi le degré de tension au terme duquel doivent s'ouvrir les soupapes de sûreté; ces soupapes <:èdent, en

LOCOMOTIVE ET CHEMINS DE FER

Pig. 156. — Locomotive Crampton.

effet h là pression qu'elles éprouvent, et laissent la vapeur se dégager au dehors. En même temps, les conducteurs serrent les freins, la résistance devenant ainsi plus grande et la force motrice ne s*exerçant plus, la machine se trouve arrêtée.

Quand le mécanicien, arrivé au terme du voyage, veut éteindre le feu, il se débarrasse de tout le combustible en démontant les barreaux de la grille mobile par le mécanisme r^ue Ton a vu représenté sur la figure 150, page 315 ; le coke incandescent tombe aussitôt sur la voie.

Il est nécessaire, pour les différentes manœuvres qui s'exécutent dans l'intérieur des gares, ou même sur la voie, de faire marcher la locomotive en arrière. Ce mouvement se produit à l'aide d'un long levier qui se trouve à la portée du mécanicien, et qui lui permet de renverser la vapeur, c'est-à-dire de modifier sa distribution dans les cylindres, de manière à déterminer tantôt la marche en avant, tantôt la marche en arrière. Ce levier fait entrer, en action un nouveau tiroir, qui donne une i/istribution de vapeur précisément con- 1. I.

traire à celle qui était en œuvre pendant la marche. La vapeur, qui avait commencé à agir, par exemple, sur la face antérieure du piston, se trouve dès lors dirigée vers sa face postérieure. Un mouvement opposé à celui qui existait, est la conséquence de ce renversement de la vapeur, et ce mouvement, une fois commence, se continue de manière à entretenir la marche de la machine dans la direction nouvelle qu'elle vient de recevoir.

C'est à Stephenson qu'est due l'invention de cet important mécanisme, qui, en raison de cette circonstance, est souvent désigné, comme nous l'avons dit, sous le nom de cou^ lisse de Stephenson. Le mécanicien peut, en maniant un simple levier, faire prendre à sa locomotive la direction en avant ou en arrière, avec la même facilité qu'un cavalier éprouve à gouverner son cheval.

Une locomotive bien construite dure quinze années, en fournissant son travail quotidien. Au bout de ce temps, toutes ses pièces, tous ses ressorts, tous ses organes mécaniques, sont absolument hors de service. Il ité reste

plus, de celte machine merveilleuse et puissante, que d'informes débris.

Machine, en effet, bien puissante, car dans les quinze années de son service, on calcule qu'elle a parcouru 105,000 lieues (420,000 kilomètres), c'est-à-dire 7,000 lieues par an.

Machine bien merveilleuse, car, si au lieu d'être soumise à des alternatives de travail et de repos, elle était entretenue, nuit et jour, en service, sa durée augmenterait dans des proportions considérables. On a remarqué que les locomotives qui, dans des gares trèsoccupées, fonctionnent nuit et jour, pour le service, soit des marchandises, soit des mouvements du matériel, durent infiniment plus longtemps que celles qui, employées sur la ligne, sont successivement mises en feu et laissées en repos. Les alternatives de dilatation et de contraction, résultant de réchauffement et du refroidissement, modifient ou altèrent le tissu du métal, et détruisent l'élasticité des ressorts. N'est-ce pas une véritable merveille que cette machine de fer et d'acier, qui dure d'autant plus qu'elle travaille davantage!