CHAPITRE IV

Machines locomotives.

Les machines à vapeur fixes que l'on emploie dans les usines de toute nature, peuvent être très -pesantes et très-volumineuses dans leurs dimensions , sans qu'il en résulte un in* convénient très-sensible. Déjà, pour les bateaux àvapeur, cette liberté de poids et de dévelop pement se trouve diminuée, surtout pour ceux destinés à la navigation des rivières peu profondes , où le plus ou moins de tirant du ba-

teau modifie singulièrement la rapidité de sa marche. Mais les conditions d'exécution deviennent bien plus difficiles pour les machines locomotives ; car alors l'ensemble de la machine doit porter sur quatre ou six roues au

certain poids , et de plus ce même ensemble doit être contenu dans certaines limites fixes de largeur, de hauteur et de longueur f qu'il est rigoureusement impossible de dépasser : car d'une part , il faudrait donner des dimensions très-coûteuses aux percemens , aux ponts et en général à la ligne même du chemin , si elle était composée de deux voies comme il arrive généralement ; et, d'un autre coté, une trop grande longueur , répartie même sur un nom bre suffisant de roues , présente un obstacle

très-grand au mouvement cle la machine dans les courbes , au point d'absorber presque entièrement la force qu'elle pourrait développer. €ette difficulté d'exécution des machines lo- . comotives explique comment il s'est écoulé un si long espace de temps depuis leur première invention ., depuis l'année 1769 , date du brevet général de M. Watt sur les machines à vapeur où elles se trouvent indiquées, jusqu'à l'époque où elles ont commencé à devenir un objet de fabrication courante, susceptible d'alimenter des ateliers spéciaux de construction.

Les machines locomotives devant être aussi légères et aussi compactes que possible, on comprend qu'elles doivent-être débarrassées de tout l'appareil nécessaire à la condensation, et qu'ainsi elles rentrent complètement dans la classe dès machines dites à haute pression , où la vapeur agit à une pression de plusieurs atmosphères. De plus , l'appareil destiné à la production de la vapeur ne peutêtre aussi étendu que dans les machines fixes } et conséquemment, pour qu'elles puissent être capables d exercer un puissant effort, malgré cette limitation forcée des dimensions de leurs chaudières, il faut chercher à perfectionner les moyens ordinaires de produire de la vapeur, de manière à augmenter considérablement la quantité produite en un temps don-

ne par une chaudière de petite dimension.

C'est dans la solution de ce problème que réside la principale difficulté de ce genre de machines»

La première machine locomotive a été construite en Angleterre par Trevithick, ingénieur anglais qui a considérablement contribué au perfectionnement des machines à haute pression. Sa machine était composée d'une chaudière cylindrique montée sur quatre roues , et portait un cylindre qui agissait sur ces roues. Elle fut essayée sur un chemin à rails plats du pays de Galles , en 1806 , et ne put produire qu'un effet assez faible; ce que Ton attribua alors au défaut d'adhérence de la roue avec la surface du rail sur laquelle elle se mouvait. Pour comprendre le mouvement d'une machine locomotive, il faut considérer que la surface du rail et celle de la jante de ' la roue sont hérissées de petites saillies insensibles à l'œil, qui agissent comme autant de petites dents d'engrenage ; de sorte que , lorsque le piston presse la bielle qui est fixée à la roue de la machine et tend à faire tour* ner celle-ci, la roue s'appuie contre la surface du rail, comme le pignon d'un cric qui commence à se mouvoir, s'appuye sur la crémaillère. Si la résistance que la machine doit vaincre pour avancer est supérieure à sa force,

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ce qui arrive si le nombre et le poids des chariots qu'elle se trouve avoir à conduire est trop considérable, ou bien si la pente à monter est trop rapide, les petites dents fléchissent, et les roues glissent en arrière au lieu d'avancer. Ge glissement fut le premier défaut que Ton reconnut dans la machine de Trevithie, et cette observation tourna de suite les idées vers les moyens de rendre le contact de la roue de la machine sur le rail beaucoup plus énergique, tandis que le principal défaut de cette machine, et de celles qui l'ont suivie, consistait dans le peu d'étendue de la surface de chauffe de la chaudière , qui ne produisait en conséquence qu'une quantité de vapeur trop petite pour l'effort qu'elle avait à vaincre.

M. Brunton inventa de faire agir le piston non plus sur les roues, mais sur des espèces de pieds en fer qui s'appuyaient sur le sol , et poussaient la machine « comme les pieds de derrière d'un cheval le poussent en avant. M. Chapman pensa que le meilleur moyen était de placer de distance en distance , au milieu de la voie , des points fixes sur lesquels se baierait la machine en enroulant un cable sur un tambour qu'elle porterait, et qu'on détacherait dès que la machine serait arrivée a chaque point fixe. Un troisième , M. Bienkinsop, trouva mieux de former un des cotés

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de la voie avec des bandes en fonte garnies sur le coté de dents demi - circulaires , avec lesquelles venait s'engrener une roue particulière portée par la machine. Les cylindres agissant de manière à faire tourner cette roue, la machine suivait son mouvement , et se portait en avant sans que les autre» roues pussent glisser sur les bandes*

Un chemin construit sut* ce dernier modèle existe encore près de Leeds , et il est parcouru plusieurs fois par jour par une machine locomotive qui amène à Leeds par chaque voyage jusqu'à vingt-cinq chariots chargés de charbon tiré d'une exploitation voisine. Le succès de M. filenkinsop donna quelque vogue à son invention. Mais bientôt on reconnut que cè chemin de fer ayant une pente sensible de la mine vers Leeds , la machine de M. Blenkinsop devait être aidée par cette pente. Cette remarque! jointe à l'excédant de la dépense qu'entraînait la confection de bande» ainsi garnies de dents latérales, empêcha le chemin * de Leeds de trouver des imitateurs. Au fait , on doit reconnaître que la machine de ce chemin produirait autant d'effet si la roue d'engrenage était supprimée , et si les pistons des cylindres agissaient directement sur les quatre roues qui portent sur le rail.

Des essais faits à KiUingworth , en etn-

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ployant ce dernier moyen , ramenèrent enfin les idées vers le véritable défaut des machines locomotives. On trouva par expérience que la machine , agissant par l'adhérence seule de ses roues contre le rail , pouvait se mouvoir sans glisser sur des pentes ascendantes qui allaient à plus d'un centimètre par mètre- Lorsqu'on lui accrochait un trop grand nombre de chariots , la machine partait et faisait tourner ses roues sans glisser, mais elle s'arrêtait dès que la vapeur , accumulée dans la chaudière au moment du départ , se trouvait épuisée par le jeu des cylindres. Dès lors on comprit que c'était vers l'amélioration des moyens de produire de la vapeur, et conséquemment de la force , que devaient se diriger les perfectionnemens.

La fig. 3i représente une des machines employées en i8a5 sur le chemin de Darlington , qui a 4o kilomètres de longueur, et qui , après celui de Liverpool à Manchester, est le plus grand qui existe en Angleterre.

La chaudière est un cylindre en tôle, fixé sur les quatre boîtes ou coussinets qui embrassent les deux essieux de la machine , et traversé au milieu par un tuyau circulaire également en tôle. Ce tuyau contient le foyer de la machine, et communique, par son extrémité antérieure , à l'orifice inférieur d'une cheminée circulaire

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en tôle qui a huit à dix pieds de hauteur. Audessus delà chaudière, s'élèvent deux cylindres „ à demi enfoncés dans son intérieur, et dans lesquels se meuvent les pistons. La tige de ceux-ci est surmontée d'un fléau dont les deux extrémités portent deux bielles placées symétriquement des deux côtés de la chaudière.

Chacune de ces bielles correspond à une des roues du même essieu, et son extrémité est fixée sur un rayon , de sorte que chaque piston fait tourner un essieu. ( Voyez la fig. 3i. )

L'eau nécessaire à l'alimentation de la chaudière, ainsi que le charbon nécessaire à la combustion , sont portés sur un chariot parti* culier, et joints à la machine dont les quatre roues ne pourraient supporter cet excédant de poids. L'eau est placée dans un réservoir en tôle assez élevé pour faciliter sa descente par un tuyau de cuir , jusqu'au bas d'une pompe alimentaire qui la fait entrer dans le cylindre. Le même chariot porte le mécanicien chargé de diriger la machine , et son aide qui lui sert de chauffeur, et qui recharge de temps à autre le combustible sur la grille. La forme et la disposition de ce chariot , qu'on appelle le tenderen Angleterre, est à peu près la même pour les diverses machines locomotives.

Dans ces machines , la vapeur était formée

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sous une pression de cinquante livres anglaises par pouce carré, ce qui revient à trois atmosphères un tiers, indépendamment de la pression de l'atmosphère. Cette même pression a été adoptée généralement pour les machines locomotives.

La machine que nous venons de décrire présente plusieurs défauts graves. Le premier et le principal , c'est le peu d'étendue de sa surface de chauffe; car ie diamètre du tuyau intérieur étant de deux pieds , et sa longueur de neuf pieds , mesure anglaise , cette surface de chauffe se trouve réduite à cinquante* quatre pieds carrés. Or , dans les machines ordinaires , on compte qu'il faut 8 pieds anglais carrés de surface de chauffe pour évaporer i pied cube d'eau par heure, ce qui représente une force de cheval. Ainsi, la machine locomotive que nous venons de décrire ne pouvait évaporer par heure que 6 à 7 pieds cubes d'eau : ce poids correspond à une force de 6 à 7 chevaux , au plus. Encore faut-il supposer que son foyer avait une combustion aussi active que les grands foyers des machines fixes , sous le tirage de leurs grandes cheminées. Mais il n'en était pas ainsi : car il ne pouvait résulter qu'un tirage très-imparfait d'une aussi petite hauteur de cheminée que 10 pieds, et

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ce défaut ne semblait guères possible à corriger, puisque la hauteur de la cheminée est limitée par deux causes : Tune, c'est l'élévation qu'il faudrait donner aux passages souterrains ou aux ponts destinés à la traversée des chemins vicinaux et des routes ordinaires, élévation qui entraînerait des dépenses très-considérables ; l'autre , c'est le balancement qu'un tuyau trop long communiquerait à la machine en mouvement. De plus, cette machine posait directement sur les essieux , de sorte que ses diverses parties étaient fortement secouées par l'action alternative des pistons agissant sur les roues , et tous les joints se trouvaient ainsi exposés à se désunir promptement. Enfin le : ube intérieur en tôle , dont nous avons parlé plus haut, était rongé très -rapidement par l'action de la flamme , et devait être changé au moins deux ou trois fois par an.

Tel était en Angleterre l'état de la construction de ces machines, lorsqu'en 1829 les directeurs de la compagnie du chemin de Liverpool à Manchester, incertains sur le choix des moteurs qu'ils devaient employer, ouvrirent un concours pour les machines locomotives , et promirent un prix de 5oo liv. sterl. pour la machine qui remplirait certaines conditions de force , de légèreté et de rapidité qu'ils fixèrent dans le programme du concours.

II fallait, i°. que la machine fût capable d'entraîner 20 tonnes à raison de 10 milles ( i6,ooo kil ) à l'heure , en parcourant une partie de leur chemin de fer, déjà achevée et sensiblement horizontale 5 2 0 . qu'elle ne pesât que 4 tonnes et demie , ce poids devant être compris dans la charge de vingt tonneaux qu'elle devait entraîner ; 3°. enfin, la machine devait être portée sur des ressorts, et la pression ne pouvait être au-dessus de 3 atmosphères un quart, soit 5o livres par pouce carré.

L'effort exigé par les directeurs était au-des* sus de la puissance des anciennes machines. Il fallait donc augmenter cette puissance. Mais, d'un autre côté, la machine demandée ne devait pas s'écarter des limites de poids fixées parle programme. Dès lors, l'esprit inventif des constructeurs dut se tourner tout entier vers les moyens d'augmenter la surface de chauffe et la production de vapeur, sans augmenter le poids de la machine.

L'un d'eux, M. Hackworth, doubla le tube intérieur des machines de Darlington , et réunit ses deux tubes par une calotte demi-sphérique qui servait à la circulation de la flamme du tuyau d'en bas au tuyau supérieur. Un autre , M. Braithwaite, introduisit dans sa chaudière un long tube plié en spirale comme un serpentin, et destiné à promener l'air chauffé dans le rai-

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Heu même de l'eau ; Pair était aspiré dans ce

tube par un ventilateur uni par la machine.

Enfin, un troisième, M. Stephenson, ingénieur

«du chemin de Liverpool, et constructeur de

machines locomotives à Newcastle, présenta

une machine dont la chaudière cylindrique

était traversée dans sa partie inférieure par i5

petits tuyaux creux en cuivre > de 2 pouces de

diamètre, dans lesquels s'engageait la flamme

aiu sortir du foyer. Ce procédé permettait ainsi

à la flamme de circuler dans toutes les parties

de la masse liquide , et donnait une surface de

chauffe supérieure à celle des deux autres machines.

La machine de M. HacKworth avait une surface de

chauffe égale environ à 8 mètres carrés.

Colle de M. Braithwaite qui ne pesait que trois

tonnes avait une surface de 5 à 6

Et celle de M. Stephenson , une surface de. . 12

Ce fut aussi cette dernière qui gagna le prbç proposé par la compagnie de Liverpool. Dans le même temps , et même avant les essais de Liverpool, M. Seguin aîné faisait des essais sur un système semblable de chaudière traversée par des tuyaux , dans les chantiers de la compagnie du chemin de fer de St.-Etienne à Lyon. Un brevet même avait été pris par ses directeurs , une année avant cette époque.

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Ainsi cette invention peut a juste titre être re-» gardée comme une invention française.

Quoi qu'il en soit , ce système de chaudière! à petits tuyaux horizontaux, pour la circu-»

lation de la flamme, est encore aujourd'hui le meilleur qu'on connaisse pour obtenir facilement une grande évaporation. Un grancl nombre d'essais ont bien été tentés, soit psa* M. Braithwaite pour perfectionner sa première machine , soit par M. Gurney et d'autres ingénieurs pour activer l'évaporation dans lies machines qu'ils ont mises en mouvement sur tes routes ordinaires. Le principe général de oes essais était d'employer Je système des petits tuyaux d'une manière différente de celle d<pà connue; et la complication de leurs appareils

Aussi le système des chaudières à tuyaux ho ri* zontaux est-il uniquement employé aujourd'hui sur le chemin de Liverpool à Manchester , et sur les chemins de fer déjà établis en France*

Après avoir ainsi exposé les principes généraux qui doivent diriger dans la construction des machines locomotives, et décrit rapidement l'histoire de leurs progrès successifs , depuis la première invention de ce nouveau genre de moteur, je vais examiner les diveis détails dont se compose l'ensemble d'une maichine locomotive et les procédés adoptés 4ai)s

DE CHEMINS DE FER* l5$

la pratique pour leur exécution* Avant d'entrer dans cet examen, je dois dire qu'il :n'existe encore aucun système adopté d une jmanière définitive pour la disposition des diverses parties dont se compose une machine locomotive. Bien que, sur le chemin de ILiverpool à Manchester , le nombre des imachines employées s'élève à plus de 3o, ces machines varient entre elles dans leurs [proportions et leur assemblage , de sorte que Iles essais journaliers qui ont eu lieu sur ce chemin en font une véritable école de construction pour les machines locomotives. Toutefois t beaucoup de défauts ont été déjà reconnus et évités ; plusieurs méthodes de coordonner l'ensemble de la machine ont été abandonnées après une expérience suffisante , et la connaissance de ces tentatives et des résultats qu'elles ont produits pourra être utile à toutes les personnes qui voudront s'occuper de semblables constructions.