CHAPITRE D
ARTICLE I", DÉTERMINATION DES DIMENSIONS PROPORTIONNELLES DES DIFFÉRENTES PARTIES QD) COMPOSENT UNE LOCOMOTIVE.
Considérée sons le point de vue théorique, une locomotive se divise en 7 parties principales, qui sont :
l u Les roues motrices et les essieux coudés ;
2° La transmission du mouvement des pistons à vapeur aux roues ;
3° Les cylindres à vapeur ;
4° La distribution;
5° La chaudière à vepeur ;
6° Les appareils de sûreté et d'alimentation ;
7° La largeur de la voie.
D'après les considérations développées dans le chapitre précèdent, la pression initiale de la vapeur dans les cylindres est comprise entre 3 et b atmosphères. Comme, d'une part, on marche le moins possible a 3 atmosphères, et que , de Vautre , il est impossible de maintenir constamment la pression à 5, nous supposerons , dans tous les calculs qui soivront, la pression initiale dans les cylindres de 4 atmosphères.
g 1". — Ronei motrices et essieux coudés. Les dimensions proportionnelles des roues motrices el des essieux coudés sont déterminées par le rapport qui existe entre la vitesse de la machine sur la voie et celle des pis- La vitesse de la machine sur la voie varie généralement entre 32 et 48 kilomètres (S et 12 lieues) à l'heure, et peut être considérée en moyenne comme de 10 lieues = 40 kilo— 40000
mètres, ou . = 11». 11 par ".
7fi THÉORIE SPECIALE
La vitesse de» pistons varie entre 1*80 el 2".20 par cl peut ëLre considérée en moyenne comme de 2 mètres.
La roue décrit une domi-circonfï-rence pendant que la piston parconrl une course ; il suit de là que si R el r représentent les rayons des roues motrices et des manivelles coudées, on a :
d'où on lire :
Et en Dombres ronds :
Pour machines marchant & de grandes vitesses R = » r.
Pour machines marchant à moyennes vitesses R = 4 r.
Pour machines marchant a petites vitesses. . R = 3 r.
Cela , afin de rendre à peu près constante la vitesse dea pintoni, qui , a 2 mètres par", donne pour vitesse sur la voie :
îo 15™ .65 par " ou 56. 5 kilomètres par heure.
2° 12 nl .56 45 idem.
50 gm.41 34 idem.
Il en réinlte un nombre constant de coups de pistons dans le même temps, et, par Lan t, une force de vaporisation constante, puisque l'injection dans la cheminée est constante.
: ou prend :
Les bielles; Les enireloises; Les guides.
lo Biellet.
Leur longueur, qui se détermine arbitrairement, est, en général , 2.5 fois la course des pistons ; on a donc : Longueur des bielles = 3 r.
2° Eatreloiiei, Elles ont la même longueur que la chaudière cylindrique, cette longueur se uèlermine d'après l'espace nécessaire au-
DES LOCOMOTIVES. 77 dessous de celte dernière pour la transmission dn mouvement, espace qui se compose de 4 parties, savoir :
Distance entre la caisse à feu et le centre du bouton de l'essieu coudé, an bout de sa course r.
Longueur de la bielle S r.
Longueur de la course 2 r.
Distance entre l'axe de la 10 tu de la tige et de la
boite à fumée 2 r.
Longueur des entreloiaea 10 r.
3° Guides de la tige du pitton.
Leur longueur se compose de :
1° Longueur de la course 2 r.
2° Espace pour les glissoirs de chaque coté de la course r.
Longueur des guides 3 r.
g 3. — Cylindres à vapeur.
On doit toujours se proposer, dans une locomotive, do mettre le plus grand diamètre de cylindres possible, parce que, quelque faible que soit la résistance à vaincre , on peut toujours compenser cela par la diminution du diamètre des essieux coudés , ou l'augmentation de celui des roues motrices.
Or, un cjlindre ayee ses brides occupe une largeur égale à environ 1.5 fois sou diamètre intérieur; pour deux cylindres , on a : 3 D, ce qui correspond a une largeur de boîte à fumée égale à 3 fois le diamètre des cylindres; comme il faut laisser un certain espace entre eux pour le mouvement des leviers d'excentriques, il n'est pas commode de les faire aussi grands, et la dimension la plus convenable est D=0.29 environ de la largeur de la boîte à fumée, qui étant, elle égale à 6 r, donne pour valeur du diamètre des cylindres en fonction du rayon de l'essieu coudé :
S 4. — Distribution de la vapeur dans les cylindres et injection dans la cheminée.
Ce paragraphe comprend :
1° Les tiroirs et lumièresj
3° Les excentriques;
S» Le régulateur el le tuyau d'arrivée delà vapeur aux cylindres?>
4" Le tuyau d'injection dans la cheminée.
1° Tirairt et lumière* ■ Soit t' la vitesse d'écoulement de la vapeur dans l'air sons une pression de 4 atmosphères total , g l'intensité de la pesanteur, H la hauteur en mètres de la colonne de vapeur imaginaire génératrice de celte vitesse, on a :
La pression de 3 atmosphères réels sur lm.q. de surface est .71000k., te poids de lia.e. d'air à 4 atmosphères de prei ' est S k. 1 ; il suit de la que la colonne H X I m. q. pèse 2k. 1= 31000k;
d'où : H = = 14800 mètres.
donc : t>' — j/l9.(iï X 14S00 = S37 m par ".
Suivant que l'écoulement a lieu en mince paroi , par un ajutage cylindrique ou par un ajutage conique, le coefficient de la dépense est :
En mince paroi 0.6">;
Par un ajutage cylindrique. . O.Sfi; Par un ajutage conique. . . 0.9U.
Admettant le premier coefficient pour l'écoulement de la vapeur par les lumières , nous aurons , en appelant ; S, la surface du piston; 3, la section de la lumière ; , v, la vitesse du piston;
■St.
d ou : , =
Plni la vitesse des pistons esl grande , plus la eeclion Jet lumières devra être grande aussi; supposant une blesse rnuxima des pisions = 5 m , nous aurons :
En pratique , on est loin de baser lits dimensions dos lumières sur ce résultai, parce que l'ouverture totale du tiroir ne se fait pas instantanément; ce que l'on cherche , au contraire , c'est de rendre celle section aussi grande que possible.
Dans les machines sans détente ie ptus généralement employées, la longueur des lumières esl égale aux 0.6 du diamètre du cylindre environ ; sa largeur est égale à 0.1, ce qui correspond à une section 0.66 D s de beaucoup supérieure a Vue 0.735 D ! — 0.0068 D 2 . Si nous exprimons ces dimensions en fonction du rayon do l'essieu coudé, nous aurons eu nombre ronds: longueur des lumièrcs = r;
largeur des lumières =0.2r.
Lorsque les tiroirs sont à détente , la longueur de la lumière peut rester la mémo que sans détente; mais il n'en est pas de même de la largeur.
En effet, d'après la disposition des doubles tiroirs, il est important de faire la lumière du cylindre plus large que celle du tiroir , sans quoi l'écoulement de la vapeur n'aurait lieu a pleine section qu'en un seul point de la course. La conséquence de cet agrandissement de la lumière du cylindre est un allongement de la course , plus un allongement du grand tiroir, et par conséquent une longueur de plalc-formn plus considérable. Autant que possible, on adopte pour largeur do la lumière du cylindre le double de la largeur de celle du tiroir , correspondant à une ouverture complète des lumières pendant */* UB ,a course, ce que l'on peut vérifier sur la Ilg.3, Pl. I.
Comme, dans les locomotives, la course des pisions est
de diminuer un peu la largeur de lu lumière du tiroir, co qui n'a pas d'inconvénient pour l'entrée de la vapeur , puisque ta section esl encore au-dessus delà section nécessaire, et présente, en outre, l'avantage d'ouvrir et de fermer près-
qu'instantanément ta communication. Si I représente la largeur de ta lumière du tiroir, on a :
course du tiroir = il;
longueur du tiroir = 14 l; plus quelques millimétrés pour les recouvrements ; d'où suit qu'on peut évaluer la longueur de la plaie-forme du tiroir a 90 (.
Si nous ajoutons a cela les 2 brides de la boîte b vapeur , nous trouvons environ 24 l pour la longueur du cylindre entre les 2 faces de la boîte a fumée. Celte longueur étant 5 r. il suit de la qu'on a :
d'où : largeur de la lumière du tiroir = 0.133 r ;
largeur de la lumière du cylindre — 0.250 r ; et : course du tiroir *=*f t course du piston.
2" Exctnfriquet.
La communication entre les tiroirs et les excentriques s'opère au moyen d'une lige traversant la boîte à vapeur dans an sluffing-box, et allant recevoir sou mouvement d'un levier, dit levier du tiroir, fixé sur un arbre appelé arbre du tiroir. Cet arbre reçoit son mouvement oscillatoire d'un levier dit levier de l'excentrique, fixé à son extrémité, et communiquant par un bouton à un crochet, dit crochet d'excentrique, qui est séparé de l'excentrique même par :'une barre , dite barre de l'excentrique. L'arbre du tiroir est toujours fixé entre la tige du tiroir et la lige du piston à va-
^ Le levier de l'excentrique ost simple ou double.
Quand le levier est simple, il se présente deux cas : ou le tiroir est mù par une seule excentrique, qui , pour produire la marehe lanlOl en avant, tantôt en arrière, affecte deux positions déterminées sur l'essieu coudé; ou le tiroir est ma par deux excentriques fixées sur l'essieu coudé et agissant alternativement suivant le sens de la marche; ces deux excentriques peuvent se trouver d'an mémo coté ou de chaqoe cûlé du cylindre; dans la première position du levier, leboutona one longueur double; dans la deuxième, il y a deux leviers à boulon simple.
Dans le cas où le levier esl double , il n'y a qu'une excen-
DBS LOCOMOTIVES. 81 trique don! le crochet est double et prend lantûl dans le hou- 1011 du haut , tantôt dans celui du bas, suivant le sens de la marche.
Levier titopU,
Soit A B (6g. i, Pl. IX) la ligne horizontale d'axe du cylindre à vapeur , ligne passant par le centre o de l'essieu coudé , A'IÎ' celle du tiroir. Soil om le rayon de cet essieu , e le centre de l'arbra du tiroir, situû en un point quelconque emreAIt et A'B'.
Quand la manivelle sera dans la position oui, c'est-àdire que le point m sera à la fin de sa course , le tiroir sera au milieu de la sienne , fermant également les deux lumières; l'excentrique sera au milieu de sa course, ainsi que le levier ca du tiroir et le le»iere b de l'excentrique, lequel peut sa trouver indifféremment au-dessus ou au-dessous de e.
Le milieu de la course du levier du tiroir sera la verticale ca, de chaque coté de laquelle oscille le point a , de manière que l'on a aa' — aa" — */ t course du tiroir.
Le milieu b de la course du levier d'excentrique se déterminera en remarquant que la transmission du mouvement circulaire continu de l'excentrique au mouvement circulaire alternatif de son levier s'opère suivant une ligne droite moyenne o b passant parle centre o et le bouton b . Donc, de même que pour le levier du tiroir, la ligne c A sera perpendiculaire à ob, et on aura : 6 b' = 6 6" = */« «ourse d'ex-
et bb' \ a a 1 \ \cb \ ca;
conrsede l'excentrique :
aa'Xcb 2 4 4'= 2
Le centre de l'excentrique se Iroave sur une circonférence
et , lorsque le tiroir est an milieu de sa course, si fiel e' représentent les deux positions milieu du centre de l'excentrique correspondantes, on a : eb = t'b, dont ee' est perpendiculaire à a ii.
Ainsi, quand le levier est simple, pour poser l'excentrique et les leviers , on mettra la manivelle k la fin de sa course, et le tiroir au milieu de la sienne; on élèvera du centre c
une perpendiculaire & À'B r pour avoir la direction du levier du tiroir; on décrira du point c comme centre une circonférence dont le rayon sera ch arbitraire , on mènera née tangente à cette circonférence par le point o , en joindra le point de contact 5 avec le point e , par une droite qui donnera la direction du levier do l'excentrique, parle, pointo on élèvera une perpendiculaire et' à ob, et on aura la direction du centre de l'excentrique.
Si l'extrémité b du levier ( fig. 2) de l'excentrique se trouve au-dessous du centre C et sur la ligne A B , les perpendiculaire» cb et ee' sont perpendiculaires a celle ligne, et l'excentrique est & angle droit avec la manivelle. Levier double.
Les positions des peints b et /î se déterminent comme pour le levier simple; c'esl-à-dire que les deux lignes cb et ci sont perpendiculaires à ob et 0|3.
Il faut que le tiroir arrive au milieu de sa course aux inèmei époques , soit que le crochet d'excentrique engrène dans le boulon 5, ou soît qu'il engrène dans le boulon ;. Pour satisfaire à celle condition, il faut que ee' soit perpendiculaire à la fois à ob et o[i, deux lignes concourant au même point, ce qui est impossible. Pour obvier à cet inconvénient, on mène se' perpendiculaire à oc.
Sang ce cas, on a :
ht <*e
comme be=be', onai £ > bz' '.
US >Se'
Cequi indique que la position milieu du tiroir correspondant èc ne sera pas la même que celle correspondant à £ '. Le même raisonnement a lieu pour le boulon du bas ; el comme ils sont placés symétriquement , les erreurs «ont égales, et les deux positions milieu du tiroir sont les mêmes que ponr le bouton du haut. Ces deux positions milieu du tiroir se trouvent da chaque cùté de sa position milieu naturelle , et à une dis-
tance égale à de cette dernière.
cb
Il en résulte pour la marche en avant , avance du tiroir, et pour sa marche en arrière , relard, et ce, lorsque la manivelle «| r eM entrique sont dans les positions relative!
des locomotives. 85 représentée! { fig. 5 ). Si le centre s de l 'excentrique , au lieu d'être au-dessus, était au-dessous,!" contraire aurait lieu.
Ajoutons a cela : pour la marche en ayant , lorsque le centre de l'excentrique marche devant la manivello , le crochet d'excentrique doit prendre dans le bouton du haut. Lorsque le centre de l'excentrique marche derrièro la manivelle , le crochet d'excentrique doit prendre dans le bouton du bas.
La longueur de la barre d'excentrique se déterminera en faisant l'épure comme si le levier était simple, c'est-àdire , en déterminant les deux points e cl h par la méthode du levier simple.
Ainsi, avec le levier simple, il faut deux excentriques dont les centres soient opposés , afin que leurs effort* soient égaux et contraires ; ou bien il faut une seule excentrique mobile sur l'essieu coudé, et pouvant y occuper deux positions égales et opposées.
Avec le levier double, il n'y a qu'une seule excentrique, et le crochet est double.
Pour les deux leviers , les crochets sont mnnis d'allonges eu forme de V, qoi doivent embrasser le bouton, ou à volonté dans quelque position qu'il se trouve.
3° Tuyau d'arrivée de la vapeur.
Connaissant la section maxima des lumières , on aura celle du tuyau d'arrivée de la vapeur en augmentant celle dernière de y 5 pour compenser les coudes elle refroidissement possible.
Section du tuyau pour «re cylindre mil.
Si on n'augmente pas la section, ce qui n'est pas indispensable , on aura en nombres ronds :
diamètre da tuyau d'arrivée pour un cylindre = 0.5 r, Section pour deux cylindret.
