CHAPITRE QUATRIÈME

DES BAILS ET COUSSINETS, ET DES CAHIERS DE CHARGES POUR LEUR FABRICATION.

§ 1. Des rails et des coussinets.

On distingue les chemins à bandes plates et ceux Avantages à bandes saillantes. 'lEinsl''

bandes plates et saillantes.

Les rails ou bandes des chemins à bandes plates {plate • rails) ^ étant recourbés à angle droit sont composés d'une partie horizontale sur laquelle passent les roues et d'une saillie verticale qui empêche les roues de sortir de la voie. La saillie verticale est toujours placée en dedans, c'est-à-dire du côté de l'axe de la voie, afin que la boue qui tend à s'accumuler sur les rails soit rejetée en dehors.

Dans les chemins à bandes saillantes {edge-rails\ les rails ne portent pas de saillie. Ce sont les roues qui sont munies d'un boudin ou bourrelet qui s'oppose à la sortie de voie. Ce bourrelet est toujours placé sur le bord de la roue le plus voisin de l'axe du chemin.

Les voitures ou chariots qui marchent sur un chemin à bandes plates peuvent circuler également

sur une route en terre ; tandis qu'il faut nécessairement changer de véhicule pour passer d'un chemin à bandes saillantes sur un chemin ordinaire.

Malgré cet avantage des chemins à bandes plates sur les chemins à bandes saillantes, ces derniers sont généralement préférés, par cette seule raison qu'il y est bien plus facile que sur les premiers de maintenir propre et unie la surface de roulement des rails.

Les chemins à bandes plates sont aujourd'hui presque généralement abandonnés même pour le service des mines et des usines, service auquel ils ont été longtemps employés concurremment avec les chemins à bandes saillantes.

Avantages Les rails des premiers railways établis vers l'an rails en fer 1682 pour le service des mines de houilles de Neweten fonte, castle étaient en bois. Vers 1738, on leur substitua des rails en fonte. Ce ne fut qu'en i8o5 qu'on se servit , pour la première fois , de rails en fer malléable.

Aujourd'hui les rails en fonte sont généralement abandonnés. On n'emploie que les rails en fer malléable ou en bois et fer malléable.

La fragilité est le principal défaut que l'on repro-

clie aux rails en fonte. Les rails en fer malléable, lorsque le fer a été convenablement choisi et convenablement travaillé, sont beaucoup moins sujets à se rompre.

Les rails en fer malléable ont encore sur les rails en fonte l'avantage important de pouvoir être fabriqués beaucoup plus longs. Comme la plupart des rails en fer malléable employés aujourd'hui ont 4™5o de longueur, quelques-uns même ont 4™8o (chemin de Paris à Rouen) tandis que l'on n'a jamais employé de rails en fonte de plus de i"20, il en résulte que sur les chemins en fer malléable , les joints et par conséquent les secousses qui ont lieu aux joints sont beaucoup moins fréquents que sur les chemins en fonte.

Le prix de la tonne de fonte étant généralement moins élevé que celui de la tonne de fer malléable, on pourrait croire que les chemins en fonte sont moins coûteux que ceux en fer. Mais en réalité c'est le contraire qui a lieu. Caria fonte servant à la fabrication des rails devant être de première qualité, tandis qu'on emploie généralement à cet usage du fer malléable de seconde , les rails en fonte coûtent presque aussi cher à poids égal que ceux en fer, et comme d'ailleurs , les rails en fer offrent à poids égal une beaucoup plus grande résistance que ceux en fonte, on leur donne de moins fortes dimensions

en sorte qu'à longueur égale , les rails en fer sont moins cliers que ceux en fonte.

Les chemins en fer malléable possèdent donc encore, au point de vue de l'économie, l'avantage sur ceux en fonte.

Le fer malléable étant plus oxidable que la fonte on a craint que les rails en fer ne fussent rapidement détruits par les effets de la rouille peu nuisible aux rails en fonte. L'expérience a prouvé néanmoins que les rails en fer résistaient aussi bien que ceux en fonte aux influences de l'atmosphère. Le frottement et la pression à laquelle les rails sont constamment exposés sur le chemin, entretient sur la surface un poli qui contribue probablement à les préserver de l'oxidation, à la surface de roulement, qu'ils soient en fonte ou en fer. Quant aux parties latérales, elles sont sans doute garanties par la croûte d'oxide noir qui recouvre toujours la surface du fer. L'ébranlement ou frémissement communiqué aux rails lors du passage des convois peut aussi contribuer à les préserver de l'oxidation. Des expériences ont établi qu'il s'établissait sur toute la ligne un courant magnétique prononcé. On a dit, à la vérité, que l'action de ce courant était modifiée parla position des rails relativement au méridien magnétique et par la direction dans laquelle la circulation avait lieu sur le chemin de fer. Mais jusqu'à présent

cette opinion ne nous paraît pas avoir été suffisamment bien établie, et lors même qu'elle le serait il n'en resterait pas moins certain que l'action de l'air sur les rails en fer malléable sur un chemin en activité, quelles que soient sa direction et le nombre des voies, est à peu près insensible.

On a prétendu que les rails en fer malléable étaient sujets à sVxfolier et à se fendre dans le sens de la longueur, ce qui n'arrive pas aux rails en fonte. Il est vrai que sur un assez grand nombre de chemins de fer on trouve des rails en fer malléable fendus suivant leur longueur ou entamés par la séparation de plaques qui se sont détachées de la surface de roulement. Cela tient à un vice de fabrication des rails que l'on évite en prenant certaines précautions que nous indiquerons plus loin.

Les rails en fonte résistent assez bien à l'action du frottement pendant un certain temps; mais comme ils sont toujours composés d'une croûte dure de petite épaisseur et d'un noyau plus tendre, la croûte étant une fois usée , le rail est promptement détruit.

Les rails des chemins à bandes saillantes en fonte rentes formes

(ip rails

ou en fer sont de formes variées.

rour les cnennns qui ne doivent servir que tem- en fer mi-plat.

porairement à des travaux de terrassement ou à des

transports de matériaux, et pour quelques chemins

de mines ou d'usines sur lesquels on ne laisse passer

que des chariots légers, on se sert du rail fig. 5,

FiG, 5.

Ce rail est une simple bande de fer mi-plat que l'on pose de champ sur les traverses dans une encoche à la traverse , et que l'on maintient dans cette position au moyen d'un coin en bois, comme la figure l'indique suffisamment.

Ce rail est économique et peut, après avoir servi, être de nouveau livré au commerce comme fer marchand; mais il ne pourrait convenir sur un chemin où l'on marcherait, à de grandes vitesses, avec des chariots pesamment chargés.

Le frottement sur un rail aussi étroit userait et couperait en peu de temps les roues ; la pression latérale qui a lieu dans les courbes, par suite de l'action de la force centrifuge, ploierait les bandes de fer, à moins qu'on ne posât les traverses à de très-petites distances les unes des autres.

Enfin les rails, ployant entre les points d'appui sous la pression verticale des voitures, se soulèveraient à leurs extrémités en glissant sur le coin et sur la paroi de l'encoche, et, comme ils ne sont pas parfaitement élastiques, ils finiraient par se courber de telle façon qu'il en résulterait des saillies trèssensibles aux joints.

On a évité les deux premiers inconvénients que présentent les rails de fer mi-plat en les élargissant dans la partie supérieure sur laquelle passent les roues, et on a remédié jusqu'à un certain point au dernier en ajoutant dans la partie<»inférieure un bourrelet qui s'engage dans la concavité d'une pièce en fonte nommée coussinet , solidement assujettie aux traverses.

Le rail s'est alors présenté en coupe, comme nous Rails à

r • 1- ' 1» A ' • T» 1 -1 champignon.

lavons indique fig. A, série B, pi. i , et il est

assemblé avec le coussinet, comme on le voit sur

les fig. I et 3, série B, pi. i.

La forme de la section de ce rail lui a fait donner le nom de rail a champignon. On distingue dans le rail à champignon la tête du champignon ou le champignon proprement dit, la tige du champignon et le bourrelet.

Le rail à champignon, fig. A , série B, pi. i , de

même section sur toule sa longueur, a été employé dès l'année 1828 sur les chemins de Saint-Etienne à Lyon et de Saint-Étienne à Roanne, en France.

Le bourrelet n'existant que sur l'un des côtés de la tige, comme fig. j , il est évident qu'une fois le coussinet fixé à la traverse, on ne peut placer indifféremment du côté de l'axe de la voie l'une ou l'autre des faces latérales convexes du champignon, à moins de déclouer le coussinet.

On a évité cette sujétion dans les rails fig. D et P, série B, pi. i.

Enfin, on a fait des rails symétriques à double champignon, comme fig. A2, afin de pouvoir retourner le rail sens-dessus-dessous.

Défauts La forme des rails à un seul champienon leur

des rails à r • i i -i \

champignon, ayant fait donner le nom de rails simple T, ceux à deux champignons ont reçu celui de rails double T.

Aujourd'hui, les rails à simple ou à double champignon, plus ou moins massifs, sont à peu près les seuls rails, tout en fer malléable, employés sur les grandes lignes de chemins de fer.

La forme de ces rails n'est cependant pas sans inconvénients.

Les bords du champignon n'étant pas soutenus, le champignon est placé dans des conditions défavorables pour résister à la pression des chariots, et cette circonstance est d'autant plus fâcheuse qu'il résulte, ainsi que nous allons le démontrer,, du mode de fabrication que le champignon est com- . posé de fer de moins bonne qualité que la tige.

Si, en effet, on étudie les procédés de fabrication des rails à champignon, on voit que le paquet de fer destiné à fabriquer le rail est d'abord passé sous un cyhndre dégrossisseur à cannelures gothiques % et transformé en une barre de section à peu près carrée dont le côté est moindre que la hauteur du rail, et quelquefois moindre que la largeur du champignon. Il est même nécessaire que l'opération ait heu de cette manière, autrement le laminage exigerait une force double peut-être de celle que l'on emploie ordinairement; on s'exposerait à briser des cylindres, et le prix du fer deviendrait trop élevé. 11 en résulte qu'en traversant les cannelures du cylindre finisseur, le fer n'est bien comprimé que dans la partie mince du rail, mais qu'il est

1. Voir pour les procédés de fabrication du fer, la Métallurgie du fer, par M. AValter, professeur à l'École centrale des arts et manufactures; l'ouvrage sur le même sujet, de MM. Eugène Flachat, ingénieur civil, Jules Petiet etBarrault, anciens élèves de l'École centrale, et le Voycuje mètallurqique en Augleterre (seconde édition), par MM. Dufrenoy, Élie de Beaumont , Coste et Perdonnet.

refoulé dans toutes les parties arrondies et saillantes; aussi arrive-t-il que lorsqu'on brise un rail à champignon, on remarque que la tige est d'un grain bien phis serré et bien plus homogène que le champignon, qui, souvent, laisse voir des portions creuses et mal soudées.

Il faut se rappeler en outre que les difficultés de fabrication augmentent avec le poids du rail, et qu'une grosse barre présente intérieurement plus de défauts qu'une barre moindre. Ces défauts sont encore plus considérables dans un champignon mal comprimé que dans une barre ordinaire.

Deux ingénieurs d'une grande expérience , MM. Wood et Storey, ont proposé de remédier à cet inconvénient en exécutant le champignon avec un seul morceau de fer martelé. Le procédé consisterait donc à recouvrir le paquet à laminer avec un morceau de fer martelé ayant à peu près le tiers du poids de la barre, et à diriger le laminage de façon à exécuter le champignon avec ce morceau, dont l'intérieur aurait été reconnu très homogène.

Ce procédé n'est pas sans difficultés. Les fers de qualités différentes doivent être réchauffés à des températures différentes ; le fer martelé exige généralement plus de chaleur que le fer laminé; ainsi, lorsque la température sera convenable pour une

partie du paquet, l'autre partie sera brûlée ou trop froide, et le champignon sera mal soudé au reste de la barre. Nous avons vu fabriquer dans une usine, aux environs de Newcastle, des rails de ce genre, mais l'usage ne s'en est pas répandu, sans doute parce que le rail se séparait en deux parties.

Frappé des défauts que nous venons de signaler Nouveau rail / ' ^ ^ de M. Coste.

dans le rail a champignon, M. Léon Coste en est

venu à ramener le rail presque à la forme d'une simple barre plate dont les angles seraient abattus, et il a remplacé, sur une partie du chemin de fer de Saint-Etienne à Lyon, les rails à champignon par le rail fig. A, série B, pi. i. Ce rail est assez large pour ne pas entamer les roues des chariots ou des locomotives et pour résister à la pression latérale dans les courbes. Il est muni de bourrelets au moyen desquels ses extrémités sont maintenues dans un coussinet, comme celles du rail à champignon ; enfin il peut se retourner sens-dessus-dessous.

Mais il a un grand défaut : il manque de hauteur; et comme la flexibilité aussi bien que la résistance à la rupture varie comme le quarré de la hauteur, il est trop flexible. Il eût fallu, pour lui donner une plus grande hauteur en lui conservant sa largeur, en augmenter le poids au-delà des limites dans lesquelles on était obligé de se renfermer. On n'a donc annulé dans le rail d'égale

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épaisseur une des causes de destruction que pour augmenter les effets d'une autre cause également énergique : aussi l'expérience a - 1 - elle prouvé qu'il se détruisait tout aussi rapidement que les anciens rails, qu'il s'assemblait dans les coussinets moins solidement que le rail à champignon, et enfin qu'il ne préservait pas suffisamment les supports en fonte du contact des roues.

Rail à simple Sur le chemin de Versailles (rive gauche), nous

champignon j .. ' i p ,. ■ \ >

du chemin de avons adopte un rail que i on peut considérer (rivegaùche). comme tenant en même temps de celui de M. Coste et de l'ancien rail à champignon.

Prenant, pour former notre rail, la même quantité de métal que celle qui entre dans la composition de la plupart des rails double T de nos chemins de fer français, et dans le rail de M. Coste, 3o Idlog. par mètre courant, nous avons cherché à la distribuer de manière à obtenir un rail qui, sans présenter les mêmes inconvénients que le rail de M. Coste, possédât une partie de ses avantages.

Ce rail, fig. D, série B, pi. i, est à simple champignon ; il a la même hauteur et à peu près la même largeur à la surface de roulement que les rails à double champignon du poids de 3o kilog. par mètre courant; mais une partie du mêlai, au lieu de servir à composer un second champignon, a été

placée sous le champignon unique de manière à en soutenir les bords et à augmenter l'épaisseur de la tige. Le champignon ainsi fortifié résiste mieux à l'écrasement, et si la barre, en passant sous le laminoir, n'est pas également comprimée dans toutes ses parties, comme dans le rail de M. Coste, du moins l'effet nuisible de l'inégalité de compression est-il d'autant moins sensible que la différence entre l'épaisseur du champignon et celle de la tige est moins grande.

Notre rail simple T ne peut pas se retourner Avaniages sens-dessus-dessous comme le rail double T, mais rails à simple

,., 11- -1 et à double

S il est reconnu que le champignon unique de ce champignon.

rail est, avec les formes et les dimensions que nous lui avons données, susceptible de durer plus longtemps que les deux champignons de ce dernier , l'avantage lui restera.

On se tromperait d'ailleurs si l'on croyait que lorsqu'après un certain temps l'un des champignons du rail double T paraît usé par le passage des convois et que l'on retourne le rail pour remplacer le champignon usé par le champignon inférieur, celui-ci est dans les mêmes conditions que le premier le rail étant neuf. M. Pierre Barlow, connu par ses expériences sur la résistance des métaux, et auteur d'un ouvrage très-estimé sur la forme des

rails % a observé avec raison que si la partie inférieure des rails en état de service sur un chemin de fer n'est pas fatiguée parle frottement, elle ne l'est pas moins par l'action du poids des convois.

Et en effet , quand une barre portée sur des appuis fléchit par suite d'un effort transversal, les fibres situées du côté de la face convexe sont allongées; les fibres situées du côté de la face concave sont raccourcies ; certaines fibres, situées dansl'intérieur du corps, conservent une longueur invariable. On donne le nom cVaxe neutre à îa ligne cjui sépare les fibres raccourcies de celles allongées. M. Barlow a reconnu que l'axe neutre est dans les barres de fer, placé entre le tiers et le cinquième de la hauteur comptés à partir de leur surface supérieure. Or, le raccourcissement ou l'allongement des fibres est en raison de leur éloignement de l'axe neutre. L'allongement des fibres inférieures de la barre est donc plus grand que le raccourcissement des fibres supérieures.

Ce fait établi, dit M. Barlow, je regarde comme bien mal fondée la prévoyance des ingénieurs qui ont fait les tables supérieure et inférieure, dans le

1. Expériences sur la force transversale et les autres propriétés du fer malléable , dans son application aux chemins de fer, par P. Barlow. Traduit de l'anglais par C. Quilhet , anciea élève de l'École polytechnique.

rail à champignon, de figures égales pour le cas où la table supérieure venant à être usée, on pourrait tourner le rail, et la table inférieure remplacerait la supérieure, puisque la table inférieure est celle qui supporte le plus grand effort. Ce serait une expérience fort dangereuse , continue M. Barlow, de vouloir tourner un rail qui a été soumis pendant plusieurs années à une grande force de compression, et que l'on suppose par cela même grandement altéré, pour l'exposera un effort d'extension encore plus considérable. C'est pourquoi je recommanderais, au contraire, de donner à tout le métal introduit dans la table inférieure ou base , la forme qui est la plus convenable pour le présent , sans égard pour l'avenir.

On dit aussi du rail double T, ajoute le même auteur, que lesdeux côtés étantsemblables, les poseurs peuvent choisir le côté qui s'ajuste le mieux , mais il serait sûrement préférable d'avoir des rails fabriqués assez régulièrement pour qu'aucun choix ne fût nécessaire.

Nous ferons enfin observer qu'en supposant que le champignon du rail double T déformé par la pression et par le frottement pût être renversé sensdessus-dessous, il ne s'appliquerait généralement pas exactement contre les parois du coussinet, d'où il résultera que l'assiette du chemin sera fort imparfaite et la rupture des coussinets très-fréquente.

Nous considérons le rail simple T du modèle, fig. D, comme plus durable que le double T contenant le même poids de métal par mètre courant, mais cet avantage n'est pas le seul qu'il possède sur le rail double T.

Lorsqu'on emploie le rail double T, on est obligé, pour se réserver la faculté d'introduire le rail de haut en bas dans le coussinet, soit verticalement, soit même en l'inclinant sur le côté , de conserver au logement du rail uns grande largeur entre les saillies du coussinet , ce qui nécessite des coins en bois d'une grande épaisseur pour caler le rail, et des coussinets fort longs. Ces coins prennent facilement du jeu , et les coussinets sont très-lourds. Avec le le rail simple T on peut employer un coussinet moins large et un coin moins volumineux. Les coussinets sont moins dispendieux et le serrage est meilleur.

Enfin, si notre rail simple T ne peut, lorsqu'on le retourne, servir pour les chemins de fer du premier rang, du moins sera-t-il employé utilement pour les terrassements ou pour les petites exploitations.

On a signalé comme l'un des avantages du rail double T sur le simple T celui d'être moins sujet au renversement parce qu'il pose sur le fond du coussinet par une plus large base. Nous n'avons cepen-

dant entendu aucun ingénieur se plaindre de ce que sur des chemins construits avec du rail simple T, la voie eût manqué de stabilité.

Le rail simple T, à poids égal, résiste moins bien, suivant la théorie, que le double T tant à la pression verticale qu'à la pression latérale. Il a aussi le défaut d'être un peu moins raide , mais la différence de résistance, soit à la rupture soit à la flexion , est tellement faible, qu'en pratique elle n'exerce aucune influence nuisible.

Bien que sur le chemin de Versailles (rive gauche) nous employions les machines les plus lourdes, nous n'avons jamais trouvé que notre rail fût trop fragile ou trop flexible.

M. Barlow prétend que la forme du rail double T n'est pas comme la théorie l'indique, celle qui correspond au maximum de résistance.

Le tableau suivant, d'expériences faites à l'usine deDecazeville,pour comparer la résistance des rails simple T et double T, conduirait cependant à une conclusion contraire ^.

1. Ce tableau est extrait de l'ouvrage de MM. Eugène Flachat, Jules Petiet et Barrault , déjà cité.

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