COUPS

de puions par

cours de pistons'

COCPS le pistons par

minute.

TEMPS

minutes.

minute.

iNatancc parcourue , a 6 "*' (4 1 •‘**®**- 84^

I 6^' 3 a'; charbon consumé, 1487*'* 7^^'' 2i)i cou, 4<)Ol*'- ou 75l*'-i por h.

Le chemin de fer sur leciuel ont été faites les expériences précédentes n était pas de construction très-récente, en sorte <pie sur plusieurs poiuts les raik opposaient au mouvement des roues des obstacles difficiles à vaincre. Du reste, les observations ont été suivies avec le soin le plas minutieux. Dans les premières expériences on a œnipté le temps à partir du momeut du départ , eu sorte (jue les résul-

tats des observations comprennent le temps et la force employés pour mettre le convoi en mouvement. On n’a nullement cherche à imprimer à la machine toute la vitesse dont elle était susceptible. Le but des expériences étant de déterminer les «juantités de travail effec- * tuées avec des roues et des charges différentes, on s’efforçait seulement de rendre la vitesse aussi égale que possible, et d'obtenir dans chaque expérience le même nombre de coups de piston par minute. Pour arriver à ce résultat, il était souvent nécessaire de régler et de modérer la vitesse de la machine.

Dans la cinquième expérience on a attendu, avant de mesurer le temps, que la machine et le convoi eussent acejuis une vitesse régulière. Cette circonstance cxpli<jue la différence <[ue l’on observe entre les deux distances indiquées au bas de la table; la première comprend l’espace total parcouru depuis l’origine du mouvement jusqu’à la lin de la station; la seconde, l’espace parcouru par la machine, depuis l’instant où .son mouvement est devenu uniforme, jusqu’à l'instant oit l’on a commencé à le ralentir, afin d’arrêter le convoi à l’extrémité du relais. Le temps marqué dans la table correspond à l’espace parcouru par la machine avec une vitesse uniforme, et peut ainsi servir à mesurer cette vitesse.

Les expériences I et 11 ont eu pour but de déterminer le travail effectué avec des roues de différens diamètres. La machine était la même dans les deux cas; on s’était contenté de substituer dans la seconde expérience des roues de 4'"' (i’‘ 22 ) à celles de 3'' (o'^gi), et l’on avait eu soin d’ailleurs, afin d'obtenir des résultats comparables, que toutes les autres circonstances fussent exactement semblables.

Or, on voit que, pour la même charge et la même consommation de charbon, la machine a parcouru un espace de âC""' (57‘''93o)avec des roues de de diamètre, et de 48”^'‘8 ( 78 ^“' 554 ) avec des roues de 4’’*'. On peut conclure delà que la distance parcourue par la même machine, avec des roues de diamètres différens, est proportionnelle à

ces diamètres, en supposant la cbarÿ^ et la consomma liou de charbon égales de part et d'autre. Il en résulte t'-galenieut cjue, pour une même charge et un même espace pai-com-u, la consommation de combustible est en raison inverse des diamètres des roues.

Cette conclusion paraîtra peut-être paradox;de; car si l’accroisse- * ment du diamètre des roues rendait la machine capable de parcourir avec la même dépense de force une distance plus considérable, il s'ensuivrait, ce semble, qu’en augmentant indéiiuimeut ce diamètre, on pourrait réduire indéfiniment aussi la force du moteur. Cependant un examen plus attentif prouve que le résultat que nous annonçons est très-rationnel et pouvait être prévu à l avante.

Eu elfct, à chaque tour de roues, toutts les parties de la machine décrivent une oscillation contplète, et si l’on fait abstraction de la résistance des jantes sur la surface des rails, il est clair que la force dépensée pour produire ce mouvement reste constamment la même, quel que soit d’ailleurs le diamètre dts roues. Si donc l’on remplace des roues de S'”'' de diamètre par des roues de 4’“ ) et que l’on n’apporte d’ailleurs aucune modification au reste de l’appareil, on augmentera dans le rapport de 3 à 4 1 espace parcouru par la machine sans augmenter la valeur de .son frottement (en .supposant toujours <jue l’on néglige le frottement des roues sur les rails). On peut conclure delà que, pour un même espace parcouru, la résistance de la machine est en raison inverse des diamètres des roues.

Toutefois, il ne faudrait pas pousser trop loin les conséquences de celle observation. On a bien pu en ollct remplacer des roues de 5'"' tle diamètre par des roues de 4’’^' > sîms apporter aucune modification aux essieux, non plus qu’aux autres parties frottantes; mais si fon dépassait cette limite, il est clair que les essieux, et toutes les autres parties du mé^canisme se trouveraient .soumises à une plus grande fatigue. Il serait né-cessaire alors d’augmenter «■gaiement leurs dimensions, et l’on détruirait par cela même l’elfet que devrait produire l’augmentation du diamètre des roues. Quoi «pi’ü en soit, les expériences précédentes prou-

DES CHEMIJIS DE'FER

vent qne, si l’on veut oblenir un accroissement tic vitesse, on doit eu gtinéral, pourlpai vcnir à ce but, augmenter le diamètre des roues.

Nous allons cberclier acliiellemeiU à délermiuer la valeur absolue de la résistance due aux frottemeus de la machine. Nous avons fait une expérience dans ce but, sur la portion de chemin de fer qui avait c^jà servi pour l’expérience 11 , chap. VI. Cette portion de route présente ime hauteur de i lé-aP- ( 3 "' 4 o) sur ( 354 ”’ 77 ) de dé-

veloppement. Cinq cliariols chargés, pesant chacun 94o8‘"' ( 4265 '“ 72), sont descendus hbremcnl le long de la pente dans l’espace de 120"; puis ils ont été rameués au sommet du plan et attachés à une machine locoiuotiva Cette dernière i était disposée de' telle sorte, que la vapeur ne pût agir sur les pistons -, pour cela ou avait interrompu la communication entre la chaudière et les cyUndres , et les parties supérieure et inférieure du corps de pompe étaient mises alternativement eu communication avec l’air extérieur. Le seul obstacle au mouvement de la machine était dû au frottement dc-s diverses parties de l’appareil.

Les chariots et la machine , ainsi réunis , ont descendu le plan dans l’espace de 1 5 o" ; en sorte que la résistance de la machine a occasioné un retard de 5 o."

Le poids de la machine et du chariot d’approvisionnement était de 9“" ou 20160“’ à quoi il faut ajouter i8oo''*', pour le mouvement de rotation des roues. Le poids des chariots était de 9408"’ , et la résistance due au mouvement de rotation des roues de 747'”' î d où il suit que la masse totale en mouvement s’élevait à 20160 1800+ 101 55 x 5

= 72,755“’-. Or, la formule ( 8 ), pag. 78, donue, pour la valeur du frottement.

F = (P-t-^ )sin

in.i — N -—.- ^ ■ " ■ ■ = 4io'‘'- 70 ( iSeC' ii ]

D'après l’expérience II, chap. VI, le frottement des chariots est de 39"’-35 X 5 = i 96“'-75 f 2 89*''-2 o); en sorte que celui de la machine

i84 TllAITÉ PRATIQUE

s’élèverait à 4 *o — 196 = 214'”’ (97“ o 3 ). En admettant d'ailleurs que la résistance due à l’action des roues sur les rails et au frottement sur les essieux, soit égale à 7-^ de la charge, c’est-à-dire à loo'"’ ( 45 ‘" 34 ) environ, il resterait ii4“’’ (51.69) pour le frottement des pistons, des tiges de communication, et de toutes les autres pièces frottantes.

Nous remarquerons toutefois que la force dépensée par la machine pour trans])orter son propre poids est nécessairement plus grande lorsqu’elle traîne un convoi que lorsfju’elle marche à vide. En eflet, la résistance du coitvoi est transmise, par l’intermédiaire des divei-ses parties de l’appareil, au moteur, c'est-à-dire aux pistf)ns, et ensuite aux roues qui reposent sur les rails. Il résulte nrêessairement delà une pression sur les diverses parties du mécanisme , et par suite un frottement qui s’ajoute à la résistance de la machine. Ce frottement étant d’ailleurs proportionnel à la pression , sa valeur est d’autant plus grande, que le convoi est plus lourd.

Au reste, les olwervations que nous avons exposées précédemment sur l’influence du diamètre des roues, nous permettent de déterminer la valeur absolue de la résistance de la machine. En eflet, dans l’expérience I, table II, la machine a consommé 2534 '” * 1 ® combustible pour transporter à une distance de 36 milles une charge de 731'^“ j, non compris son propre poids. Dans l’expérience III , avec des roues de 4 pieds de diamètre, elle a transporté à a 3 milles un poids de qjô'’”'"* en dépensant i 546 '” de combustible ; d’où l’on peut conclure qu’avec une dépense de 2534 "’ elle eût parcouru une distance de 37 ”“‘"70: or, la rfeistance des chariots est de 36 o'''- pour un poids de ^,5 et de 480'”' pour unpoidsde975'’“‘‘ (en supposant la résis-

tance de chaque chariot égale à 40'” )• On voit donc <|ue, pour la même (^nsommalion de combustible , les effets produits avec des roues de S*" et de 4 ’’'’ de diamètre, sont dans le rapport de 480x37.70 à 56 ox 36 , ou de 48ox’-7j^= 5o2 à 36 o. Cette augmentation dans l’effet produit est nécessairement due à une dimi-

DES CHEMIKS DE FER

nation dans la résistance de la machine; or , si l’on suppose qu'en portant le diamètre des roues de 3''' à 4’’*' i ou diminue cette résistance dans le rapport de 4 ù 3 , on devra en conclure que sa valeur absolue est égale avec des roues de 3''' , de diamètre à ( 5oa — 36o ) x 4 =

1 4a X 4 = 568''' 54),etavec des roues de 4’’*’» à 14 a x 3=4a6'"

Ou admet quelquefois, eu év^uant la puissance des machines, (jue, lorsque la tension de la vapeur dans la chaudière s’élève à 5o liv. par pouce carré (3“'””‘‘4), cette tension conserve sensiblement la même valeur dans le corps de pompe, et que l’on peut prendre pour mesure du frottement, ou autrement dit de la force perdue, la différence eiiti e cette pression et le travail effectif de la machine. Cependant il est une considération à laquelle il est nécessaire d'avoir ^ard.

Tous les fluides élastiques, lorsqu’ils ont acquis im haut degr J de pression, tende it à reprendre la densité du milieu environnant, et la vitesse avec laquelle ils s’écoulent dans un milieu d’une deirsité moindre est en rai-ion de la dillérence de densité des deux fluides. Or, dans une machine locomotive, ou en général dans toute machine à haute pression , lorsrpie l’on ouvre la soupape qui établit la communication entre la chaudière et le cylindre, les circonstances sont les mêmes que si la vapeur était en communication avec un milieu dont la densité aurait pour mesure la charge qui s’exerce sur le piston. La vitesse d’écoulement de la vapeur, et par suite sa pression sur la surface du piston, dépend donc de la valeur de cette résistance. Si l’appareil est tellement combiné que la vitesse du piston soit à peu près la même que celle avec laquelle la vapeur tend à s’écouler dans le vide , c’est-à-dire si la résistance est presque nulle , la pression sur la surface du piston sera très-faible. Sa valeur augmente à mesure que la vitesse du piston se ralentit, et enfin elle deviendrait égale à la pression même de la vapeur dans la chaudière, si cette vitesse était nulle. Dans

tous les cas , l'élasticité de la vapeur dans la cliaudière et son élasticité dans le corps de pompe ont des valeurs dilFérentes , et sont mesurées , Time par la pression exercée sur la soupape de sûreté, l'autre par la résistance qui s’oppose au mouvement du piston. En tenant compte de cette circonstance , on trouve qu'il ne résulte aucujie perte de force du mode particulier d’action des machines locomotives , et (jue leur effet utile est le même que celui des machines ordinaires à haute pression; on doit seulement tenir compte delà force dépensée par la machine pour transporter son propre poids.

Nous avons supposé, dans tout ce qui précède, que la quantité de vapeur produite par le bouilleur était suffisante pour maintenir constamment la même pression dans la diaudière, quelle que fût d'ailleurs la vitesse d’écoulement de la vapeur dans le cylindre. S’il en était autrement , c’est-à-dire si la quantité de vapeur formée dans la chaudière n’était pas constamment égale à celle qui s’échappe par la soupape du régulateur, son élasticité et sa vitesse déroulement diminueraient nécessairement ; par suite aussi , la vitesse du piston se ralentirait, jusqu’à ce que l’équilibre s’établît entre les quantités de vapeur produites et dépensées. Ces deux cas se présentent dans les expériences suivantes.

Expér. vu. Une machine locomotive semblable à celle qui est représentée, fig. I et 2 , PI. Xll , munie de deux cylindres de g'”' (o"’ 23 ) de diamètre chacun, a parcouru en 43 o"un espace de 1 164''‘ ( 354 '" 77 ) sur une rampe de o- oogS par mètre, en traînant à sa suite 12 chariots pesant chacun g4o8"'’ (42Ù’5 72); le bouilleur avait g*" (2“74)

de long sur 4'’ 8’’° (t”'42) de iliamètre; la pression de la vapeur dans la chaudière était de 5 o'"’ par pouce carré ( 3 *'‘"‘ 4 ). La longueur de la course du piston étant d’ailleurs de (o“.68), et le diamètre des grandes roues de 37'"’ (o”‘g4), on voit que le piston a décrit 48o '' pendant la durée totale du voyage , c’est-à-dire que sa vitesse a été de 80’’^^ (24“.98) par minute.

D'après cela la machine a dii dépenser 122,1 (i” "‘‘'9g5) de

vapeur par minute. Or , eu supposant la chaudière capable de vaporiser 94 gall. (42 7“‘‘) d'eau par heure, ainsi qu'il résulte des expériences de la table II , on voit quelle pouvait fournir à chaque minute un volume de 171,363'”' (2".76) de vapeur sous la pression de 5o'‘*-

par pouce carré ( 3 “^”' t )• La vapeur arrivait donc toujours avec abondance, etconune d'ailleurs la vitesse du piston était peu considérable, la pression devait être sensiblement la même dans la chaudière et dans les cylindres.

Expér. VIII. Dans une nouvelle expérience, cette machine a remonté la même rampe dans l’espace de 176', en traînant cinq chariots chargés. La vitesse des pistons étant ici de i 65 '‘‘ (5o“.28) par minute, la dépense de vapeur devait s'élever dans le même temps à 25i,83i^™"- (4--'“'' io).

Or, la quantité d’eau vaporisée était, comme précédemment, de 94*“" (427'"') environ par heure, lesquels ne produisent, par minute, que 1 7 1 , 363 '”' de vapeur sous la pression de So'"’ par pouce carré. Ce volume étant insuiHsant pour la consommation de la machine, la pression de la vapeim, qui, au commencement de l’expérience, était de 5 o par pouce carré, à dû nécessairement diminuer graduellement justju'à ce qu’il se soitétabli un état d’é<juihbre entre la quantité de vapeur produite et dépensée. La vitesse du piston , qui d’abord avait une valeur considérable , est devenue uniforme , et la pression a conservé une valeur constante de 3 o'"' environ par ponce carré (2“ 10 par centim. carré).

En résumé, la vitesse des machines locomotives est réglée par la quantité de vapeur qui peut être produite dans un temps donné et sous une pression déterminée. 11 serait donc tout à-fait inutile, pour donner à la macliine une plus grande paissance , d’augmenter les dimensions du cylindre, si l'on ne pouvait augmenter en même temps la puissance de vaporisation de la chaudière.

Nous allons chercher inainlenant à l’aide des expc^riences précédentes , à déterminer le travail elTeclif (|u'une machine locomotive peut produire sur un chemin de fer, ainsi que la quantité de combustible dépensée pour accomplir ce travail.

On voit, d’après les ex{)ériences I et II (table II), qu’une machine peut traîner avec une vitcs.sc de 5 (8046"). à l'heure; et 48‘"*' avec une vitesse de ~ (7664'"')' machine qui a fourni ces ré-suluts avait un foyer de 4 (o"‘ '' 6 a 84 ) d’étendue; la surface exposé« à l’action directe de la chaleur était de 10'" '• 4 (o“’''97), et la partie exposée à la flamme et a l’air chaud était de ai'"'' (i”' 95 ).

Dans l’expérience V (table III), la surface du foyer était de (o“‘' 65 ); la surface exposée à la chaleur »le 1 1'"’' 4 (■'“ ‘o^8a), et celle qui recevait faction de la flamme avant son passage dans la cheminée était de ag'"’'' | (a”''’76). La surface totale était donc d’un tiers environ plus grande que dans le cas précédent, et nous voyons aussi que l’effet produit s'est trouvé considérablement augmenté; car cette dernière machine a transporté 48'“"' 4 (49'°"‘5o) avec une vites.se de 6""'’6 ( 10620) par heure. Si fon remarque maintenant que la résistance augmente dans le rapport de 4 ■' 5 environ, loi"sque le temps est défavorable, on concluia de ce qui juécède, que l’on peut prendre pour mesure du travail de cette machine, un poids de 4o‘°°' (4°' "'Ga) transporté à une distance de G"”'" (phSS"') en une heure.

Tel était à peu près eu i 8 a 5 , épo(jue à la(ptelle se rapportent les observations précédentes , le maximum d’effet utile des machines locomotives à (juatre roues. Dans quehjues circonstances on s’était servi tle machines plus lourdes, et pré-sentant une surface plus étendue à faction de la chaleur. Dans la machine de Wylani , le tube rjui contenait le foyer, au lieu de traverser directement le bouilleur, revenait sur lui-mème , et se terminait du même coté que le foyer même. .\u moyen de celte disposition , on augmentail , il est vrai , la surface de vaporisation ,

mais on diminuait l’étendue du foyer, puisque l’extrémité du tube occupait une paitie de l’espace qui aurait dû lui être réservé. Aussi, bien que l’on obtînt de cette manière quelque économie dans la consommation de houille , le travail efl’ectif de la machine restait à peu près le même. En définitive , le plus grand travail des machines employées à cette époque consistait, comme nous l’avons dit dans le transport, d’un poids de 4o‘°”' (4^'” 62) à une distance de 6™'' (gdSS*’) en une heure ; ce qui représente environ le travail de sept chevaux , non compris la force nécessaire pour le transport de la machine elle-même. La consommation de houille était d’ailleurs considérable relativement à l'effet produit.

Les observations que nous venons de citer peuvent nous servir aussi à déterminer la consommation de combustible dans les machines locomotives. Les expériences des tables H et III ont été faites avec deux machines que nous avons désignées par les numéros i et 2. Ces machines sont de construction semblable, et ne diffèrent que par les dimensions du foyer. Le bouilleur, comme on le voit dans la PI. XII, fig. I et 2 , n’est pas exposé directement à l’action du feu ; il est seulement traversé par un cylindre au milieu duquel est placé la grille qui porte le combustible ; ce sont 'les parois de ce foyer qui communiquent la chaleur à l’eau contenue dans le houilleur. La surface de liquide exposée à l’action du feu se trouve ainsi égale à la moitié de la surface du cj'lindre. Dans la machine n*. i , le foyer a ao"” (o"’ 5 i) de diamètre, et dans le n°. 2, 22'° (o'"’ 55 ); les dimensions de la cheminée présentent une différence analogue. Du reste, les deux machines sont, comme nous l'avons dit, exactement semblables. .

Cela posé , si l’on compare les expériences 1 et IV, dans lesquelles la charge est la même, on voit' que la quantité de charbon consomme par la première machine pour un espace de 632 80 yards, est de 2534'”’. La seconde machine a consommé 1487'" pour parcourir sur la même route un espace de 45 aoo yards, et par conséquent pour une distance de 63 a 80 yards, elle eût dépensé 1 487 x -* ■■ ’ - * ou 2 loi .

igo TRAITÉ PRATIQUE

Ainsi , pour une même disianee parcourue , les ({uantités de combustible dépensées dans les deux cas sont comme 2334 aïoi. 11 est à peine nécessaire de remarc|ucr que cette düTérence dans la consommation du combustible dépend en grande partie de l’étendue de la surface exposée à l’action du feu et de l’air chaud. En effet, dans les tubes étroits, l’intensité de chaleur nécessaire pour produire constamment une quantité convenable de vapeur déterminant une combustion plus rapide , le charbon sort imparfaitement consumé et à une température fort élevée. Dans des tubes plus laides, l’intensité de la chaleur est moindre, et le charbon éprouve une combustion plus parfaite; en même temps le foyer présentant une surface plus étendue, l'eau du bouilleur absorbe une plus grande quantité de calorique.

En rapprochant les expériences 11 etlll, faites avec la même macliine, et dans des circonstances exactement semblables, on voit qu’avec neuf chariots pesant 73i’“‘°'’ j, et sur une distance de 8388 o yards, la machine a dépensé 2534 '" charbon, et qu’avec douze chariots pesant 975‘'“"‘', elle a dépensé i 546 “’ pour une distance de 40680 yards. La quantité de combustihle consommée dans ce dernier cas pour une longueur de 8588 o yards, aurait donc été de 3263“' . Ainsi les quantités de combustible dépensées avec neuf chariots d’une part , et douze choriots de l’autre, sont dans le rapport de 2534 ' 0263. Nous avons vu précédemment que le frottement delà machine était de 426“’, et celui de chaque chariot de 3 g 85 ; la résistance est donc égale, dans le premier cas, à 426 -f- 3 g, 35 x 9 = 780“'', et dans le second cas, à 426-1-39,35 X 12 = 898“' . Or 2534 : 3 a 63 : : 780 : 1000'" environ; en sorte qu’ici la consommation de charbon est plus que proportionnelle à la résistance. Nous avons di\jà annoncé que l’accroissement de poids du convoi produisait dans toutes les parties de la machine un excès de frottement; cette circonstance doit sans doute influer sur le résultat que nous indiquons. Cependant c’est en général l’état défavorable des rails qui contribue le plus à augmenter la consommation de la houille.

Enfin si nous comparons ensemble les expériences IV et V, nous remarquerons (pie, dans la première, la distance totale parcourue par la machine est de 4^2()o yards, et la quantité de charbon consumée de 1487“''. Mais les roues avaient S'*' de diamètre, et comme la dépense de combustible pour une môme distance parcourue , est en raison inverse des diamètres des roues, il s’ensuit qu’avec des roues de 4 *^ la consommation n’eût été que de ii'iS"''. D’im autre côté, la machine a dépensé , danslexpérience V, 58 j de combustible pour luie distance de 20020 yards; elle eût donc consommé 1 325 pour parcourir 45200 yards comme dans le premier cas. Il suit de là que les quantités de charbon dépei^es pour remorquer neuf chariots d’pne part, et douze chariou de l’autre, sont entre elles comme iii 5 ; i 325 , les résistances correspondantes étant d’ailleurs dans le rapport de 780 à 898. Or 1 1 15 : i 325 : : 780 : 926; en sorte qu’ici la dépense de charbon est sensiblement proportionnelle à la résistance. La différence que l’on observe entre les deux chiffres est inférieure à la limite des erreurs qui peuvent être dues aux différcns états de la route. D'après ce résultat, on peut admettre dans la pratique que la dépense de combustible nécessaire pour remorquer avec une même vitesse des charges différentes, est proportionnelle à la résistance due au fix>ttement du convoi et de la machine.

Quant à la dépense absolue de combustible, elle varie beaucoup suivant la disposition de la chaudière. Watt, (jui a recherché avec l’attention la plus soutenue les moyens de diminuer la consommation de combustible, estime que , dans les fourneaux les mieux combinés, il faut mie surface de 8'‘ “' (o* ‘'74) pour vaporiser en une heure (o” ' 028) d’eau; et que, dans ce cas, 8'' 4 (3 “'81) de houille suffisent pour réduire en vapeur if' (o“ ' 028) d’eau; c’est-à-dire que

pour vaporiser en une heure d’eau, il faut environ 26" de

surface de chaudière, et r 35 ‘“'' 90 de houille.

Les expériences précédemment décrites donnent sur ce point les résultats soivans ; >- ■ ‘ ’ '