MACHINES LOCOMOTIVES DE TYPES ET D'EMPLOIS DIFFÉRENTS

C&AASiriOATIOM DBS TTVBS

En considération des principes généraux énoncés à la Hn du chapitre précédent, les ingénieurs-constructeurs de locomotives sont arrivés à produire des machines de systèmes très-divers, et parmi lesquels on reconnaît d*abord les points caracté^ ristiques suivants :

1° Le nombre de paires de roues, leur diamètre et leur répartition par rapport a l'ensemble de la machine ;

2^ L'isolement de l'essieu moteur, ou sa connexion avec l'un des autres ou avec tous;

3° I^ position des cylindres, horizontaux ou inclinés, placés à l'intérieur on à Textérieur du cadre qui porte la machine;

4® Enfin la puissance même de la machine, caractérisée surtout par l'étendue pUn ou moins grande de sa surface de chauffe.

Ainsi qu'on Ta expliqué ci-dessus, la même machine ne pouvant pas posséder les propriétés réunies de vitesse et de puissance de traction au plus haut degré, les modiâcations essentielles qui distinguent une machine d'une autre donnent lieu à quatre classes principales de machines, appliquées à des services différents, et qui sont désignées ainsi :

1^ Les machines dites à voyageurs, qui sont destinées au service à grande vitesse, susceptibles d'atteindre depuis 40 jusqu'à 100 kilomètres à l'heure, et dans lesquelles la puissance motrice se traduit en vitesse au détriment de la traction qui est comparativement peu élevée. Cette traduction est opérée en donnant aux roues mo- Urices un très-grand diamètre, en rapport avec la vitesse à atteindre, de façon à restreindre le nombre de pulsations du mécanisme à l'unité de temps. L'essieu moteur se trouve isolé des autres, dont les roues ont alors un plus faible diamètre. Ces machines entraînent des convois de voyageurs qui peuvent comprendre de quinze à vingt voitures, en service ordinaire, lorsque la vitesse ne dépasse pas 40 à 50 kilomètres; mais qui se réduisent à sept ou huit, même avec les machines les plus puissantes, quand la vitesse atteint 80 à 100 ;

%^ Les machines dites à marchandises, avec lesquelles on utilise la puissance en forte traction, mais en se bornant à une vitesse de 20 à âO kilomètres à l'heure. n. 27

Pour cela, leurs roues sont petites, d'égal diamètre et accouplées^ pour les rendre toutes motrices, afin d*utiliser le poids total de la machine pour Tadhérence;

3^ Les machines mixtes/ qui sont appelées à faire un service intermédiaire et à entraîner des trains plus ou moins chargés, de voyageurs et de marchandises, mais à des vitesses dépassant peu Z|8 kilomètres à Theure. Ce qui les distingue, comme structure extérieure^ c'est que deux de leurs essieux sont moteurs et les roues correspondantes de diamètre égal. Aujourd*hui les machines mixtcsl sont d'un emploi très-fréquent, car pour les vitesses moyennes, que Fon ne peut pas dépasser sur les lignes dont les stations sont fréquentes, elles offrent Tavantage de leur puissante adhérence et permettent d'entraîner des convois de voyageurs trèsconsidérables, sans avoir recours, aussi fréquemmeut^qu'il y a quelques années, à remploi de deux machines pour le môme train;

4^ Les machines dites à forte rampe, ou machines Engerth, du nom de l'ingénieur qui en fit le premier l'application. Ce sont des machines qui sont combinées pour le plus grand eflbrt de traction possible, et qui, participant en cela du système à marchandises, en diffèrent néanmoins dans leur structure par des |>oint8 que nous ferons connaître.

En dehors de ces quatre classes principales^ il existe aussi les machines-tender, dans lesquelles le tender ou chariot d'approvisionnement d'eau et de combustible, constituant un véhicule séparé pour les autres machines, est supprimé dans celles^i qui portent elles-mêmes leur approvisionnement. Ce système, appliqué déjà depuis longtemps, a reçu, dans ces dernières années, une extension considérable. Il est vrai que ces machines sont d'un usage très-commode pour le service des lignes à faibles parcours, et d'un maniement facile pour les manœuvres. Comme c*es( une machine de ce système que nous décrivons plus loin dans tous ses détailSi nous n'ajouterons rien à leur sujet, quant à présent.

Nous allons examiner quelques types des quatre classes, en produisant seuleikieiit le tracé géométrique de leur structure. Il suffira pour cela de se rappeler la 4étignation de leurs parties principales, qui sont : I^ boîte à feu renfermant le cofTre du foyer; Le corps cylindrique ou tubulaire ; !^ boîte h fumée ;

Le réservoir de prise de vapeur; * .

Le cadre, formé des longerons et des traverses extrêmes, et qui réunit la cÉÉit* dière avec le mécanisme, en même temps que s'y rattachent les essFeux pairleÉ^ quels l'ensemble de la machine repose sur la voie. '

Type avec essieu a l'arrière de la boite a peu. — Les premières madifnes qui furent mises en circulation sur nos chemins de fer étaient de faible puissance et construites assez sensiblement sur le principe de celle de Stephenson,

dont on a va précédemment une image, (fig. Ild). Le peu île dimension de ces locomotÏTes permettait de les (aire reposer seulement sur quatre roues, dont les etnenx étaient nécessairement placés entre le cofTre du Tojer et la bollc à feu. Hais bienlAt, par la nécessité d'établir des machines plus puissantes (ce qui conduisait à BUgmentor la siirfoce de chanfTe, et, de toute façon, le poiils* total, de l'nppareil), on conslmisît des machines à six roues dans lesquelles un tioigième essieu se trouvait en arrière du foyer. Plusieurs conslructcurs, parmi lesquels on pourrait citer HM. Sharp, Roherls, Stcphenson, Cave, etc.. ont exécuté de semblables macbinrfl avant 1839 et 1840.

Néanmoins les anciennes locomotives à quatre roues continuaient de cirauler mr les chemins français, lorsque survint le terrible accident du 8 mai 184i, sur le chemin de fer de Versailles [rive gauche), et dont la cause est atlribuable à la rupture de l'essieu moteur de In machine du système h quatre roues, et qui sortit immédiatement de la voie, ne possédant plus qu'un essieu pour In supporter et la

Depuis lors, malgré l'avantage que présente le système à quatre roues pour le passage des courbes, on crut prudent d'y renoncer, et les machines h six roues, dont la disposition est jusiiflée par l'augmentation toujours croissante des dimennons et du poids, furent exclusivement adoptées.

OHnme type assex récent de ces machines h voyageurs, nous devons faire connaître celle du chemin de fer de Lyon, construite en 18S6 dans les établissemenls de m. Cail et C*.

Fif. m.

La. Ag. lat représente la aiapo«i|ioir générale de celle machine, avec les dimeftrions principales. .

i\i MOTEURS A VAPEUR.

liO.n rylindrcM h va|M;ur sont extérieurs, c'est-à-dire tixés en dehors du cadre, et roininiiniqiirtil rnspcclivcmcnt avec chaque roue motrice, qui porte directement le houlon mv lequel s'assemble la bielle. Celte disposition, appliquée dans l'origine par II. Sli*ph(MiHon, avait pour but principal la suppression de Tessieu coudé, qui rsl d'unn rxi^cution dinicile pour l'obtenir avec toute la solidité nécessaire, mais ilonl rmiploi vhI forcé lorsque les cylindres sont placés à l'intérieur des roues; elle osl Ir^s-répandue aujourd'hui, bien qu'on* lui préfère le mode à cylindres intérlours, qui conserve mieux la stabilité de la machine, et qui est rendue plus facile maintenant qu'autrefois, par les progrès accomplis dans la fabrication des arbres HKidés.

Otto niâchine est établie dans les conditions suivantes :

ipar les tubes 83" *i 60

par le foyer 6 78

totale 90 28

Nombre des tubes 156

Diamètre des pistons 0"400

Course id 0 600

Diamètre des roues motrices 1 810

Poids total de la machine à vide 2S000kil.

Id. id. en marche 28860

Charge, en marche, sur Tessieu d'avant 12340

Id. id. moteur 12640

Id. id. d'arrière 3880

Vitesse, par minute, des roues motrices, pour 60 kilomètres à rheiire 178,8 toucL

L'aspect du tracé de cette machine et la répartition de son pôid $îeiix penuetlent d*apprécier les conditions recherchées pour sou flililfs^ uwMf, pour celles du même geure«

En principe, ou doit chercher à éviter les porte-è-&ux, et pour ; teflMnt il budrait {Kiuvoir placer les principales masses extrêmes snfrs iÀt rêmn. Mais cela n^est pas possible ici à Tégard des cylindres, car pour une paii^de roues en avant d*eux, et reculer néanmoins asseï U linile indiquée par la bi>lte à feu, pour laisser à la bielle une longueur U dislanct' de c«« deux paires de roues ne pcnneltndt plus» à cune da txvurtm, d^iqouter une ti^isiàmo |mire de roues, et la botte à Cni reli

On dispose alors la pn^mière |mire de roues en arrière des cylindres» prit pM»ihl^« et k troisième en arrière du foyer: la dislance des rones Wur point de tauf^^m^v avec les rails^ est ainsi réduite à 4*48. liais pur k pfMiiiai ni^ine %k« Ir^M» |>aii>es de ixmuhi ot par la résistance des ressorts de suspension qui lf>ur siml ap)4iquè^ on »'esl arrangé pour que la plus grande partie du poids repose :mr k^ iKhi\ c«sieu\ d'a^auli ol la princiiKile sur Tessieu moteur.

On vient de voir, en efTel, que la machine pesant, en élat de marche, c'esl-à-dirc arec l'eau et le nombuHliblA, 38560 kilog., 12640 porlenl snr l'esiticu moteur et sont afférents & l'adhérence, t23i0 sur l'essien d'avant, et 3580 seulement sur l'essieu d'arrière.

Comme machine h voynfccuis, elle est donc tiès-puissanle, puisque, par son adhérence, clic peut surmonter un efTort de traction moyen éfcnl à :

t26i0 X 0,15 = lune kiluK-,

soit à peu près 3000 kiJofç. dans les conditions les plus ordinaires, et qu'elle est pourvue d'unesurface de chauffe totale de 90 mètres carrés (l'une des pins étendues que l'on rencontre), dont la chauffe dii-ecle par le foyer constitue environ In quinlième partie. -

TtPK a trois GSSIKUX compris BNTHE les cniNDHES ET LA BOITE A YVX. — LurS-

que le chemin de 1er du Nord français montait son matériel, vers 1845, on lit lu eotamantle, à trois maisons importantes de France, d'un certain nombre de machines locomotives qui devaient être exécutées sur un modèle proposé par l'habile Stéphenson. L'ingénieur anglais voulant obtenir une grande surface de chauffe, et vn grand dévelop)>ement des tubes pour refroidir convenablenient la fumée, mais sans dépasser l'écarlenicnt extrême des essieux dans les machines jusqu'alors en usage, produisit le type dont la lig. 133 est le tracé exact. Ces machines ]>08iiédaient d'aillcars de notables perfectionnements de détails, et particulièrement constituaient l'une des premières applications du système h cylindres extérieurs.

Fig. IM.

'Ces machines ont présenté néanmoins des inconTénienIs dans l'application; à cause du porle-î>-laux de ki bcrite à Heu et des cylindres, lequel était rendu encore

plus sensible pur le peu d'écarlement ilcs essieux extrêmes, «lont la distance n'était que tie 3"015, et par le trop peu de charge sur l'esueu d'avanl. Tout ceci les Ihisait saboter sur la voie; on ne parvenait pns non plus h utiliser une assez grande parlii! du poids pour l'adhérence, car, sur 21S00 kilog., poids de la machine en état de marche, l'essieu moteur ne pesait pour sa part sur la voie que 7410 kilog.

Convaincu de ces inconvénients, on a transformé ce système en reportant le dernier essieu en arriére du foyer, comme cela existe dans la machine précéilemment citée. La dislance des essieux extrêmes, rjui avait été réduite à S'OIS, est devenue 4" 40. On a rapproché l'essien moteur du foyer et allongé sa bielle. Depuis, celte disposition est conservée dans les machines nouvelles ; et celle indiquée fig. 122 est précisément l'une des premières qui ont inauguré celte transformation.

TiPB AVEC CYLINDRES PLACÉS ENTRE DELX PAIRES DE ROUES. — Reconnaissant les inconvénients du précédent système, H. Slephenson a imaginé, vers 1K46, de nouvelles machines disposées comme, l'indique la lig. 124, c'eslsi-dirc l'essieu motear placé près de la boite h feu et les cylindres extérieur, entre deux paires de roiiea. Eu »ffssant ainsi, on parvenait à faire porter une plus gronde partie de la charge à resaicii moteur, et utilisable comme adhérence, el à éviter le porte-à-faux des cylindrat* tout en chargeant oinsi davantage l'eesieu d'avant ; mais la bolle k feu restait en porte-jt-faux, quoique dans de moins mauvaises conditions, car le centrode gFMilé de la machine s'en trouvait rapproché davantage.

Fig. m. • .;.

L'emploi de ce système ne s'est pas propagé en France. Hais on a adopté, m contraire, avec assez d'empressement,, celui dit de Grampton, qui a quelque aulogie avec ce dernier, et dont nous alloua expliquer le principe.

»4it

SnrtiB Crahpton, roues rotrices a l'arriéhe dd roven. — Vers la même éf»oque, en 1846, M. Crampton, ingénieur en Angleterre , a imaginé ce syslimo, qui porte «ynlenanl son nom cl qui possède des particulnrités intéressantes.

D est Tonde sur les considérations suivantes, dont nous avons déj& énoncé les molifb :

I* ^tension du diamètm des roues motrices, en vue de la plus grande vitesse & obtenir, sans multiplier les pulsations du mécanisme ;

' 9* Application de grandes roues motrices, sans détruire la stabilité de la machine par l'éléTation du centre de la chaudière ;

9" Réunion des mêmes propriétés a> ec l'agrandissement de la suifacc de chaufle, ■fin de surfli-e à la plus gi-nnde vitesse proposée, sans tiop réduire l'cfrorl de Iractiim, el sans augmenter diVmesurémcnt In distance des essieux extrêmes en vue du passage dans les courbes.

Ce simple exposé, joint à la fig. ISÎS ci-conti-e, permet de comprendre parfaitonwot-celle disposition el sa raison d'être.

Fig. m

L'essieu moteur se trouvant reporté en .inii'ie ilu fyjcr, i ii;ii iri'iiiiiùchr muiiilenaot de l'élever sutlisamnicnt pour nugmciilcr h volonté lu diamètre des roues, sans élever en m^mc temps In chaudière, qui est au conliairc placée plus bas dans cette WÊÊàim qiM dans les autres, puisqu'il n'y a plus au^eseous d'elle que les essieux des deux paires de roues portantes, entre lesquelles se trouvent installés les cylindres. Aucune masse impoiiante n'est en porle-à-faux ; aussi les ingénieurs spéciaux déGlarBat4ls que la stabilité de celte machine est tfès-bonne.

Par l'almissemenl du centre de la chaudière et par la mise hors de cause de la

position lies essieux, la surface de chauiïc a pu recevoir une extension considéra* ble, ainsi que nous le mon tirerons tout à 1* heure.

Cependant on a émis l*avîs que cette surface pourrait être un peu réduite sans inconvénient, ce qui aurait pour résultat, en diminuant la longueur totale du corps cylindrique, de restreindre aussi la dislance des essieux extrêmes, car, en tout état de cause, bien que le dessous de la chaudière soit libre, on ne peut pas laisser dépasser notablement son avant-bout, et avec la longueur qu'elle possède actuellement, qui n*esl pas moins de 6 mètres, les centres des essieux extrêmes sont à i"86, ce qui rend très-pénible le passage de la machine dans les courbes d'un faible rayon.

Quoi qu*il en soit^ ce modèle est maintenant très-employé. On rapplique, principalement sur le chemin du Nord, pour le service des trains express, auxquels on fait acquérir des vitesses de 00 h 80 kilomètres à Theure, et quelquetois davantiige. Néanmoins nous avons montré précisément et Ton verra encore plus , loin que, malgré les grandes roues, une vitesse soutenue de 80 h 100 kilomètres serait excessive pour la durée du mécanisme et pour la régularité de ses fonctions.

Quant à la répartition du poids, elle est établie de Taçon que la plus grande partie soit supportée par moitié par les essieux extrêmes, et le restant sur Tessieu intermédiaire. Cette condition concourt puissamment à la bonne stabilité de la machine, dont les extrémités sont alors fortement et également maintenues sur la voie,

Yoici les conditions principales d'établissement de la machine Crampton :

Ipar les tubes 93"*>-65

par le foyer 7 00

totale 100 56*

Nombre de tubes 177

Diamètre des pistons 0*400

Course 0 J$60

Diamètre des roues motrices i 100

Poids total de la machine, à vide 24600 kiU

Id. id. en marche 27200

Charge en marche sur l'essieu d'avant 10200

Id. id. intermédiaire 7000

Id. id. moteur 10000

Vitesse, par 1', des roues motrices, pour 60 kil. à Theure. . 151*58

Id. id. id. pour 100 kilomètres.. . . 252 63

Ainsi, pour cette vitesse extrême de 100 kilomètres à l'heure, le mécanisme devrait eflectuer plus de 500 pulsations simples à la minute, ce qui est énorme pour la distribution de la vapeur, pour les pompes alimentaires, etc., et donne lieu à des résistances passives considérables et à une usure correspondante.

Pour 60 kilomètres, au contraire, la vitesse de ces organes est modérée^ et il serait à désirer qu'elle ne fût jamais dépassée , c'est-à-dire que Ton pût toujours

employer des roues aussi ^grandes chaque fois que la vitesse atteint seulement 60 kilomètres, tandis que pour 100, en service régulier et continu, le diamètre de 2" 10 est encore insuffisant.

Aussi s*est-on constamment occupé de chercher de nouvelles dispositions en vue de Taugmentation du diatnùtre des roues, qui, sur la voie étroite ordinaire, pourrait cependant difficilement dépasser celui auquel on est parvenu avec la Crampton. Néanmoins on a vu, à l'Exposition universelle de 1855, une machine locomotive trèsbien construite par M. Gouin, sur les données de MM. Blavier et Larpent, et dont les roues n'avaient pas moins de 3 mètres de diamètre. Mais leur essieu se trouvait placé entre deux corps composant le générateur, qui se trouvait ainsi fractionné en plusieurs parties.

Les machines Crampton sont appliquées à des trains express, composés de 6 à 7 voitures de l'* classe, susceptibles de renfermer chacune, au maximum, 24 personnes. Ce poids, ajouté à celui du wagon de bagages, et à celui du tender qui, PQnr cette machine, pèse 18700 kilog., forme un total d'environ 60 tonnes, pour la traction desquelles la machine doit développer une puissance utile qui peut s'élever h près de 300 chevaux (non compris celle absorbée par la machine pour se remorquer elle-même), en franchissant une rampe de 5 millim. par mètre, fi la vitesse de 75 kilom. à l'heure, soit à 20*833 par seconde.

Ceci supposerait, en eflet, pour reflbrt de traction :

1071 kilog.

Le poids du train étant de 60 tonnes, on aurait, dans cette hypothèse, une résistance par tonne égide h

En retranchant 1 kilog. par tonne et par millimètre de pente (p. 193), il reste, pour la résistance simple due au roulement et à celles accidentelles diverses, environ 19 kilog.» ce qui s'éloigne peu, comme on l'a expliqué (p. 192), des condition^ pratiques, en grande vitesse.

Typ£ PoLONCEAO. — Le point caractéristique de la construction des machines à

marchandises étant l'accouplement des trois paires de roues, qui doivent tHre, par

conséquent, d'égal diamètre^ il en résulte que la structure de toutes ces machines

est la même, quant à l'ensemble^ Nous en exceptons, bien entendu, le type nouveau,

dit Engerth, qui constitue une classe à part.

En effet, la réduction du diamètre des roues et leur égalité, comme aussi l'égalité dans la répartition du poids sur les trois essieux, peimettent de loger ceux-ci entre la boite à feu et les cylindres, sans dépasser la limite convenable de distance des u. 28

essieux exlrèmes; celle dispo»ilion vient aussi concorder nvcc In grande dimension nécessaire pour le corps cylindrique, en rapport avec l'extension à donner à In surface de chauffe. Le coffre du foyer et les cylindres sont en porle-à-fiiux ; mais l'inconvénient n'est pas le mémo que pour les machines .^ voyageurs, tant h cause de la vitesse moindre que par l'uniforme répartition de la charge sur les essieux, dont ceux extrêmes sont comparativement très-éloignés, et à une dislance relativement plus rapprochée de la longueur totale de la machine.

D'ailleurs l'accouplement des trois essieux rend absolument nécessaire d'en diminuer, autant que possible, la dislance extrême, <il(cndn que, ces trois essieux étant soumis k un parallélisme rigoureux, il n'est plus possible, comme avec les machines dont l'essieu d'arrière est indépendant et peu chargé, de laisser à cet essiien une certaine latitude Jï l'aide d'un peu de jeu dans le moulage des holles à graisse sûr les longerons.

Nous ne pouvons citer uu plus beau modèle de ce genre de machine que celle construite, en 1855, par feu M. Polonceau, et dont chacun a pu admirer b magnifique exécution à l'Exposition universelle de Paris.

Fig. IW.

La flg. 126 représente celte machine comme disposition générale et principalei dimensions.

Elle permet de reconnaître que le mécanisme est composé de trois essieux, logés entre la boite h feu et les cylindres, lesquels sont intérieurs et inclinés de fiifon que le mouvement qui vient actionner l'essieu coudé de la paire de roues centrale puisse éviler celui d'avant. Quoique les cylindres se trouvent placés à l'inl6rJeur du cadre, le mécanisme des tiroirs et celui des pompes alimentaires sont ramenés k Texléricur, pour en faciliter la visite et l'entretien.

Les trois essieux viennent saillir en dehors des longerons pour recevoir les mauivelles sur lesquelles sont montées les bielles d'accouplement qui rendent ces trois flaires de roues moirices.

Cette machine fonctionne dans les conditions suivantes :

Ipar les tubes H4»^900

par le foyer 7 300

totale 122 200

Nombre de tubes 204

Diamètre des pistons 0*420

Course 0 650

Diamètre uniforme des roues 1 377

Poids total de la machine à vide 26803 kilog.

Id. id. en marche 30710

Charge en marche sur Fessieu d'avant 9905

Id. id. intermédiaire 10790

Id. id. d'arrière t0015

Vitesse des roues, par minute, pour 30 kilom. à l'heure. . 115*6

Le poids total de la machine se trouvant utilisé pour Tadhérence, par l'accoupleoieot des roues, il s'ensuit qu'en prenant, comme exemple, 0^15 pour le rapport de radhérence au poids, cette machine serait capable de surmonter, sur un cheoiitt de oif eau, un effort de traction correspondant, égal à :

Rqiis avons eipliqué les motifs pour lesquels on reste beaucoup au-dessous de reÉnt poeeible, dû à Padhéi'ence, en fixant la charge que la machine doit entrai- Ber; au Uisu de cet effort maxinmm, on compte tout au plus sur 4000 kilog., et en «dmellartt pour, la composition du train, que la résistance n'atteigne ce chiffre que mr lea rampes les plus roides de la ligne. Par exemple, pour celle d'Orléans, sur laqucUr cette machine circule, il existe une rampe de 8 mill. par mètre, ce qui iMduit» à peu prcs, pour rèniralnement d'un train à faible vitesse (p. 192), une réiislaMee de i2^S à 13 kil. par tonne du poids total.

IPimt conséquent, si de rciïort de traction trouvé ci-dessus l'on retranche celui aborbé par la locomotive, effort qui peut être évalué, d'après ce que Ton a vu

à environ iS kil., plus 8 pour la rampe, et par tonne, il reste :

4000 kil. — (30«710 x 23) = 3293^67

pour l'effort de traction utilisable.

Divisant cet effort par la résistance 13 kil. attribuable aux véhicules entraînés, y compris le tender (dont le poids est de 16655 kil.), on trouve :

3293'» 67 cwe^,^,

.,. , ., =253,36 tonnes.

13 kil.

C'est-à-dire que le poids total du train, non compris la machine, ne devrait pas

dépasser environ 250000 kil. pour être facilement remonté sur la rampe de 8 mill. par mètse, et en supposant que l'état de la voie peimlt à la machine de conserver au moins comme adhérence 1/6 de son poids.

Le travail utile développé par la machine, dans cette circonstance (la vitesse étant maintenue à 30 kilom. à Theure), serait environ de 370 chevaux. Mais, comme l'adhérence peut atteindre facilement un chiffre plus élevé que celui pris ici pour liase» et que la surface de chauffe de cette machine est considérable, on pourrait compter sur un effort de traction plus grand, et atteignant parfois jusqu'à 400 chevaux.