LA

MACHINE LOCOMOTIVE

MANUEL PRATIQUE

DONNANT LA DESCRIPTION DES ORGANES ET DU FONCTIONNEMENT DE LA LOCOMOTIVE

A L'USAGE DES MÉCANICIENS ET DES CHAUFFEURS

EDOUARD SAUVAGE

Ingénieur en chef des mines,

Ingénieur en chef adjoint du matériel et de la traction des chemins de fer de l'Ouest.

Troisième édition.

1899

OUVRAGE DEDIE AU PERSONNEL DE LA TRACTION DES CHEMINS DE FER

TABLE DES MATIÈRES

INTRODUCTION.

CHAPITRE PREMIER
GÉNÉRALITÉS

CHAPITRE II
CHAUDIÈRE

CHA PITRE III
MÉCANISME

CHAPITRE IV
CHASSIS, SUSPENSION, ROUES

CHAPITRE V
TYPES DIVERS DE LOCOMOTIVES

CHAPITRE VI
TENDERS

CHAPITRE VII
MOYENS D’ARRÊT

CHAPITRE VIII
CONDUITE DES LOCOMOTIVES

CHAPITRE IX
SERVICE DANS LES DÉPÔTS

CONCLUSION

TABLE ALPHABETIQUE

INTRODUCTION

Le nombre des ouvrages qui ont été publiés sur les machines locomotives est considérable ; mais la plupart de ces ouvrages ne sont pas facilement accessibles aux agents qui assurent le service de ces machines. «La Machine locomotive» est une élude spécialement composée pour le personnel de la traction des chemins de fer. Les hommes qui composent ce personnel aimeront à lire, on peut l'espérer, une explication simple de ces merveilleux engins qu'ils dirigent. C'est l'adresse, le sang-froid, le sentiment du devoir, l'esprit de discipline de ces hommes qui assurent la sécurité des trains ; tout ce qui peut leur faire mieux connaître les principes et les détails de l'instrument qui leur est confié ne peut qu'en rendre le maniement plus facile et développer chez eux l'amour de leur métier. L'amour du métier seul permet d'exceller dans une profession et rend la vie heureuse, en donnant du charme au travail quotidien, et en adoucissant les difficultés, les fatigues, les ennuis auxquels nul ne peut toujours se soustraire.

Dans ses descriptions et ses explications, l'auteur de «la Machine locomotive» a surtout cherché la clarté. Mais il n'a pas voulu dissimuler les complications que présentent nécessairement certaines parties de l’étude des machines, quand on la veut sérieuse. Si le lecteur éprouve quelque peine à bien saisir un passage, qu'il ne se décourage pas ; qu'il ne s'arrête même pas trop longtemps sur ce passage, mais qu’il y revienne plus tard : peut-être la lecture de ce qui suit rendra-t-elle plus clair l'endroit embarrassant. Il est à souhaiter aussi que ce livre serve de guide pour un enseignement mutuel : les gents qui ont acquis une longue expérience pourront donner à certains articles des développements précieux pour ceux qui les suivent dans la carrière. Que les hommes de bon vouloir, s'ils trouvent quelque intérêt à l'ouvrage, l'expliquent et l'enrichissent de leurs commentaires, et qu'ils en secondent ainsi l'auteur.

Dans un travail, qui porte sur tant de détails, on ne peut se flatter d'éviter toute inexactitude, toute omission importante ; on doit aussi traiter certaines questions contestées, ou pour lesquelles l'expérience actuelle ne fournit que des données incomplètes : des observations nouvelles pourront donc modifier quelques-unes des opinions exprimées. L'auteur accueillera avec reconnaissance toutes les remarques qu'on voudra bien lui faire. Sur ces sujets techniques, comme sur beaucoup d'autres, la discussion est féconde, quand elle est faite avec l'unique désir de s'approcher de la vérité, et quand elle se fonde sur des observations précises et sur des déductions logiques, et non sur des habitudes, sur des préjugés, ou sur des impressions vagues.

Quoi qu'on fasse, d'ailleurs, on n'apprendra pas un métier manuel sans le pratiquer, sans les conseils et les exemples de ceux qui l'exercent ; c'est surtout en donnant les raisons des choses, souvent difficiles à découvrir, qu'un livre peut être utile.

Un arrêté du Ministre des travaux publics ¹ oblige le personnel des locomotives à prouver, dans certains examens, qu'il les connaît bien : dans ces examens, il ne suffit pas de montrer qu'on peut effectivement conduire les trains, mais il faut expliquer le fonctionnement des organes de la machine. A l'intérêt général de l'étude des locomotives s'ajoutent donc les nécessités des examens.

La première édition de «la Machine locomotive» a été rédigée en 1894 et largement distribuée au personnel des chemins de fer de l'Est, grâce à l'initiative de M. L. Salomon, ingénieur en chef du matériel et de la traction, qui désirait répandre un ouvrage de ce genre parmi les agents du service qu'il dirige. Cette distribution a été approuvée par M. le Directeur des chemins de fer de l'Est, par M. le Président et par les membres du conseil d'administration. Les dessins qui éclaircissent les descriptions de la première édition ont été exécutés par MM. Heulin et Allard, dessinateurs au bureau des études du matériel et de la traction des chemins de fer de l'Est. Il serait, d'ailleurs, difficile de citer les noms de toutes les personnes qui ont fourni des documents pour ce travail.

Une seconde édition, avec quelques additions, a été rendue nécessaire par les demandes faites pour les agents des chemins de fer de Paris à Lyon et à la Méditerranée, de l'Ouest et de l'État : l’auteur en exprime de nouveau sa vive reconnaissance aux directeurs de ces chemins de fer, ainsi qu'à MM. les ingénieurs en chef Baudry, Clérault et Parent, qui ont ainsi aidé à la diffusion de ce travail. Les demandes d'autres administrations de chemins de fer et de nombreux acheteurs isolés ont épuisé cette seconde édition.

La présente édition contient la description de nouvelles dispositions adoptées en France : en outre, quelques exemples ont été empruntés à la pratique des pays étrangers. Pour bien faire connaître l'état actuel de la construction des locomotives, beaucoup de figures anciennes ont été remplacées ; plusieurs figures nouvelles ont été empruntées à l'excellent «Traité pratique de la machine locomotive» de M. Demoulin, publié en 1898 par MM. Baudry et C^ie, véritable encyclopédie d'une richesse et d'une clarté admirables. Le livre de M. Deghilage, «les Origines de la locomotive», a servi pour la rédaction du paragraphe 2 ; un travail de M. Morandière sur les locomotives anglaises, dans la Revue générale des chemins de fer, beaucoup de publications, et bien des documents inédits ont été mis à profit.

CHAPITRE PREMIER
GÉNÉRALITÉS

1. Origine de la puissance des locomotives.

La locomotive est une forme simple, complète et imposante de la machine à vapeur. Comme toute machine à vapeur, elle prend sa puissance dans la chaleur que dégage le combustible : la vapeur d'eau n'est qu'un intermédiaire, qui reçoit cette chaleur et en change une partie en travail. On est souvent témoin de la transformation du travail en chaleur : plus que tout autre, le mécanicien connaît ce phénomène et le voit sans plaisir, car le chauffage d'une boîte n'est pas un incident agréable ; mais on ne peut effectuer directement la transformation inverse : on aurait beau chauffer les boîtes, on n’arriverait pas à faire tourner les essieux. Il faut communiquer la chaleur à un intermédiaire, qui, dans la locomotive, est la vapeur d'eau. Certains moteurs utilisent comme intermédiaire l'air ou d'autres fluides.

D'après la fable antique, Prométhée a donné aux hommes le feu, qu'il avait dérobé au ciel ; on devrait alors le placer avant tout autre dans la longue liste des inventeurs de génie, trop souvent oubliés, qui ont transformé les conditions d'existence de l'humanité, en la dotant de machines et d'outils, souvent si simples qu'on oublie combien l'invention en est admirable.

2. Notes historiques ¹.

Les premières locomotives, au début du XIX^e siècle, remorquaient lentement, sur les voies des mines, des trains de wagonnets. La faible production des chaudières en limitait étroitement la puissance. Le générateur tubulaire, objet du brevet pris en 1828 par l'ingénieur français Séguin, et l'échappement de vapeur dans la cheminée, appliqué par G. Stephenson, ont permis de réunir la puissance et la légèreté. Au concours institué en 1829 sur le chemin de Liverpool à Manchester, la «Fusée» a montré ces deux perfectionnements ; elle avait deux essieux, l'essieu d'avant commandé par des cylindres très inclinés ; la charge sous cet essieu était de 4300 kg. La vitesse atteignit 50 km à l'heure, avec une seule voiture remorquée, vitesse plus tard dépassée de beaucoup par cette même locomotive.

En 1832, la locomotive «Planet» (fig. 1), construite par Stephenson, était portée de même par deux essieux ; des cylindres intérieurs commandaient l'essieu d'arrière ; le poids à vide était de 8 tonnes. La même année vit paraître les machines à deux essieux couplés.

En 1834, on construisit des locomotives à trois essieux indépendants, avec l'essieu du milieu moteur. Telle était «la Gironde», exécutée au Creusot, en 1838, pour le chemin de fer de Versailles rive droite.

On retrouve la même disposition d'essieux dans des locomotives construites en 1843 pour le chemin de fer de Paris à Orléans (fig. 2), mais avec le foyer en porte à faux, tandis qu'il était compris entre l'essieu moteur et l'essieu arrière de la Gironde.

La «Victorieuse» (fig. 3), construite en 1838, avait trois essieux, dont deux couplés, et pesait, en service, 13 t. En 1842, Stephenson imagina la coulisse, qui permet le passage facile d'un sens de marche à l'autre, et donne aux crans intermédiaires une détente économique de la vapeur.

Aux États-Unis, la construction des locomotives a commencé vers 1830 ; on y employa de bonne heure le bogie, caractéristique des types américains (fig. 4).

Les locomotives à essieux indépendants de Buddicom (fig. 5) ont été faites en 1843 pour le chemin de fer de Paris à Rouen. Le «Mammouth», construit en 1845 par Stephenson pour le chemin de fer d'Orléans, avait trois essieux couplés et pesait, en service, 22 300 kg.

Les locomotives Crampton (fig. 6), qui ont eu un grand succès en France, datent de 1848. La même année, aux Etats-Unis, les ateliers de Baldwin exécutaient un type analogue, mais avec bogie (fig. 7).

En 1851, le concours institué pour la traction sur la ligne de montagne du Semmering en Autriche, réunit plusieurs locomotives très puissantes, notamment celle d'Engerth, où des engrenages reliaient les roues de la locomotive et de son tender, engrenages supprimés plus tard.

En 1870, le chemin de fer du Nord fit construire, pour les trains express, des locomotives d'un type déjà usité en Angleterre, à trois essieux dont deux couplés, avec roues de 2,100 m de diamètre et foyer profond descendant entre les essieux couplés ; les locomotives à deux essieux couplés et à bogie (avec pivot fixe) ont été introduites sur ce même réseau en 1877. Le bogie à déplacement transversal a été employé par les chemins de fer de l'Ouest eu 1889.

Les locomotives à grande vitesse du chemin de fer d'Orléans avaient primitivement trois essieux sous le corps cylindrique de la chaudière, les deux essieux d'arrière étant couplés ; un quatrième essieu, porteur, a été ajouté à l'arrière vers 1873.

Les premières locomotives compound à deux cylindres, dues à M. Mallet, remontent à 1876. En 1882, l'ingénieur anglais Webb construisit une locomotive compound à trois cylindres, et, en 1886,1a Société alsacienne de constructions mécaniques une compound à quatre cylindres pour le chemin de fer du Nord.

Les locomotives de construction récente sont remarquables par les grandes dimensions données aux diverses parties, et notamment à la chaudière ; à signaler aussi la grande élévation de l'axe de la chaudière au dessus du niveau du rail.

3. Statistique des chemins de fer.

La longueur totale des chemins de fer, exploités à la lin de l'année 1896, dépassait 700 000 km, dont environ :

Ces chiffres ne sont qu'approximatifs ; car, outre les erreurs matérielles qui peuvent exister dans certains éléments d'une statistique aussi étendue, il est difficile de définir exactement ce qu'on compte comme chemin de fer, en excluant les tramways et certains raccordements industriels. On doit remarquer, en outre, que ces totaux réunissent les lignes à une voie, à deux et à plusieurs voies, et ne tiennent pas compte des voies des gares.

Les chemins de fer d'Europe, à la fin de l'année 1896, se répartissaient comme il suit entre les divers pays¹ :

On estime à 132 000 le nombre des locomotives employées à l'exploitation de tous ces chemins de fer (à la fin de l'année 1896). La même cause d'incertitude existe pour le calcul de ce nombre, car les locomotives de tramways, de mines et d'usines peuvent être comprises dans les relevés relatifs aux diverses contrées, ou bien en être exclues.

De ces 132 000 locomotives, on compte environ :

La France, à la fin de 1896, possédait 9 911 locomotives sur les chemins de fer d'intérêt général, 450 sur les chemins d'intérêt local, 459 sur les chemins de fer industriels, et 523 (locomotives à vapeur) sur les tramways, soit au total 11 343. Il y en avait à la même date 286 en Algérie².

4. Système métrique.

Le mètre est, à peu près, la dix-millionième partie du quart du méridien terrestre, ou portion du méridien comprise entre l'équateur et le pôle ; avec la grande précision de certains instruments de mesure aujourd'hui usités, cette définition n'est pas assez exacte, et la vraie longueur du mètre est celle des étalons établis par le comité international des poids et mesures. Pour désigner les principales mesures du système métrique, il est commode d'employer les abréviations adoptées par ce comité. On compte par :

Les mesures de superficie sont les carrés ayant pour côtés les mesures de longueur ; c'est ainsi qu'on compte en :

L'are est un carré de 10 m de côté, et renferme 100 m² ; l'hectare est 100 ares ou 10 000 m².

Les mesures de volume sont les cubes ayant pour côtés les mesures de longueur :

Le litre (en abrégé l) est un autre nom du décimètre cube.

On rapporte les poids au poids de la masse du kilogramme, qui est celle d'un décimètre cube d'eau parfaitement pure, à la température de 4°. De même que celle du mètre, cette définition n'est pas rigoureusement exacte, et la véritable unité est la masse des étalons du comité international.

Le poids d'un corps varie légèrement suivant l'endroit de la terre où il est placé, mais, dans les usages courants, cette variation du poids est insensible.

Les abréviations sont les suivantes :

Souvent le nombre à écrire est fractionnaire ; alors il est commode de mettre l'abréviation, qui désigne l'unité, après la dernière décimale. Ainsi 135,7 m³ signifie 135 mètres cubes plus 7 dixièmes de mètre cube ; 0,6 g signifie 6 dixièmes de gramme.

5. Forces.

Pour toute étude, on doit connaître le sens de certains mots, et. le connaître avec précision. Un des plus usités dans le vocabulaire de la mécanique est le mot force, qui désigne une action capable de mettre un corps en mouvement, ou de modifier ce mouvement.

Celle dont les effets sont le plus apparents est la pesanteur, qu'on a choisie pour unité de mesure : en suspendant à un fil un poids d'un kilogramme (fig. 8), on soumet ce fil à une force d'un kilogramme. La pesanteur agit verticalement, soit en tirant le fil de suspension, soit en appuyant un poids sur un support ; mais les forces peuvent avoir une direction différente. Le fil enroulé sur une poulie de renvoi, comme le montre la figure, est tendu par une force horizontale d'un kilogramme.

Lorsqu'un train est attelé au crochet d'arrière d'un tender, il faut que la locomotive développe une certaine force pour tirer le train ; cette force, qui, en palier, est horizontale, s'évalue en kilogrammes ; on se la représente en supposant le train remplacé par une masse suspendue à un câble, qui passerait sur une poulie de renvoi et viendrait s'attacher au tender (fig. 9) : la force de traction est précisément le poids en kilogrammes de la masse ainsi suspendue, du moins dans la marche à vitesse uniforme.

6. Dynamomètre.

Il ne serait guère possible de remplacer ainsi un train par un poids suspendu au bout d'une corde, lorsqu'on veut mesurer l'effort de traction d'une locomotive ; les ressorts donnent un moyen commode d'effectuer cette mesure. Un ressort, auquel on suspend des poids connus, en quantité croissante (fig. 10), fléchit d'une quantité déterminée pour chaque valeur des poids ; on mesure ces flexions -.c'est ce qu'on appelle tarer le ressort. On le monte alors dans un wagon-dynamomètre, et la locomotive tire sur le ressort, à la place des poids suspendus : en mesurant la flexion du ressort, comme on sait combien il faut de kilogrammes pour la produire, on sait quelle est la force de traction de la locomotive.

Au lieu de mesurer de temps en temps la flexion du ressort, on l’enregistre continuellement sur une bande de papier, qui se meut perpendiculairement à la barre de traction, avec une vitesse proportionnelle à celle du train. Un crayon fixé à une tige, qui fait corps avec le milieu du ressort, en trace les allongements sur la bande de papier. On peut lire sur la bande l'effort de traction en chaque point du parcours d'un train.

7. Travail.

Une force produit un travail quand elle déplace le corps qu'elle tire (ou qu'elle pousse). Si le déplacement a lieu suivant la direction de la force, on mesure le travail en multipliant la force (nombre de kilogrammes) par le chemin parcouru (nombre de mètres). Le travail consommé pour élever un poids d'un kilogramme à une hauteur d'un mètre est dit d'un kilogrammètre : 100 kg élevés à 5 m font 500 kilogrammètres. Si la force de traction, sur le crochet d'arrière d'un tender, est de 1 000 kg pendant qu'on parcourt 10 km (ou 10 000 m), le travail est 1 000 x 10 000, c'est-à-dire 10 millions de kilogrammètres.

8. Puissance des machines.

L'indication du travail d'une machine ne donnerait qu'une idée bien vague du service qu'elle fait, si on ne disait en outre combien de temps il faut pour produire ce travail.

On appelle puissance d'une machine le rapport du travail à la durée, rapport qui est mesuré par le travail accompli en une seconde. Ainsi une locomotive, qui exerce un effort de traction de 1 000 kg, en faisant 72 km à l'heure ou 20 m par seconde, développe 20 000 kilogrammètres (1 000 X 20) par seconde. Avec une vitesse moitié moindre, 10 m par seconde, et un effort de traction double, 2 000 kg, on retrouve la même puissance de 20 000 kilogrammètres par seconde.

Pour éviter l'emploi de trop grands nombres, on appelle cheval-vapeur la puissance de 75 kilogrammètres par seconde, et on compte les puissances en chevaux-vapeur. Un cheval-vapeur élève 75 kg à un mètre de hauteur en une seconde ; on obtient la puissance en chevaux en divisant par 75 le nombre de kilogrammètres développés en une seconde : 20 000 kilogrammètres par seconde font 266 chevaux et deux tiers, environ 267.

Depuis quelques années, on emploie fréquemment une autre unité de puissance, le kilowatt, qui est d'environ 102 kilogrammètres par seconde. Un kilowatt est donc un peu plus d'un cheval un tiers.

9. Résistance des trains.

Pour remorquer un train, la locomotive doit surmonter plusieurs résistances, qui sont, quand le train a pris sa vitesse, qu'il s'agit d'entretenir uniforme sur un palier et en alignement droit : la résistance au roulement, causée par la flexion de la voie sous le poids des roues, par ses inégalités, et par la déformation des roues mêmes ; le frottement des fusées des essieux contre les coussinets ; la résistance de l'air. Ces forces varient souvent, et il est difficile de les mesurer séparément. On les rapporte d'habitude, en bloc, au poids du train : si elles sont de 5 kg par tonne, l'effort de traction nécessaire pour entretenir en vitesse uniforme, sur palier, un train pesant 200 t sera de 200 x 5 ou 1 000 kg.

La résistance au roulement est souvent estimée à un kilogramme par tonne.

Le frottement, des fusées dépend de la nature et de la dimension des coussinets, de la charge qu'ils supportent, et du graissage. Pour que l'huile pénètre bien entre le coussinet et la fusée, il faut que la charge qui les presse l'un contre l'autre ne soit pas trop forte ; en d'autres termes, pour supporter une charge déterminée, il faut que la surface de portée soit assez grandi ;. Pour augmenter la surface de portée, on peut agrandir le rayon ou la longueur de la fusée. L'allongement de la fusée ne peut être qu'avantageux, tandis qu'en agrandissant le rayon, on allonge le chemin parcouru contre le coussinet, pour un tour de roue, par chaque point de la fusée : à égalité de frottement, on augmente le travail de ce frottement pour un même parcours du train, travail qui est en définitive demandé à la locomotive. Toutefois, pour que la fusée soit solide, pour qu'elle ne rompe pas ou ne fléchisse pas sensiblement, on ne peut la faire très mince et très longue.

Pendant les gelées, après un long stationnement, les huiles de graissage sont solidifiées : au départ, la résistance due au frottement des fusées est considérable. Une fois en marche, les boîtes s'échauffent par le frottement, et cette résistance diminue : elle reste néanmoins souvent plus forte en hiver qu'en été. On réduit cet inconvénient en employant, pendant l'hiver, des huiles de qualités spéciales, suffisamment fluides à basse température. Cet effet est encore plus marqué avec les boîtes à graisse, d'un usage général au début des chemins de fer ; on trouve d'ailleurs encore des wagons où l'on se sert de graisse au lieu d'huile. On peut compter pour la résistance due au frottement des fusées l à 2 kg par tonne. Cette résistance est moindre avec les boîtes à rouleaux ou à billes, qu'on essaie pour le matériel des chemins de fer.

La résistance de l'air est la plus variable : peu importante, négligeable même pour les trains à marche lente, elle augmente beaucoup avec la vitesse, et devient considérable quand la marche est très rapide. La vitesse du train n'est pas seule enjeu : celle d'un vent contraire s'y ajoute pour augmenter la force opposée à la marche, tandis que le vent arrière la diminue. C'est surtout le vent de côté, quand il est un peu fort, qui est une gêne sérieuse, en poussant par le travers les wagons, dont les bandages frottent contre le rail. Le vent est quelquefois assez violent pour renverser des wagons.

On estime en moyenne la résistance totale des trains, d'ailleurs fort variable, à 3 kg par tonne pour la vitesse de 20 km à l'heure, à 5 kg pour celle de 40 km, à 7 kg pour celle de 70 km.

La locomotive est encore plus exposée à l'action de l'air que le reste du train. La disposition des essieux, l'effet des bielles y augmentent aussi les autres forces résistantes. On compte souvent, pour une tonne de la locomotive, sur un effort double de ce qu'il faut pour une tonne du train. Le tender, pourvu qu'il soit très bien entretenu, est à peu près assimilable, sous ce rapport, au reste du train.

D'autres causes s'ajoutent aux précédentes. C'est d'abord l'influence des rampes. Ces rampes sont définies par l'élévation en millimètres par mètre de parcours. D'après une règle de la mécanique élémentaire, la résistance est d'autant de kilogrammes par tonne que la rampe compte de millimètres par mètre : pour un train de 300 t (locomotive comprise), sur une rampe de 6 mm par mètre, elle est de 6 X 300 ou 1 800 kg.

Parcourue en sens contraire, la rampe est une pente, et la même force (1 800 kg dans l'exemple) vient en déduction des autres résistances, qu'elle dépasse dès que la pente est un peu forte : le train roule spontanément et souvent même il devient nécessaire d'en modérer la vitesse. Certaines pentes mettent clairement en évidence la variation de résistance avec la vitesse : sur une pente de 5 mm par mètre, un train de marchandises roule sous la seule action de la pesanteur ; il faut même parfois en serrer les freins, tandis que, pour soutenir la vitesse des express, la locomotive doit y dépenser beaucoup de vapeur. Et cependant les wagons à marchandises du premier train opposent presque toujours, à même vitesse, et à égalité de poids, une plus grande résistance que les voitures du second.

Les courbes viennent encore ajouter une résistance à la marche des trains, résistance d'autant plus grande que le rayon en est moindre. On estime qu'en moyenne, avec le matériel européen, une courbe de 300 m de rayon équivaut à une rampe de 3 mm, c'est-à-dire crée une résistance de 3 kg par tonne. Une courbe de 200 m vaudrait une rampe de 5 mm et une de 150 m, une rampe de 6,5 mm.

Certaines dispositions des locomotives et des véhicules remorqués réduisent cet effet des courbes. Le graissage des boudins sur les roues d'avant de la locomotive a été parfois appliqué pour les lignes sinueuses. Une mèche alimentée par un godet, ou bien l'extrémité d'un tube en bois rempli de graisse solide, frotte contre le boudin. Ailleurs, c'est la face interne des rails qui est enduite d'une pâte lubrifiante contenant de la plombagine.

Toute la force de la locomotive n'est pas employée à surmonter les diverses résistances qui viennent d'être énumérées : l'augmentation de la vitesse du train consomme du travail moteur. Par contre, lorsqu'on laisse un train se ralentir, il restitue le travail ainsi consommé, et la machine n'a plus qu'un effort de traction réduit à développer. Mais ce travail, au lieu d'être restitué, est souvent détruit par l'application des freins.

La mécanique permet le calcul du travail moteur nécessaire pour imprimer à un train de poids total connu (locomotive comprise) une vitesse déterminée, en partant du repos. Par chaque kilogramme du poids total, on consomme 1,3 kilogrammètre pour atteindre la vitesse de 5 m par seconde ; 5,12 kilogrammètres pour atteindre la vitesse de 10 m par seconde ; 11,5 - 20,4 - 32 kilogrammètres pour les vitesses de 15 - 20 - 25 m. Ce travail, nécessaire pour produire l'accélération de la masse du train et de sa machine, s'ajoute à celui qui est consommé, pendant ce temps, par les diverses résistances.

10. Pression atmosphérique.

Les machines à vapeur mettent en jeu certaines forces qu'on appelle pressions des fluides. L'air exerce une pression, que montrent clairement les expériences faites avec une pompe à air ou machine pneumatique. Soit un cylindre vertical fermé en bas, ouvert en haut, avec un piston ; en enlevant tout l'air sous le piston, il portera la pression de l'atmosphère, qui est le poids d'une colonne d'air montant jusqu'à la limite (inconnue) de la couche gazeuse qui entoure la terre : pour empêcher le piston de descendre sous l'action de ce poids ou de cette pression, il faudra le maintenir, par exemple au moyen d'une corde passant sur une poulie et portant un poids en métal (fîg. 11) : si le piston a une surface d'un décimètre carré ou de 100 cm² (le diamètre est alors de 113 mm), le poids nécessaire pour le maintenir sera de 100 kg environ, c'est-à-dire de 1 kg par cm². Cette pression est une force comparable au poids d'un morceau de métal ; mais elle s'exerce également dans tous les sens, tandis que le poids du métal agit toujours de haut en bas : l'air est parfaitement élastique et transmet de tous côtés les efforts qu'il reçoit. En retournant le cylindre et en pompant l'air, cette fois au-dessus du piston, la pression de l’air s'exercera de bas en haut : elle aura la même valeur d'à peu près 100 kg. Il en est de même quand le cylindre est horizontal.

Lorsqu'on ne pompe pas l'air avec la machine pneumatique, comme il s'insinue dans tous les vides que laissent les corps solides (et liquides), il vient exercer partout sa pression : le piston de l'appareil d’expériences est également pressé sur ses deux faces, et les deux pressions égales se font équilibre. C'est pour cette raison que le corps humain ne sent pas la pression de l'atmosphère qui l'entoure.

Les liquides transmettent aussi les pressions dans tous les sens ; un nageur qui plonge à une profondeur de plusieurs mètres n'est pas écrasé par le poids énorme de l'eau qui le surmonte, pas plus que par celui de l'atmosphère, parce que la pression se transmet sur toute la surface et dans tout l'intérieur de son corps.

11. Pression et température de la vapeur.

En chauffant l'eau suffisamment, on la transforme en vapeur : on la fait passer de l'état liquide à l'état de gaz ou de fluide semblable à l'air. Si l'eau qu'on chauffe est enfermée dans une chaudière, la vapeur ainsi formée ne peut se dissiper au dehors et conserve une certaine pression. Qu'on suppose à la partie supérieure de la chaudière un piston dans un cylindre communiquant en dessous avec la chaudière, et en dessus avec l'air extérieur ; qu'on suppose aussi tout l'air chassé de l'intérieur de la chaudière par un dégagement préalable de vapeur.

Le dessus du piston est soumis à la pression de l'atmosphère, d'environ un kg sur chaque cm², et le dessous à la pression de la vapeur dans la chaudière. S'il ne monte ni ne descend, sans être chargé d'aucun poids, la pression de la vapeur est égale à celle de l'atmosphère, c'est-à-dire aussi de un kg sur chaque cm². En chauffant suffisamment la chaudière, on augmente la pression de la vapeur ; par exemple, si la surface du piston est toujours de 100 cm², on pourra élever la pression de telle sorte que le piston soulève, en plus de l'atmosphère, un poids de 100 kg, ou de 1 kg par cm² : la pression de la vapeur sera alors doublée ; elle atteindra 2 kg par cm². On pourra élever davantage la pression : le piston soulèvera 500 kg, 1 000 kg en plus de l'atmosphère, c'est-à-dire soulèvera en réalité 600, 1 100 kg ; la pression de la vapeur sera alors de 6, de 11 kg sur chaque cm².

Ainsi à l'extérieur de la chaudière, la pression est un kg par centimètre carré ; à l'intérieur, elle atteint un certain nombre de kilogrammes par centimètre carré. Comme ce n'est que la différence de ces deux pressions qui peut faire rompre la chaudière, l'habitude est venue de ne pas compter la pression absolue ou totale de la vapeur, qui est, dans ces exemples, successivement de 1, 2, 6, 11 kg par cm², mais de tenir compte de la pression effective, ou de la pression absolue diminuée de la pression extérieure de l'air : cette pression effective est indiquée par les poids posés sur le piston. On la mesure, en pratique, avec le manomètre (§ 39).

Si l'on fixe sur une chaudière un tube, fermé au bout, ouvert vers l'extérieur et pénétrant dans la vapeur, en y faisant entrer un thermomètre, on mesure la température de la vapeur ; cette expérience indique toujours la même température pour une même pression. Il n’y a d'exception à cette règle que lorsqu'on chauffe la vapeur sans eau dans des appareils spéciaux, dits surchauffeurs ; mais ces appareils n'existent pas sur la locomotive. En lisant la pression au manomètre, on peut donc dire quelle est la température que marquerait le thermomètre dans la vapeur.

A la pression moyenne de l'atmosphère vers le niveau de la mer, la température est de 100° : c'est celle de l'eau qui bout dans un vase ouvert.

A la pression effective de 5 kg par cm², la vapeur a une température de 158°. Cette température est de 183° à la pression effective de 10 kg, de 191° à celle de 12 kg, et de 200° environ à celle de 15 kg, pression effective adoptée pour les chaudières de certaines locomotives compound.

La température de l'eau est la même que celle de la vapeur, au moins dans sa partie supérieure. Il peut arriver qu'au débouché du tuyau d’alimentation ou au fond de la chaudière l'eau reste quelque temps plus froide que la vapeur.

On trouuvera dans le tableau qui suit, quelques données relatives à la vapeur saturée sèche (vapeur en contact avec l'eau qui l'a produite, mais non mélangée d'eau).

12. Combustion.

La combustion, qui produit la chaleur, est une combinaison chimique des corps combustibles avec l'oxygène, qui existe dans l'air. L'air est un mélange d'oxygène et d'autres gaz, dont le principal est l'azote. On y a récemment découvert, en petites proportions, de nouveaux gaz précédemment confondus avec l'azote, notamment l'argon. 100 litres d'air contiennent 21 litres d'oxygène. En poids, 1 kg d'air renferme 230 g d'oxygène. Dans la combustion, l'azote et les autres gaz qui lui sont associés n'agissent pas directement ; ils atténuent seulement l'action très vive de l'oxygène pur, qui brûle les combustibles avec une rapidité extrême. On peut comparer le mélange d'oxygène et de gaz inertes au mélange de vin et d'eau.

Les éléments combustibles qui existent dans la houille, ainsi que dans les autres substances employées pour le chauffage, sont le carbone et l'hydrogène. Le corps qu'on appelle graphite, plombagine ou mine de plomb, est du carbone à peu près pur ; le diamant est du carbone pur cristallisé. L'hydrogène est un gaz ; dans la houille il est combiné au carbone, et il forme des carbures d'hydrogène, qui se dégagent par la distillation et donnent le gaz d'éclairage. D'autres carbures d'hydrogène, liquides, constituent le pétrole. La houille renferme en outre des matières solides non combustibles, qui restent après la combustion et forment les cendres.

En se combinant avec l'oxygène, dans l'acte de la combustion, le carbone peut former deux gaz différents, l'oxyde de carbone et l'acide carbonique : 6 g de carbone et 8 g d'oxygène donnent 14 g d'oxyde de carbone, qui est un gaz encore combustible ; 8 autres g d'oxygène avec 14 d'oxyde de carbone (ou 16 g d'oxygène et 6 g de carbone) forment 22 g d'acide carbonique, qui n'est plus combustible.

Ainsi, le carbone peut brûler en deux fois, donnant d'abord l'oxyde de carbone, qui produit à son tour l'acide carbonique. La combustion complète peut aussi se faire immédiatement en produisant du premier jet l'acide carbonique. Dans tous les cas, le carbone n'est complètement utilisé que s'il est transformé en acide carbonique ; tout dégagement d'oxyde de carbone non brûlé constitue une perte importante : en effet, la transformation du carbone en oxyde de carbone ne produit que les trois dixièmes de la chaleur qu'il peut donner, et les sept autres dixièmes résultent de la combustion de l'oxyde de carbone. C'est un fait capital qu'il ne faut jamais oublier quand on brûle la houille : laisser échapper de l'oxyde de carbone, c'est perdre les sept dixièmes du carbone correspondant.

Pour que l'oxyde de carbone se transforme en acide carbonique, il faut qu'il rencontre une quantité suffisante d'oxygène, c'est-à-dire d'air qui le renferme : il faut encore qu'il soit à une température assez élevée ; à froid ou peu chauffés, l'oxyde de carbone et l'oxygène ne se combinent pas.

L'hydrogène, en s'unissant à l'oxygène, forme de la vapeur d'eau : 1 g d'hydrogène et 8 g d'oxygène donnent 9 g d'eau, en dégageant plus de quatre fois la quantité de chaleur produite par un gramme de carbone transformé en acide carbonique.

Si la quantité d'air est insuffisante, il peut arriver que les carbures d'hydrogène, dégagés par la houille, s'échappent sans être brûlés : c'est une perte qui s'ajoute à celle de l'oxyde de carbone.

Les chimistes savent calculer dans chaque cas la quantité d'oxygène nécessaire pour brûler complètement un kilogramme d'un combustible donné. De la quantité d'oxygène on déduit facilement le poids ou le volume d'air nécessaire. On .trouve ainsi, pour la plupart des houilles, un nombre voisin de douze kilogrammes d'air par kilogramme de combustible. C'est à peu près neuf mètres cubes d'air pris à la température et à la pression ordinaires.

Si la quantité d'air fournie pour la combustion est moindre, on peut être sûr qu'une partie du combustible se perdra en gaz non brûlés. Si elle est plus grande, l'excès d'air se chauffera dans le foyer et sortira avec les gaz de la combustion par la cheminée : les gaz ainsi rejetés étant encore chauds, il en résulte une perte de chaleur. Mais comme on ne peut pas doser exactement le volume d’air qui traverse un foyer, comme aussi il n'y a pas mélange parfait, en tous les points, de l'air et des éléments combustibles, il vaut toujours mieux pécher par excès d'air que par défaut.

13. Pouvoir calorifique des combustibles, et quantités de chaleur nécessaires pour chauffer et vaporiser l'eau.

Un kilogramme d’un combustible, brûlé complètement, dégage une quantité de chaleur déterminée, qui dépend de sa nature. Cette quantité de chaleur peut être mesurée dans des expériences de laboratoire

assez simples ; elle s'exprime en unités de chaleur ou calories, la calorie étant la quantité de chaleur nécessaire pour échauffer un kilogramme d'eau de 0° à 1°. Par exemple, le pouvoir calorifique du carbone pur est de 8 080 : cela veut dire qu'un kilogramme de carbone complètement brûlé dégage 8 080 calories, qui pourraient chauffer de 0° à 1° 8 080 kg d'eau. Un kilogramme de gaz hydrogène, en brûlant, produit 34 460 calories.

D'autre part, la transformation de l'eau en vapeur, sous une pression déterminée, exige d'abord qu'elle soit chauffée jusqu'à la température de la vapeur sous cette pression, ce qui consomme une certaine quantité de chaleur ; ensuite il faut encore lui fournir de la chaleur pour la vaporiser, bien que la température, indiquée par un thermomètre, ne varie pas pendant cette transformation. En se changeant en vapeur, l'eau absorbe ou emmagasine de la chaleur en quantité considérable. Par exemple, l'eau est prise à la température de 15° et transformée en vapeur sous la pression effective de 40 kg par cm² ; à cette pression, la température de vaporisation est de 183° ; pour chauffer un kilogramme d'eau de 15° à 183°, il faut lui communiquer 171 calories, puis, pour transformer en vapeur, à la même température de 183°, ce kilogramme d'eau, il faut 477 calories, presque trois fois plus¹. Ainsi, dans les conditions les plus fréquentes, un peu plus du quart du combustible brûlé dans la locomotive sert à chauffer l'eau, et près des trois quarts transforment l'eau chaude en vapeur sans en modifier la température.

Connaissant d'une part le pouvoir calorifique d'un combustible et, d'autre part, la quantité de chaleur nécessaire pour vaporiser un kilogramme d'eau, on peut calculer le nombre de kilogrammes que pourrait vaporiser un kilogramme du combustible, si toute la chaleur était utilisée. Par exemple, un kilogramme de carbone pur, dégageant 8 080 calories, pourrait vaporiser, sous la pression effective de 10 kg par cm², 12 450 kg d'eau prise à 15°, puisqu'il faut 648 calories par kilogramme d'eau.

On ne vaporise jamais dans une locomotive, par chaque kilogramme de combustible, la quantité d'eau ainsi calculée. D'abord la combustion réalisée en pratique n'est pas parfaite, et, par suite, ne produit pas toute la chaleur que pourrait donner le combustible ; en outre, le courant gazeux, qui arrive dans la boite à fumée et qui est rejeté au dehors par la cheminée, est encore chaud ; il emporte de la chaleur, qui aurait été transmise à l'eau dans les expériences de laboratoire. Enfin la chaudière perd de la chaleur en échauffant l'air qui l'entoure.

Quelquefois la vapeur produite dans la locomotive entraîne des gouttelettes d'eau non transformées en vapeur : on dit que la chaudière prime. La quantité d'eau qui sort de la chaudière est alors augmentée, et on peut croire que le kilogramme de combustible est mieux utilisé, puisqu'il semble fournir des kilogrammes de vapeur en plus grand nombre ; mais tous ces kilogrammes ne sont pas de la vapeur ; une partie est encore à l'état d'eau : il y a tromperie sur la qualité du fluide fourni par la chaudière.

14. Métaux employés à la construction des locomotives.

Les métaux qui forment la locomotive sont : le fer, à l'état de fer proprement dit, d'acier et de fonte ; le cuivre, pur ou allié à d'autres métaux ; le zinc, l'étain, le plomb, l'antimoine, en alliages.

L’acier est du fer uni à une petite quantité de carbone et parfois d'autres substances. Le véritable acier, qui sert à construire les ressorts et les outils tranchants, durcit beaucoup à la trempe. Mais on appelle aussi acier du fer ne renfermant qu'une très faible proportion de carbone et ne durcissant que peu, ou même pas du tout, à la trempe : le mot acier a trait alors au mode de fabrication : c'est un métal obtenu en lingots fondus, tandis que le fer se fabrique avec des paquets, soudés au pilon, de fer brut provenant du puddlage de la fonte, ou de ferrailles. Certains aciers très doux ne sont que du fer fondu, à peu près exempt de toute substance étrangère.

La fonte, qu'on obtient par le traitement des minerais de fer dans les hauts fourneaux, est plus carburée que l'acier.

Le fer et l'acier s'emploient en pièces forgées ou en tôles et barres laminées. Le fer et l'acier très doux peuvent se souder, qualité précieuse pour la construction et surtout pour la réparation de certaines pièces. On durcit les parties soumises à des frottements qui les usent, ou des poussées qui les mattent, par la cémentation, qui transforme en acier dur, prenant bien la trempe, la couche superficielle du métal.

On demande au fer et à l'acier une résistance suffisante par millimètre carré : cette résistance est facilement obtenue, mais il importe que le métal ne soit pas fragile. Les essais au choc sur des barrettes décèlent la fragilité.

Les tôles d'acier doux, employées depuis plusieurs années pour la construction des chaudières, sont plus homogènes que les tôles de fer, qui présentent parfois des dédoublures ; elles supportent bien le travail de l'emboutissage, nécessaire pour certaines parties des chaudières.

La fonte s'emploie en pièces fondues. Une bonne fonte de moulage est homogène, exemple de soufflures et d'autres défauts ; la cassure montre un grain fin de couleur grise ; le burin et la lime l'entament facilement. La fonte résiste bien aux efforts de compression, avec une résistance à la traction très inférieure à celle du fer.

Depuis quelques années, ou emploie beaucoup l'acier coulé pour remplacer les pièces en fonte par d'autres plus légères ou plus résistantes, et les pièces en fer ou en acier forgé d'exécution difficile. La résistance de ces pièces coulées, quand elles sont bien faites, est comparable à celle des pièces forgées qu'elles remplacent.

Le cuivre, avec une résistance inférieure à celle du fer, est très malléable et se prête sans se criquer à de petites déformations ; c'est ce qui l'a fait adopter pour les foyers et leurs entretoises.

Allié à l'étain, le cuivre fournit le bronze, dont sont formés les coussinets, les tiroirs, les robinets ; allié au zinc, c'est le laiton. Outre les deux métaux principaux, ces alliages en contiennent souvent d'autres ; c'est ainsi que les bronzes renferment fréquemment du zinc et du plomb.

Voici quelques exemples de compositions de bronzes et de laiton, données en poids pour 100 parties (d'après la pratique des chemins de fer de l'Ouest) :

Pour les coussinets, on préfère souvent au bronze des alliages blancs. On emploie, par exemple, les compositions suivantes, pour 100 parties en poids :

• Métal blanc à base de zinc : cuivre, 5 ; étain, 18 ; zinc, 77 ;
• Métal blanc à base d'étain : cuivre, 9 ; étain, 78 ; antimoine, 13.

Ces alliages réunissent deux qualités en apparence contradictoires : d'une part, ils présentent des parties dures, sur lesquelles la résistance due au frottement est très faible ; d'autre part, la masse est assez molle pour s'ajuster facilement sur le tourillon, de sorte que les grippements sont rares.

Pour les garnitures métalliques de tiges, un des alliages adoptés contient 5 parties de cuivre, 32 d'étain, 3 d'antimoine et 60 de plomb.

Outre les métaux qui viennent d'être cités, on trouve encore dans certains aciers du manganèse, du nickel, du chrome, de l'aluminium. Enfin, parmi les corps simples que le chimiste trouverait dans une locomotive, on peut citer le phosphore, l'arsenic, le silicium, qui existent souvent, en petite quantité, dans les fers et les cuivres.

15. Centre de gravité.

Fig. 12. - Détermination du centre de gravité, à l'intérieur d'un corps.	Fig. 13. - Détermination du centre de gravité, à l'extérieur d'un corps.

On parle quelquefois du centre de gravité d'une locomotive, ou de la partie suspendue d'une locomotive : pour savoir exactement ce que cette expression désigne, qu'on suspende à un fil un corps pesant et qu'on marque à l'intérieur ou à l'extérieur de ce corps, suivant sa forme, la direction de ce fil, par exemple en y perçant un trou de très petit diamètre ou en fixant une tige mince à l'extérieur (fig. 12 et 13) ; en suspendant le même corps par un autre point et marquant de même sur le corps la direction du fil, la mécanique démontre et l'expérience fait voir que les deux directions ainsi déterminées se coupent en un point, qui est le même quelle que soit la place d'attache du fil : c'est ce point qu'on nomme centre de gravité du corps ; sur la figure 12, le centre de gravité est à l'intérieur du corps ; il est à l'extérieur sur la figure 13.

La considération du centre de gravité permet de simplifier certains problèmes, en supposant le corps pesant remplacé par un seul point, où serait concentrée sa masse entière, et qui par suite aurait le même poids.

Pour tourner les locomotives, on emploie fréquemment des ponts à pivot, où tout le poids de la machine avec son tender peut porter sur le pivot. Pour cela, il faut que le centre de gravité de l'ensemble formé par la locomotive et le tender se trouve juste au-dessus du pivot : le virage est alors facile. Il n'est pas besoin d'ailleurs de connaître d'avance la position du centre de gravité sur la machine : comme le pont peut s'incliner légèrement suivant sa longueur, la machine est bien placée quand les galets, qui existent aux extrémités du pont, ne touchent leur chemin de roulement circulaire ni d'un côté ni de l'autre.

Pour qu'on puisse amener une machine dans cette position, il est en général nécessaire que le pont soit un peu plus long que ne l'exigerait l'espacement des roues extrêmes de la locomotive avec son tender : quand on ne dispose pas de cet excès de longueur, on déplace le centre de gravité en modifiant la quantité d'eau que contient le tender au moment du virage.

16. Cercle.

Le rayon d'un cercle est la distance du centre à la circonférence ; le diamètre est le double du rayon. La longueur développée de la circonférence est égale, approximativement, à celle du diamètre multipliée par 3,14 ; la surface du cercle est égale, encore par approximation, au carré du rayon multiplié par ce même nombre 3,14, ou au carré du diamètre divisé par 1,273. Le carré d'un nombre est le produit de ce nombre par le même nombre.

Les roues de locomotives sont définies par le diamètre du cercle de roulement ; pour éviter la répétition fréquente du mot diamètre, on dit des roues de 2 m, par exemple, quand ce diamètre est de 2 m. De même un cylindre de 450 mm est un cylindre de 450 mm de diamètre.

17. Angles.

Un angle est la figure formée par deux lignes droites, qu'on appelle côtés, et qui se terminent au point où elles se rencontrent, dit sommet de l'angle. En plaçant au sommet le centre d'un cercle de rayon choisi une fois pour toutes, égal à un mètre par exemple, l'arc de ce cercle, compris entre les côtés, mesure l'angle. La circonférence entière est partagée en 360 degrés (360°) ; chaque degré se subdivise en 60 minutes (60') et chaque minute en 60 secondes (60"). L'angle droit est mesuré par l'arc de 90°, qui est le quart de la circonférence : l'angle aigu est plus petit que l'angle droit, l'angle obtus est plus grand. Ces mesures non décimales sont peu commodes, mais il serait difficile de les changer, parce qu'elles sont partout employées de même.

Deux lignes droites qui font un angle droit sont dites perpendiculaires. Une droite perpendiculaire à un plan est perpendiculaire à une droite quelconque menée par son pied dans ce plan. La direction verticale, donnée par le fil à plomb, est perpendiculaire au plan horizontal, formé par la surface d'un liquide en repos. Il ne faut pas dire une droite perpendiculaire pour désigner la verticale ; c'est une locution vicieuse qu'on entend trop souvent.

18. Gabarit de chargement.

Tout véhicule d’un chemin de fer doit passer librement dans le gabarit de chargement, qui n'est pas le même pour toutes les lignes.

La différence des gabarits est une gêne sérieuse pour la circulation des wagons passant d'un réseau sur un autre. Aussi les administrations de la plupart des chemins de fer (à voie normale, de 1,44 m environ entre rails) de l'Europe continentale ont proposé, pour l'échange du matériel, un gabarit commun dit passe-partout (fig. 14). Chaque chemin de fer conserve en outre ses gabarits spéciaux, qui sont tantôt plus restreints, tantôt plus grands que le gabarit passe-partout : pour le matériel qui ne sort pas d'un réseau, notamment pour la plus grande partie du matériel à voyageurs, on peut profiter de cet agrandissement du gabarit.

Simple à première vue, la question du gabarit est au contraire assez délicate : pendant la marche des trains, les véhicules se déplacent transversalement d'une certaine quantité, et peuvent alors sortir du gabarit de chargement. Ce déplacement tient aux jeux qui existent entre les boudins des roues et les rails, entre les coussinets et les extrémités des fusées des essieux ; en outre, les oscillations des ressorts donnent lieu à un mouvement très marqué, surtout à la partie supérieure des caisses, dont les corniches s'approchent des voûtes des ponts et des tunnels.

Il est nécessaire que le profil transversal du chemin de fer présente, pour le passage des trains, une ouverture supérieure à celle du gabarit de chargement, afin de tenir compte de ces circonstances. On doit aussi prévoir les petits déplacements accidentels de la voie, qui peuvent se produire lors des réparations.

Une autre cause s'ajoute aux précédentes dans les courbes : le milieu du véhicule prend une certaine saillie vers l'intérieur de la courbe, tandis que les extrémités sortent vers l'extérieur. Cet effet devient important pour les véhicules de grande longueur, tels que les voitures à bogies : il faut donc ou réduire le gabarit transversal de ces voitures, ce qui est souvent gênant, ou bien prévoir autour du gabarit de chargement un jeu plus grand dans les courbes.

De ce qu'un wagon plein a passé librement dans le gabarit de chargement, il n'en résulte pas qu'une fois déchargé, il en sera de même, parce que les ressorts, en se débandant, relèvent le véhicule.

La construction récente, en France, de quais hauts de 85 cm au-dessus du niveau des rails, dans quelques gares à voyageurs, rétrécit légèrement le gabarit dans la partie inférieure, peu utilisée pour les chargements. Il importe, en effet, pour la sécurité des voyageurs, que ces quais s'approchent le plus possible des marchepieds des voitures. Les quais hauts avaient été autrefois en usage en France, puis supprimés pour la plupart. Ils sont d'un usage général en Angleterre.

19. Vitesse des trains.

La vitesse des trains s'exprime en kilomètres à l'heure ; dans le sens étroit des mots, cette manière de compter supposerait pendant une heure une marche uniforme, bien rarement réalisée. Pour déduire de la vitesse en kilomètres à l'heure le parcours en mètres par seconde, on multiplie par 1 000 le nombre des kilomètres, ce qui donne le nombre de mètres, puis on divise le produit par 3 600, nombre de secondes en une heure ; plus simplement, il suffit de multiplier par 10 et de diviser par 36, ce qui revient au même. Par exemple, à la vitesse de 90 km à l'heure, on parcourt 900 divisé par 36, c'est-à-dire 25 mètres à la seconde.

On appelle vitesse commerciale d'un train la vitesse uniforme qui lui permettrait d'accomplir son parcours dans le temps même qu'il emploie, arrêts intermédiaires compris. Pour la calculer, en kilomètres à l'heure, on compte combien de minutes s'écoulent depuis le départ jusqu'à l'arrivée, puis on divise le nombre des kilomètres parcourus par celui des minutes, ce qui donne le parcours par minute ; en le multipliant par 60, on a le parcours moyen par heure ou vitesse commerciale. On obtient un peu plus facilement le même résultat en multipliant d'abord par 60 le nombre de kilomètres, puis en divisant le produit par le nombre des minutes. Par exemple, si un train part de Paris à 9 h 35 du matin pour arriver à Bordeaux à 5 h 29 du soir, il parcourt 578 km en 474 minutes : la vitesse commerciale est de 578x60 ou 34.680 divisé par 474, c'est-à-dire de 73 km à l'heure. On calcule de même la vitesse commerciale d'une station à la suivante, pour un trajet sans arrêt. On va de Paris à Reims (156 km) en 1 h 56 min, ou en 116 minutes : c'est une vitesse commerciale de 81 km à l'heure environ.

Le calcul est un peu plus simple lorsque le trajet occupe un nombre entier d'heures, de demi-heures, ou de quarts d'heures. Un train quittant Paris à midi 20, pour arriver à la gare maritime de Calais à 3 h 00, parcourt 298 km en 3 heures et demie : la vitesse commerciale est de 85 km à l'heure.

On appelle vitesse moyenne de marche, d'une station à la suivante, la vitesse uniforme qui permettrait de faire effectivement le trajet, en tenant compte du temps nécessaire pour le démarrage, l'arrêt et les ralentissements, estimé d'après certaines règles. Si on donne deux heures ou 120 minutes pour un trajet de 130 km entre deux arrêts, la vitesse commerciale sera de 65 km à l'heure ; si la durée estimée du démarrage, des ralentissements, et de l'arrêt est de 7 minutes, on calculera la vitesse pour le parcours en 113 minutes seulement, ce qui donne une vitesse moyenne de marche de 69 km à l'heure.

Comme en réalité la vitesse n'est pas uniforme sur tout le trajet, la vitesse effective de marche dépasse à certains moments la vitesse moyenne, pour se tenir en dessous à d'autres.

Pour obtenir des vitesses commerciales élevées, il faut non seulement une bonne vitesse moyenne de marche, mais encore peu de pertes de temps en démarrages, ralentissements et arrêts. La mise en vitesse des trains lourds et rapides fait perdre beaucoup de temps.

Sur les lignes chargées, la différence des vitesses moyennes des divers trains complique l'exploitation. Parfois, en accélérant un peu la marche des trains de marchandises et en leur faisant faire de longs parcours sans arrêt, on peut leur donner une vitesse moyenne égale à celle des trains de voyageurs à fréquents arrêts, et leur éviter de longs stationnements dans les garages. C'est pour ce motif que sur le chemin de fer anglais du Lancashire and Yorkshire les locomotives à marchandises sont munies de l'appareil à embarquer l'eau en route, décrit au paragraphe 137.

Sur quelques lignes à très grand trafic, on ajoute des voies supplémentaires, qui servent à la circulation des trains de marchandises, souvent sur une grande longueur : c'est ainsi que plusieurs des chemins de fer qui rayonnent autour de Londres ont quatre voies sur plusieurs centaines de kilomètres. Aux États-Unis, la ligne d'Albany à Buffalo a quatre voies sur une longueur de près de 500 km.

Quelle est la plus grande vitesse qu'aient atteinte les locomotives ? Il est difficile de répondre avec précision à cette question ; mais les machines stables, sur une bonne voie, ont parfois marché avec une très grande rapidité. Dans des essais effectués par la compagnie de Lyon, à la suite de l'exposition universelle de 1889, on a atteint 144 km à l'heure, 40 m à la seconde, et il semble que ce chiffre eût pu facilement être dépassé. On a récemment annoncé des vitesses supérieures en Angleterre et aux États-Unis.

20. Indicateurs de vitesse.

On munit quelquefois les locomotives d'indicateurs qui en font connaître la vitesse ; un grand nombre d'appareils différents ont été étudiés ou construits à cet effet. Au simple indicateur, qui s'adresse seulement au mécanicien, on peut adjoindre un enregistreur, qui inscrit sur une bande de papier ou sur un disque de carton les vitesses pendant tout le parcours de la locomotive.

Quand les indicateurs de vitesse sont commandés directement par une des roues de la locomotive ou par un point d'une bielle d'accouplement, ils doivent être réglés suivant le diamètre de la roue, que l'usure et le retournage des bandages réduisent. On emploie aussi pour la transmission un galet de diamètre invariable, qui appuie sur le bandage, dont le diamètre est alors indifférent.

L indicateur Stroudley consiste en une petite pompe centrifuge qui refoule un liquide dans un tube gradué, placé en vue du mécanicien. Le chronotachymètre Pouget (fig. 15) inscrit la vitesse sur une bande de papier déroulée par un mouvement d'horlogerie.

L'indicateur Hausshaelter (fig. 16) comporte un cadran sur lequel une aiguille indique la vitesse. En outre, la vitesse est enregistrée toutes les 12 secondes par un point marqué sur une bande de papier. Cet appareil, monté sur une des parois de l'abri, est commandé par une pièce fixée sur une bielle d'accouplement, qui fait tourner une manivelle ; des engrenages et un arbre vertical transmettent le mouvement. La transmission est disposée de telle sorte que l'arbre vertical tourne toujours dans le même sens, que l'on marche en avant ou en arrière.

Le dépouillement des bandes que donnent les indicateurs est un travail fort long : si le nombre de ces appareils devenait considérable, il faudrait sans doute ne faire ce dépouillement que dans certains cas. D'ailleurs, malgré les avantages de ces appareils, malgré la commodité, pour un mécanicien, de toujours connaître exactement sa vitesse, les applications doivent en rester limitées ; seules certaines circonstances spéciales en justifient l'emploi. Pour bien fonctionner, ils doivent être soigneusement construits, et leur prix est fort élevé ; l'entretien en est coûteux. Grâce aux améliorations incessantes des voies et du matériel de chemins de fer, grâce à l'emploi de freins puissants, de signaux perfectionnés, on peut, le plus souvent, se passer d'indicateurs.

Enfin, si l'on veut faire passer des trains rapides sur des lignes où les excès de vitesse sont à craindre, il faut les confier à des hommes habiles et prudents, qui sauront apprécier, sans avoir besoin des indications brutales d'un appareil, à quel moment il convient de modérer la vitesse ; suivant les machines, suivant l'état de la voie, les limites qu'on fixerait seraient tantôt trop élevées et tantôt trop basses.

Des indicateurs d'un autre genre sont installés à demeure en certains points de la voie et y contrôlent la vitesse de passage. L'abus de ces appareils est un sérieux obstacle à la marche rapide et ponctuelle des trains.

21. Heures.

En chaque point de la terre, on distingue l’heure vraie, qu'on lit sur un cadran solaire, et qui n'a pas d'usage pratique, et l’heure moyenne locale, qui correspond à la marche des horloges : les écarts entre l'heure vraie et l'heure moyenne dépassent un quart d'heure à certaines époques de l'année¹. Sur tous les points d'un même méridien, c'est-à-dire en marchant exactement du nord au sud, on trouve la même heure locale ; mais elle varie d'un méridien à l'autre, de 4 minutes par chaque degré de longitude, ou d'une heure par 15 degrés (15°). Comme les chemins de fer et les télégraphes s'accommodent mal de cette variation, on a adopté pour chaque pays une heure unique. La loi du 14 mars 1891 prescrit, pour la France et l'Algérie, celle de Paris : toutefois les horloges intérieures des gares, qui règlent la marche des trains, retardent de 5 minutes sur l'heure de Paris.

Ce système suffit tant qu'on ne sort pas d'un même pays d'étendue modérée ; mais le passage d'une contrée dans une autre n'est pas trop commode, vu les additions ou soustractions de nombres compliqués de minutes. Et puis, comment faire quand un empire est très étendu de l'est à l'ouest, comme les États-Unis d'Amérique ? Une heure unique ne peut y convenir, car le midi s'écarterait trop du milieu du jour dans la plus grande partie du pays.

On a imaginé de diviser la terre en une série de fuseaux, compris chacun entre deux méridiens distants de 15°, et de prendre dans chaque fuseau l'heure du méridien moyen, placé à 7 degrés et demi des deux méridiens extrêmes. D'un fuseau au voisin l'heure est différente, mais la différence est exactement d'une heure, ce qui rend les calculs faciles et permet de lire sans peine les horaires des trains.

Il est commode que, dans un même pays et dans certaines régions, on ait, autant que possible, la même heure ; aussi a-t-on un peu triché sur les limites qui séparent un fuseau du voisin : on a pris les frontières politiques ou administratives voisines du méridien qui devrait faire la séparation.

Dans ce système, il fallait choisir un méridien initial, qui donne en quelque sorte l'heure à tous les autres : le choix s'est fixé sur le méridien de Greenwich, près de Londres. L'heure de Greenwich retarde de 9 minutes 21 secondes sur celle de Paris : quand il est midi à Paris, il est 11 h 50 min 39 sec à Greenwich. La différence entre l'heure de Greenwich et celle qui règle effectivement les chemins de fer français est réduite à 4 minutes environ, par le retard des horloges intérieures des gares en France.

La France, qu'on avait toujours vue prendre l'initiative quand il s'agissait d'unifier les mesures, a refusé jusqu'à présent de s'associer à cette réforme si commode des heures, déjà adoptée dans un grand nombre de pays ; il faut espérer que cet isolement cessera bientôt. L'Angleterre et l'Ecosse, la Belgique, la Hollande, se règlent sur l'heure même de Greenwich, qu'on appelle heure de l'Europe occidentale ; en ajoutant une unité au chiffre des heures, on a l'heure de l'Europe centrale, usitée en Suède, en Norvège, en Suisse, en Alsace-Lorraine, dans toute l'Allemagne, en Autriche, en Hongrie, en Serbie, en Italie, en Danemark ; l'addition d'une nouvelle unité donne l'heure de l'Europe orientale, qui sert en Roumanie, en Bulgarie, en Turquie. Dans l'est de la Russie, les chemins de fer sont réglés sur l'heure de Saint-Pétersbourg, qui se trouve être, à une minute près, celle de l'Europe orientale.

Les États-Unis d'Amérique sont partagés en quatre grandes zones de l'est à l'ouest, où l'on emploie successivement l'heure de l’Est, celles du Centre, de la Montagne et du Pacifique ; c'est celle de Greenwich moins 5, 6, 7 et 8 unités au chiffre des heures. Quand il est midi à Greenwich, on compte 7 heures du matin à New-York.

Parmi les autres Etats qui ont adopté ce système, se trouvent les Indes, l'Australie, le Japon : au Japon 9 heures du soir correspondent au midi de Greenwich.

Une autre réforme, qui améliore les horaires des chemins de fer, consiste à compter les heures de 0 à 24 depuis minuit jusqu'à minuit, et non plus par deux périodes de 12 ; c'est ainsi que sont tracés les horaires en Italie. La confusion des heures du matin et du soir n'est plus possible¹.

CHAPITRE II
CHAUDIÈRE

22. Dispositions essentielles de la chaudière de locomotive.

Toute chaudière qui sert à produire la vapeur se compose d'un foyer, et d'un récipient clos contenant l'eau à chauffer. Le foyer doit être assez grand pour qu'on puisse y brûler une quantité de combustible suffisant à la production de vapeur demandée ; l'utilisation de la chaleur produite par cette combustion dépend, d'ailleurs, de la surface chauffée du récipient, dite surface de chauffe. Les parties principales de la chaudière de locomotive (fig. 17 et 18) sont le foyer, les tubes, la boîte à feu, le corps cylindrique, la boîte à fumée.

Le foyer est une sorte de caisse, formée de quatre parois à peu près verticales, supportant le ciel horizontal ; la grille est installée à la partie inférieure de cette caisse. Dans la plupart des locomotives, la largeur de la grille est limitée, par les roues, à un mètre environ et la longueur ne dépasse guère 2,60 m, ce qui fait une surface de 2,6 m². Cette grille, déjà grande pour une locomotive, serait beaucoup trop petite pour brûler la quantité de charbon nécessaire, si on n'activait pas la combustion au moyen d'un appel d'air énergique, produit par la vapeur qui s'échappe des cylindres, après avoir poussé les pistons : cette vapeur d'échappement sort avec une grande vitesse par une tuyère placée sous la cheminée.

Le foyer est monté à l'intérieur d'une caisse en tôle plus grande, qu'on appelle boîte à feu ; un cadre en fer réunit les bases des deux caisses ; l'eau recouvre le ciel et baigne les parois latérales du foyer, excepté à l'endroit du trou qui reçoit la porte, également entouré d'un cadre.

Il ne suffirait pas de compenser les dimensions restreintes de la surface de grille par l'emploi de l'échappement, si la chaudière tubulaire de Séguin, petite et légère, ne donnait une grande surface de chauffe. Les gaz chauds que produit le foyer passent à travers un grand nombre de tubes de faible diamètre, qui les amènent, refroidis, dans la boîte à fumée. Par exemple, la surface de chauffe d'un tube, qui a 40 mm de diamètre à l'intérieur et 4 m de longueur, est d'un demi-mètre carré : 200 de ces tubes donnent donc 100 m², et la surface du foyer s'y ajoute.

Les tubes, emmanchés dans la plaque tubulaire du foyer, traversent l'eau qui remplit le corps cylindrique de la chaudière, et qui doit toujours recouvrir le foyer et les tubes ; il reste au-dessus de l'eau un espace pour la vapeur, dans le haut de la boîte à feu et du corps cylindrique. A l'avant, le corps cylindrique est séparé de la boîte à fumée par la plaque tubulaire de boîte à fumée.

Le corps cylindrique est formé d'anneaux ou viroles en tôle, que des rivures assemblent. Ces viroles peuvent être alternativement de diamètre plus grand et plus petit. Dans les chaudières télescopiques, le diamètre des viroles diminue successivement, de l'arrière à l'avant, de sorte qu'il n'y reste pas d'eau quand on vide la chaudière par le bas de la boîte à feu. Enfin, avec l'assemblage par couvre-joints circulaires, toutes les viroles ont le même diamètre.

En résumé, la chaudière de locomotive est caractérisée par la vivacité de la combustion, due à l'échappement, et par la grande surface de chauffe sous un petit volume, due à la disposition tubulaire. Elle est construite en tôles de fer ou d'acier doux, sauf le foyer, qui est souvent en cuivre.

La chaudière est soumise à la pression de la vapeur : il est nécessaire qu'elle ait une résistance largement suffisante pour supporter cette pression. Les parties à section circulaire, comme le corps cylindrique, résistent bien à une pression intérieure, pourvu que la tôle ait une épaisseur convenable ; mais les feuilles planes ne sauraient supporter la pression sans être raidies par des entretoises, des armatures, des tirants fixés de distance en distance. Le ciel du foyer d'une locomotive, s'il a une surface de deux mètres carrés, supporte 240 tonnes, quand la pression est de 12 kg par cm² : c'est souvent cinq fois le poids de la locomotive. Lors de l'épreuve à la presse hydraulique, cette charge atteint 300 tonnes.

23. Foyer.

En Europe, on emploie généralement le cuivre pour les foyers de locomotive ; aux États-Unis, ils sont toujours construits en feuilles minces d'acier. Les mêmes précautions conviennent pour les foyers en acier et en cuivre : on doit éviter tout refroidissement brusque par courants d'air dans le foyer, ou par lavage précipité à l'eau froide.

On voit sur la figure 18 le cadre en fer sur lequel s'assemblent les parties inférieures du foyer et de la boîte à feu ; pour éviter les fuites, il est bon de munir les angles du cadre d'oreilles saillantes, sur lesquelles se rivent les parties arrondies de la boîte à feu. Les faces voisines du foyer et de la boîte à feu sont réunies par des entretoises (fig. 19) en cuivre ou en acier ; ce dernier métal est employé surtout en Amérique. L'acier très doux convient pour cet usage : le diamètre initial des trous est moindre qu'avec le cuivre, ce qui permet un plus grand nombre de remplacements avant que les trous ne deviennent trop grands. Certains alliages très résistants servent aussi à la confection des entretoises, par exemple le métal Stone, composé, pour 100 parties en poids, de 61,5 parties de cuivre, 37,9 de zinc, 0,6 de fer et manganèse.

On peut enlever, sur le tour, les filets de la partie qui restera entre les deux tôles : la résistance de l'entretoise à la traction n'en est pas diminuée, et elle est un peu plus flexible.

Le trou percé dans l'entretoise pour en déceler la rupture est bouché vers l'extérieur, de manière à éviter l'entrée de l'air ; il laisse fuir l'eau dans le foyer si elle vient à se rompre. Une entretoise rompue doit être remplacée sans retard. Parfois on perce un trou borgne de chaque côté de l'entretoise. En ouvrant le trou à l'aide d'un mandrin conique, on obtient une entretoise étanche sans tête rivée (fig. 20).

Une attache spéciale (fig. 21) est nécessaire pour fixer la paroi plane du foyer en dessous des tubes.

La consolidation la plus difficile est celle du ciel. Souvent on le suspend à des poutrelles ou fermes, transversales ou longitudinales (fig. 22), qui reposent elles-mêmes sur les parois verticales du foyer.

Parfois les fermes transversales sont prolongées et peuvent reposer sur des consoles rivées contre la paroi de la boîte à feu (fig. 23) ; lors de l'allumage, la dilatation soulève le haut du foyer et les fermes quittent les consoles ; mais la pression rétablit le contact.

Les fermes longitudinales sont fréquemment rattachées au berceau cylindrique de la boîte à feu (fig. 22 et 37).

On paraît préférer aujourd'hui l'entretoisement direct, à l'aide de tirants, du ciel de foyer et de la face supérieure de la boîte à feu, quand elle est plane (fig. 18). Cet entretoisement a même été appliqué lorsque la boîte à feu est cylindrique (fig. 24).

Les tirants sont vissés dans les tôles et munis d'écrous ; parfois on en rive les têtes, comme celles des entretoises latérales. Il convient que la première ligne de ces tirants, vers l'avant du foyer, ne soit pas trop rapprochée de la rivure du ciel sur la plaque tabulaire, afin de ne pas gêner les petits mouvements dûs à la dilatation de la plaque par la chaleur ; quelquefois les premiers tirants sont formés de deux parties articulées, qui permettent le soulèvement du foyer.

Toujours pour permettre la dilatation de la plaque, on a remplacé, lors de plusieurs constructions récentes, les premiers rangs de tirants verticaux par une ou deux fermes transversales (fig. 24).

24. Porte de foyer.

La porte de foyer peut être disposée de bien des manières différentes. La figure 25 représente une porte à cadre ovale, la figure 26 une porte rectangulaire avec registre à coulisse, pour admission d'air. Une contreporte préserve la porte de l'action du feu. L'admission d'air par la porte est utile pour la combustion des houilles très gazeuses ou chargées en couche épaisse, et elle empêche la fumée.

Le volet mobile en tôle de la figure 27 peut être fixé dans une position plus ou moins inclinée, et donne dans le foyer une entrée d'air, qu'il dirige à la façon du déflecteur qu'on voit sur les figures 34 et 35. La tôle rivée en saillie sur ce volet préserve alors le personnel du rayonnement du foyer, et permet la manœuvre de l'appareil avec le pied.

Une garniture en fonte ou en fer, dite pare-ringard, recouvre la partie inférieure de la rivure du cadre de la porte, et la préserve du choc des outils qui servent à piquer le combustible.

25. Grille.

La grille doit être appropriée au combustible qu'elle reçoit : les deux éléments principaux de la grille sont l'épaisseur et l'écartement des barreaux, qui déterminent la section de passage de l'air et la grosseur des fragments qu'elle laisse tomber.

Les barreaux sont en fer ou en fonte, et reposent sur des sommiers transversaux en fer (fig. 28). Ces sommiers ne doivent pas buter contre les parois du foyer, parce que la chaleur les allonge : alors ils se plieraient ou bien ils écarteraient les parois. En coupe transversale, les barreaux s'amincissent vers le bas, afin que les fragments de combustible ne s'arrêtent pas entre eux.

Les gros barreaux en fer (fig. 29) ont des têtes forgées qui en déterminent l'écartement. Les petits barreaux en fer sont souvent rivés par groupes de deux ou plusieurs (fig. 30), avec des cales entre eux. La fonte forme également des groupes de plusieurs barreaux (fig. 31). On dispose souvent dans les grilles de locomotive une partie mobile dite jette-feu (fig. 32), qui facilite l'enlèvement des mâchefers.

Les barreaux ne garnissent pas toujours complètement les angles ou les côtés de la grille : les vides qu'ils laissent ont une influence fâcheuse, en permettant la chute du combustible et en laissant passer des courants d'air nuisibles. Il faut avoir soin de boucher ces vides avec des mâchefers ou des fragments de briques réfractaires.

Il convient que la grille laisse tamiser l'air à travers toute la masse du combustible, dont la nature commande la grosseur et l'écartement des barreaux. Des barreaux écartés sont forcément assez gros, car ils doivent supporter chacun une charge de combustible plus forte que lorsqu'ils sont rapprochés ; minces et peu écartés, les barreaux donnent passage à des nappes d'air plus nombreuses et ne laissent tomber que de petits fragments de combustible. Il est souvent avantageux de composer les grilles de barreaux aussi minces qu'on le peut : bien que fort rapprochés, ces barreaux laissent une grande section de passage à l'air. Certains combustibles encrasseront peut-être les grilles ainsi constituées un peu plus vite que les gros barreaux fort espacés, et le nettoyage pourra être plus difficile : mais il faut bien vérifier ces inconvénients avant de condamner les barreaux minces. Un autre avantage de ces barreaux minces est qu'ils s'échauffent moins que les gros, parce que l'air froid qui en balaye la surface les refroidit mieux. Une épaisseur de 8 à 10 mm, avec un vide égal, paraît convenable pour les combustibles, souvent menus, de plus en plus employés en France.

Les grilles de certaines locomotives ne sont pas toujours composées de barreaux ordinaires : par exemple, on a cherché à préserver les barreaux de l'action d'une chaleur trop forte, qui les déforme el en altère le métal. Les tôles des chaudières ne s'échauffent pas trop parce qu'une de leurs faces est refroidie par l'eau ; on peut appliquer le même principe aux barreaux des grilles, en les formant de tubes, dans lesquels circule l'eau de la chaudière. Mais les fuites sont à craindre à la jonction de ces tubes avec les parois du foyer, puis il peut être difficile d'assurer la circulation de l'eau dans ces tubes et d'éviter qu'ils ne se bouchent ; cependant ces barreaux creux se voient sur des locomotives américaines.

Dans la grille à gradins, peu usitée aujourd'hui, une série de lames plaies étaient disposées les unes au-dessus des autres, se recouvrant en partie. L'air pénétrait entre ces lames, et le combustible, si fin qu'il fut, ne pouvait tomber.

Pour éviter que les mâchefers n'empâtent les barreaux, on construit des grilles dont les barreaux sont mobiles : les nombreux systèmes de grilles à secousses, de grilles oscillantes, établies sur ce principe, sont commodes pour brûler certains combustibles ; mais, en général, ces appareils sont un peu trop compliqués et encombrants sur une locomotive.

26. Cendrier.

Autrefois les locomotives n'étaient pas munies de cendriers ; on en voit encore qui ne possèdent pas cet appendice. Les cendriers ont été construits pour empêcher la projection des escarbilles : parfois on se contente, à cet effet, d'installer sous le cadre du foyer des tôles verticales qui descendent assez bas. On ne peut guère placer ces tôles à moins de 12 cm de la surface du rail, et encore faut-il échancrer les parois transversales, afin qu'elles ne touchent pas les chapeaux qui recouvrent les pivots de plaques tournantes.

Le cendrier complet, muni d'un fond qui s'étend sous toute la grille, est plus efficace : il ne présente d'ouvertures qu'à l'avant et à l'arrière (fig. 33), et ces ouvertures peuvent être fermées par des portes ; le cendrier n'est plus alors seulement un appareil de sécurité, mais il permet de modérer le tirage pendant les stationnements et en marche. Il convient à cet effet que le cendrier ne présente aucune ouverture anormale et que les portes ferment hermétiquement.

Lorsque la locomotive circule, comme d'habitude, cheminée en avant, on ouvre la porte à l'avant du cendrier et on ferme celle de l'arrière pour obtenir un bon tirage. Dans la marche cheminée en arrière, on laisse souvent les portes dans la même position, afin que le feu ne devienne pas trop actif du côté de la porte du foyer.

Quand un essieu passe sous la grille, le cendrier fermé devient plus compliqué : l'essieu doit être protégé par une gaine en tôle.

On doit avoir soin d'enlever fréquemment les cendres qui s'accumulent dans les cendriers, surtout quand il y a peu de hauteur entre le fond du cendrier et les barreaux de grille ; sinon elles gênent le passage de l'air et les escarbilles chaudes brûlent les barreaux. Il faut aussi surveiller les écrous ou les clavettes qui attachent le cendrier au-dessous du cadre, pour qu'il ne risque pas de tomber sur la voie.

27. Voûte en briques.

L'usage d'une voûte en brique dans les foyers de locomotives, général en Angleterre depuis longtemps, s'est aussi beaucoup répandu en France. Cette voûte (fig. 34) est placée un peu au-dessous de l'embouchure des tubes ; elle est inclinée vers l’avant, et recouvre environ la moitié de la grille.

La voûte convient surtout dans les foyers profonds ; avec les grilles voisines des tubes (fig. 35), elle ne doit pas être trop longue, sinon elle ralentit la combustion à l'avant de la grille.

On combine souvent, avec la voûte, une entrée d'air par la porte du foyer ; un déflecteur en fonte ou en tôle rabat cet air perpendiculairement au courant des gaz chauds donnés par le combustible. Ce déflecteur, qui se brûle assez rapidement, doit être une pièce simple et facile à remplacer.

Une petite ouverture ménagée au-dessus de la porte, sur les locomotives du chemin de fer de Lyon, permet de regarder la plaque tubulaire et de se rendre compte de la combustion des gaz. Sur la figure 76, on voit le clapet qui ferme cette ouverture.

La voûte est construite avec des briques à couteau, c'est-à-dire à faces non parallèles, qui forment un berceau cylindrique de petit rayon. Les deux rangées extrêmes sont formées de briques spéciales et posent sur des sommiers en fer, qui s'appuient sur des vis à tête carrée (fig. 36). Les briques sont assemblées à l'aide d'un peu de terre argileuse, dite terre à four. On ménage à l'avant quelques ouvertures, pour éviter que les escarbilles ne s'y accumulent. On forme quelquefois les voûtes de trois grosses pièces réfractaires.

On construit la voûte sur des madriers supportés par des cintres légers ; on la laisse sécher avant d'allumer le feu, qui doit être mené lentement au début pour achever la dessiccation de la maçonnerie. Souvent on commence à cet effet par un petit feu de bois. Bien construites, avec des matériaux de bonne qualité, les voûtes peuvent durer six mois et même davantage : quand elles menacent ruine, il faut les remplacer sans en attendre la chute, qui étouffe à moitié le feu. La voûte assure la combustion complète des gaz dégagés par la houille, en les mettant bien en contact avec l'air nécessaire pour cette combustion, soit qu'il entre par la porte du foyer, soit même qu'il ait traversé la grille : les courants gazeux sont mélangés ou brassés par les circuits que la voûte les oblige à faire. En outre, la voûte est fortement chauffée, et, à son tour, elle communique de la chaleur à l'air et aux gaz qui se brûlent. Bien entendu, elle ne produit pas la chaleur, mais elle la recueille, l'emmagasine et la restitue. Enfin, la voûte préserve la plaque tubulaire, lorsqu'on ouvre la porte du foyer, des coups d'air froid, qui provoquent des fuites aux tubes. Quand on arrête la machine, elle en ralentit le refroidissement ; ce peut être une gêne pour les lavages.

28. Bouilleur Tenbrinck.

Le bouilleur Tenbrinck (fig. 37) tient la place d'une voûte en briques. C'est une caisse plate formée de deux feuilles parallèles en cuivre, réunies par des bords emboutis et par des entretoises. Cette caisse communique avec la chaudière par deux ou trois tubulures inférieures et deux tubulures supérieures. L'eau fortement chauffée dans le bouilleur s'élève par les tubulures supérieures ; il en rentre par les tubulures inférieures, et cette circulation paraît favoriser la transmission de la chaleur. Des bouchons placés devant les tubulures permettent l'enlèvement des dépôts.

Le bouilleur produit le bon effet d'une voûte. Mais il faut beaucoup de soins pour que les joints des tubulures soient bien étanches ; en outre, il coûte cher et pèse assez lourd : c’est pourquoi il est rarement employé.

Dans les locomotives du chemin de fer de Paris à Orléans, le bouilleur Tenbrinck est placé au-dessus d’une grille fortement inclinée. Le foyer porte une ouverture de chargement qui règne sur toute sa largeur, à la partie supérieure de cette grille : le combustible est jeté dans une trémie fixée sur cette ouverture et descend spontanément jusqu'au bas de la grille, à mesure que la combustion s'opère. L'air est admis au-dessus du combustible.

29. Tubes.

Le diamètre extérieur des tubes de locomotive est le plus souvent compris entre 45 et 50 mm ; quelquefois il descend à 40 mm. L'épaisseur est de 3 à 2 mm. Ils sont en laiton, en fer ou en acier : en service, ces métaux se comportent à peu près de même, mais le laiton coûte plus cher ; aussi beaucoup de chemins de fer y ont renoncé.

Le laiton, chauffé au rouge sombre, devient très fragile : il peut quelquefois atteindre cet état à son emmanchement dans la plaque tubulaire du foyer, et des ruptures en résultent ; aussi soude-t-on souvent aux tubes en laiton un bout en cuivre rouge (fig.38). On applique aussi parfois ces bouts en cuivre rouge aux tubes en fer, où ils sont moins utiles.

La partie délicate de la construction des chaudières tubulaires est la tenue des tubes dans les plaques : si on n'avait pas trouvé de moyens simples et efficaces pour en rendre les emmanchements étanches, il eût fallu renoncer à ce type de chaudière, si ingénieux qu'il fût. Dans les locomotives, le tube est mandriné au dudgeon, puis rivé (fig. 39.) Habituellement on ajoute des bagues ou viroles du côté du foyer, pour augmenter l'étanchéité, mais surtout pour préserver le tube de la trop grande chaleur. Du côté de la boîte à fumée, les viroles sont inutiles. On peut essayer de s'en passer aussi du côte du foyer, mais il est à craindre que le bout des tubes ne se détruise rapidement. Les viroles ont d'ailleurs l'inconvénient de réduire la section de passage des gaz.

Comme les tubes sont introduits du côté de la boîte à fumée, les trous de la plaque ont de ce côté un diamètre un peu supérieur à celui du tube, tandis que ceux de la plaque tubulaire du foyer ont habituellement un diamètre un peu moindre : les tubes sont rétreints du côté du foyer, et dilatés à l'autre extrémité.

Quelquefois on se contente du mandrinage des tubes et on se dispense de les river (fig. 40).

Dans les foyers en acier, sur le chemin de fer de Lyon, on entoure le tube d'une virole mince en cuivre, entre la plaque et le tube (fig. 41), suivant la pratique américaine.

Les tubes peuvent être disposés en rangées horizontales (fig. 42) ou verticales (fig. 43) : la seconde disposition parait faciliter le dégagement de la vapeur. Il ne faut pas réduire par trop les intervalles entre les tubes, si l'on veut éviter les ruptures entre les trous des plaques et l'entartrement du faisceau tubulaire ; cet intervalle doit être de 15 à 20 mm dans la locomotive.

Fig. 42. - Division tubulaire en rangées horizontales	Fig. 43. - Division tubulaire en rangées verticales

On a renoncé aux plaques tubulaires intermédiaires pour supporter les tubes, qui se coupaient sur ces plaques ; du reste on ne construit plus guère de locomotives avec des tubes très longs (de 5 m par exemple). Le frottement des escarbilles use les tubes et les amincit : quand ils deviennent trop minces, des ruptures se produisent et on doit remplacer la tubulure.

Les tubes peuvent empêcher la séparation des deux plaques tubulaires, en agissant comme des tirants ; mais ils commencent par pousser les plaques et tendent à les écarter, parce qu'ils se dilatent par la chaleur plus que la tôle du corps cylindrique, étant portés à une température plus élevée.

Afin d'augmenter la surface en contact avec les gaz chauds, on munit parfois les tubes d'ailettes intérieures (fig. 44) ; des tubes de cette espèce, montés à la place de tubes ordinaires, soutirent plus de chaleur aux gaz, qui sortent moins chauds dans la boîte à fumée. On les appelle souvent tubes Serve, du nom de leur inventeur. Les expériences des chemins de fer de Lyon et du Nord ont montré que la surface de chauffe des tubes à ailettes, comptée en suivant toutes les sinuosités de leur section, était presque équivalente à une même surface intérieure de tubes lisses, et produisait à peu près le même effet utile. Une tubulure à ailettes peut donc être plus courte qu'une tubulure lisse, et, à égalité de longueur, la première prendra plus de chaleur aux gaz de la combustion. Mais, en conservant la même longueur, on obtient la même surface de chauffe avec un diamètre de tubes beaucoup plus grand, qui est habituellement de 70 mm pour les tubes à ailettes. Les tubes sont alors moins nombreux et plus espacés ; les plaques tubulaires, moins découpées, semblent plus résistantes et plus durables.

30. Surface de chauffe.

Une surface de chauffe d'un mètre carré, baignée d'un côté par l'eau de la chaudière, et, de l'autre côté, en contact avec les gaz chauds de la combustion, laisse passer pendant chaque minute une quantité de chaleur limitée, ou, en d'autres termes, ne peut vaporiser pendant chaque minute qu'une quantité d'eau limitée. Cette quantité dépend des températures de l’eau et des gaz : elle est d'autant plus grande que les gaz qui communiquent la chaleur sont plus chauds. Aussi un mètre carré du foyer, un mètre carré à l'entrée des tubes auprès du foyer, étant en contact avec la flamme même ou les gaz très chauds, vaporise une bien plus grande quantité d'eau qu'un mètre carré pris plus loin dans les tubes, sur lequel passent des gaz déjà refroidis ; si les tubes sont très longs, la dernière partie, auprès de la boîte à fumée, en est peu active.

On appelle surface de chauffe directe celle du foyer, exposée à la chaleur rayonnante dégagée par le foyer, ainsi qu'au contact des gaz très chauds produits par la combustion. La surface de chauffe indirecte est celle des tubes, soumise seulement à l’action des gaz de moins en moins chauds à mesure qu'ils s'avancent du foyer vers la boîte à fumée.

On compte comme surface de chauffe tantôt la surface intérieure des tubes, celle qui touche les gaz chauds, tantôt la surface extérieure, en contact avec l'eau : la différence entre les deux nombres obtenus est assez grande, à cause du petit diamètre des tubes et de leur épaisseur relativement grande. Le mieux est de compter la surface en contact avec les gaz, puisque c'est celle qui reçoit la chaleur. Mais pour prévenir toute méprise, on ne devrait jamais omettre de dire comment on compte.

Des expériences ont déterminé le poids d'eau que pouvait vaporiser, en une minute, d'une part le foyer et, d'autre part, le faisceau tubulaire, supposé partagé en plusieurs tronçons successifs par des plaques intermédiaires : la figure 45 représente approximativement ces poids vaporisés en une minute, quand la combustion est active : elle montre au-dessus de la surface de l'eau la quantité qui se vaporise dans chaque tranche de la chaudière, celle que l'alimentation devrait y amener si ces tranches étaient isolées par une série de cloisons. Les proportions de vapeur ainsi produites par les diverses parties d'une chaudière varient avec ses dimensions, et, clans un même appareil, avec l'activité de la combustion.

31. Boite à fumée.

Les tubes vomissent les gaz chauds dans la boîte à fumée, où ils sont appelés par l'aspiration due à la vapeur d'échappement ou au souffleur. La porte de la boite à fumée doit fermer hermétiquement, parce que les rentrées d'air nuisent au tirage et font brûler les escarbilles dans la boîte. A l'ancienne porte à deux vantaux (fig. 46), compliquée et difficilement hermétique, on préfère généralement la porte ronde unique (fig. 47), que la pression exercée au centre par la vis de serrage fait coller sur le pourtour.

Quelquefois un robinet d'arrosage permet d'éteindre le feu dans une boîte à fumée mal close : il convient de s'en servir avec mesure, parce que l'eau accélère la destruction des tôles inférieures de la boîte. En France, l'article 11 de l'ordonnance du 15 novembre 1840 prescrit que les «locomotives devront être pourvues d'appareils ayant pour objet d'arrêter les fragments de coke tombant de la grille, et d'empêcher la sortie des flammèches par la cheminée» ; à cet effet, une grille à barreaux espacés de 10 mm (fig. 48) est montée dans la boîte à fumée. Lorsque la cheminée est prolongée dans la boîte à fumée par un cône dont l'ouverture descend jusqu'au niveau de la tuyère d'échappement, la grille à flammèches peut être portée par ce cône (fig. 49). Une petite grille garnit aussi l'ouverture centrale de l'échappement annulaire (fig. 49). Les barreaux de la grille à flammèches peuvent former une surface conique entre la tuyère d'échappement et la base de la cheminée (fig. 50).

En Amérique, la boîte à fumée (fig. 51) a une grande longueur et reçoit une toile métallique à mailles serrées pour arrêter les escarbilles, dont elle peut contenir une quantité considérable. Une tôle, placée devant le débouché des tubes et laissant une ouverture, variable, à la partie inférieure, rabat les gaz vers le fond de la boîte. Cette disposition a remplacé, depuis une quinzaine d'années, la grosse cheminée avec chicanes intérieures, montée sur une petite boîte à fumée. En Europe aussi on construit de plus en plus de grandes boîtes à fumée.

Pendant longtemps on a pensé que le volume de la boîte à fumée devait être très petit pour que le tirage fut bon. Mais la combustion parait se faire aussi bien avec les boîtes allongées, qui recueillent au besoin une grande quantité d'escarbilles sans être obstruées. Telle est la boîte des locomotives compound du chemin de fer de Lyon (fig. 52), où se logent commodément les tuyaux de vapeur. On préfère habituellement placer la cheminée vers l'arrière ou au milieu des longues boites, dont la partie antérieure reçoit les escarbilles (fig. 17 et 53).

Une ouverture fermée par un clapet (fig. 52 et 53) est commode pour la vidange des escarbilles. Il convient que la manœuvre en soit facile et surtout que la fermeture en soit toujours étanche.

32. Cheminée.

La cheminée de la locomotive est forcément très courte. On admet généralement qu'il convient de lui donner une hauteur au moins égale à trois fois son diamètre le plus étroit, mais on en voit de bien moins hautes. Pour éviter que le vent ne coupe le courant qui s'échappe par la cheminée, on fait quelquefois usage d'une visière placée à l'avant (fig. 54) ; le chapiteau (fig. 55) a peut-être une action analogue, mais il est surtout placé avec une intention décorative.

Les cheminées sont cylindriques ou légèrement évasées vers le haut. Elles peuvent être prolongées, dans l'intérieur de la boîte à fumée, par un entonnoir renversé, qui descend jusqu'au niveau supérieur de la tuyère d'échappement. Cette disposition paraît en général améliorer le tirage.

Le diamètre des cheminées, n'est pas, plus que la hauteur, déterminé par des règles précises ; peut-être pourrait-on l'augmenter avantageusement sur un assez grand nombre de locomotives puissantes. Certaines locomotives belges ont une cheminée à large section carrée, qui se raccorde avec la boîte à fumée en s'évasant vers le bas (fig. 63).

Les cendriers fermés rendent moins utiles les capuchons ou registres tournants (fig. 52), qu'on montait autrefois sur les cheminées ; cependant on les conserve sur certaines locomotives munies de cendriers.

Fig. 54.- Visière de cheminée.	Fig. 55. -Chapiteau de cheminée.

Pour éviter la projection des flammèches, surtout quand les locomotives sont chauffées au bois, on a souvent ajouté à la cheminée de grosses enveloppes en tôle, destinées à séparer les parties solides entraînées par le courant gazeux. Le jet qui s'échappe de la cheminée cylindrique (fig. 56) est dévié brusquement par des ailettes, et les escarbilles tombent dans l'enveloppe conique.

33. Échappement.

La disposition de l'échappement a une grande influence sur la production de la chaudière. Le sommet de la tuyère, par laquelle s'échappe la vapeur, ne doit pas s'élever trop haut ; on obtient généralement un bon tirage quand elle ne dépasse pas beaucoup le niveau de la rangée supérieure de tubes. Cette règle n'est pas sans exceptions : c'est ainsi qu'une tuyère élevée donne de bons résultats sur les locomotives du chemin de fer de Lyon, mais avec l'addition, dans la cheminée, d'un noyau plein qui épanouit en cône le jet de vapeur (fig. 52). Les conduits d’échappement doivent être tracés sans coudes brusques, et de manière que les courants venant des deux cylindres ne se contrarient pas. Ce sont là des détails étudiés par le constructeur de la machine, et le mécanicien doit les prendre tels qu'ils sont exécutés. Il peut toutefois vérifier si la tuyère est bien montée dans l’axe de la cheminée, et si, dans l'échappement à valves généralement employé en France (fig. 57), les deux valves s'ouvrent et se ferment symétriquement.

Si la distribution est bien étudiée et bien réglée, les quatre coups d'échappement, par tour de roue, se succèdent à des intervalles égaux ; mais il n'est pas rare que la distribution présente, à certains crans de marche, de petites irrégularités inévitables, qui n'indiquent pas que le réglage soit défectueux.

La tuyère d'échappement peut être formée par un tuyau d'ouverture invariable : on dit que l'échappement est fixe ; ou bien, comme sur la plupart des locomotives françaises, un mécanisme permet de faire varier la section de l'ouverture : l'échappement est alors variable.

Pour activer la combustion, et par suite la production de la vapeur, on réduit la section de la tuyère ou on serre l'échappement ; on augmente ainsi la vitesse du jet de vapeur qui entraîne les gaz du foyer. Or, le serrage de l'échappement, s'il est nécessaire, n'est pas sans présenter des inconvénients : en réduisant la section de passage ouverte à la vapeur, il augmente la contre-pression sur les pistons pendant l'échappement ; avec un échappement très serré, cette contre-pression, qui ne devrait, guère dépasser la pression atmosphérique, prend souvent une valeur double et même encore plus forte : le travail donné par la vapeur s'en trouve réduit. Si on produit plus de vapeur, on l'utilise moins bien. En outre, un échappement très serré provoque des entraînements de combustible. Il est donc important de ne serrer l'échappement que le moins possible.

Les échappements fixes sont forcément toujours assez serrés : cependant, dans quelques cas, la section en est encore trop grande et l'action en est insuffisante ; souvent, au contraire , ils pourraient être plus ouverts, ce qui réduirait la contre-pression sur les pistons. L'échappement variable n'a pas ce défaut, mais à une condition, c'est qu'on s'en serve. Il arrive assez fréquemment que le personnel des machines laisse presque toujours l'échappement variable dans une même position, qui donne un serrage assez fort, et n'y touche que pour augmenter ce serrage, de temps en temps, parfois d'une manière excessive : on force alors la vapeur à s'écouler par un orifice tout à fait insuffisant ; le manque d'arrêts convenables pour limiter la fermeture des valves d'échappement est, en effet, un vice de construction qui n'est pas rare et qu'il est, d'ailleurs, facile de corriger. En agissant de la sorte, on ne tire pas bon parti de l'échappement variable : il n'est pas variable seulement pour réduire l'ouverture moyenne offerte à la vapeur, mais aussi pour l'augmenter toutes les fois qu'on n'a pas besoin d'un tirage énergique. C'est une manœuvre facile, qu'il ne faut pas négliger.

Certains échappements sont annulaires (fig. 58) ; la vapeur sort par une couronne comprise entre deux tuyères concentriques ; les gaz sont aspirés à l'extérieur et à l'intérieur de la nappe de vapeur. Ces échappements annulaires paraissent un peu plus efficaces que les échappements ordinaires, tout en ouvrant un plus large passage à la vapeur. Par contre, il est un peu moins facile d'en rendre variable la section, ce qui est cependant possible (fig. 59).

34. Souffleur.

Le souffleur active le tirage au moyen d'un jet de vapeur prise dans la chaudière et envoyée dans la cheminée. Lors des stationnements, ou en marche, quand le régulateur est fermé, le souffleur permet d'éviter la fumée ; en l'ouvrant avant de fermer le régulateur, on évite le retour de flamme et de fumée par la porte du foyer, retour de flamme salissant l'arrière de la machine, et même dangereux, si la porte est ouverte en grand.

Certains souffleurs lancent un jet unique dans la cheminée, mais on préfère une série de petits jets donnés par les trous d'un tuyau courbé en anneau (fig. 60, 49 et 50) : l'appareil est plus efficace et moins bruyant. Une série de petits trous percés dans le tuyau central de la cheminée de la figure 52 forment un souffleur annulaire.

La dépense de vapeur du souffleur varie suivant la dimension des orifices et l'ouverture du robinet. Avec une pression de 10 kg par cm² dans la chaudière, on peut estimer qu'un souffleur, à 10 trous de 2 mm de diamètre, dépense environ 130 kg de vapeur en une heure, quand le robinet est complètement ouvert.

Pour activer la production d'une locomotive, on ajoute quelquefois l'action du souffleur à celle de l'échappement. C'est une manœuvre fâcheuse parce qu'elle augmente la dépense de vapeur. En se servant avec soin d'un échappement variable, on peut toujours éviter cet emploi anormal du souffleur, du moins si l'échappement est bien disposé. L'amélioration de l'échappement s'impose sur les locomotives pour lesquelles l'action supplémentaire du souffleur serait souvent nécessaire.

35. Boite à feu.

La construction de la boîte à feu se lie à celle du foyer, qu'elle renferme : les principales dispositions en ont été indiquées au paragraphe 23. Une seule tôle peut former les parois latérales et la face supérieure, ou bien on emploie trois tôles rivées ensemble. La face d'arrière est une tôle emboutie, c'est-à-dire à bords rabattus, sur laquelle se rivent les parois latérales et supérieures (fig. 61). Toute la partie inférieure de la plaque d'arrière est entretoisée avec le foyer ; la partie plane supérieure de cette plaque est raidie par des armatures et, en outre, consolidée par des tirants, qui se rattachent au corps cylindrique.

A l'avant, une autre plaque emboutie se rive sur la partie inférieure de la dernière virole du corps cylindrique ; à la partie supérieure, si la boîte à feu forme un berceau demi-cylindrique, ce berceau est rivé directement sur la virole ; sinon une autre plaque emboutie est nécessaire pour le raccordement. Les deux parties embouties d'avant peuvent former une pièce unique.

36. Corps cylindrique.

Le corps cylindrique est formé de deux ou de plusieurs viroles en tôle. Ces viroles sont assemblées à l'aide de rivures à recouvrement (fig. 62), ou à couvre-joints, simples ou doubles. Les couvre-joints s'appliquent à la rivure longitudinale de chaque virole, et à l'assemblage de deux viroles entre elles (fig. 63). Certains couvre-joints longitudinaux ont des largeurs inégales (fig. 64) ; le couvre-joint extérieur, plus étroit, est fixé de chaque côté par une seule rangée de rivets rapprochés ; les secondes rangées de rivets, plus écartés, prennent seulement le couvre-joint intérieur et la tôle de la virole. La virole ne se trouve pas trop affaiblie par les trous rapprochés des premières rangées, puisqu'une rupture de la tôle de virole suivant ces trous ne suffirait pas à détruire l'assemblage ; en outre, une fissure résultant d'un mauvais mattage le long du couvre-joint extérieur est moins dangereuse.

La boîte à fumée se compose d'une virole qui prolonge celles du corps cylindrique, ou bien elle a un plus grand diamètre : la plaque tubulaire est alors rivée sur une cornière circulaire, qui entoure la première virole du corps cylindrique ; les bords en sont rabattus et reçoivent la virole de boîte à fumée (fig. 65).

37. Liaison de la chaudière au châssis.

La chaudière repose sur le châssis par la boîte à fumée et la boîte à feu, souvent aussi en des points intermédiaires. La boîte à fumée est solidement boulonnée au châssis, ou aux cylindres quand ils sont intérieurs ; les écrous placés dans l'intérieur de la boîte à fumée, étant en bronze et à chapeau, ne se brûlent pas et protègent les boulons.

Quand on allume le feu, la chaudière se dilate ou s'allonge en s'échauffant : la dilatation du fer et de l'acier est d'environ 1 mm par mètre quand on en élève la température de 100°.

La température de toutes les parties d'une chaudière n'est pas la même, mais on peut compter en moyenne sur une variation de 150° ou un peu plus entre la chaudière froide et en feu. Si elle est longue de 6 m, elle se dilatera alors de 6 x 1,5 ou 9 mm. Il faut que la boîte à feu puisse glisser sur le châssis : aussi n'y est-elle pas liée par des boulons, mais elle pose sur ses supports. On consolide l'attache par des agrafes, qui s'opposent à la séparation de la chaudière et du châssis lors des trépidations en marche, et quand on soulève la machine par le cadre du foyer.

Il faut que ce glissement de la chaudière sur le châssis se produise toujours librement, de manière à éviter des tiraillements ou des ruptures dans l'une ou l'autre partie de la machine.

38. Dôme.

La plupart des chaudières de locomotives sont munies d'un dôme (fig. 66), en haut duquel on prend la vapeur, le plus loin possible de la surface de l'eau. On évite ou on réduit ainsi l'effet des projections de gouttelettes d'eau, qui peuvent se produire au-dessus de cette surface, et la vapeur est prise plus sèche.

Quant à l'effet du volume plus ou moins grand du dôme, formant réservoir de vapeur, il paraît bien faible ; il convient donc de construire de petits dômes, qui affaiblissent moins la chaudière que les grands et ne gênent pas la vue du personnel.

Le dôme est une pièce de chaudronnerie d'une certaine complication : il se compose souvent d'une tôle envirolée et rivée sur elle-même, ou soudée, reliée au corps cylindrique par une collerette emboutie. Le bord du trou ouvert dans le corps cylindrique doit être consolidé par une doublure. Le dôme est fermé par un fond embouti, sur lequel s'ajuste un plateau démontable, qui porte souvent les soupapes. Les détails de construction des dômes sont d'ailleurs assez variés. Un tuyau intérieur à la chaudière prend la vapeur dans le dôme et la conduit au régulateur, à moins qu'il ne soit monté en haut du dôme même.

Les chaudières des machines Crampton et de quelques autres construites vers la même époque n'ont pas de dôme : la vapeur est prise en haut de la chaudière par un long tuyau, fendu à sa partie supérieure (fig. 67), et formé de deux sections qui s'assemblent dans la boîte en fonte du régulateur.

Des tuyaux analogues à cet appareil Crampton sont quelquefois montés à l'intérieur des chaudières pour amener la vapeur au dôme et en séparer l'eau entraînée ; en général, cette tuyauterie n'a qu'un intérêt secondaire.

39. Manomètre.

Le manomètre, monté sur les chaudières, indique la pression effective que la vapeur exerce sur chaque centimètre carré, c'est-à-dire la pression totale ou absolue, diminuée de la pression de l'atmosphère. C'est un tube creux courbé et élastique, se déformant plus ou moins sous la pression qui s'exerce à l'intérieur. L'extrémité mobile de ce tube commande une aiguille, qui se déplace le long d'un cadran gradué (fig. 68).

La vapeur de la chaudière ne pénètre pas dans le tube du manomètre, dont la chaleur pourrait fausser les indications, mais le tuyau de communication avec la chaudière se remplit d'eau qui transmet la pression.

Quand la chaudière est froide, l'aiguille du manomètre indique le zéro, ce qui veut dire que la pression à l'intérieur de la chaudière ne dépasse pas la pression de l'atmosphère à l'extérieur. S'il règne alors dans la chaudière une pression égale à celle de l'atmosphère, bien qu'elle ne contienne pas de vapeur, c'est parce que l'air y pénètre pendant le refroidissement, quand la vapeur se condense : l'air peut entrer en soulevant le tiroir du régulateur. Pendant le refroidissement d'un récipient de vapeur bien clos, où l'air ne pourrait pas s'insinuer, le vide se ferait (comme avec une pompe à air) par suite de la condensation de la vapeur ; la pression atmosphérique extérieure risquerait alors d'aplatir le récipient, qui peut être capable de résister seulement à la pression intérieure de la vapeur, mais non à une pression extérieure.

Suivant la prescription de l'article 7 du décret du 30 avril 1880, relatif aux appareils à vapeur, une marque très apparente indique, sur l’échelle du manomètre, la limite que la pression effective ne doit point dépasser.

Les manomètres se dérèglent avec le temps : on les vérifie en montant sur la chaudière un manomètre étalon construit avec soin et toujours en bon état. Le mécanicien voit d'ailleurs si l'aiguille du manomètre marque bien la pression supérieure limite, au moment où les soupapes se lèvent, ce qui doit avoir lieu quand manomètre et soupapes sont en bon ordre. On doit signaler, pour le faire réparer, tout manomètre dont l'aiguille donne, à ce moment, une indication erronée d'un quart de kilogramme en plus ou en moins.

Il peut arriver que l'aiguille du manomètre ne retombe pas exactement au zéro quand toute pression effective cesse dans la chaudière ; cela n'a pas une grande importance, si l'indication de l'aiguille est juste à la pression supérieure.

40. Soupapes de sûreté.

La pression effective de la vapeur dans la chaudière, en kilogrammes par centimètre carré, ne doit pas dépasser le nombre inscrit sur le timbre (voir §52). Les soupapes de sûreté sont disposées pour se lever dès que la pression atteint celte limite. La soupape pose sur un siège étroit, contre lequel elle doit ètre bien rodée, afin de ne pas laisser inutilement fuir la vapeur ; on calcule, en kilogrammes, la charge qu'elle doit porter, en multipliant le timbre par le nombre de centimètres carrés contenus dans la surface de l'ouverture fermée par la soupape ; ce produit donne bien la force qui tend à soulever la soupape, quand la vapeur atteint sa tension limite. Ce serait 783 kg pour une soupape de 100 mm de diamètre et un timbre de 10.

Afin d'éviter l'application de lourdes masses sur les soupapes, on les charge fréquemment par l'intermédiaire d'un levier, articulé sur un support fixe : on appelle bras du levier les distances de cette articulation au point qui porte le poids et à celui qui appuie sur la soupape. Si le grand bras est dix fois plus long que le petit bras, appuyant sur la soupape, le poids à suspendre sera le dixième de la charge, calculée comme il est dit plus haut (en négligeant le poids du levier).

Sur les locomotives, le poids fonctionne mal, parce qu'il danse constamment en marche : aussi le remplace-t-on par un ressort à boudin, agissant à 1'extrémité du levier (fig. 69). Cet appareil est souvent désigné par le nom de balance, qui ne convient guère.

On préfère souvent la charge directe par ressort à la charge par levier : le montage de la soupape est un peu plus aisé, et il est moins facile d'en modifier le réglage, qui doit être fait à l'atelier seulement. Dans le montage Webb, les deux soupapes sont disposées à la partie supérieure de deux colonnettes, entre lesquelles se place un ressort unique, qui les charge toutes deux, par l'intermédiaire d'une traverse prolongée vers l'arrière ; ce prolongement permet de les faire jouer à volonté.

Le fonctionnement de la soupape ordinaire n'est pas tout à fait satisfaisant : si elle est bien réglée, elle se lève dès que la pression de la vapeur atteint la valeur du timbre, mais elle ne se lève que fort peu ; dès que la vapeur s'échappe par la fente très étroite qu'ouvre la soupape, la pression qui la soulève ne reste plus aussi grande que lorsqu'elle était fermée : il en résulte que l'ouverture par laquelle sort la vapeur est insuffisante, et la pression peut s'élever dans la chaudière au-dessus du timbre. Il faut alors soulager la soupape à la main, ou desserrer l'écrou sur lequel s'attache le ressort des appareils à levier ; un fourreau en laiton gradué indique, en kilogrammes par centimètre carré, les pressions qui soulèvent la soupape, pour les diverses tensions données au ressort à l'aide de l'écrou de réglage.

La soupape Adams (fig. 70) est chargée directement par un fort ressort à boudin. Une petite gorge entoure la partie reposant sur le siège : dès que la soupape quitte son siège, la vapeur agit sur cette gorge et la soulève davantage ; aussi la soupape Adams débite-t-elle beaucoup de vapeur, avec un diamètre bien plus petit que les soupapes ordinaires. Mais souvent elle en laisse échapper trop, et ne se referme que lorsque la pression est descendue notablement au-dessous du timbre. Dès que le manomètre baisse de plus d'un demi-kilogramme avant la fermeture d'une soupape Adams, il convient de la faire rectifier dans les ateliers ; cette chute de pression ne doit pas dépasser un quart de kilogramme pour les soupapes neuves ou réparées.

La soupape à disque (fig. 71) est chargée par l'intermédiaire d'un levier. Dès que la vapeur soulève cette soupape, la pression baisse dans l'espace compris entre la soupape et le disque inférieur : la pression dans la chaudière, qui s'exerce sans réduction sous ce disque, augmente la levée. Avec une vaporisation très active, la pression ne dépasse guère le timbre augmenté de 0,5, et la fermeture se fait sans trop de retard.

Le disque supplémentaire de la soupape Lethuillier-Pinel (fig. 72) est extérieur et placé à petite distance d'un rebord du siège ; des ailettes guident la soupape et le disque.

Les soupapes de sûreté d'une chaudière doivent toujours être en excellent état, bien rodées sur leur siège, et jouer librement, sans qu'aucun frottement vienne les gêner : caler les soupapes ou seulement en gêner le fonctionnement est une faute des plus graves, et sans excuse. Avec les pressions élevées en usage aujourd'hui, on ne voit guère ce qu'on peut gagner à surcharger les soupapes ; quand on veut forcer la machine, ce n'est pas l'excès de vaporisation, mais bien le manque de pression qui gêne. En calant les soupapes, on suivrait sans motif une ancienne tradition, qui date de l'époque où les pressions trop faibles, adoptées pour les chaudières, devaient être relevées, à tout prix, si l’on voulait obtenir des machines un effort suffisant.

Les mécaniciens et chauffeurs soigneux évitent de perdre trop souvent la vapeur par les soupapes, en réglant bien le feu, en alimentant abondamment la chaudière au moment où la pression approche trop de sa valeur limite, enfin en réchauffant l'eau du tender.

La quantité de vapeur débitée par une soupape de locomotive ouverte en grand est en effet considérable, puisqu'elle doit donner issue à toute la vapeur produite : dans des expériences exécutées sur la soupape représentée fig. 71, avec le diamètre de 90 mm, cette dépense a été d'environ 100 kg par minute. Pour produire ce poids de vapeur, il a fallu brûler 12 kg de houille au moins.

41. Enveloppes des chaudières.

Les chaudières perdent de la chaleur à l'extérieur, surtout les chaudières de locomotives, exposées à de violents courants d'air et à la pluie. Une enveloppe isolante réduit cette perte. On se contente le plus souvent d'une simple tôle mince, portée sur une légère carcasse en fer ou crinoline. C'est l'air enfermé sous cette enveloppe qui ralentit la transmission de chaleur au dehors : l'air est mauvais conducteur de la chaleur. Il ne faut pas que l'air chaud, qui sert d'isolant, puisse s'échapper ; l'enveloppe ne doit donc laisser aucun jour. On réduit encore la perte de chaleur en intercalant, entre la chaudière et son enveloppe, des substances peu conductrices, telles que bois, feutre, liège, scories filées. Les premières de ces substances risquent de se carboniser sur la boîte à feu.

Quelques expériences, faites en Russie, sur une locomotive de dimension moyenne, ont montré que la simple enveloppe de tôle réduisait à moitié la quantité de chaleur perdue par une chaudière sans enveloppe, tandis qu'avec un bon isolant la perte n'était que du tiers. La chaleur perdue, avec l'enveloppe simple de tôle, correspondait, par vingt-quatre heures, à la combustion de 150 kg de bouille en moyenne. Ces expériences ont été faites à petite vitesse : la perte est notablement plus forte à grande vitesse ; elle est encore augmentée par la pluie et par les grands froids.

42. Accessoires des chaudières.

Le sifflet est une cloche en bronze qui vibre quand une nappe de vapeur en frappe le bord ; les vibrations, au nombre de plusieurs centaines ou de plusieurs milliers par seconde, se communiquent à l'air. La note donnée par le sifflet est d'autant plus aiguë que le nombre des vibrations est plus grand ; les sifflets aigus sont plus désagréables, sans qu'ils s'entendent plus loin que les autres. Il est regrettable que tant de sifflets de locomotive laissent à désirer sous ce rapport. En Amérique, les sifflets ont une note grave ; on se sert en outre d'une cloche, qu'on fait tinter dans les gares, à la traversée des villes, et à l'approche des passages à niveau. Un bon mouvement de sifflet donne une ouverture et une fermeture franches, sans tremblements.

Le robinet de vidange, placé à la partie inférieure de la boîte à feu, porte un pas de vis pour recevoir les tuyaux qui servent à l'écoulement de l'eau et au remplissage.

Il est commode de trouver sur les locomotives une prise de vapeur, avec un raccord bien calibré, pouvant recevoir un tuyau flexible : cette prise fournit de la vapeur pour le ramonage des tubes, pour la commande d'un pulsomètre ou d'un éjecteur servant à l'élévation de l'eau, pour le réchauffage de l'eau dans des bouillottes ou dans la chaudière d'une autre locomotive.

Plusieurs orifices sont nécessaires pour le lavage et le nettoyage de la chaudière. Les plus petits sont fermés par des bouchons filetés. Pour que les tringles de nettoyage n'usent pas les filets de vis, on peut placer l'ouverture dans un siège rivé ou vissé, portant un filetage extérieur, sur lequel se visse un chapeau (fig. 73). D'autres ouvertures se ferment à l'aide de tampons autoclaves ou de plateaux extérieurs (fig. 74).

43. Indicateurs du niveau de l'eau.

Deux appareils distincts font connaître le niveau de l'eau dans la chaudière. L'un est le tube en verre, qui laisse voir l'eau même, tube prescrit en France par l'art. 11 du décret du 30 avril 1880. C'est un instrument commode, mais certaines précautions sont nécessaires pour que les indications n'en soient pas trompeuses. Il faut d'abord que les tubulures, qui le font communiquer avec la chaudière, ne se bouchent pas ; quand la machine est en lavage, on y passe une raclette ; en marche, on doit ouvrir le robinet de purge au moins une fois toutes les heures. A défaut de ces précautions, le tube peut rester plein d'eau quand la chaudière se vide.

Le joint étanche du tube en verre dans les tubulures en bronze est assuré au moyen d'une bague en caoutchouc serrée par un presse-garniture (fig. 75). Quelquefois le caoutchouc pénètre en dessous du verre, qui risque alors d'être bouché (fig. 75 bis) : on évite cet accident en plaçant contre la bague en caoutchouc, en dessus et en dessous, une petite tresse en chanvre, à moins que la monture ne soit construite de manière à éloigner suffisamment le caoutchouc de l'extrémité du tube (fig. 75).

Il importe que les robinets du tube de niveau se manœuvrent toujours facilement, pour qu'on puisse les fermer immédiatement si le tube se rompt. Cette manœuvre est aisée et sans danger lorsque la poignée est montée à quelque distance du robinet ; on peut aussi conjuguer les deux robinets de manière qu'ils se ferment ensemble (fig. 76). Ces robinets ne doivent pas fuir. Des robinets qui pleurent ou qu'on ne peut faire tourner font aussitôt juger que le personnel des machines et des dépôts manque de soin. On doit avoir sur chaque locomotive deux ou trois tubes de rechange, coupés à la longueur convenable.

M. Olivier, mécanicien aux chemins de fer de l'Ouest, a imaginé un montage qui facilite beaucoup le remplacement d'un tube : le tube de verre est simplement serré à ses deux extrémités (fig. 77) par l'effet d'un ressort et de la pression de la vapeur : le ressort agit sur une pièce métallique TT, qui passe à travers une garniture. Pour mettre en place un tube, il suffit d'abaisser cette pièce à l'aide d'un petit levier. Les extrémités du tube en verre sont coniques, ce qui en complique la préparation ; il semble qu'on pourrait remplacer ces portées coniques par des faces planes. Ce système ingénieux n'a malheureusement pas fonctionné aussi bien qu'on pouvait l'espérer.

La fermeture de certains niveaux est automatique, pour boucher les issues de l'eau et de la vapeur quand le tube se brise. Ces appareils doivent être étudiés et entretenus avec soin, sinon ils risquent de se fermer à tort, surtout au moment des purges : l'indication du tube est alors faussée. La fermeture automatique est produite par de petites billes ou par des soupapes coniques (système Serveau, fig. 78).

Le second appareil de niveau se compose de robinets de jauge. On ne doit pas attendre, pour s'en servir, que le tube de verre soit cassé, mais il faut les faire jouer au moins une ou deux fois par jour : on s'assure ainsi qu'ils sont en bon état, et on contrôle l'indication du tube de verre. On remplace quelquefois ces robinets par un second tube en verre ; les indications des deux tubes se vérifient réciproquement.

Pour atténuer les effets désastreux d'un manque d'eau, le ciel du foyer porte deux bouchons fusibles (fig. 79), dont le plomb fond quand il n'est plus refroidi par l'eau. La vapeur éteint alors le feu et la machine ne peut continuer sa marche. Il faut construire avec soin ces bouchons, et on ne doit pas les laisser s'entartrer ; car le plomb pourrait se détacher ou fondre sans que l'eau ait manqué.

La limite inférieure du niveau de l'eau, marquée sur la chaudière, doit être à 10 cm au-dessus du foyer ; le décret du 30 avril 1880 n'exige que 6 cm. Les mécaniciens feront bien de profiter d'un lavage de la chaudière pour vérifier, par une des ouvertures de la boîte à feu, si la plaque indicatrice est bien montée sur leur machine.

44. Alimentation.

Pour introduire l'eau dans la chaudière, de manière à en maintenir convenablement le niveau, c'est-à-dire pour alimenter la chaudière, on se sert soit de pompes, soit d'injecteurs.

Les pompes, qui, avant l'invention de Giffard en 1862, étaient seules employées, ont cédé la place, sur presque toutes les locomotives, aux injecteurs, plus simples, moins sujets aux avaries, et permettant d'alimenter pendant les stationnements. On a quelquefois conservé la pompe pour alimenter avec de l'eau fortement réchauffée par la vapeur d'échappement.

L'alimentation peut être continue ou discontinue : si la machine fait un long parcours en palier ou sur une rampe uniforme, la dépense de vapeur est régulière, et le mieux est de maintenir toujours l'eau au même niveau par une alimentation constante ; mais parfois le débit des injecteurs ne peut être réglé de manière à la réaliser : si ce débit est supérieur à la dépense de vapeur, l'injecteur ne peut fonctionner que par intermittences.

Sur les profils très variables, au contraire, l'alimentation discontinue est commode. La chaleur fournie par le combustible doit d'abord échauffer l'eau jusqu'à la température de la vapeur, puis ensuite la vaporiser : l'eau étant prise à 15° et la pression étant de 10 kg par cm², on a vu que plus du quart de la chaleur échauffe l'eau (jusqu'à 183°) et moins des trois quarts la vaporisent. Quand on arrête l'alimentation, il n'entre plus d'eau froide dans la chaudière ; toute la chaleur qui y pénètre sert alors à transformer l'eau chaude en vapeur : la quantité de vapeur produite peut être ainsi augmentée, sans que la pression tombe. Mais le niveau de l'eau s'abaisse, et il ne faut pas un temps bien long pour qu'il arrive à sa limite inférieure.

La suppression de l'alimentation offre toutefois une ressource précieuse pour franchir de courtes rampes. Une abondante alimentation doit suivre, pour réparer les pertes de la chaudière : elle se fera facilement si à la rampe succède une pente sur laquelle on peut fermer le régulateur ou ne dépenser que peu de vapeur.

Pour obtenir toutes les ressources que donne l'alimentation discontinue, un mécanicien doit bien connaître le parcours de la ligne qu'il suit : il est d'ailleurs souvent difficile, sans abaisser la pression, de relever le niveau de l'eau si on l'a trop laissé tomber. En outre, l’abaissement excessif du niveau de l'eau, en montant les rampes, est dangereux, par suite du mouvement de bascule fait par la locomotive en passant de la rampe à une pente ou même à un palier.

45. Tuyauterie d'alimentation.

Les appareils d'alimentation exigent des tuyaux souvent longs et compliqués. La tuyauterie est distincte pour chacun des injecteurs, qui reçoit le tuyau d'arrivée d'eau, le tuyau d'amenée de vapeur et le tuyau de refoulement. A la prise de vapeur sur la chaudière est installé un robinet à boisseau ou, de préférence, à soupape.

Pour réduire le nombre des trous percés dans les tôles, on monte une série de prises de vapeur sur une colonnette unique fixée à l'arrière de la chaudière (fig. 80).

Le tuyau de refoulement aboutit à la chapelle de refoulement (fig. 81) sur la chaudière, qui doit, d'après le décret du 30 avril 1880, être munie d'une soupape se fermant d'elle-même. Un robinet ou une soupape permet d'isoler de la chaudière la soupape automatique ; la visite de cette soupape, quand la locomotive est en pression, présente quelque danger, car on risque d'être brûlé par l'eau chaude, si on s'est trompé sur la position de fermeture du robinet, ou s'il n'est pas étanche.

Les tuyauteries demandent un entretien assujettissant quand il gèle : elles doivent être revêtues de matières isolantes, et il faut avoir soin de ne jamais les laisser pleines d'eau quand elles ne servent pas. Il y a intérêt à les simplifier, par exemple en montant directement les injecteurs sur la face arrière des chaudières (§47).

46. Pompes.

Les pompes sont à piston plongeur, jouant à travers une garniture ; les soupapes d'aspiration et de refoulement sont parfois des boulets creux en bronze. Le piston est commandé par une bielle, qui s'articule sur le collier d'un des excentriques de distribution (fig. 82), ou bien est mené directement par la tige du piston.

Pour alimenter, on ouvre la prise d'eau sur le tender ; on la referme quand on veut arrêter l'alimentation. Le robinet d'épreuve, monté sur le tuyau de refoulement, permet de vérifier si la pompe refoule effectivement de l'eau : il doit lancer un jet au dehors quand il est ouvert.

A grande vitesse, les pompes donnent souvent des chocs violents. On cherche à éviter ces chocs en traçant les appareils de manière à supprimer toute brusque déviation de l'eau, et surtout en faisant usage de soupapes à très faible levée, qu'on multiplie de manière à obtenir une section de passage suffisante.

Quand l'eau aspirée est très chaude, les pompes fonctionnent difficilement. On en facilite la marche en perçant dans le corps de pompe un très petit trou, qui donne lieu à une fuite d'eau insignifiante pendant le refoulement.

47. Injecteurs.

Bien que différant d'aspect, la plupart des injecteurs comportent les mêmes organes essentiels. La tuyère laisse écouler avec nue grande vitesse un jet de vapeur venant de la chaudière, lorsque la prise de vapeur est ouverte ; il convient que cette vapeur soit bien sèche : aussi faut-il la prendre dans le dôme ou au moins dans la partie supérieure de la chaudière. La tuyère débouche dans l'axe de la chambre ou cheminée, simple ajustage conique, ou composée de plusieurs cônes convergents ; cette chambre ou cheminée reçoit l'eau par une prise spéciale ; la vapeur se condense au contact de l'eau et il se forme un jet d'eau chaude animé d'une grande vitesse, quoique bien inférieure à celle qu'aurait le jet de vapeur seule.

Ce jet d'eau chaude traverse un espace dit trop-plein, qui communique librement avec l'extérieur : le jet est donc soumis, en cet endroit, à la seule pression de l'atmosphère. C'est par le trop-plein que s'écoule l'eau ou la vapeur lors de l'amorçage de l'injecteur. En traversant le trop-plein, le jet d'eau chaude peut entraîner de l'air, qui pénètre dans la chaudière ; or la présence de l'air risque à la longue d'altérer les tôles ; aussi plusieurs injecteurs ont-ils sur le trop-plein une soupape qui se ferme du dehors au dedans ; cette soupape ne s'oppose pas à la sortie d'eau et de vapeur lors de l'amorçage, mais se referme quand une aspiration se produit, l'injecteur étant amorcé.

Enfin le jet rapide qui traverse le trop-plein pénètre dans un conduit appelé divergent à cause de sa forme, où la vitesse se ralentit et où en même temps la pression augmente , suivant un principe de mécanique ; si la vitesse à l'entrée du divergent est assez grande et si elle se ralentit suffisamment par suite de l'élargissement du conduit, la pression croît assez pour atteindre et dépasser celle de la chaudière ; l'eau y pénètre alors, en soulevant la soupape de retenue, qui empêche la vidange de la chaudière lorsque l'appareil ne marche pas.

La dimension d'un injecteur la plus importante à connaître est le diamètre du divergent à sa section la plus étroite, auprès de son embouchure : de ce diamètre dépend, pour chaque type d'injecteur, la quantité d'eau qu'il peut refouler. Le numéro de l'injecteur est souvent ce diamètre exprimé en millimètres.

Les qualités principales qu'on recherche dans un injecteur, qualités qui, dans chaque cas, font préférer tel ou tel appareil, sont les suivantes :

• Facilité de la manœuvre et sûreté de l'amorçage, que le personnel des locomotives apprécie tout particulièrement ;
• Fonctionnement avec de l'eau assez chaude, ce qui permet des économies en réchauffant l'eau du tender au lieu de laisser perdre la vapeur par les soupapes ;
• Débit variable à volonté, de sorte qu'on puisse régler une alimentation continue ;
• Simplicité de la construction et facilité de l'entretien.

Les injecteurs aspirants peuvent être montés au-dessus du niveau de l'eau dans la bâche où ils la puisent ; les injecteurs non aspirants doivent recevoir l'eau en charge, ce qui oblige à les placer en dessous du tablier de la locomotive.

On trouve encore en service l'injecteur Giffard, à peu près tel qu'il est sorti des mains du célèbre inventeur (fig. 83) : l'aiguille, manœuvrée par une petite manivelle, ferme ou ouvre plus ou moins la tuyère par laquelle s'échappe la vapeur prise à la chaudière. Il faut fermer cette aiguille avec douceur, car, poussée fortement, elle peut faire éclater la tuyère dans laquelle elle se coince. Le petit jet de vapeur, que laisse passer la tuyère entrouverte, entraîne l'air lors de la mise en marche, et appelle l'eau par suite de la diminution de la pression dans le tuyau d'aspiration.

La tuyère avec l'aiguille peut glisser dans le corps de l'injecteur, sous l'action de la vis commandée par une grande poignée ; on ouvre ainsi plus ou moins le passage de l'eau. Il ne faut pas que la vapeur puisse fuir à l'extérieur de la tuyère et pénétrer par là dans la chambre ou cheminée : une garniture s'oppose à cette fuite. La nécessité de cette garniture intérieure est le principal défaut de l'injecteur Giffard ; dans les types de Turck, et des chemins de fer de Lyon (fig. 84), la pièce qui porte la tuyère et le divergent est mobile entre deux garnitures, qu'on resserre de l'extérieur. Le trop-plein s'ouvre librement au dehors. Un clapet ou une soupape ferme l'extrémité du divergent, du côté du refoulement à la chaudière.

Pour faire fonctionner l'injecteur Giffard, on règle le passage de l'eau, à l'aide de la grande poignée, en réduisant l'ouverture d'autant plus que la pression dans la chaudière est plus forte. On manœuvre l'aiguille de manière à ouvrir d'abord un étroit passage à la vapeur pour aspirer l'eau, puis on augmente l'ouverture.

Un injecteur Giffard, avec divergent de 9 mm de diamètre à l'endroit le plus étroit, peut refouler dans une chaudière, dont la pression est de 10 kg par cm², 60 à 120 litres d'eau prise au tender par minute. Ces nombres deviennent 80 à 130 pour la pression de 13 kg par cm², et 40 à 100 pour celle de 7 kg par cm².

Dans l'injecteur Sellers (fig. 85), la vapeur non seulement sort par la tuyère, mais forme en outre une petite nappe autour de cette tuyère. La soupape, commandée par un levier, commence par donner passage seulement à cette nappe auxiliaire de vapeur, à cause du téton qui s'engage dans la tuyère : elle produit alors l'aspiration de l'air, puis de l'eau, à la mise en train. L'entrée de l'eau est réglée par une soupape à vis. La chambre, où se mêlent l'eau et la vapeur, est un long cône percé d'une série d'ouvertures en communication avec le trop-plein. Une soupape, s'appliquant de l'extérieur vers l'intérieur, s'oppose à l'aspiration de l'air, et peut être fermée quand on se sert de la prise de vapeur pour réchauffer l'eau du tender. Une soupape, au bout du divergent, empêche tout retour d'eau de la chaudière. Un injecteur Sellers débite un peu plus d'eau qu'un injecteur Giffard à divergent de même diamètre (70 à 140 litres, sous la pression de 10 kg, au lieu de 60 à 120). Il fonctionne encore avec de l'eau à la température de 50°. La manœuvre en est très facile, mais l'appareil doit être très bien construit et bien entretenu. Il faut notamment que la fente annulaire, qui donne la nappe auxiliaire de vapeur autour de la tuyère, ne soit pas trop large.

L'injecteur Friedmann et Lavezzari (fig. 86), a beaucoup d'analogie avec le précédent. Cet injecteur est aussi disposé pour se placer verticalement, contre la face arrière des chaudières ; alors un tuyau intérieur prend la vapeur sèche dans le dôme ; un autre tuyau porte l'eau refoulée vers le milieu du corps cylindrique. Ce tuyau de refoulement est d'ordinaire recourbé de manière à toujours plonger dans l'eau ; mais on ne voit pas d'inconvénient à le maintenir horizontal sur toute sa longueur et à le faire déboucher dans la vapeur. Cette alimentation dans la vapeur, qu'on craignait autrefois, ne paraît pas nuisible ; au contraire, elle offre certains avantages : l'eau arrive moins froide sur les tôles du fond de la chaudière, et les dépôts qu'elle laisse sont moins adhérents. Le tuyau de refoulement intérieur se remplit à la longue d'incrustations, et doit être visité et au besoin remplacé lors des réparations de la chaudière, ou bien si l'injecteur refuse de fonctionner sans qu'on eu trouve d'autre cause.

Les injecteurs non aspirants sont en général plus simples que les autres ; mais leur position en rend la manœuvre un peu moins commode. Ces injecteurs n'ont que des cônes fixes ; l'admission de la vapeur s'y règle par la soupape de prise montée sur la chaudière, et celle de l'eau par le robinet que porte l'injecteur.

Tel est l'injecteur Friedmann (fig. 87), remarquable par la facilité de démontage ; en dévissant le chapeau fileté qui le ferme en bout, du côté du refoulement, on peut extraire tout le système des cônes intérieurs, sauf la tuyère à vapeur. Dans cet appareil, la tuyère qui donne le jet de vapeur s'évase vers son débouché ; la chambre comporte deux cônes successifs ; sur le trop-plein, une soupape, se fermant de l'extérieur vers l'intérieur, empêche l'aspiration de l'air ; on immobilise cette soupape à l'aide d'une vis quand on veut envoyer la vapeur au tender pour en réchauffer l'eau. Enfin le divergent débouche sous une soupape qui s'oppose à tout retour de l'eau de la chaudière. Cet injecteur prend de l'eau tiède jusqu'à 45 ou 50° ; avec un divergent de 9 mm, il débile 75 à 150 litres d'eau par minute, sous la pression de 10 kg par cm².

L'ancien injecteur des chemins de fer du Nord (fig. 88) est encore plus simple : il est réduit à ses pièces essentielles, qu'on voit clairement sur le dessin. En n est la tuyère d'arrivée de vapeur, en a la chambre, qui reçoit l'eau en charge lorsqu'on ouvre la soupape f : le jet s'écoule par le cône o, traverse le trop-plein h, où la soupape k empêche l'aspiration de l'air, et pénètre dans le divergent p, muni du clapet automatique q.

L'arrêt prolongé de l'alimentation entraîne une détresse. C'est pourquoi les locomotives sont habituellement munies de deux injecteurs, qui ne peuvent guère manquer à la fois, à moins que l'eau du tender ne soit trop chaude. Les chances d'avarie des injecteurs, bien entretenus, sont d'ailleurs si faibles qu'on s'est longtemps contenté d'en avoir un seul sur les locomotives du chemin de fer de Lyon. Outre la température trop élevée de l'eau du tender, les principales causes qui peuvent faire rater un injecteur sont les suivantes :

• La vapeur est trop humide, fait qui ne doit pas se produire, môme quand le niveau de l'eau est très élevé dans la chaudière, si la prise de vapeur est bien établie ;
• L'injecteur ou un de ses tuyaux est bouché par un morceau de chiffon, ou par la matière d'un joint pénétrant à l'intérieur : il n'y a que la visite de l'appareil qui permette de remédier à cette conséquence d'une fâcheuse négligence ;
• L'injecteur est entartré : comme le dépôt de tartre ne se forme que lentement, cette circonstance indique un manque d'entretien ;
• Une rentrée d'air par les rotules peut empêcher l'amorçage d'un injecteur aspirant ;
• Lorsqu'un injecteur est très chaud, par suite de plusieurs tentatives d'amorçage, le fonctionnement peut en devenir plus difficile encore : il faut tâcher de le refroidir (ce qui est facile pour l'injecteur non aspirant, en laissant couler par le trop-plein l'eau du tender) ;
• Enfin l'usure, le déplacement, la rupture des organes, les fuites intérieures dans l'injecteur Giffard, peuvent paralyser ou gêner le fonctionnement.

Quelquefois, après avoir passé en revue inutilement toutes les causes vraisemblables qui peuvent empêcher la marche d'un injecteur, on finit par s'apercevoir qu'on a été chercher midi à quatorze heures, comme on dit familièrement, et qu'une cause très simple paralyse l'appareil : on découvrira, par exemple, que le robinet de la chapelle de refoulement est fermé.

48. Injecteurs à vapeur d'échappement.

On a souvent cherché à réduire la dépense de combustible dans les locomotives en réchauffant l'eau d’alimentation à l'aide d'une partie de la vapeur d'échappement ; la quantité de vapeur ainsi détournée, ne dépassant pas le quart ou le cinquième de ce que rejettent les cylindres, ne paraît pas assez grande pour que le tirage en soit notablement réduit. L'économie due au réchauffage de l'eau est évidente : mais on n'aime guère à monter sur les locomotives des appareils qui ne sont pas indispensables. L'injecteur à vapeur d'échappement est un de ces appareils. Au sortir du cylindre, la vapeur s'échappe avec une vitesse assez grande pour alimenter un injecteur convenablement disposé, pourvu que la pression au refoulement ne dépasse pas 4 ou 5 kg par cm². Pour les pressions plus élevées, qui existent dans la chaudière de locomotive, on ajoute à l'appareil une petite tuyère supplémentaire, qui reçoit directement la vapeur de la chaudière. En outre, dans l'appareil Davies et Metcalfe, l'eau envoyée par l'injecteur à vapeur d'échappement traverse un second injecteur, mis en action par la vapeur prise à la chaudière.

Un inconvénient accessoire de cet emploi de la vapeur d'échappement est l'envoi dans la chaudière de matières grasses provenant des cylindres : on tâche de séparer ces matières de la vapeur avant qu'elle n'entre dans l'injecteur.

49. Dépôts dans les chaudières.

L'eau qui sert à l'alimentation des chaudières est quelquefois bourbeuse : le sable et la terre qu'elle contient se déposent à l'intérieur de la chaudière. En outre, la plupart des eaux, même très claires, renferment en dissolution des substances solides. Tout le monde sait que le sel marin se dissout dans l'eau ; ce corps se rencontre quelquefois dans les eaux qu'on donne aux locomotives ; plus souvent le carbonate de chaux (craie) et le sulfate de chaux (pierre à plâtre) existent dans les eaux les plus limpides, en proportions variables. Ces substances restent dans la chaudière quand on vaporise l'eau, et en tapissent les parois intérieures. C'est surtout le sulfate de chaux qui forme des dépôts durs et adhérents, beaucoup plus nuisibles que les dépôts bourbeux ou pulvérulents, qui sortent avec l'eau quand on vide la chaudière. Un peu soluble dans l'eau froide, le sulfate de chaux est insoluble à la température de 140° et se dépose dès que l'eau atteint cette température dans la chaudière.

La proportion des matières solides dissoutes dans l'eau, qu'on mesure par l'évaporation de l'eau, est très variable. Certaines eaux, exceptionnellement pures, ne contiennent que quelques centigrammes de matières solides par litre ; très fréquemment, le résidu est de 20 à 30 centigrammes par litre ; enfin il s'élève parfois à un gramme et au-dessus : on n'emploie des eaux aussi impures que par absolue nécessité.

Voici quelques exemples du résidu par litre laissé par des eaux, employées pour la plupart à l'alimentation des locomotives :

Souvent on essaye rapidement les eaux au moyen d'une dissolution titrée de savon dans l'alcool, qui, versée dans l'eau, ne produit de mousse que lorsque les sels dissous ont été neutralisés par le savon. On obtient ainsi ce qu'on appelle le titre hydrotimétrique de l'eau. Un degré hydrotimétrique correspond à un poids déterminé de chaque sel, à 1,2 cg de sel marin par litre d'eau, à 1,03 cg de carbonate de chaux, à 1,4 cg de sulfate de chaux.

Dans les chaudières, les matières solides abandonnées par l'eau forment des poudres, des boues et des croûtes dures. Les croûtes recouvrent le foyer et les tubes et rendent plus difficile la transmission de la chaleur : le métal en contact avec le feu et les gaz chauds ne touche plus l'eau, si bien qu'il s'échauffe beaucoup et risque de s'altérer. Les dépôts sont une cause importante de détérioration des chaudières ; en outre, comme la suie dans les tubes, ils réduisent l'effet utile du combustible.

Certaines eaux d'alimentation tiennent en dissolution du sel marin, qui se concentre dans l'eau de la chaudière ; une proportion de sel un peu forte gène la production de la vapeur : l'eau devient mousseuse, et cette mousse, entraînée par la vapeur, remplit les cylindres d'eau tandis que la chaudière se vide. Quand on est obligé d'employer des eaux tenant ainsi du sel en dissolution, il faut, par de fréquentes vidanges de la chaudière, empêcher la dissolution de se concentrer jusqu'à produire cet effet.

50. Désincrustants.

Certains produits, appelés désincrustants, mis dans l'eau des chaudières, empêchent les dépôts solides d'adhérer aux tôles ; pris à la lettre, ce mot signifie que non seulement ces substances empêchent les incrustations de se former, mais qu'elles peuvent décaper les tôles entartrées. Cet effet se produit quelquefois ; du reste, l'action de ces corps est fort variable, suivant la nature des eaux d'alimentation.

Les désincrustants ont tantôt une action chimique, et forment des produits solubles, qui restent dissous dans l'eau, en place des substances insolubles, qui constituent les dépôts ; tantôt leur action est mécanique : ils donnent lieu à la formation de poudres ou de boues, faciles à extraire lors des vidanges, au lieu de croûtes dures et adhérentes. La fécule de pomme de terre est le plus simple de ces désincrustants à action mécanique.

Le sulfate de chaux est décomposé par le carbonate de soude, dissous dans l'eau d'alimentation : il se dépose du carbonate de chaux, et il reste en dissolution du sulfate de soude, sel fort soluble.

On prépare des liquides antitartriques, qu'on ajoute à l'eau des tenders, en dissolvant dans l'eau du carbonate de soude ou de la soude, et des extraits de bois de campêche, de châtaignier, de quebracho. Par exemple, on ajoute à 78 litres d'eau 10 kg de carbonate de soude et 12 kg d'extrait de châtaignier (formule des chemins de fer de l'Est). Le carbonate de soude agit chimiquement et décompose le sulfate de chaux, qui forme les croûtes les plus dures sur les tôles ; l'extrait de bois de châtaignier paraît empêcher l'adhérence des précipités qui se forment. Pour un service moyen, on verse dans le tender deux litres par jour de ce liquide et quatre litres après chaque lavage. Cette dose peut être augmentée ou diminuée suivant le service de la locomotive.

On prépare un autre liquide, à base de quebracho, en faisant bouillir dans l'eau, pendant plusieurs heures, la poudre de ce bois, additionnée de soude caustique : le poids de la soude est la moitié du poids du bois (formule des chemins de fer de l'Ouest).

Le bois de quebracho abonde dans la république Argentine, où il fournit d'excellentes traverses de chemin de fer, car il ne s'altère pas à l'humidité : des pieux provenant de palissades, établies il y a plus de cent cinquante ans, sont encore parfaitement sains. Ce bois est très dense : il pèse 1 250 kg par mètre cube.

51. Épuration des eaux.

On réduit beaucoup les dépôts dans les chaudières, en épurant au préalable les eaux. Cette épuration consiste à précipiter, au moyeu de réactions chimiques, les matières solides dissoutes dans l'eau ; on en sépare ensuite les sels précipités, en faisant passer l'eau à travers des filtres ou en la laissant séjourner dans des bassins de décantation. On produit ainsi les dépôts avant que l'eau n'entre dans les chaudières. L'épuration préalable n'arrive pas en pratique à débarrasser entièrement l'eau de toute substance pouvant former des dépôts, mais réduit beaucoup la proportion de ces substances.

Avantageuse pour des eaux très incrustantes, l'épuration est moins utile pour celles de qualité moyenne ; dans chaque cas, on peut estimer, en faisant le devis de toutes les dépenses, s'il y a bénéfice ou non à installer les appareils nécessaires. De telles installations sont nombreuses sur le réseau du chemin de fer du Nord.

52. Épreuves des chaudières.

On vérifie la résistance des chaudières neuves, réparées, ou en service depuis dix ans au plus, en les essayant à une pression qui dépasse de 6 kg par cm³ la pression effective la plus grande de marche. Cette pression n’est pas obtenue avec la vapeur, ce qui serait fort dangereux en cas d'avarie, mais avec de l'eau refoulée par une pompe. L'excès de pression, 6 kg par cm², est utile, car, à pression égale, la fatigue de la chaudière est moins grande à froid. Chauffée, la chaudière s'allonge ou se dilate : les effets de la dilatation sont bien visibles sur la locomotive en service. Mais toutes les feuilles du métal ne sont pas également chaudes : les dilatations inégales causent en certains points des tiraillements et des efforts qui s'ajoutent à la pression de la vapeur. La rupture des tôles pendant l'essai n'est pas dangereuse, pourvu que la chaudière soit entièrement remplie d'eau et ne contienne pas d'air.

Après l'épreuve, les agents du service des mines poinçonnent une médaille ou timbre fixé à la chaudière et portant l'indication de la pression effective la plus forte qu'elle doive supporter, en kilogrammes par centimètre carré.

Lorsque la pression du timbre est inférieure à 6 kg par cm², ce qui n'est pas le cas des locomotives, la pression effective d'épreuve est le double de la pression effective de marche ; la surcharge d'épreuve est au moins de 0,5 kg par cm² pour les récipients travaillant à une très faible pression effective.

53. Explosions.

De 1840 à 1897, 36 locomotives ont fait explosion en France et en Algérie. Cette statistique présente d'ailleurs quelque incertitude, car il est difficile de préciser ce qu'on entend par explosion : la rupture d'un tube, par exemple, ou une petite déchirure, donnant lieu à une fuite légère, peuvent être ou non comptées comme explosions. Même lorsqu'il n'y a pas de projections violentes, ces accidents sont toujours dangereux à cause de la gravité des brûlures causées par l'eau chaude et la vapeur. La figure 89 représente une chaudière dont une explosion a détruit le corps cylindrique.

On s'explique les effets destructeurs de certaines explosions en songeant à la puissance de la vapeur, qui se forme subitement et en grande quantité, lorsque toute la masse d'eau qui remplit la chaudière, à une température élevée, est instantanément déchargée de la forte pression qu'elle subissait et soumise seulement à celle de l'atmosphère. Avec une pression effective de 10 kg par cm² l'eau est à 183° ; sa température tombe à 100° dès que cette pression cesse, et la chaleur ainsi abandonnée transforme une partie de l'eau en vapeur (environ 150 g par kg d'eau). Il y a ainsi formation subite d'une masse énorme de vapeur, qui chasse tout devant elle.

La figure 90 (d'après le journal anglais Engineering) montre une locomotive projetée par l'explosion de sa chaudière sur un tender et une autre locomotive qui la précédaient, en double traction ; cet accident s'est produit en Norvège, dans le cours de l'année 1890.

Les causes des explosions sont de trois sortes : l'insuffisance de résistance de la chaudière neuve, la corrosion des tôles, la maladresse ou l'imprudence du personnel.

Une chaudière neuve peut ne pas être assez solide, soit parce que les formes, les épaisseurs de tôles, les sections de tirants, sont mal déterminées, soit parce que les tôles sont mauvaises ou l'exécution est défectueuse. Ces circonstances se présentent rarement pour les locomotives, qui sont étudiées avec soin et d'après les données d'une longue pratique, et dont la construction est généralement soignée. L'épreuve obligatoire à la presse n'est pas une garantie entière contre cette cause d'accidents, car les efforts pendant l'épreuve et en service ne sont pas exactement les mêmes.

Si bonne que soit une chaudière au début, la corrosion des tôles, qui finit toujours par se produire en certains points, la rendrait dangereuse à la longue : les visites soigneusement faites, les réparations ou les remplacements en temps opportun écartent ce danger.

La détérioration est hâtée par un mauvais emploi des appareils et par le manque de soin, par les refroidissements brusques, les petits coups de feu, les fuites qui rongent la tôle à l'extérieur.

Enfin, les fautes du personnel, pouvant provoquer une explosion immédiate, sont de deux sortes : le manque d'eau et l'excès de pression, résultant du calage ou de la surcharge des soupapes.

54. Combustibles.

On brûle dans les locomotives les combustibles les plus variés, suivant les ressources des contrées qu'elles parcourent : les diverses variétés de houilles, y compris les anthracites et les lignites ; les produits qui en dérivent, coke, briquettes, goudrons ; les pétroles ; la tourbe ; le bois.

La tourbe est le produit de l'altération de végétaux ; elle se forme encore actuellement. Elle contient principalement du carbone, des cendres, et une grande proportion d'eau, qu'on élimine partiellement en faisant bien sécher les morceaux, découpés avec le louchet dans les bancs tourbeux. Une bonne tourbe peut produire en brûlant à peu près la même quantité de chaleur qu'un poids égal de bois.

L'eau forme encore le quart ou le cinquième du poids des bois bien secs. Le stère ou mètre cube de rondins, secs, pèse 400 à 500 kg avec les bois durs (hêtre, chêne, charme, frêne, érable, bouleau, etc.), de 300 à 400 kg avec les bois résineux (pin, sapin, etc.), et de 200 à 300 kg avec les bois tendres (châtaignier, tilleul, tremble, saule, peuplier, etc.). Le pouvoir calorifique des bois, contenant en poids un cinquième d'eau, est d'environ 3.000 calories par kilogramme.

55. Houilles.

Les principaux éléments de la houille, carbone, matières volatiles, cendres, ont été mentionnés au paragraphe 12. Il existe de nombreuses espèces de houille, dont les compositions sont assez différentes : c'est surtout la proportion des matières gazeuses, par rapport à celle du carbone fixe, qui les caractérise.

L'anthracite ne contient guère que du carbone et des cendres, avec fort peu de matières volatiles. Il s'enflamme difficilement et les morceaux isolés s'éteignent rapidement ; mais en masse il donne un très bon feu avec peu de flamme et sans fumée. Quelques espèces d'anthracite décrépitent ou se brisent en petits fragments sous l'action de la chaleur : cette propriété en rend l'emploi plus difficile. L'anthracite abonde en Pennsylvanie : l'ingénieur Wootten y a construit des locomotives à très vaste grille (comme celles de feu M. Belpaire, en Belgique) pour le brûler en menus morceaux. On exploite aussi l'anthracite dans le pays de Galles et, en France, dans le département de l'Isère.

Les houilles maigres se rapprochent des anthracites, mais renferment un peu plus de matières gazeuses : en calcinant dans un creuset 100 g de cette houille, supposée privée de cendres, on chasse 7 à 10 g de gaz, et il reste 93 à 90 g de carbone. Ces houilles brûlent avec une flamme courte et donnent peu de fumée.

Les houilles demi-grasses renferment un peu plus de matières volatiles (10 à 15 g pour 90 à 85 g de carbone fixe) ; les fragments s'agglutinent au feu.

Les houilles grasses tiennent encore plus de matières volatiles (15 à 20 g pour 85 à 80 de carbone fixe) ; elles se ramollissent au feu, fondent en partie et se prennent en masse : parfois on les appelle houilles maréchales, à cause de l'emploi qu'on en fait dans les forges.

Les houilles sèches à longue flamme ou flambantes sont les plus riches en matières gazeuses (20 à 23 g pour 80 à 75 g de carbone fixe). Elles ne s'agglomèrent pas au feu, et brûlent avec flamme et fumée abondantes. Ces houilles sont assez rares en France ; on en trouve beaucoup en Ecosse.

Le pouvoir calorifique d'un kilogramme de houille pure, complètement débarrassée de cendres et d'humidité, est d'environ 9000 calories. On trouve d'ailleurs des différences assez importantes pour les diverses espèces de houilles, le pouvoir calorifique pouvant s'abaisser à 8000 calories et s'élever à 9600.

Les lignites sont des combustibles minéraux qui proviennent de couches moins anciennes que celles des véritables terrains houillers. Il en existe d'assez nombreuses variétés. Le plus souvent, le lignite est de couleur brune ou noire, plutôt terne que brillante. Il donne une fumée abondante d'une odeur désagréable ; il renferme une forte proportion d'eau, de sorte qu'à poids égal le pouvoir calorifique est moindre que celui de la houille.

La plupart des mines divisent la houille en plusieurs catégories, suivant la grosseur des morceaux, en la faisant passer sur des grilles et des cribles à mailles diversement espacées. Les morceaux de la plus grande taille forment la grosse houille, facile à emmagasiner et pouvant se conserver longtemps sans altération. On doit enlever de la grosse houille, par un triage à la main, sur le carreau des mines, les fragments qui contiennent trop de matières pierreuses non combustibles. La grosse houille se brûle facilement ; elle laisse une large place pour le passage de l'air nécessaire à la combustion. Certaines sortes de houille donnent beaucoup de gros morceaux ; d'autres, très friables, n'existent guère sous cette forme.

On distingue de nombreuses catégories suivant la grosseur des morceaux : ces classifications varient d'ailleurs avec les localités ; l'expression assez générale de gailleterie désigne les petits morceaux à peu près gros comme le poing, commodes surtout pour le chauffage domestique.

Le mot tout-venant désigne la houille telle qu'elle sort de la mine, les morceaux de toutes grosseurs étant confondus. En réalité on appelle souvent tout-venant des houilles dont on a déjà séparé, en partie du moins, soit les plus gros morceaux, soit les menus les plus fins.

Pendant longtemps on n'a guère utilisé que les houilles en morceaux, en rejetant les menus, sauf ceux qui se collent au feu et qu'on pouvait transformer en coke. Les autres menus étaient perdus en grande partie : c'était un véritable gaspillage des richesses limitées qui existent dans les terrains houillers. Les prix extrêmement bas de ces menus peu recherchés ont décidé plusieurs industriels et ingénieurs de chemins de fer à les employer ; quand on a pris les dispositions convenables pour cet emploi, on a facilement réussi, comme lorsqu'on a substitué au coke la houille en morceaux ; on a reconnu que le combustible menu pouvait, tout aussi bien que le gros combustible, servir à la production de la vapeur : il suffit de le brûler sur une grille d'étendue assez grande, car il laisse passer l'air moins facilement que les morceaux de grande taille.

Les menues houilles ont même certains avantages spéciaux sur les gros combustibles : elles peuvent être débarrassées, par le lavage, d'une partie des matières pierreuses qui formeraient les cendres. Ces matières pierreuses sont plus denses que la houille, c'est-à-dire plus lourdes à égalité de volume, et forment des grains isolés, grâce à la grande division des morceaux ; l'action de l'eau, mise en mouvement par une pompe, les sépare, en soulevant dans les caisses les seules parties combustibles, plus légères. Les menus permettent l'emploi d'appareils mécaniques pour le chargement régulier et continu des foyers ; mais ces appareils ne servent guère sur les locomotives, jusqu'à présent du moins.

Pour ces raisons, l'usage des menus s'est beaucoup développé, si bien qu'aujourd'hui l'écart entre les prix des menus et de la houille en morceaux n'est plus aussi grand. Il existe d'ailleurs bien des espèces de menus, suivant les dimensions des cribles qui séparent les diverses grosseurs. Les plus fins menus trouvent leur application, même les boues formées de grains extrêmement ténus, qui sont entraînées par les eaux servant au lavage, et qu'on recueille dans des bassins de décantation.

Si l'on n'avait pas trouvé le moyen d'utiliser les menus combustibles, l'énorme consommation de la grosse houille en aurait beaucoup élevé le prix : il en serait résulté un grand excès de dépenses, c'est-à-dire des transports plus coûteux, ou une diminution des services rendus par les chemins de fer.

56. Cendres.

Il est désirable que la proportion de cendres dans un combustible soit aussi faible que possible, puisqu'elle réduit d'autant la quantité de véritable combustible. La nature des cendres a aussi une grande importance. Quand elles sont infusibles à la chaleur, comme la plupart des cendres blanches, elles tombent en poussière et traversent sans peine les grilles Les cendres à demi fusibles sont les plus gênantes : elles empâtent et encrassent les grilles, elles en attaquent même le métal, sous forme de mâchefers.

57. Coke.

Le coke est le résultat de la distillation de la houille, dont on extrait les éléments volatils, soit en la chauffant dans des cornues pour obtenir le gaz d'éclairage, soit en la traitant dans des fours spéciaux, uniquement pour produire le coke. Cette opération enlève à la houille des carbures d'hydrogène capables de produire par leur combustion une grande quantité de chaleur ; en outre, vu le départ de ces carbures, il y a dans un kilogramme de coke plus de cendres que dans un kilogramme de la houille qui a servi à le produire. Exposé à l'air humide et à la pluie, le coke absorbe beaucoup d'eau. Le poids de l'eau ainsi absorbée peut s'élever jusqu'à 200 et même 230 g pour un kilogramme de coke sec. Cette eau consomme en pure perte de la chaleur lorsqu'elle se vaporise dans le foyer.

58. Briquettes.

Les briquettes sont formées de houille très menue, qui peut avoir été lavée, et qu'on agglutine à l'aide de brai, grâce à une forte compression.

Le brai provient de la distillation du goudron de houille, un des produits qu'on obtient en même temps que le gaz d'éclairage. Cette distillation sépare du goudron diverses matières volatiles. Le brai a une cassure vitreuse et se divise en petites parcelles aiguës. Aussi donne-t-il une poussière fort irritante pour les yeux, comme on éprouve sur les locomotives chauffées à la briquette.

Le poids de brai qui entre dans la composition des briquettes est d'environ 80 kg par tonne. On forme une pâte en le malaxant avec la houille menue ; cette pâte est fortement comprimée dans des moules à section ronde ou rectangulaire.

La briquette, avec peu de cendres, est un combustible analogue à la grosse houille de bonne qualité ; le brai qu'elle contient est lui-même un combustible pur et riche en carbone ; elle s'emmagasine facilement et peut se conserver plusieurs années sans s'altérer à l'air. On casse en quelques morceaux les grosses briquettes avant de les employer.

59. Mélanges de combustibles.

Il est souvent difficile de trouver un combustible qui convienne parfaitement au service des locomotives, à moins de le payer fort cher. En prenant des bouilles de qualités diverses, on peut en former des mélanges convenables, quoique de prix modéré. Les charbons menus se prêtent bien à ces mélanges. C'est ainsi que, grâce à une addition de houille grasse ou demi-grasse, les houilles maigres s'agglomèrent au feu et peuvent brûler dans les foyers ordinaires de locomotives.

Des mélanges habilement faits permettent de constituer des combustibles de qualité moyenne et assez constante, malgré la diversité inévitable des provenances ; le mélange doit être approprié au service qu'ont à fournir les machines et au type des foyers. Suivant les cas, on ajoute au mélange moyen une proportion plus ou moins grande de houille en gros morceaux ou de briquettes. Le mélange peut se faire au moment même du chargement dans le tender, ou lorsqu'on approvisionne le combustible en tas.

Ce système permet d'assurer le service de la traction, en réduisant autant que possible les dépenses, toujours si considérables, faites pour l'achat des combustibles. Il n'est pas seulement désirable que ces dépenses ne soient pas inutilement exagérées, mais le devoir de tous ceux qui coopèrent à l'exploitation d'un chemin de fer est de rechercher la plus grande économie dans ce service, comme dans tous les autres. Il n'est pas inutile d'insister sur ce point : réduire le prix de revient des transports, les effectuer en consommant la moindre quantité de cette denrée si précieuse, le travail humain sous toutes ses formes, c'est la grande raison d'être des chemins de fer. Brûler dans la locomotive des combustibles plus chers qu'il ne faudrait, des combustibles qui pourraient plus utilement être appliqués à d'autres usages, c'est gaspiller du travail, gaspillage qui se produit quand les dépenses d'une industrie quelconque sont inutilement augmentées.

Tout le monde sait aujourd'hui, ou du moins tous ceux qui veulent être éclairés savent que cette recherche continuelle de l'économie, loin de faire abaisser le salaire des ouvriers, est précisément ce qui l'augmente : la remarquable organisation du service des mécaniciens et chauffeurs de locomotives en France, avec les primes d'économie de matières, en est un exemple ; c'est le mode de rétribution du travail qui rapproche le plus le travailleur de cette situation désirable entre toutes, mais dans bien des cas impossible à réaliser, celle où il travaille directement pour son propre compte.

60. Combustion dans les foyers de locomotive.

C'est du feu que sort la puissance des machines à vapeur : pour tirer bon parti de la locomotive, il faut, avant tout, savoir conduire ce feu ; bienfaisant, mais capricieux. Presque tout l'art du chauffeur peut se résumer on quelques mots : il faut brûler complètement le combustible, et il faut en brûler une quantité suffisante en une heure. C'est plus facile à dire qu'à faire ; ce qui complique le travail, c'est l'extrême diversité des circonstances dont on doit tenir compte ; il existe tant de variétés de combustibles ; la même mine, la même couche ne donnent pas toujours des houilles de qualité uniforme ; les dimensions et les dispositions des chaudières sont fort variables ; deux locomotives de même type ne sont pas toujours identiques ; quelques différences, difficiles à voir, dans la grille, dans l'échappement, sont très sensibles au chauffeur, sans qu'on puisse toujours reconnaître avec précision les conditions les plus favorables.

Certes, un chauffeur ne sera guère appelé à conduire les types les plus variés de foyers et à employer les combustibles les plus différents : il lui serait difficile d'arriver dans son art à une telle perfection qu'il pût se trouver également à l'aise sur toutes les locomotives et en présence de tous les combustibles ; mais il faut, au moins dans l'étendue d'un même réseau de chemin de fer, qu'il ne soit pas trop dépaysé s'il vient à changer de machine ou si la nature de la houille varie.

Les principes de la combustion ont été indiqués au paragraphe 12 ; pour qu'elle soit complète, le carbone doit être entièrement transformé en acide carbonique, et l'hydrogène en eau, par la combinaison avec l'oxygène ; pour cette transformation complète, il faut une quantité d'air suffisante et une température élevée du combustible.

L'air peut arriver au contact du combustible de deux manières, soit en traversant la grille, puis la masse qu'on veut brûler, soit au-dessus, en entrant par la porte du foyer et quelquefois par d'autre ouvertures, ménagées à dessein dans les parois. La première manière est de beaucoup la plus usitée, et, sauf dans des cas spéciaux, l'air n'est admis au-dessus du combustible qu'en supplément, lorsqu'il n'en passe pas une quantité suffisante à travers.

L'air, appelé par l'échappement, arrive sous la grille sans rencontrer d'obstacle dans les anciennes machines dépourvues de cendrier ; le cendrier n'en gêne guère l'accès, pourvu qu'on ne laisse pas les escarbilles l'engorger. Après avoir traversé la grille, l'air circule entre les morceaux de combustible, par des passages plus ou moins larges : c'est là que commence la combustion. Pour qu'elle s'effectue, il faut que les morceaux de combustible soient déjà portés à une température élevée, manifestée par leur incandescence : la combustion même entretient cette température élevée et la transmet aux parties voisines de celles qui brûlent ; mais il est nécessaire que la masse allumée soit suffisante : des fragments isolés ou peu nombreux de houille s'éteignent, parce que l'air qui les entoure en forte proportion les refroidit plus que la combustion ne les échauffe. Cet effet est encore plus sensible avec le coke.

La combustion se continue au-dessus de la masse solide, par des flammes plus ou moins longues : les flammes sont produites par la combinaison avec l'oxygène de l'oxyde de carbone, provenant de la combustion incomplète du carbone, et surtout des carbures d'hydrogène. C'est lorsque ces gaz sont abondants qu'il est utile d'employer l'admission d'air par-dessus le combustible, parce qu'alors la quantité d'air qui le traverse n'est pas suffisante : cela arrive avec les houilles très riches en matières volatiles, et aussi avec le combustible en couche épaisse, quelle qu'en soit la nature.

Si un petit excès d'air est désirable, vu l'impossibilité de le doser toujours exactement, un grand excès d'air est nuisible : en premier lieu, cet excès d'air refroidit le combustible solide ou les gaz qu'il dégage ; or la combustion se fait d'autant plus franchement que les éléments à brûler sont à une température plus élevée. En second lieu, l'excès d'air inutile prend la température du courant rejeté par la cheminée et emporte ainsi de la chaleur sans profit.

Il est aisé de calculer la quantité de chaleur emportée par un poids donné d'air en excès : il sort par la cheminée à une température assez élevée, qu'on peut estimer à 300° en moyenne. La quantité de chaleur qu'il faut ainsi fournir pour un mètre cube d'air, pris à 15°, serait capable de chauffer et de vaporiser dans la chaudière près de 140 g d'eau.

Il ne suffit pas que la combustion soit complète, il faut qu'on brûle chaque heure, ou plutôt chaque minute, un poids suffisant de combustible. Les seules parties qui brûlent sont celles qui sont incandescentes et en contact avec l'air ; c'est seulement la surface des morceaux, si l'on ne tient pas compte des gaz combustibles que peut distiller l'intérieur de la masse ; aussi plus les morceaux sont petits, plus un poids donné peut être rapidement brûlé, abstraction faite des difficultés que présente la combustion des menus dans certains foyers.

61. Difficultés de la conduite du feu.

Divers phénomènes troublent souvent la combustion dans le foyer des locomotives et ne permettent pas d'y maintenir la régularité désirable. Des fragments de charbon peuvent passer en abondance à travers la grille : les barreaux doivent être suffisamment rapprochés pour réduire cette perte ; puis on prend la précaution de charger les menus sur une première couche de houille capable de les retenir, en attendant qu'ils s'agglomèrent au feu. Le charbon peut aussi quitter la grille en suivant le courant gazeux, qui le dépose en partie dans la boîte à fumée. Le combustible ainsi entraîné a perdu des matières volatiles et se trouve à l'état de petits grains de coke, mélangés de cendres : c'est ce qu'on appelle le fraisil, qui s'accumule dans la boîte à fumée. Si les portes n'en sont pas étanches. le fraisil peut y brûler : les parois rougissent et se détériorent.

L'entraînement du combustible produit une perte sérieuse, et c'est la marque d'une mauvaise combustion. C'est surtout quand le courant est inégalement réparti dans le foyer que l'air entraîne ainsi le charbon : s'il traversait toute la surface de la grille, il ne serait nulle part trop violent ; mais s'il ne passe qu'en quelques points, la vitesse y est exagérée, le combustible est entraîné, tandis que l'air manque dans le reste du foyer. Cette mauvaise distribution du courant d'air peut tenir à ce que la grille n'est pas également garnie, et à ce qu'elle est obstruée par des mâchefers. Souvent aussi elle est causée par la disposition même de la locomotive, à laquelle le mécanicien ne peut remédier. Toutefois de légères modifications peuvent améliorer certaines locomotives défectueuses sous ce rapport. Lorsque la tuyère d'échappement s'élève trop près de l'embouchure de la cheminée, en l'abaissant, on obtient en général un meilleur tirage. Un serrage excessif de l'échappement, surtout avec des charbons légers, provoque l'entraînement.

On recueillera à part, dans les dépôts, les fraisils de boîte à fumée, car c'est un combustible, qu'on brûle très bien dans des foyers appropriés, notamment pour le chauffage des ateliers et des bureaux. Mais c'est un combustible qui en réalité coûte cher et qu'on doit s'efforcer de ne pas produire.

Certaines houilles, loin d'être entraînées par un courant d'air énergique, ont au contraire le défaut de s'agglomérer en masses telles que l'air ne les pénètre pas : il se forme entre ces grandes masses des trous ou des crevasses, qu'il faut remplir de combustible en ignition, tandis qu'on divise les masses agglomérées.

Le feu est encore difficile à conduire lorsque le combustible encrasse les grilles au bout de peu de temps, en y formant des gâteaux de mâchefers. L'enlèvement de tous ces mâchefers exige un stationnement assez prolongé ; pendant la marche, on ne peut, guère procéder à un décrassage complet : on se contente de retirer quelques-uns des plus gros morceaux. Certains mâchefers se divisent en fragments et n'opposent pas un trop grand obstacle au passage de l'air.

Le foyer de la locomotive est une sorte de laboratoire de chimie, où les combustibles solides produisent un courant gazeux, qui est complètement invisible, ou dont l'aspect, à l'état de flamme ou de fumée, ne permet que des conjectures sur sa composition ; et cependant ce courant gazeux doit être convenablement réglé. Pour cela, il faut assez d'air ; il n'en faut pas trop ; mais mieux vaut un peu trop d'air que pas assez ; il faut encore que cet air soit partout bien mélangé avec les éléments combustibles. La fumée que dégage la cheminée après un chargement est teintée en noir par des particules de carbone non brûlé : et ce carbone ne provient pas de fragments solides de la houille directement entraînés, mais de la décomposition des matières volatiles ou carbures d'hydrogène, que la houille chauffée dégage. Le poids de carbone ainsi visible dans la fumée n'est qu'une faible fraction du combustible consommé, et la perte peut en sembler négligeable ; mais à côté de ce qu'on voit dans la fumée, il y a ce qu'on ne voit pas : elle peut renfermer, sans que rien le décèle, une quantité considérable de gaz combustibles non brûlés. S'il y a du carbone non consumé dans la fumée, c'est parce que la quantité d'air qui pénètre dans le foyer est insuffisante ; c'est souvent aussi parce que le combustible et les gaz qu'il dégage ne sont pas portés à une température assez élevée pour assurer une combustion vive et rapide ; ces mêmes causes font que des gaz combustibles se perdent par la cheminée. Le remède consiste à charger la houille par petites quantités, sur un feu clair et vif, et à laisser au besoin entrer un peu d'air par les ouvertures de la porte, après le chargement.

Une couche épaisse de charbon, même bien allumé, sans admission d'air supplémentaire par-dessus, peut dégager de l'oxyde de carbone : quelquefois la cheminée rejette cet oxyde de carbone à une température assez élevée pour qu'il s'enflamme au contact de l'air, en donnant des flammes bleuâtres, visibles la nuit. Dans la locomotive, le mélange avec la vapeur d'échappement refroidit les gaz.

L'insuffisance d'air favorise les dépôts de suie dans les tubes, qu'un feu ardent diminue au contraire : la suie ralentit la transmission de la chaleur à l'eau de la chaudière.

62. Combustibles liquides.

Le pétrole est un liquide naturel dont les gisements exploités les plus abondants se trouvent en Pennsylvanie et au Caucase : on en extrait, par distillation, successivement des essences fort inflammables, les huiles d'éclairage, celles de graissage ; il reste alors une huile lourde, épaisse, qui est un excellent combustible. Les goudrons des usines à gaz se brûlent comme les huiles lourdes de pétrole.

Dix kilogrammes d'huile lourde sont à peu près l'équivalent de quinze kilogrammes de bonne houille. Cet excellent combustible coûte trop cher en France pour qu'on puisse l'employer couramment. Il n'en est pas de même dans certaines parties de la Russie, où beaucoup de locomotives sont chauffées au pétrole. En France le pétrole est employé dans quelques locomotives du réseau de l'Ouest, comme auxiliaire passager de la houille, pour forcer par moments la production.

On brûle les huiles lourdes et les goudrons en les pulvérisant dans le foyer. Cette pulvérisation est produite à l'aide d'une sorte de chalumeau (fig. 92) formé de cônes concentriques ; de petits jets de vapeur entraînent le pétrole et l'air nécessaire à sa combustion ; deux de ces chalumeaux envoient leur jet de flamme, qu'on peut régler à volonté, dans le foyer de la locomotive (fig. 91). On conserve la grille ordinaire couverte de combustible solide, qui allume le jet pulvérisé. Lorsque la chauffe se fait uniquement au pétrole, on garnit le foyer de revêtements en briques réfractaires, qui sont portées au rouge, et qui rallument le pétrole après les extinctions. A la mise en marche, un feu auxiliaire de combustible solide échauffe les briques.

L'emploi du combustible liquide est commode et permet une grande propreté. Il donne une production active de vapeur, qu'on peut interrompre dès qu'elle n'est plus nécessaire, dans une station, devant un signal d'arrêt, en descendant une pente, quand les soupapes soufflent.

CHAPITRE III
MÉCANISME

63. Adhérence.

Les pistons d’une locomotive font tourner les roues motrices ; pour que la locomotive avance, il faut que ces roues ne glissent pas ou ne patinent pas, mais roulent sur le rail. C'est le frottement qui empêche le patinage. Quand un objet repose sur une table plane, même par une face bien dressée, par exemple un tiroir de locomotive sur un marbre d'atelier, une certaine force est nécessaire pour le déplacer : cette force dépend du poids de l'objet, puis de la nature et de l'état des surfaces en contact : c'est, dans chaque cas, une fraction déterminée du poids. Ce pourra être le cinquième du poids du tiroir, s'il n'est pas graissé, soit 2 kg, s'il en pèse 10. En posant sur le marbre une rondelle cylindrique, on peut soit la faire rouler, soit la faire glisser comme le tiroir, en la poussant de manière qu'elle ne tourne pas : il faudra pour cela surmonter un frottement comme pour faire glisser un corps plat, tandis qu'un très faible effort suffît pour produire le roulement.

De même, pour qu'une roue de locomotive patine au lieu de rouler sur le rail, il faut qu'elle surmonte un frottement, c'est-à-dire une résistance qui agit au point où elle repose sur le rail et dont la direction suit le rail.

Si les rails et les roues motrices sont munis de dents engrenant les unes dans les autres, ainsi qu'on le voit sur les chemins de fer à crémaillère, et comme l'avait fait Blenkinsop en 1811, la rotation des roues fait nécessairement avancer la locomotive ; l'effort exercé par les dents des roues sur celles du rail est l'effort de traction total, qui entraîne le train et la locomotive elle-même.

On peut se figurer une roue et un rail ordinaires munis de dents microscopiques : ce sont ces petites dents qui donnent à la locomotive un appui pour exercer son effort de traction ; il en résulte une poussée égale à l'effort de traction total, dirigée dans le sens du rail. Cette poussée ne peut dépasser la valeur qui produirait le glissement de la roue, valeur limite qui est une fraction du poids appuyant la roue sur le rail ; cette fraction est variable selon l'état des surfaces. Tant que l'effort de traction produit par la locomotive est moindre que cette limite, les roues tournent sans glisser ; dès que l'effort dépasse cette limite, soit qu'il devienne trop fort, soit que la limite s'abaisse, les roues patinent.

Cet effort limite peut être le cinquième du poids des roues motrices sur le rail, dit poids adhérent, et même davantage, lorsque le rail est bien sec ; le poids adhérent d'une machine à essieux indépendants étant, par exemple, de 18 000 kg, l'effort de traction pourrait atteindre, dans ce cas, le cinquième de 18 000, ou 3 600 kg, sans produire le patinage.

L'humidité rend le rail un peu gras et réduit beaucoup l'effort capable de produire le patinage : cet effort ne sera plus que le dixième, le quinzième du poids adhérent, c'est-à-dire, dans l'exemple choisi, 1 800, 1 200 kg. Quand les rails sont bien lavés par une pluie abondante, on retrouve une adhérence presque aussi grande que lorsqu'ils sont secs.

Diverses causes, outre l'humidité, peuvent réduire beaucoup l'adhérence : les feuilles mortes, l'huile sur les rails ou sur les roues, les sauterelles écrasées, les mélasses coulant le long de la voie pendant le transport.

En résumé, les conditions variables de l'adhérence imposent à l'effort de traction une limite indépendante de la puissance motrice que peut donner la vapeur. Lorsque cette limite est atteinte, les roues patinent ; la puissance motrice étant plus grande que la résistance qui lui est opposée, le mécanisme se met aussitôt à tourner plus vite, et risque d'atteindre en peu d'instants une vitesse capable de le briser ou de le fausser, si le mécanicien ne ferme à temps le régulateur.

64. Accouplement.

La limite de l'effort de traction imposée par l'adhérence est, à chaque instant, proportionnelle au poids adhérent ; il y a intérêt évident à augmenter cette limite, mais les voies ne supporteraient pas un accroissement indéfini du poids sous les roues : on ne dépasse guère 17 à 18 t. par essieu. L'effort de traction se trouve ainsi limité bien bas dans les locomotives à essieux indépendants.

L'accouplement de deux ou plusieurs trains de roues permet de relever beaucoup cette limite, en les obligeant à rouler ou à patiner ensemble. Le poids adhérent se trouve ainsi doublé, triplé ; il peut comprendre le poids total de la locomotive et même celui des approvisionnements, dans les machines-tenders.

Pendant longtemps, on a cru que l'accouplement ne convenait pas aux locomotives à grande vitesse. Mais la pratique a montré que les bielles d'accouplement, bien montées, résistaient aux rotations les plus rapides des roues, et que les avaries en étaient extrêmement rares.

65. Sablières.

En répandant un peu de sable sur les rails, on augmente l'adhérence, et on combat les influences qui la réduisent.

Le sable, contenu dans une sablière, est amené par des tuyaux en avant des roues motrices : il tombe spontanément quand on démasque un orifice au fond de la sablière (fig. 93 et 94), ou bien il est versé dans les tuyaux par un distributeur en hélice qu'on fait tourner à la main (fig. 95).

Ces sablières simples ne sont pas très satisfaisantes : le sable coule inégalement et forme des paquets, qui, bien qu'écrasés par les roues motrices, gênent le roulement des roues suivantes et augmentent la résistance du train ; puis le sable tombe à quelque distance en avant des roues motrices, de sorte qu’il n'agit pas au premier instant d'un démarrage, et le vent peut l’emporter ; enfin la dépense de sable est assez forte, et les sablières se vident avant le terme d'une étape, si les patinages sont fréquents.

Dans l'appareil Gresham (fig. 96), un petit éjecteur à vapeur est installé en avant de la roue motrice : le jet de vapeur, en s'échappant par la tuyère centrale, aspire l'air par le tuyau qui aboutit à une boîte montée sous la sablière. Cette boîte est percée d'un trou pour l'entrée de l'air et le sable y descend par son poids. Quand le jet de vapeur fonctionne, l'air entraîne le sable, qui est lancé entre la roue et le rail. Une faible quantité de sable suffit pour rétablir l'adhérence ; l'excès nuisible de consommation est évité, et le sable est projeté sans retard à l'endroit même où il est utile. Quelques précautions sont nécessaires pour que cet appareil fonctionne bien. Le sable doit être sec et fin : on le crible sur des mailles larges de 2 mm au plus, et on le sèche au soleil ou dans des fours. Le robinet qui fournit la vapeur aux éjecteurs doit être disposé pour que l'eau qu'il peut laisser fuir ne s'écoule pas par ces éjecteurs. En une minute, les deux jets d'un appareil Gresham débitent ensemble à peu près un litre de sable.

Lorsque plusieurs roues sont accouplées, le sable n'agit pas sur celles qui sont en avant du tuyau de la sablière ; avec la sablière Gresham, il ne semble guère pouvoir agir beaucoup sur celles qui suivent la roue atteinte par le jet. Beaucoup de locomotives, même des machines-tenders, n'ont de tuyaux à sable que pour la marche avant, ce qui rend la marche arrière plus difficile. Lorsque cette marche est fréquente, l'addition de tuyaux donnant du sable à l'arrière des roues motrices est utile (fig. 93).

On doit éviter de projeter du sable dans les aiguilles, ce qui pourrait en gêner la manœuvre ; mais avec l'appareil Gresham, cet inconvénient n'est guère à craindre.

66. Lavage des rails.

Sur un rail bien mouillé, l'adhérence est à peu près aussi bonne que sur un rail sec : il suffit donc de laver à grande eau un rail gras pour qu'il cesse d'être glissant. Sur certaines lignes à fortes rampes, où la grande consommation de sable exigeait un déblaiement fréquent des tunnels et augmentait l'usure des rails et des bandages, on a muni les locomotives d'appareils à laver les rails : des tuyaux, placés vers l'avant de la locomotive, envoient sur les rails de l'eau prise au tender et lancée par un jet de vapeur.

67. Effort de traction de la locomotive.

Les conditions d'adhérence imposent une limite variable à la force de traction d'une locomotive ; l'étude de la distribution et du mécanisme montre comment la force de traction est produite par la vapeur, et ne dépasse pas certaines valeurs. Il faut éviter toute confusion entre ces deux limites de l'effort de traction ; si l'effort que peut produire la vapeur dépasse celui que l'adhérence permet d'utiliser à certains moments, il est possible de réduire cet effort ; on peut aussi améliorer l'adhérence à l'aide du sable ou autrement ; elle s'améliore spontanément certains jours et en certaines saisons. Mais si c'est l'effort moteur de la vapeur qui est trop faible, si grande que soit l'adhérence, il n'y a pas de remède : on ne pourra dépasser cet effort.

En d'autres termes, on peut arriver à se tirer d'affaire, non sans peine, il est vrai, quand l'adhérence est insuffisante, mais on ne peut pas remédier à la faiblesse du moteur.

Lorsqu'on construit des machines puissantes en réduisant autant que possible le poids des pièces, il arrive souvent que l'adhérence est faible comparée à la puissance : c'est pourquoi on a quelquefois alourdi les machines à dessein et sans autre motif. Sur des lignes de plaines, où les locomotives à marchandises remorquent des trains pesant 700, 800 t et même davantage, l'addition de quelques tonnes à la machine n'est guère sensible, si on la compare à la charge totale. Mais sur les lignes de montagnes, à rampes de 20, de 40 mm par mètre, le poids qu'on peut traîner n'est pas grand : si ce poids descend à 80 ou 100 t, quelques tonnes de plus à la machine, qui réduisent d'autant la charge utile du train, ne sont pas indifférentes : il faut y regarder à deux fois avant d'alourdir exprès les locomotives, pour améliorer leur adhérence. Il convient alors de rendre adhérent, autant que possible, tout le poids nécessaire pour le moteur, notamment en supprimant les tenders séparés.

Comment calcule-t-on l'effort de traction, qui est ordinairement indiqué sur le tableau des dimensions des locomotives ? Si la vapeur, prise à la plus forte pression que doive supporter la chaudière, poussait le piston pendant sa course entière, sans aucune détente, l'autre face communiquant constamment avec l'échappement, on obtiendrait le plus grand travail possible par coup de piston. Ce travail est égal à la force qui pousse le piston multipliée par sa course ; avec un piston de 45 cm de diamètre, dont la surface est de 1 590 cm², et une chaudière timbrée à 10 kg, cette force, atteint 15 900 kg. Si la course est de 0,6 m, le travail sera 15 900 X 0,6 ou 9 550 kilogrammètres ; pour un tour de roues, comme il y a deux cylindres et que chaque piston fait une excursion aller et retour, le travail moteur sera quatre fois plus grand.

D'autre part, le travail exercé par la locomotive, pour un tour de roues, est égal à l'effort de traction appliqué entre les roues et le rail, multiplié par le chemin parcouru pendant que ces roues font un tour : ce chemin est égal à la circonférence d'une roue ; le diamètre des roues étant de 1,400 m, la circonférence est de 4,400 m environ.

Si les frottements ou d'autres résistances ne causaient aucune perte dans la transmission du travail des pistons aux roues motrices, le travail de l'effort de traction pondant un tour de roues serait égal à celui de la vapeur sur les pistons, à 4 fois 9 350 ou 38 200 kilogrammètres dans l'exemple. Ce travail connu est le produit de l'effort de traction moyen par la longueur parcourue, 4,400 m : l'effort de traction est donc 38 200 divisé par 4,400 ou 8 700 kg environ.

C'est ce qu'exprime la formule, qui se réduit à, où p est la pression effective de la vapeur par centimètre carré, d le diamètre du cylindre en centimètres, l la course du piston, en mètres, à compter quatre fois pour un tour de roues, D le diamètre des roues motrices, en mètres.

En réalité, on ne peut développer un si grand effort de traction, parce que la vapeur n'agit jamais à pleine pression pendant toute la course du piston, et parce que les frottements sont inévitables. On estime qu'avec les dispositions usuelles des locomotives, on ne peut recueillir qu'environ les deux tiers, ou 0,65, du travail calculé : c'est ce qu'indique la formule. Cette réduction est assez largement estimée, et il arrive que les locomotives développent un effort supérieur.

Cette traction est celle qu'exercent les roues motrices ; elle sert non seulement à tirer le train, mais encore à faire avancer la locomotive elle-même : l'effort sur le crochet de traction d'arrière, qu'enregistre le dynamomètre, est donc moindre. Enfin l'action motrice des pistons sur les roues n'est pas constante pendant un tour, ce qui ne trouble pas l'égalité du travail exprimée, mais risque de produire le patinage pour certaines positions des pistons.

L'effort de traction, ainsi calculé, ne peut être développé par la locomotive pendant longtemps, à moins qu'elle ne marche fort lentement, car la chaudière ne fournirait pas toute la vapeur nécessaire, qui est d'ailleurs mal utilisée quand elle ne se détend pas dans les cylindres.

Pour tirer bon parti des machines, il importe de leur donner des charges aussi lourdes que possible : ces charges dépendent, pour une machine donnée, de la vitesse de marche, des rampes et des courbes, enfin de l'état atmosphérique, qui agit sur l'adhérence, et aussi sur les résistances du train. C'est en définitive la vaporisation de la chaudière qui impose à la charge une limite : cependant, à faible vitesse, les conditions d'adhérence peuvent quelquefois obliger à la réduire ; cette réduction est même parfois nécessaire pour ne pas surmener les attelages, qui ne peuvent supporter avec sécurité qu'un effort limité à un certain nombre de tonnes.

Lorsque les rampes ne sont pas longues, l'élan du train permet de les franchir plus facilement. Les courbes causent une résistance qu'on peut assimiler à celle d'une rampe d'un certain nombre de millimètres par mètre. Quant à l'effet, très variable, des conditions atmosphériques, on en tient compte, d’une manière générale, en fixant des charges différentes pour l'hiver et pour l'été, et par des réductions temporaires ou exceptionnelles.

Sur les chemins de fer de Paris à Lyon et à la Méditerranée, on a calculé, pour chaque section, une rampe fictive qui représente l'effet des déclivités réelles et des courbes ; la section est supposée présenter cette rampe fictive en alignement droit, sur toute sa longueur. Comme les trains les plus rapides peuvent le mieux franchir par élan certaines rampes, il en résulte que la rampe fictive a une moindre valeur pour ces trains. Elle est, bien entendu, différente pour les deux sens du parcours. Le tableau, qui suit, donne, comme exemple, les rampes fictives pour les trois sections de la ligne de Paris à Tonnerre. Ces rampes sont indiquées en millimètres et fractions de millimètre par mètre. Les vitesses sont les vitesses moyennes de marche dans la section.

Des tableaux donnent, pour chaque série de machine, les charges qu'elles doivent remorquer, aux diverses vitesses, sur les diverses rampes fictives. Les charges des trains sont calculées approximativement en tonnes.

68. Régulateur des locomotives.

Le mécanisme de prise de vapeur s'appelle régulateur sur les locomotives. Le régulateur des machines fixes est un appareil différent, qui agit automatiquement sur l'admission de vapeur, de manière à maintenir à peu près constante la vitesse de marche, malgré les variations du travail résistant. Sur la locomotive, on peut régler le travail moteur en ouvrant plus ou moins la prise de la vapeur, ce qui justifie le nom de régulateur ; mais ce n'est pas le seul mécanisme qui produise cet effet.

Le régulateur consiste le plus souvent en une plaquette ou tiroir de bronze, placé dans l'intérieur de la chaudière et pouvant ouvrir ou fermer une lumière en communication avec des tuyaux qui aboutissent aux boîtes à vapeur des cylindres (fig. 97). La pression de la vapeur dans la chaudière fait coller ce tiroir sur sa table. On emploie aussi, en Amérique et en Angleterre, la soupape équilibrée à double siège.

Lorsque le régulateur n'ouvre qu'une étroite issue à la vapeur, il se produit un laminage, et la pression de la vapeur s'abaisse. On peut graduer cet effet avec le régulateur à deux tiroirs (fig. 98) : le tiroir supérieur commence par démasquer une petite lumière ménagée dans le tiroir inférieur. Cette disposition permet d'éviter les à-coups aux démarrages et dans les manœuvres. Elle a aussi l'avantage de rendre plus douce la manœuvre : dès que le petit tiroir est déplacé, la vapeur, pénétrant sous le grand tiroir, réduit la pression qu'il supporte et, par suite, le frottement à vaincre pour le mouvoir. Par contre le régulateur est moins simple et moins étanche.

Beaucoup de régulateurs comportent une boîte en fonte du type Crampton ; cette disposition a été imaginée pour les locomotives Crampton, dont les cylindres sont montés vers le milieu du corps cylindrique. Quand les cylindres sont au-dessous de la boîte à fumée, elle n'a plus les mêmes avantages : elle est d'ailleurs commode, mais on peut lui reprocher de faire passer les tuyaux de vapeur à l'extérieur de la chaudière, ce qui, malgré les enveloppes, cause une certaine perte de chaleur par condensation d'une partie de la vapeur. Les régulateurs placés dans le dôme, avec tuyaux à l'intérieur de la chaudière et dans la boîte à fumée, sont préférables sous ce rapport : ils consistent en un tiroir jouant sur une table verticale (fig. 99). Ils doivent être montés de manière à se fermer par leur poids en cas de rupture de la tige de commande.

Un godet à deux robinets permet de graisser le régulateur ; il faut s'en servir avec modération, surtout pour les régulateurs montés dans le dôme, à cause de l'action fâcheuse de l'huile dans les chaudières.

Les régulateurs du type Crampton sont manœuvrés à l'aide d'une tringle, qui sort à travers une garniture, et qui est commandée par un levier placé à la main du mécanicien. La pression de la vapeur s'exerce, sans être contre-balancée, sur une surface égale à la section de la tige et tend à la pousser, en ouvrant le régulateur. Si le diamètre de la tige est de 36 mm, la section est d'environ 10 cm². Avec la pression de 12 kg par cm², adoptée pour certaines chaudières, c'est une force de 120 kg à laquelle les frottements seuls résistent, à moins qu'on ne fasse usage d'une contre-tige, qui supprime la poussée de la vapeur (fig. 98).

La dilatation de la chaudière, lors de la mise en pression, peut déplacer le régulateur : la tige, restant froide, ne se dilate pas ; l'effet est le même que si elle se raccourcissait de quelques millimètres : si le levier touche l'arrêt de son support, c'est le tiroir qui est tiré par suite de ce raccourcissement. Il faut tenir compte de cet effet et donner aux tiroirs des régulateurs des recouvrements assez étendus pour que ces petits mouvements ne démasquent jamais les lumières.

Le régulateur monté dans le dôme est souvent manœuvré par une tige tournante placée dans la chaudière, traversant, dans une garniture, la face arrière de la boîte à feu, et terminée à l'extérieur par un levier. Le mécanicien a ce levier sous la main, même s'il se porte à la gauche de sa machine et lorsqu'il regarde du côté du tender, dans la marche arrière.

On commande aussi le régulateur dans le dôme par un levier horizontal, monté sur le côté de la machine et agissant sur un renvoi de sonnette.

Les fuites des régulateurs sont à craindre, parce qu'elles peuvent causer une mise en marche intempestive, si on a oublié d'ouvrir les purgeurs pendant un stationnement.

De récentes expériences, faites avec l’auto-indicateur des chemins de fer.de l'Ouest, ont montré que la section ouverte d'un régulateur n'a pas besoin, en général, d'être très large, ce qui justifie l'habitude, qu'ont beaucoup de mécaniciens, de ne jamais l'ouvrir en grand. On peut en conclure qu'il y aurait avantage à munir les locomotives de régulateurs relativement petits, à un seul tiroir, disposés de manière à ce qu'on puisse facilement en graduer l'ouverture. Par contre, les tuyaux de prise de vapeur doivent avoir une large section, un tuyau trop étroit donnant lieu à des chutes de pression pendant l'admission, beaucoup plus qu'un petit régulateur.

69. Action motrice de la vapeur.

Quand le régulateur est ouvert, la vapeur de la chaudière pénètre dans la boite à vapeur du cylindre ; le tiroir de distribution, en se déplaçant sur la table des lumières, met en communication le cylindre avec la boîte à vapeur. La vapeur se répand aussitôt dans l'espace qui lui est offert et presse le piston. Si les passages sont assez largement ouverts, et si la marche de la machine est lente, la pression sur chaque centimètre carré du piston sera la même que dans la chaudière, car la pression de la vapeur, comme celle de l'atmosphère, se transmet également dans tous les sens. Si le piston est, au début, à un fond de course, cette pression va le pousser, en faisant avancer la machine. Il sortira de la chaudière une certaine quantité de vapeur ; un poids égal d'eau se vaporisera et remplacera cette vapeur dans la chaudière.

Lorsque le piston, poussé par la vapeur à la même pression que dans la chaudière, a parcouru une partie de sa course, le tiroir vient recouvrir la lumière d'entrée, et enferme ainsi dans le cylindre un certain volume de vapeur. A ce moment commence la détente : à mesure que le piston continue sa course, l'espace occupé par la vapeur enfermée dans le cylindre augmente ; en même temps la pression qu'elle exerce sur le piston diminue. La vapeur est comme un ressort qui produit un effort de moins en moins grand à mesure qu'il s'allonge.

Les physiciens ont étudié comment varie la pression de la vapeur, quand elle se détend de la sorte. Le praticien peut se contenter d'une règle simple et suffisamment exacte : au moment où finit l'admission, le cylindre contient un certain volume de vapeur, exerçant une pression connue par centimètre carré ; on calcule la pression absolue, en augmentant d'une unité la pression effective en kilogrammes par centimètre carré ; on multiplie le volume, en litres, par la pression absolue. Quand la détente a augmenté le volume de la vapeur, le produit de ce nouveau volume par la nouvelle pression absolue est toujours le même.

Tandis que le piston est ainsi poussé par la vapeur, l'autre face reçoit seulement la pression de l'atmosphère, pendant la plus grande partie de la course, parce que le cylindre communique de ce côté avec l'extérieur par la tuyère d'échappement.

70. Transmission du mouvement du piston.

Le piston se meut en ligne droite dans le cylindre et doit faire tourner l'essieu (fig. 100). Il est fixé sur une tige en acier, qui sort du cylindre à travers une garniture ne laissant pas fuir la vapeur. Pour bien supporter le piston, en vue de réduire l'usure du cylindre, on le munit parfois d'une contre-tige, qui sort à l'avant du cylindre à travers une seconde garniture.

La tige du piston s'emmanche dans la tète ou crosse de piston, munie de patins qui coulissent entre les glissières. La bielle motrice s'articule d'un côté sur la tète de piston, qui se meut en ligne droite comme le piston, et de l'autre sur le boulon ou tourillon de manivelle. Quand les cylindres sont intérieurs, le tourillon de manivelle fait partie d'un essieu coudé.

Lorsque le piston est à l'un de ses fonds de course, la manivelle est dite au point mort : elle est horizontale, si l'axe du cylindre l'est aussi, et dirigée suivant OM₁ ou OM₄ (fig. 100). En passant d'une position à l'autre, le point M, sur l'axe du bouton, décrit un cercle dont le centre est sur l'axe de l'essieu et dont le diamètre M₁ M₄ est égal à la course du piston. Sauf au passage des points morts, l'axe de la bielle est incliné sur l'axe du cylindre : il en résulte une poussée de la tête de piston contre une des glissières. Dans la marche avant, le piston tire pendant que la manivelle décrit le demi-cercle M₁ M' M₄ (sauf en approchant du fond de course, la traction du piston pouvant cesser par suite de la compression de la vapeur) : cette traction appuie la tète de piston contre la glissière supérieure ; pendant le retour en arrière du piston, il pousse au lieu de tirer (sauf encore au bout de sa course) ; la manivelle décrit le demi-cercle M₄ M M₁ ; la bielle étant inclinée en sens inverse, c'est encore la glissière supérieure que presse la tête de piston.

En négligeant l'effet des compressions en fin de course, on peut dire que la glissière supérieure travaille seule, pendant la marche avant. Pendant la marche arrière, on voit de même que la tète de piston presse la glissière inférieure seule.

Pour bien comprendre comment le mécanisme de la locomotive la fait avancer, il faut se rendre compte de la poussée exercée par les boîtes contre les glissières. Les essieux simplement porteurs sont entraînés par le véhicule qu'ils supportent : c'est donc la glissière d'arrière qui en pousse constamment les boîtes ; l'effort nécessaire n'est pas grand, si bien que souvent les boîtes des voitures à voyageurs ne touchent pas les plaques de garde et sont tirées par les menottes inclinées des ressorts. Mais quand un essieu est moteur, soit directement, soit par l'intermédiaire de bielles d'accouplement, ce sont ses roues, en tournant sur le rail sans patiner, qui font avancer la machine : quelle est alors l'action des boîtes sur les glissières ? Qu'on imagine une locomotive transformée en moteur d'atelier : elle est fixée au sol, et les roues de l'essieu moteur sont remplacées par des poulies, qui reçoivent les courroies ; on supposera que ces poulies ont le même diamètre que les roues dont elles ont pris la place et que les courroies sont dirigées horizontalement (fig. 101), de telle sorte que le brin conducteur se présente sous la poulie comme le rail se présentait sous la roue motrice. On admettra enfin que le brin de retour de la courroie est complètement lâche et n'exerce aucune traction sur la poulie ; bien que ces conditions diffèrent quelque peu de celles qu'on peut observer dans les ateliers conduits par une locomotive transformée en moteur fixe, on n'aura pas grande difficulté à se les figurer.

Les brins conducteurs des deux courroies remplacent les rails : les forces qui s'exercent sur le bâti, et notamment entre les boîtes et les glissières, restent à peu près les mêmes que lorsque la locomotive courait sur la voie ; on suppose, bien entendu, que l'essieu tourne avec la même vitesse et que le travail est le même par coup de piston, dans les deux modes de fonctionnement. La tension de la courroie est alors précisément égale à la poussée que la roue exerce sur le rail, poussée qui ne produit pas le patinage si l'adhérence est suffisante.

En examinant la marche d'une machine fixe, s'il y a un peu de jeu dans les paliers de l'arbre, on voit que, pendant un tour, cet arbre est alternativement poussé et tiré par le piston : de même, la boîte de la locomotive va être poussée contre la glissière arrière par le piston marchant d'avant en arrière, puis tirée contre la glissière avant, par le piston revenant d'arrière en avant. Mais en outre, la traction de la courroie (ou la réaction du rail contre la roue) s'exerce constamment dans le même sens et tend à toujours appliquer la boîte contre la glissière avant, avec une force égale à cette traction ; il en résulte que la poussée contre cette glissière est augmentée d'autant, tandis que la poussée contre la glissière arrière est diminuée.

Si la poussée, variable suivant la pression de la vapeur sur le piston, atteint, dans chaque sens, 6 000 kg, et si la tension de chaque courroie, ou l'effort de traction à la jante de chaque roue, est alors de 2 000 kg, la poussée sur la glissière avant atteindra à chaque tour 8 000 kg, et la poussée sur la glissière arrière sera réduite à 4 000 kg ; ces variations produisent des chocs violents s'il y a trop de jeu entre la boîte et les glissières.

On a considéré isolément une seule boîte et le piston correspondant, supposé agir très près de la boîte, ainsi qu'on le voit sur les locomotives à cylindres extérieurs ; quand les cylindres sont intérieurs, les deux mécanismes moteurs sont assez éloignés des boîtes, et leur action se combine d'une manière un peu plus compliquée.

On peut être surpris de voir les roues motrices, qui en somme font avancer la locomotive, appuyer à certains moments leurs boîtes contre les glissières arrière. Mais il ne faut pas oublier que le bâti est soumis à l'action d'autres forces : la vapeur presse toujours l'un ou l'autre fond du cylindre, exactement comme le piston ; on peut donc dire que lorsque la boîte de l'essieu moteur s'appuie contre la glissière arrière, c'est par le fond avant du cylindre que la vapeur pousse la locomotive ; au contraire, quand la boîte s'appuie contre la glissière avant, sa poussée contre-balance et dépasse la pression sur le fond arrière du cylindre, et c'est elle alors qui communique une impulsion à la machine. Le bâti doit être assez solide pour bien résister à ces forces intérieures considérables, qui tendent alternativement à tirer l'essieu vers le cylindre et à l'en écarter.

S'il y a deux ou plusieurs essieux accouplés au moyen de bielles, recevant le mouvement du bouton de manivelle actionné par la bielle motrice, chacun de ces essieux prend une part de l'effort moteur du piston et la transforme en effort de traction ; les boîtes se comportent comme celles d'un essieu moteur indépendant, pour cette part d'effort.

Dans la plupart des machines à cylindres intérieurs, les boutons de manivelles d'accouplement sont calés à l'opposé de la manivelle motrice correspondante ; dans ce cas, la somme des efforts moteurs aux jantes des roues motrices et accouplées pousse toujours la machine eu avant, soit directement par l'intermédiaire des boîtes, soit par les fonds avant des cylindres, mais les pressions des boîtes contre les glissières, qui fatiguent le bâti, se trouvent modifiées et augmentées.

Au lieu de courroies, si on suppose une transmission par roues dentées, l'assimilation de la locomotive transformée en moteur fixe avec la locomotive courant sur les rails est encore plus claire : on peut supposer que le rail est une sorte de crémaillère à très petites dents.

71. Cylindres.

Les cylindres sont fixés aux longerons par des boulons enfoncés à force dans des trous alésés ; cette attache doit être très solide, sinon elle se disloque rapidement. Les cylindres sont à l'extérieur (fig. 102) ou à l'intérieur des longerons. Les cylindres extérieurs des locomotives américaines (fig. 103) sont boulonnés ensemble et sur les barres de fer qui constituent le châssis ; ils sont fondus avec une selle qui porte la chaudière. Les cylindres intérieurs (fig. 104) sont boulonnés ensemble, ou fondus en une pièce unique.

Le fond d'arrière, qui porte les glissières, ne se démonte pas en service, mais on retire fréquemment le plateau d'avant, ainsi que le couvercle de la boîte à vapeur. Il est mauvais d'exagérer l'épaisseur du joint du plateau de cylindre, parce qu'on augmente ainsi l'espace libre laissé par le piston à fond de course : il en résulte un accroissement de la consommation de vapeur.

Avant de remonter les plateaux, il faut bien s'assurer qu'il ne reste pas, dans les replis des lumières, d'écrous, d'outils, de chiffons, ou tout autre objet pouvant endommager le cylindre.

Les enveloppes extérieures des cylindres doivent toujours être montées avec soin, car le refroidissement par l'air y cause une perte de chaleur nuisible. L'emploi de matières isolantes entre la fonte et l'enveloppe en tôle est à recommander : les matières vitreuses en filaments, dites coton minéral, laine de scorie, conviennent pour cet usage, parce que la chaleur ne les altère pas. Il faut qu'elles remplissent bien les vides sans êtres par trop tassées.

Les tiroirs occupent diverses positions sur les cylindres. Cette position dépend d'abord de l'emplacement disponible pour loger les boîtes à vapeur, qui renferment les tiroirs ; puis il convient que le mécanisme de distribution les commande facilement ; enfin il importe qu'on puisse visiter aisément les tiroirs et les tables. Lorsque les cylindres sont extérieurs, les boîtes à vapeur pénètrent souvent à l'intérieur des longerons, où la place ne manque pas, et les tables des lumières sont verticales ; on n'est pas trop gêné pour la visite, mais elle est encore plus facile si le tiroir est monté au-dessus du cylindre, soit avec une table horizontale (fig. 103), soit avec une table inclinée (fig. 102).

Quand les cylindres sont intérieurs, les tiroirs sont souvent placés entre les cylindres et jouent sur des tables verticales (fig. 105). La place disponible entre les cylindres est rarement aussi grande que dans cet exemple, où les longerons sont extérieurs.

Quelquefois les tables sont horizontales et au-dessus des cylindres intérieurs (fig. 106), ou en dessous (fig. 107) ; dans cette position la table peut être inclinée transversalement.

Certaines locomotives ont la table des lumières verticale avec boîte à vapeur à l'extérieur des longerons, ou bien les tiroirs sont placés latéralement sur une table oblique (fig. 104).

72. Pistons.

Le piston (fig. 108) doit glisser librement dans le cylindre, mais sans laisser fuir la vapeur. Le segment de piston (fig. 109), ou bague élastique en fonte, est tourné avec un diamètre dépassant d'un centimètre environ celui du cylindre : on coupe la bague et on enlève un tronçon long de 30 mm environ ; en rapprochant les deux sections, on resserre la bague de sorte qu'elle puisse entrer dans le cylindre. Il doit même rester un jeu de 2 mm au moins entre les deux bouts de la bague en place, parce que la dilatation risquerait de la faire coincer si elle était trop serrée. L'élasticité de la bague tend à l'ouvrir ; elle doit bien porter sur toute sa circonférence : on assure la portée régulière en en battant légèrement au marteau les extrémités, ou en ramenant au diamètre exact du cylindre, après avoir rapproché les extrémités, au moyen d'une petite passe sur le tour. En montant des segments neufs, on doit pouvoir déplacer le piston à la main sans trop de peine.

A mesure que l'extérieur du segment et le cylindre s'usent, le segment s'ouvre de plus en plus, et il presse de moins en moins les parois ; il faut le changer quand il bâille de 10 mm environ. Le joint, bien que brisé, laisse à la vapeur un petit passage, qui s'agrandit par l'usure. La vapeur entre en effet sous le segment et fuit par le joint entr'ouvert. Le joint, qui doit être étanche, n'est pas seulement celui du segment contre le cylindre sur lequel il frotte, mais aussi celui du plat du segment contre le bord de la rainure du piston. Ce fait, vu le changement de sens continuel de la pression de la vapeur, explique l'usure des gorges du piston.

Grâce à l'emploi de deux segments, à joints croisés, les fuites sont fort atténuées. Les segments cassés, non seulement laissent fuir la vapeur d'un côté du piston à l'autre, mais peuvent rayer le cylindre ; les morceaux risquent de défoncer les plateaux en quittant leur logement. Au piston évidé à simple toile (fig. 108), certains constructeurs préfèrent le piston creux à double toile, limité par deux parois planes ; les fonds de cylindre sont alors un peu plus simples, puisqu'ils ont également une face plane et n'épousent plus le profil refouillé du piston.

Le piston doit être solidement emmanché sur la tige : un piston de 500 mm de diamètre, soumis à une pression effective de 12 kg par cm², transmet une force de 23 500 kg : les deux pistons, s'ils étaient placés comme des vérins, pourraient souvent soulever leur locomotive.

La tige est vissée dans le piston (fig. 108), ou la portée du piston sur la tige est légèrement conique, avec un écrou sur la tige. On peut même se passer d'écrou, en montant le piston à chaud sur la tige froide.

73. Graissage des tiroirs et des pistons.

Bien que l'eau, entraînée par la vapeur ou provenant do condensations dans le cylindre, réduise le frottement du piston et du tiroir, le graissage de ces deux organes est nécessaire, ne fût-ce que pour la marche avec régulateur fermé ; mais il est utile même quand la vapeur est admise aux cylindres.

Fig. 110. - Graisseur à deux robinets.	Fig. 111. - Graisseur automatique à aspiration des chemins de fer de l'Ouest.

Les appareils graisseurs, fort variés, se groupent en cinq catégories :

1. Les graisseurs à deux robinets (fig. 110), montés directement sur le cylindre ou sur la boîte à vapeur, permettent de graisser lors des arrêts ; mais il y a quelque danger à s'en servir pendant la marche, à cause de leur position vers l'avant de la machine.
2. Les graisseurs, reportés à l'arrière de la machine, sont reliés par des tuyaux aux cylindres ; l'huile est aspirée dans les cylindres lorsque le régulateur est fermé ; avec cet appareil, le graissage est encore intermittent ; il exige la fermeture du régulateur ; enfin les tuyaux se bouchent assez souvent, surtout en temps de gelée. La plate-forme reçoit des projections d'huile fort désagréables quand on oublie de refermer le robinet d'un de ces graisseurs.
3. Les graisseurs automatiques à aspiration (fig. 111) fonctionnent lorsqu'on ferme le régulateur. Ces appareils sont montés sur les cylindres, dont les sépare une soupape fermée par la pression de la vapeur ; une mèche, puisant dans un réservoir, remplit une petite capacité d'huile, qui est aspirée par le piston quand on interrompt l'arrivée de vapeur.
4. Les graisseurs à condensation se composent essentiellement d'un réservoir rempli d'huile, au fond duquel coule petit à petit de l'eau provenant de la condensation de la vapeur : l'huile, qui surnage, est progressivement déplacée par l'eau et pénètre sur les pièces à graisser. Le graisseur Consolin (fig. 112) amène l'huile dans le tuyau de prise de vapeur, qui l'entraîne aux tiroirs et aux pistons : il ne fonctionne donc que lorsque le régulateur est ouvert. D'autres appareils (fig. 113) laissent voir les gouttes d'huile qui sont successivement chassées par l'eau. Certains graisseurs à condensation peuvent se monter directement sur les cylindres, ce qui supprime les tuyauteries, par exemple ceux de M. Meyer (fig. 114), dessinateur aux chemins de fer de l'Est, disposés pour permettre également l'aspiration de l'huile quand le régulateur est fermé.
5. Les graisseurs mécaniques (fig. 115) se composent d'une véritable pompe, dont le piston plongeur reçoit un mouvement de descente fort lent et chasse l'huile dans les cylindres en quantité exactement réglée. Un appareil analogue (fig. 116) peut être commandé à la main.

Pour répartir également l'huile entre les deux tiroirs et les deux pistons d'une locomotive ordinaire ou entre les quatre cylindres de certaines compound, on fait usage de graisseurs mécaniques à pistons multiples, tels que celui de Bourdon (fig. 117). Chaque piston de cet appareil se compose d'un plongeur et d'un tube, qui coulisse entre deux tubes fixes. Une soupape de refoulement laisse passer l'huile envoyée à l'organe à graisser, pendant la descente du piston, mais cette pompe ne porte pas de soupape d'aspiration : il y a seulement des trous percés en N dans les tubes fixes. Quand le piston est soulevé, il fait d'abord le vide, jusqu'à ce que le tube mobile démasque les trous N : alors l'huile pénètre sous le piston. Pendant la descente, le tube mobile doit chasser l'huile qui remplit l'intervalle entre les deux tubes fixes : comme il laisse très peu de jeu, l'huile pour s'échapper exige une forte pression, de sorte que l'huile refoulée par le plongeur central ne peut retourner dans le réservoir et soulève la soupape de refoulement P.

Fig. 113. - Graisseur à condensation à gouttes visibles. L'huile déplacée descend par le tube central, puis remonte dans ce gros tube en verre plein d'eau.	Fig. 114. - Graisseur Meyer.

Le mouvement de va et vient des quatre pistons est produit par un excentrique, commandé par un encliquetage, que met en action un point d'une coulisse de Stephenson. Quand le régulateur est fermé, le mécanisme de relevage est placé à fond de course et l'encliquetage fait avancer le rochet de deux dents, tandis qu'il n'avance que d'une dent avec les oscillations ordinaires en marche de la coulisse ; le graissage est ainsi plus abondant quand le régulateur est fermé. Cette variation ne se produit pas avec d'autres modes de commande.

Fig. 115. - Graisseur mécanique Mollerup.	Fig. 116. -Graisseur à piston des chemins de fer de Paris à Lyon et à la Méditerranée.

On peut changer le débit en modifiant la position des pistons, vissés dans la platine qui les entraîne : on modifie ainsi la course utile, qui correspond au trajet fait en dessous des trous N.

74. Garnitures de tiges.

Les garnitures guident les tiges, qui portent sur la bague de fond et la bague du presse-garniture, en bronze. Les fuites de vapeur sont arrêtées par la matière élastique, comprimée entre les deux bagues. On se servait autrefois de tresses en chanvre ou en étoupe, que la vapeur à pression élevée et, par suite, très chaude, en usage aujourd'hui, carbonise rapidement. On a d'abord remplacé le chanvre par des tresses formées de copeaux en métal blanc tendre (fig. 118) ; mais on préfère en général les garnitures composées de bagues en métal blanc. La garniture Duterne consiste en une bague cylindrique terminée à chaque extrémité par un cône (fig. 119). Lorsque la tige présente un renflement, la bague est faite en deux pièces, juxtaposées suivant deux plans parallèles, comme le montre la coupe transversale. La garniture est maintenue entre la bague de fond B et le presse-garniture D, qui porte sur un fourreau en deux pièces F, lorsque la tige est renflée. Le logement de la garniture est alésé avec un léger cône vers l'extérieur, pour faciliter l'extraction (un millimètre en plus sur le diamètre du côté de l'entrée).

La garniture Kubler se compose de bagues coniques en métal blanc, bien graissées, empilées entre la bague de fond et le presse-garniture (fig. 120), en croisant les joints. Avec ces garnitures, on doit serrer à la main les écrous du presse-garniture, de telle sorte qu'à froid il puisse jouer sur la tige. Le contre-écrou, serré fortement contre l'écrou, empêche le desserrage ; on le visse avec une clef, en maintenant l'écrou par une seconde clef ; il est bon de faire cette opération très fréquemment.

Une légère fuite de vapeur, lors de la mise en service d'une garniture neuve, n'a pas d'inconvénients sérieux et disparaît au bout de quelques jours.

On supprime ce réglage assez délicat en produisant le serrage à l'aide d'un ressort en acier, dont la tension est déterminée d'avance ; il n'y a plus alors qu'à serrer à bloc le presse-garniture (fig. 121).

Les presse-garnitures sont munis d'un godet graisseur et portent en outre un petit réservoir d'huile entourant la tige et renfermant une tresse en coton. Il est important que le graissage soit toujours fait avec soin : sinon les garnitures risquent de gripper ou de fondre.

Le démontage d'une garniture est parfois malaisé ; il est rendu plus facile par l'emploi d'un fourreau en bronze (fig. 122), qui la contient tout entière. Ce fourreau est légèrement conique au dehors, ainsi que son logement dans le cylindre : pour le faire sortir, on le rattache par deux petits étriers en fer au presse-garniture, qu'on pousse vers l'extérieur, en faisant tourner deux écrous placés d'avance, ou au moment du démontage, sur les goujons entre les deux pièces. La difficulté de démontage n'existe pas avec la disposition de la figure 121.

Le frottement des tiges contre les garnitures métalliques est souvent assez dur. En Amérique, on emploie avec succès, et d'une manière générale, des garnitures moins résistantes, dont la figure 123 donne un exemple. Les bagues sont pressées par un ressort ; en outre, elles sont disposées de sorte que la tige n'est pas guidée et peut prendre de petits déplacements latéraux : le guidage est produit seulement par le piston et par la tète du piston, c'est-à-dire par les deux extrémités du système à guider. Dans les locomotives européennes, la garniture sert en outre de guide, surtout quand le piston est muni d'une contre-tige et disposé de manière à ne pas reposer sur le cylindre par l'intermédiaire des bagues.

75. Tête ou crosse de piston et glissières.

La tête ou crosse de piston est une pièce en fer ou en acier coulé, de forme souvent assez compliquée, sur laquelle s'emmanche la tige du piston, et s'articule la bielle motrice. La tige de piston est conique et se fixe dans un cône correspondant de la tête : une clavette goupillée l'empêche de sortir. Un trou percé au fond du logement de la tige permet de la chasser, lors du démontage.

La tête de piston est guidée en ligne droite par les glissières, à l'aide de coulisseaux en fonte, qui peuvent être garnis de régule ; elle porte un tourillon, sur lequel s'articule la bielle motrice.

On emploie, pour guider la tête du piston, ou quatre, ou deux glissières, ou même une seule. Quatre glissières (fig. 124) occupent peu de hauteur, ce qui est commode quand la tête passe au-dessus d'un essieu. Très fréquemment on emploie deux glissières (fig. 125), assez écartées pour permettre l'oscillation de la bielle. Enfin la glissière unique (fig. 126) est enfermée entre la tête du piston et un chapeau boulonné.

Les glissières sont des barres d'acier fixées par une extrémité au fond arrière du cylindre et par l'autre sur un support spécial : des cales minces sont interposées entre la glissière et ses supports ; en enlevant ou en limant ces cales, on les règle de manière à compenser les effets de l'usure. C'est un travail délicat, parce que les glissières doivent toujours rester parallèles à l'axe du cylindre.

Avec la glissière unique, le jeu ne peut être rattrapé que sur le coulisseau ; une cale en cuivre se trouve à cet effet sous le chapeau. Les glissières sont pressées dans le même sens pendant presque toute la course du piston, sauf lorsque la compression crée une forte résistance (§70). Dans la marche avant de la locomotive, c'est la glissière supérieure qui travaille.

76. Bielles motrices.

La petite tête de la bielle motrice s'articule sur la crosse de piston, la grosse tête sur le tourillon ou bouton de manivelle ; les deux têtes sont réunies par le corps.

La petite tête peut être simple (fig. 128, 129, 130) ou à fourche (fig. 127) : il est essentiel que les deux branches de la fourche portent également sur les tourillons de la tête de piston. Les coussinets de la petite tête sont en bronze : ils s'usent lentement ; aussi la disposition de réglage, à l'aide d'une clavette ou d'un coin à vis (fig. 127, 129 et 130), n'est pas indispensable ; on peut se contenter d'une bague (fig. 128). Le jeu de l'articulation de la bielle sur la tête de piston ne doit pas être supérieur à 0,1 mm quand on la monte ; en service, on ne laissera pas ce jeu dépasser 1 mm.

La difficulté du montage sur la tête de piston a conduit à l'emploi d'une cage ouverte avec étrier et clavette pour certaines machines.

Les coussinets de la grosse tête sont logés dans une cage ouverte, dans une cage fermée ou dans une chape rapportée.

La cage ouverte (fig. 130) s'applique sur les tourillons prolongés par une contre-manivelle et sur les essieux coudés de certaines machines à mouvement intérieur ; en enlevant la clavette et l'étrier, on peut sortir le coussinet arrière.

La cage peut être munie d'un chapeau serré à l'aide de deux boulons (fig. 127) ; c'est une disposition fréquente pour les mouvements intérieurs. On remplace quelquefois les boulons par des prolongements filetés de la cage.

La cage fermée (fig. 129) reçoit les deux coussinets et la clavette de réglage, qu'on fixe au moyen d'un frein serré par un boulon. Cette forme convient pour une manivelle extérieure sans contre-manivelle. En enlevant la clavette, on peut repousser vers le fond de la cage le coussinet d'arrière et le sortir latéralement.

La bielle à chape rapportée (fig. 128) est souvent employée pour les mécanismes intérieurs. La chape qui contient les coussinets est solidement reliée au corps. La pièce est un peu lourde, mais robuste et facile à démonter, la bielle étant entièrement dégagée une fois la chape enlevée.

La figure 131 représente une forme de chape à prolongements filetés, fixée par deux écrous sur le corps de bielle.

Les coussinets de la grosse tète de bielle sont habituellement en bronze : souvent on garnit de régule la surface frottante. Si le revêtement de régule s'étend sur toute cette surface, le bronze devient inutile et le coussinet peut être forgé en fer ou en acier, suivant la pratique des chemins de fer de l'Est. Dans ce cas, on rapporte sur chaque coussinet (fig. 128) deux barrettes et deux cales d'épaisseur en bronze ; ces pièces en bronze peuvent supporter la bielle si un fort chauffage fait fondre le régule et empêchent le piston de défoncer le cylindre.

La composition du régule des chemins de fer de l'Est est, par kilogramme : antimoine, 111 g ; étain, 833 g ; cuivre, 56 g. Pour les coussinets soumis à des efforts modérés, on peut se contenter de l'alliage de : plomb, 650 g ; antimoine, 250 g ; cuivre, 100 g.

Le corps de bielle motrice est parfois évidé, comme celui de certaines bielles d'accouplement. On obtient ainsi une pièce un peu plus légère.

La bielle motrice est montée avec un peu de jeu sur la manivelle. Au montage, le jeu sur le diamètre est d'un demi-millimètre environ, et le jeu transversal, de 1 à 2 mm. L'usure ovalise les têtes de bielle, et il en résulte des chocs parce qu'elle tire et pousse alternativement. On rattrape le jeu, dès qu'il atteint 1 millimètre et demi, en limant les faces de contact des coussinets, serrés à bloc l'un contre l'autre par une clavette ou un coin. Suivant la position des clavettes, ce réglage allonge ou raccourcit la bielle, c'est-à-dire la distance entre les deux axes des articulations : dans le premier cas, le jeu du piston à fond de course contre le plateau d'avant diminue ; on aura soin au montage primitif de laisser un peu plus d'espace libre de ce côté. Si le réglage raccourcit la bielle, il rapproche le piston du fond d'arrière. Quand les deux têtes portent des organes de réglage, ils sont le plus souvent disposés de manière à compenser, au moins en partie, cette variation de la longueur de la bielle.

77. Bielles d'accouplement.

Les bielles d'accouplement peuvent être munies de clavettes de réglage (fig. 132), qui permettent de compenser l'usure des coussinets. Ce réglage exige beaucoup de soin : la longueur des bielles, comptée d'axe en axe des œils, doit être la même des deux côtés de la machine ; les coins des glissières des boîtes sont réglés en même temps, de manière à donner le même écartement aux essieux accouplés. La moindre différence de longueur d'une bielle à l'autre fatigue la machine, augmente les frottements et l'usure, et risque de provoquer la rupture de ces organes.

Les bielles à bagues (fig. 133 et 134), de plus en plus employées, ont une simple bague en bronze ou parfois en régule, qui porte sur le tourillon, sans aucun moyen de réglage ; on est bien sûr qu'on ne peut en changer la longueur en service. La bague présente sans inconvénient un jeu d'un millimètre sur le diamètre du tourillon. Souvent on supprime en même temps les coins de rattrapage de jeu aux glissières des boîtes. L'accouplement des essieux est ainsi notablement simplifié et une machine bien montée à l'atelier ne sera pas déréglée en service. Ces bielles marchent assez longtemps sans retouche : la réparation consiste à remplacer ou à réguler les bagues, puis à les aléser : les rappliques des glissières de boîtes peuvent être en même temps changées, si les boites ont trop de jeu.

L'évidement des corps (fig. 134) permet de donner aux longues bielles une résistance suffisante sans les faire trop lourdes. La longueur de certaines bielles atteint 3 m.

Lorsque plus de deux essieux sont accouplés, on ne peut monter de chaque côté de la machine une bielle rigide unique, parce que les centres des essieux ne restent pas en ligne droite ; les bielles doivent se monter séparément sur les tourillons de deux essieux voisins, ou bien, ce qui est la disposition usuelle, présenter une articulation près d'un tourillon (fig. 135). Avec une articulation sphérique (fig. 136), la bielle peut se dévier dans tous les sens, si l'un des essieux accouplés a un jeu transversal.

L'avarie ou la rupture d'une bielle d'accouplement, si elle n'entraîne pas d'autres dégâts, ne cause pas forcément une détresse : il suffit de démonter la bielle avariée ou brisée, ainsi que la bielle correspondante de l'autre côté de la machine ; ce démontage est généralement facile.

Dans les machines à cylindres intérieurs, le montage des bielles d'accouplement est fort simple : elles sont maintenues sur les tourillons par un écrou vissé et goupillé sur un prolongement fileté du tourillon. Le montage reste aussi simple avec des cylindres extérieurs, et deux essieux couplés, quand la bielle motrice est derrière la bielle d'accouplement, sur le boulon de manivelle de l'essieu moteur (Fig. 247) ; mais lorsque la bielle d'accouplement se trouve derrière la bielle motrice, ou lorsque le bouton porte une contre-manivelle pour la commande de la distribution, le montage est moins simple. Les coussinets doivent alors être contenus dans des cages ou des chapes démontables, au moins à l'une des extrémités de la bielle (fig. 137). Avec cette disposition, les moyens de réglage peuvent être également supprimés.

78. Graissage des mécanismes.

Il est nécessaire que les parties frottantes des machines soient bien graissées. Pour les articulations soumises à de grands efforts, comme les boutons de manivelle, les poulies d'excentriques, la matière lubrifiante est contenue dans un réservoir, qui doit suffire pour les plus longs parcours : cette condition exige des godets graisseurs, de capacité suffisante, et dont le débit est convenablement réglé, sans excès. L'huile est débitée par des mèches (voir fig. 223), ou par un appareil à épinglette (fig. 138), plus commode et ne dépensant pas d'huile pendant les arrêts. On réduit ou on augmente à volonté le débit, en employant des épinglettes de grosseurs diverses.

On peut même supprimer l'épinglette, et se contenter d'un trou, percé au fond d'une petite coupe, où l'huile est projetée par les mouvements ou les trépidations des pièces. Le diamètre du trou est inférieur à 1 millimètre.

Au lien de faire corps avec la bielle, le godet graisseur peut être fixé sur le tourillon (fig. 139), percé de trous qui débouchent sur la surface frottante.

De simples trous de graissage, sans godets, peuvent suffire pour les articulations les moins fatiguées, telles que celles des mouvements de distribution, mais les godets sont, en général, préférables.

Quelquefois on fait usage, sur les locomotives, de godets pleins de graisse consistante (fig. 140), qu'on chasse en vissant le couvercle : cette disposition conserve les machines très propres, mais ne convient guère pour les longs parcours.

Les matières employées pour le graissage sont d'origine animale (le suif), végétale ou minérale. Des huiles végétales, la plus usitée en France est celle de colza. Les huiles minérales, extraites des pétroles, sont fréquemment employées, à cause de leur prix peu élevé, parfois en mélange avec le colza.

79. Espaces libres des cylindres.

Quand le piston est au bout de sa course, il ne touche pas le plateau du cylindre, mais laisse un certain jeu ; sans ce jeu, les fonds de cylindre seraient brisés ; en outre, la lumière d'admission, jusqu'à la table, communique toujours avec le cylindre ; la capacité totale ainsi formée s'appelle espace libre du cylindre : il y a deux espaces libres dans chaque cylindre, un à chaque extrémité.

Dans un cylindre de locomotive ayant 450 mm de diamètre avec une course de piston de 650 mm, chacun de ces deux espaces a une capacité de 7 litres environ ; s'il n'y avait pas d'espaces libres, la capacité du cylindre, déduction faite de la place occupée par le piston, serait de 103 litres ; chaque espace libre est donc le quinzième environ de ce volume. Sur les locomotives compound, on a souvent augmenté les espaces libres, notamment en montant des pistons évidés dans des cylindres à fonds plats.

80. Tiroir.

L'appareil le plus simple pour distribuer la vapeur est le tiroir ordinaire. Le cylindre présente trois conduits ou lumières (fig. 141) : les deux lumières latérales aboutissent aux extrémités du cylindre ; celle du milieu communique avec l'extérieur et sert à l'échappement. Ces trois lumières débouchent sur une face plane bien dressée, dite table des lumières, dans la boîte à vapeur. Les ouvertures des lumières sur la table sont des rectangles de hauteur commune, séparés par des barrettes en fonte.

Le tiroir présente une face plane glissant sur la table ; cette face est un rectangle de hauteur un peu plus grande que celle des lumières ; dans sa position moyenne, elle dépasse également les bords extérieurs E, E', des deux lumières d'admission, d'une longueur dite recouvrement extérieur. La face plane du tiroir présente en outre un évidement rectangulaire de hauteur égale à celle des lumières ; dans sa position moyenne, les bords de cet évidement dépassent un peu les bords intérieurs I, I', des lumières, d'une longueur dite recouvrement intérieur. Cependant il n'en est pas toujours ainsi : souvent les recouvrements intérieurs sont nuls (fig. 142), les bords intérieurs du tiroir, dans sa position moyenne, coïncidant avec ceux des lumières ; d'autres fois, le tiroir a même des découverts intérieurs (fig. 143) : dans sa position moyenne, les deux bords intérieurs laissent une ouverture aux deux lumières vers l'échappement.

Fig. 142. - Tiroirs sans recouvrements intérieurs.	Fig. 143. - Tiroir à découverts intérieurs.

Les tiroirs de locomotive sont habituellement en bronze ; leur surface frottante peut être garnie de barrettes ou de macarons en régule (fig. 144), terminés par une partie conique qui les enracine solidement. La surface des macarons varie du quart au tiers de la surface de portée totale. On ménage aussi quelquefois des encoches sur les bords pour mieux distribuer l'huile de graissage. Certaines locomotives ont des tiroirs en fonte ; l'emploi de la fonte était fréquent autrefois, avec des pressions de vapeur modérées. Quand la charge n'est pas trop forte, le frottement de la fonte sur la fonte peut donner aux surfaces de contact un beau poli ; les tiroirs restent bien étanches et s'usent peu. Mais, avec les fortes pressions usitées aujourd'hui, une usure rapide des tables est à craindre sous un tiroir en fonte : mieux vaut user le tiroir, facile à remplacer.

81. Phases de la distribution.

Le tiroir, réglant l'entrée dans le cylindre, puis la sortie de la vapeur, effectue ce qu'on appelle la distribution. La figure 145 représente cette distribution pour l'une des faces du piston, celle de gauche sur la figure.

Le tiroir laisse ouverte la lumière de gauche, pendant un parcours 1 - 2 du piston, qui part du fond de course en 1 ; la vapeur de la chaudière entre dans le cylindre : c'est la période d'admission. Puis, pendant un parcours 2 - 3, cette vapeur est enfermée dans le cylindre, et continue à pousser le piston avec une pression décroissante : c'est la période de détente. Quand le piston est en 3, le dedans du tiroir met en communication la lumière de gauche avec la lumière du milieu, qui aboutit au dehors ; la vapeur s'échappe du cylindre : c'est la période d'échappement anticipé, qui commence avant que le piston ne soit arrivé au bout de sa course, en 4 ; l'effort moteur est réduit pendant cette période 3 - 4, mais la pression a le temps de baisser suffisamment pour ne pas opposer une trop grande résistance, quand le piston va revenir en arrière, pendant l'échappement : dans cette période, le piston fait le trajet 4 - 5. Quand le piston est en 5, le tiroir referme la lumière de gauche ; la vapeur qui reste dans le cylindre, à une pression ne dépassant pas beaucoup celle de l'atmosphère, y est enfermée. Le piston, en continuant sa marche, réduit le volume occupé par cette vapeur ; c'est une action inverse de la détente ; la pression de la vapeur augmente pendant cette période de compression. La compression produit un effet important ; à chaque coup de piston, l'espace libre doit se remplir de vapeur à la pression de l'admission ; il en résulterait une notable augmentation de la dépense de vapeur, si la compression ne venait fournir au moins une partie, et parfois la totalité de cette vapeur qui remplit l'espace libre ; au moment où le tiroir ouvre la lumière d'admission, la vapeur qui doit entrer dans le cylindre trouve cet espace en partie occupé. Toutefois il faut remarquer que, si la dépense de vapeur est diminuée par la compression, c'est aux dépens du travail que produit le piston, puisque cette compression est une résistance croissante qu'il surmonte.

Enfin, dans une position 6, un peu avant que le piston ne soit arrivé exactement à son fond de course, le tiroir commence à démasquer la lumière pour l'admission, et produit l'admission anticipée. On pourrait croire que cette admission anticipée est nuisible, puisqu'on oppose la pression de la vapeur au piston pendant la fin de sa course ; mais, quand cette admission anticipée se produit, la compression a déjà relevé la pression de la vapeur dans le cylindre, et le tiroir n'ouvre qu'une fente étroite, si bien qu'il n'entre pas beaucoup de vapeur dans le cylindre pendant cette période, qui ne correspond qu'à un parcours peu étendu du piston. Grâce à cette ouverture anticipée de la lumière, au moment où le piston repart de son fond de course pour commencer son parcours moteur, la vapeur trouve un passage plus grand dès le début de la période d'admission. La distance du bord du tiroir au bord de la lumière, au moment précis où commence l'admission proprement dite, ou à l'instant où le piston est à fond de course, s'appelle avance linéaire du tiroir : c'est la largeur de la fente ainsi ouverte à ce moment. Sur la figure 145, le tiroir est représenté dans une de ses deux positions d'avance linéaire, celle qui correspond à la face gauche du piston.

En résumé, si on considère un seul côté du piston (le côté gauche de la figure), pour une course aller et retour, la distribution a les six phases suivantes :

Sur l'autre face du piston (côté droit de la figure), on trouve pour une course complète aller et retour, à partir du fond de course à droite, les six mêmes phases.

Chacun des côtés du piston travaille ainsi pour son compte ; la locomotive est une machine à double effet. Le piston d'une machine à simple effet ne travaille que d'un seul côté, et le cylindre peut être ouvert du côté opposé.

82. Laminage de la vapeur.

Pour que la pression de la chaudière s'établisse dans le cylindre pendant toute l'admission, il faut que les conduits suivis par la vapeur soient largement ouverts et que la marche de la machine soit lente ; mais le tiroir ne donne pas toujours un large passage ; quand il vient d'ouvrir et quand il va fermer une lumière, il ne démasque qu'une fente étroite ; et le piston marche souvent très vite. Alors la vapeur n'entre pas dans le cylindre en quantité suffisante pour y prendre la même pression que dans la boîte à tiroir : on dit qu'elle se lamine. Le même effet se produit quand la vapeur passe de la chaudière à la boîte à vapeur, si le régulateur n'est pas largement ouvert : la pression dans la boîte à vapeur est alors moindre que dans la chaudière. Même avec le régulateur complètement ouvert, on constate, pendant la marche à grande vitesse, d'incessantes fluctuations de la pression dans la boîte à vapeur du cylindre. Au moment où le tiroir ouvre l'échappement, la vapeur ne peut pas sortir instantanément du cylindre, et la pression ne devient pas tout de suite égale à celle de l'atmosphère ; et même, surtout si la tuyère d'échappement est étroite, le piston est soumis pendant toute sa course à une contre-pression plus grande que la pression de l'atmosphère.

Tout en causant une petite perte sur le travail que donne la vapeur, le laminage améliore les distributions par coulisses des locomotives, en allongeant la période de détente aux dépens de l'admission et de l'échappement anticipé. Quand le tiroir se referme vers la fin de l'admission, la pression baisse et la détente commence avant la fermeture complète de la lumière ; c'est comme si la période d'admission était un peu plus courte. Quand l'échappement anticipé commence, l'ouverture du tiroir est faible, et, en réalité, la détente continue, sans qu'il sorte beaucoup de vapeur du cylindre. Ces effets sont surtout, sensibles à grande vitesse.

Pendant le retour du piston, le laminage augmente l'importance de la compression.

83. Indicateur et diagrammes.

On se rend compte de la distribution en regardant des modèles ou des dessins ; on peut en examiner le réglage, sur la locomotive même, à froid, en démontant le plateau du tiroir ; la tige du tiroir de certaines locomotives porte, à l'extérieur de la boîte à vapeur, un modèle du tiroir, qui en montre constamment la position sur les lumières (fig. 146). Mais pour savoir avec précision comment la vapeur est réellement distribuée dans la machine en marche, il faut connaître à chaque instant la pression sur le piston et l'effet des laminages. Pour cette étude, on se sert d'un indicateur (fig. 147) ; un petit cylindre vertical (ayant un diamètre de 20 mm), communique avec le cylindre de la locomotive, du côté où l'on veut étudier le travail de la vapeur : elle entre librement dans ce petit cylindre et soulève le piston dont il est muni. Un ressort à boudin appuie sur ce piston et se comprime plus ou moins suivant la pression de la vapeur ; chaque flexion du ressort exige une force qu'on a mesurée d'avance en le tarant. Si on pouvait voir à chaque instant quelle est la longueur du ressort, on connaîtrait la pression de la vapeur. Mais l'observation directe n'est guère possible. Un crayon, relié au piston de l'indicateur, en trace la position sur une feuille de papier. Si ce papier ne bougeait pas, le crayon laisserait un simple trait vertical : aussi rattache-t-on le support du papier à la tête du piston de la locomotive, de manière qu'il se déplace horizontalement comme ce piston. La course du piston étant de 60 à 65 cm, il faudrait une longue bande de papier et un appareil encombrant pour la porter : aussi réduit-on la course dans un rapport déterminé ; mais le déplacement du papier de l'indicateur permet toujours de connaître la position du piston de la locomotive. Par exemple, si le point A est au quart de la longueur du tracé du crayon, dit diagramme (fig. 145), à ce moment le piston était également au quart de sa course, et la pression effective de la vapeur, ou pression au-dessus de celle de l'atmosphère, est mesurée par la longueur A B, qui enregistre la flexion du ressort. M N est le trait du crayon, lorsque l'indicateur ne communique pas avec le cylindre de la locomotive, c'est-à-dire quand la pression atmosphérique s'exerce sur les deux faces de son piston.

Sur le diagramme, la partie 1 - 2 est tracée pendant l'admission, avec laminage surtout vers la fin, quand le tiroir rétrécit l'orifice de passage de la vapeur ; 2 - 3 est tracé pendant la détente, 3 - 4 pendant l'échappement anticipé ; le piston moteur revient alors en arrière ; 4 - 5 est tracé pendant l'échappement, 5 - 6 pendant la compression, 6 - 1 pendant l'admission anticipée. Avec un peu d'habitude, on voit assez bien sur les diagrammes, fournis par l'indicateur, la position de ces points 2, 3 et 5 ; la place exacte du point 6 n'est guère indiquée, et ou ne peut le plus souvent que la conjecturer.

Connaissant ainsi la pression exacte sur le piston à chaque instant et le chemin qu'il fait, on en déduit, par une méthode de calcul simple, le travail que produit la vapeur sur le piston pendant une course entière aller et retour. Ce travail est proportionnel à la surface du diagramme, qu'on mesure avec un instrument nommé planimètre. L'ordonnée moyenne est la hauteur du rectangle qui aurait même surface avec une base égale à la longueur du diagramme.

Le relevé de diagrammes, avec l'indicateur qui vient d'être décrit, est assez difficile sur la locomotive. Divers appareils ont été imagines pour rendre plus commodes ces relevés. L’auto-indicateur des chemins de fer de l'Ouest permet de prendre des séries de diagrammes sans qu'on ait besoin d'approcher de l'appareil, monté près des cylindres.

84. Commande du tiroir.

Le tiroir est le plus souvent commandé par des excentriques. Un excentrique unique suffirait, comme pour beaucoup de machines fixes, si la locomotive marchait toujours dans le même sens.

L'excentrique (fig. 148) n'est pas en principe, un mécanisme différent de la manivelle ; il dérive d'une manivelle ordinaire dont le tourillon est grossi jusqu'à ce qu'il vienne enfermer l'essieu : alors on monte ce bouton grossi sur le corps de l'essieu, sans être obligé de le couder. Le collier d'excentrique est l'équivalent de la grosse tète de bielle motrice : la barre d'excentrique, qui se rattache à la lige du tiroir, guidée en ligne droite, est l'équivalent du corps de la bielle.

Qu'on envisage d'abord un tiroir de machine fixe dont la tige est parallèle à l'axe du cylindre, disposition fréquente. Quand la manivelle motrice est au point mort, en 0 M₁ (fig. 149), le rayon de l'excentrique est en 0 T₁ ; la barre d'excentrique est en T₁ A₁ ; le tiroir découvre légèrement une des lumières et dépasse le bord extérieur de cette lumière de la longueur dite avance linéaire.

Quand la manivelle motrice, en tournant, est venue en 0 M, le rayon de l'excentrique a tourné du même angle et a pris la position 0 T. Pour connaître le déplacement du tiroir, on n'a qu'à porter en T A la longueur de la barre : le tiroir a parcouru une longueur égale à A₁ A. Ce tracé exige une feuille de papier immense si on veut le faire à grande échelle ; aussi opère-t-on autrement : qu'on prenne, sur l'axe 0 A₁, A₁ t₁, égal à A₁ T₁ (ce qu'on pourrait faire en plaçant en A₁ la pointe d'un compas et décrivant un arc de cercle de rayon A₁ T₁), et, de même, A t égal à A T et par suite à A₁ T₁ ; t₁ t est égal à A₁ A, c'est-à-dire au déplacement cherché du tiroir. Au lieu de placer la pointe du compas en A₁ et en A, on prend une équerre à dessin, dont on a taillé le petit côté en arc de cercle du rayon voulu A₁ T₁, (fig. 150) : on n'a plus qu'à faire glisser cette équerre suivant 0 A en amenant la partie ainsi arrondie sur les points T₁, puis T : on trace T₁ t₁, T t, ce qui donne le déplacement cherché du tiroir, t₁ t.

En suivant ainsi le mouvement du tiroir pour un tour complet (fig. 151), on voit d'abord le point t s'écarter de t₁ vers la droite, jusqu'à ce que T vienne en t', ce qui montre que le bord e du tiroir s'écarte du bord E de la lumière, qui s'ouvre de plus en plus. Ensuite t revient vers la gauche en se rapprochant de t₁ sur lequel il repasse ; le tiroir se retrouve dans la position initiale ; puis le point t s'en éloigne vers la gauche. Quand t a ainsi parcouru une longueur t₁ t₂ égale à l'avance linéaire, le tiroir s'est déplacé de la même quantité et son bord e vient toucher le bord E de la lumière, qu'il ferme alors complètement : l'admission cesse et la détente commence ; le rayon de l'excentrique est en 0 T₂ et la manivelle motrice, qui suit toujours le rayon de l'excentrique à distance angulaire constante, est en 0 M₂.

Le tiroir continue à se déplacer vers la gauche : après un parcours t₂ t₃, le bord intérieur gauche i du tiroir vient rencontrer le bord intérieur I de la lumière, et l'échappement anticipé commence. La manivelle motrice est alors en 0 M₃. La figure montre que le chemin t₂ t₃ est égal à la largeur e i de la bande du tiroir, diminuée de la largeur E I de la lumière.

La rotation continuant, quand la manivelle motrice passe en 0 M₄, le tiroir continue à ouvrir la lumière vers l'intérieur : c'est la fin de l'échappement anticipé et le commencement de l'échappement. Le point t se déplace vers la gauche jusqu'en t" et le tiroir ouvre de plus en plus la lumière pour l'échappement ; puis il revient en arrière, et la lumière se ferme vers l'intérieur quand le point i repasse sur I, c'est-à-dire quand t repasse en t₃ ; le centre de l'excentrique est alors en T₅, et la compression commence. Quand t repasse sur t₂, T étant en T₆, e repasse sur E et le tiroir commence à ouvrir la lumière pour l'admission anticipée.

On étudie la distribution sur l'autre face du piston (fig. 152), en examinant le déplacement des bords e' et i' du tiroir par rapport aux bords E' et I' de la lumière de droite. On trouve de même les diverses positions intéressantes du rayon de l'excentrique. Quand le piston est au fond de course à droite, la manivelle motrice est à son autre point mort, 0 M'₁ ; le rayon de l'excentrique est en 0 T'₁ diamétralement opposé 0 T₁. Le tiroir a l'avance linéaire e' E', égale à t'₁ t'₂. L'admission cesse et la détente commence quand le point t passe en t'₂ ; l'échappement anticipé commence quand il est en t'₃, et l'échappement cesse quand il repasse au même point ; enfin l'admission anticipée commence quand il est en t'₂.

On examine ainsi à part la distribution sur les deux côtés du piston, sans confondre les positions du tiroir correspondant à ces deux côtés.

On appelle angle d'avance ou avance angulaire de l'excentrique l'angle qu'en fait le rayon 0 T₁ avec la perpendiculaire à la manivelle motrice 0 M₁, angle compté dans le sens de la rotation.

Une distribution est entièrement définie, et on peut en tracer tous les éléments, quand on connaît l'angle d'avance et le rayon de l'excentrique, ainsi que la longueur de la barre et les cotes du tiroir et des lumières.

On rapporte ainsi le début et la fin de chaque phase de la distribution à la position du rayon de l'excentrique et, par suite, de la manivelle motrice ; connaissant la position de la manivelle, on en déduit celle du piston, et on sait alors combien de chemin il a parcouru depuis le fond de sa course. On divise cette course en cent parties égales et on indique combien de ces centièmes le piston parcourt pendant chaque phase de la distribution ; on aura par exemple les chiffres suivants :

Avec une faible avance linéaire, le parcours du piston pendant l'admission anticipée, sans être rigoureusement nul, peut être inappréciable.

Les éléments de la distribution, citée comme exemple, sont les suivants : avance angulaire, 30° ; course du tiroir, 100 mm ; avances linéaires, égales des deux côtés, 3 mm ; recouvrements extérieurs, 22 mm ; recouvrements intérieurs, 8 mm ; longueur de la bielle motrice, 5 fois celle de la manivelle motrice ; longueur de la barre d'excentrique, 2,500 m.

Les chiffres du tableau ne sont pas les mêmes pour les deux côtés du piston ; les différences sont d'autant moindres que la barre d'excentrique et surtout la bielle motrice sont plus longues. Il résulte de ces différences que le travail de la vapeur n'est pas identique sur les deux faces du piston.

Quand la manivelle motrice tourne d'un angle M₁ OM à partir de son point mort arrière (fig. 149), le chemin parcouru par le piston est moindre que lorsque la manivelle décrit un angle égal à partir de son point mort avant ; on le voit aisément en appliquant pour le piston le même tracé que pour le tiroir, à l'aide d'une équerre dont le petit côté est taillé en arc de cercle avec un rayon convenable.

Les diagrammes d'indicateur, relevés des deux côtés du piston, en montrent le parcours pendant les diverses phases de la distribution (fig. 183).

85. Marche arrière.

La distribution étudiée dans le paragraphe précédent peut convenir aux machines fixes qui tournent toujours dans le même sens ; mais la locomotive doit fonctionner dans les deux sens, avoir une marche arrière aussi bien qu'une marche avant. On voit immédiatement qu'il serait facile de construire deux machines distinctes, dont l'une tournerait en avant, l'autre en arrière. La première ayant le rayon de l'excentrique en OT (fig. 154), il suffirait de prendre pour rayon de l'excentrique de la seconde OT', symétrique de OT par rapport à l'axe dirigé suivant OM₁, position commune de la manivelle : en refaisant les tracés, on retrouve dans les deux cas, pour les diverses phases de la distribution, des parcours égaux de la manivelle ; seulement les uns sont faits dans le sens de la flèche marquée AV, et les autres en sens contraire, suivant la flèche AR.

Les deux excentriques, ayant pour rayons 0 T et 0 T'₁, sont calés sur un arbre unique ; si on peut relier à volonté la tige du tiroir avec une barre d'excentrique articulée sur T ou avec une seconde barre articulée sur T', on obtient les distributions convenables pour les deux sens de marche.

C'est ce qu'on a réalisé dans les premières locomotives, à l'aide d'un mécanisme dit pied-de-biche (fig. 155). Les extrémités des barres d'excentrique étaient reliées au levier de l'arbre de relevage par deux tiges de suspension, qui se recouvrent sur la figure 155.

86. Coulisse de Stephenson.

Stephenson a perfectionné la locomotive en substituant la coulisse à la ferraille des pieds-de-biche. L'essieu porte encore les deux excentriques, chacun avec sa barre ; les bouts des deux barres sont reliés par un guide (fig. 156), dans lequel peut glisser un coulisseau fixé sur la tige du tiroir, qui se meut en ligne droite ; ce guide, appelé coulisse, est suspendu, en son milieu, à une tige, qui s'articule à l'extrémité d'un levier de l'arbre de relevage. L'arbre de relevage étant fixé dans une position telle que le coulisseau se trouve à l'extrémité supérieure de la coulisse, au point où s'articule une des barres, le tiroir est conduit par cette barre. En manœuvrant l'arbre de manière à relever la coulisse, on fait conduire le coulisseau par son extrémité inférieure, c'est-à-dire par l'autre barre d'excentrique. On passe ainsi d'une des marches à l'autre sans disjoindre aucune articulation, sans choc.

On s'est bientôt aperçu que la coulisse n'était pas seulement un appareil de changement de marche. Au lieu de placer l'arbre de relevage dans les positions extrêmes, où l'une des barres conduit la tige du tiroir, qu'on le fixe de telle sorte que le coulisseau se trouve en un point intermédiaire de la coulisse (fig. 157) ; le tiroir se meut suivant une loi précise. On a reconnu que, pour chaque position de l'arbre de relevage, le mouvement du tiroir était, à peu de chose près, celui que lui donnerait un certain excentrique, d'angle de calage et de rayon déterminés. C'est ce qu'on appelle l'excentrique fictif du tiroir, excentrique qui, s'il était construit, remplacerait le mécanisme de la coulisse, mais seulement pour la position correspondante de l'arbre de relevage.

On trace facilement les divers excentriques fictifs, qui pourraient ainsi se substituer à une coulisse : quand la manivelle est à son point mort OM₁ (flg. 158), tous leurs centres se trouvent sur un arc de cercle de grand rayon joignant les centres T et T' des deux excentriques ; et si la position de l'arbre de relevage est telle que le point A de la coulisse saisisse le coulisseau, le centre G de l'excentrique fictif divise l'arc TT' comme le point A divise la coulisse CC'.

On sait tracer la distribution que donne un excentrique quelconque OG. En faisant ce tracé, on reconnaît que cette distribution diffère de celle donnée par OT : la période d'admission est plus courte ; celles d'échappement anticipé et de compression sont plus longues ; ces différences sont d'autant plus grandes que le point G se rapproche davantage du milieu H₀ de TT' ; en d'autres termes, elles s'accroissent à mesure que le rayon de l'excentrique fictif diminue et que son angle d'avance augmente.

La coulisse permet ainsi d'obtenir des distributions avec admission variable : la quantité de vapeur admise dans le cylindre diminue à mesure que le point G s'éloigne de T et la longueur de chacune des trois périodes de détente, d'échappement anticipé et de compression augmente.

Pour l'autre sens de marche, la coulisse donne des distributions variables de même, quand le centre de l'excentrique fictif passe de T' à H₀.

La coulisse de Stephenson modifie, en même temps que la période d'admission, l'avance linéaire du tiroir, c'est-à-dire la petite ouverture de la lumière qu'il donne lorsque le piston est à fond de course. On se rend compte de cette variation des avances linéaires en examinant le tiroir lorsque le plateau de la boîte à vapeur est démonté ; il suffit de placer la machine dans une position telle que le piston soit à fond de course et la manivelle motrice à un de ses points morts. En manœuvrant alors l'arbre de relevage au moyen de l'appareil de changement de marche, on voit le tiroir se déplacer légèrement sur la table et augmenter l'ouverture de la lumière ou avance, à mesure que l'index du changement de marche se rapproche du zéro de la réglette, c'est-à-dire à mesure que le coulisseau est plus voisin du milieu de la coulisse.

On verrait à peu près la même variation, dans une machine bien réglée, sur l'autre bout du tiroir, en amenant la manivelle motrice à son autre point mort. Il faut pour cela que le rayon de la coulisse, ou rayon du cercle auquel on peut la supposer géométriquement réduite, soit égal à la longueur des barres d'excentriques.

Cette augmentation des avances linéaires, qui se produit quand on rapproche du milieu de la réglette l'index du changement de marche, c'est-à-dire quand on diminue l'admission de la vapeur, est avantageuse, car, d'une manière générale, cette position correspond aux grandes vitesses de marche, pour lesquelles la vapeur n'a guère le temps d'entrer dans le cylindre et de venir opposer une résistance au piston pendant l'admission anticipée ; et de l'allongement de l'avance linéaire résulte une augmentation utile de l'ouverture donnée par le tiroir pendant l'admission.

Cette variation des avances se produit avec la coulisse de Stephenson dans sa disposition ordinaire, avec des barres droites ou ouvertes (fig. 156). Si les barres étaient croisées on fermées (fig. 159), disposition rarement usitée pour les locomotives, la variation aurait lieu en sens inverse, et on pourrait n'avoir ni avance linéaire, ni par suite aucune ouverture de la lumière, dans la marche au point mort de la réglette.

La désignation de barres droites et croisées ne correspond qu'à la position des figures : quand la machine a fait un demi-tour, les barres droites se croisent et les barres croisées se décroisent (fig. 160).

Le tableau ci-après donne, en centièmes de sa course, le parcours du piston pendant chaque phase de la distribution, aux divers crans de marche, pour les machines-tenders n^os 613-728 des chemins de fer de l'Est :

On voit dans ce tableau d'assez fortes inégalités des phases de la distribution pour les deux faces du piston. En traçant les mécanismes, on tâche d'atténuer ces inégalités, surtout pour la marche avec admissions de 20 à 40 p. 100.

La coulisse est souvent composée de deux flasques, réunies à leurs extrémités par des boulons, qui les serrent contre une entretoise. Les flasques portent, sur leur face extérieure, des tourillons venus de forge, sur lesquels s'articulent les fourches des barres d'excentrique et les bielles de suspension. Toutes ces articulations sont cémentées et trempées (fig. 161).

Il faut surveiller de près ce mécanisme, surtout dans les machines neuves : si les pièces sont bien construites, les articulations n'ont que fort peu de jeu, et le moindre défaut de graissage risque de les faire gripper.

Un coulisseau en fer cémenté et trempé joue à l'intérieur de chacune des deux flasques ; les deux coulisseaux sont articulés sur l'extrémité de la tige du tiroir, qui est maintenue en ligne droite par un guide carré, ou parfois suspendue à une articulation fixe (fig. 107) : le coulisseau ne se meut plus alors rigoureusement en ligne droite ; le mouvement du tiroir n'en est guère modifié.

Il est facile de remplacer les coulisseaux usés, mais la coulisse elle-même, bien que cémentée et trempée, s'use, et surtout dans sa partie médiane. On peut la rectifier à la meule ; il est bon de disposer les entretoises de manière que la partie des flasques contre laquelle elles s'assemblent ne gêne pas pour cette rectification et ne soit pas modifiée, en suivant la disposition de la figure 162.

Il existe des formes plus simples de coulisse : on peut la découper dans une pièce unique d'épaisseur uniforme (fig. 163) et rapporter des axes d'articulation aux deux extrémités. Elle n'est plus alors suspendue par le milieu, et la bielle de suspension s'articule à l'une des extrémités, soit sur le même axe que la barre d'excentrique, soit sur un axe spécial. Avec cette disposition, la course du coulisseau est réduite et on ne peut pas le faire conduire par les extrémités mêmes de la coulisse, c'est-à-dire uniquement par une des barres d'excentrique : la plus grande admission qu'on obtient, en mettant le changement de marche à fond de course, s'en trouve réduite.

Pour éviter cet inconvénient, on construit des coulisses découpées de même dans une pièce unique, mais en reportant la rainure qui saisit le coulisseau en avant des trous qui reçoivent les axes d'articulation (fig. 164).

87. Manœuvre de l'arbre de relevage.

Le mécanisme, qui permet de manœuvrer l'arbre de relevage et de le fixer dans chacune de ses positions, était autrefois et est parfois encore, mais rarement en France, un levier de changement de marche (fig. 165), maintenu par un verrou à ressort, engagé dans un cran d'un arc de cercle denté. On préfère généralement aujourd'hui commander l'arbre de relevage par une vis de changement de marche (fig. 166), munie d'un volant de manœuvre : cette vis fait voyager un écrou, sur lequel s'adapte une tringle, qui va rejoindre un levier calé sur l'arbre. Un index, porté par l'écrou, se déplace le long d'une réglette divisée : la position de cet index indique quelle partie de la coulisse conduit le coulisseau ; quand il est à l’un de ses fonds de course, c'est l'une des deux extrémités de la coulisse qui saisit le coulisseau. Quand l'index est au milieu de la réglette, en regard du zéro, on dit qu'il est au point mort : le coulisseau est au milieu de la coulisse. La graduation de la réglette, de part et d'autre du zéro, indique approximativement l'admission, en centièmes de la course du piston, pour les diverses positions du mécanisme de relevage. Cette indication est forcément approximative, puisque l'admission n'est pas la même sur les deux côtés du piston, pour chacune des positions de changement de marche. Parfois la graduation de la réglette est arbitraire et n'indique pas les admissions : les traits sont alors de simples repères.

La vis est quelquefois placée près de l'arbre de relevage, et commandée par l'intermédiaire d'un arbre et d'engrenages (fig. 167).

Un contrepoids, fixé sur un levier spécial de l'arbre de relevage, équilibre le poids des coulisses et du reste de l'attirail suspendu à l'arbre. Ce contrepoids, assez lourd, fatigue par ses vibrations le mécanisme de relevage : quelquefois il se détache et tombe sur la voie. C'est pourquoi des ressorts sont préférables pour l'équilibre de l'arbre de relevage, soit qu'ils tirent sur l'extrémité d'un levier, soit qu'une lame enroulée en spirale et attachée à un point fixe entoure l'arbre.

La manœuvre du levier est pénible sur les grandes locomotives, à cause du frottement des tiroirs sur les tables et des tiges dans les garnitures ; en outre, il présente quelque danger, car, mal enclenché sur son secteur, il peut se déplacer brusquement et frapper le mécanicien. La vis est plus sûre et plus commode. Pour les machines de gare, toutefois, où il faut incessamment changer le sens de marche, le levier est préférable, surtout si ces machines ont de petits tiroirs.

La manœuvre du volant du changement de marche exige encore un effort assez considérable sur certaines machines : on la facilite en produisant cet effort au moyen d'un petit cylindre à vapeur. Dans l'appareil à contrepoids de vapeur (fig. 168), le volant peut se déplacer un peu sur la vis lorsqu'on le fait tourner, et ce déplacement préalable ouvre l'admission de vapeur d'un côté ou de l'autre du piston, qui entraîne la barre de relevage quand on continue à manœuvrer la vis.

On a même quelquefois monté sur des locomotives de véritables servo-moteurs, ou petits cylindres à vapeur manœuvrant l'arbre de relevage, en répétant les mouvements d'une petite vis commandée par la main du mécanicien ; cette vis n'a pas d'action directe comme dans l'appareil à contrepoids de vapeur. Un cylindre plein d'huile, avec piston, immobilise l'appareil, en s'opposant à tout mouvement tant que l'huile ne peut passer d'un côté à l'autre du piston : la manœuvre de la commande ouvre une communication ménagée à cet effet.

Ces derniers appareils sont compliqués, sujets à avaries ; ils entraînent des dépenses d'entretien assez fortes, sans être bien justifiés par la grandeur des efforts à produire. Aussi sont-ils rarement employés sur les locomotives.

88. Commande du tiroir par tige oblique et par balancier.

Les tiroirs ne se meuvent pas tous parallèlement à l'axe du cylindre. Avec une direction oblique du mouvement (fig.169), le tiroir trouve sa place au-dessus du cylindre. Il se meut alors suivant OX', mais la loi du mouvement doit rester la même qu'avec OX' parallèle à OX, axe du cylindre. Quand la manivelle motrice est à son point mort, en OM₁, les rayons des excentriques, OT₁ et OT'₁, doivent être symétriques par rapport à OX', et la véritable avance angulaire se compte à partir de la perpendiculaire à OX'.

Parfois, un balancier de renvoi (fig. 170) communique le mouvement au tiroir : les excentriques sont alors calés à l'opposé (ou à 180°) de leur position normale.

89. Coulisse de Gooch.

De nombreux systèmes de coulisses diffèrent du mécanisme imaginé par Stephenson, tout en produisant à peu près les mêmes effets : c'est surtout la commodité de l'application, sur chaque type de locomotive, qui fait choisir un de ces systèmes, plus que ses avantages propres comme appareil de distribution.

Les coulisses de Gooch (fig. 171) et de Stephenson présentent leur courbure en sens inverses. La coulisse de Gooch est attachée par des bielles de suspension à un axe fixe, et non plus à l'extrémité du levier d'un arbre de relevage mobile ; le coulisseau est à l'extrémité d'une bielle, qui commande la tige du tiroir, guidée en ligne droite ; le levier de l'arbre de relevage supporte cette bielle : en manœuvrant cet arbre, on promène le coulisseau le long de la coulisse. L'arbre de relevage se trouve soit au-dessus soit au-dessous de la coulisse. Le rayon du cercle qui forme l'axe de la coulisse est précisément égal à la longueur de la bielle du tiroir.

Cette coulisse donne au tiroir une avance linéaire invariable, quelle que soit la position de l'arbre de relevage : en effet, quand la manivelle motrice est à un de ses points morts, les rayons des deux excentriques se placent symétriquement par rapport à l'axe du tiroir ; la coulisse est également symétrique par rapport à cet axe ; le tiroir est dans la position d'avance linéaire. Or, si on fait jouer le changement de marche, le centre du coulisseau, restant dans la coulisse, va décrire un cercle autour de l'extrémité de la bielle voisine du tiroir comme centre, extrémité qui ne bougera pas, puisque la coulisse est justement un arc de cercle de même rayon, ayant alors même centre ; le tiroir restera immobile : il présentera donc la même avance linéaire quel que soit le cran de marche. Il en est de même si l'on considère l'autre point mort de la manivelle. Cette constance des avances linéaires n'existe plus, si, comme on le voit sur quelques machines, le rayon de la coulisse n'est pas exactement la longueur de la bielle du tiroir, ou si les deux excentriques ne sont pas calés symétriquement, avec le même angle d'avance.

La constance des avances linéaires n'entraîne pas celle des périodes d'admission anticipée aux divers crans de marche : cette phase de la distribution correspond à des parcours du piston de plus en plus longs à mesure que le changement de marche se rapproche de son point mort.

Les centres des excentriques fictifs, qui conduiraient le tiroir comme le fait la coulisse de Gooch, se rangent sur la ligne droite qui joint les centres des deux excentriques.

La coulisse de Gooch occupe une longueur plus grande sur la locomotive que celle de Stephenson, puisqu'il faut loger en plus la bielle du tiroir.

90. Coulisse d'Allan.

Les coulisses de Stephenson et de Gooch sont courbées en sens inverses ; celle d'Allan est droite ; elle est suspendue à l'arbre de relevage (fig. 172) par son milieu, mais l'appareil comprend, comme celui de Gooch, une bielle qui porte le coulisseau et qui s'articule sur la tige du tiroir : cette bielle est également suspendue à l'arbre de relevage. Les deux suspensions sont disposées de telle sorte que l'une s'élève quand l'autre descend. Par ce double mouvement, le coulisseau se promène tout le long de la coulisse : on l'arrête dans telle position qu'on juge convenable.

Les centres des excentriques fictifs, qui pourraient remplacer une coulisse d'Allan, forment un arc de cercle, voisin de la ligne droite qui joint les centres des excentriques. Les avances linéaires aux divers crans de marche varient comme avec la coulisse de Stephenson, mais la variation est moindre.

Ce mécanisme est porté par un arbre de relevage unique, et les poids des pièces suspendues s'équilibrent à peu près.

91. Distribution Walschaerts.

Le mécanisme de distribution de Walschaerts (fig. 173 et 167) est commode lorsque les tiroirs sont placés au-dessus des cylindres ; il est généralement appliqué pour des cylindres extérieurs, mais parfois aussi pour des cylindres intérieurs. Ce mécanisme n'a qu'un excentrique, réduit à un simple bouton sur une contre-manivelle, quand il est à l'extérieur de la machine. Cet excentrique unique est calé à angle droit sur la manivelle motrice ; il fait osciller une coulisse autour de tourillons fixés en son milieu. Une bielle, analogue à celle de la coulisse de Gooch, se termine par un coulisseau, qui se déplace dans la coulisse quand on manœuvre l'arbre de relevage : une bielle de suspension rattache cette bielle au levier calé sur l'arbre. L'autre extrémité de la bielle est articulée en A, non sur la tige du tiroir, mais sur un levier dont une extrémité, C, suit le mouvement de la tête du piston, et dont l'autre extrémité, B, entraîne la tige du tiroir, guidée en ligne droite.

Le rayon de la coulisse est égal à la longueur de la bielle ; quand la manivelle motrice est à un point mort, le centre de la coulisse se trouve précisément au point A, extrémité de la bielle, de sorte qu'on peut promener le coulisseau le long de la coulisse en manœuvrant l'arbre de relevage, sans que le tiroir bouge : on a donc une avance linéaire constante.

Il est facile de tracer les épures qui représentent la distribution donnée aux différents crans de marche par le mécanisme Walschaerts ; la coulisse transmet au tiroir le mouvement de l'excentrique ; elle en réduit plus ou moins l'amplitude, et en change le sens quand le coulisseau dépasse le milieu de la coulisse ; avec ce premier mouvement se combine un déplacement donné par le levier C A B et opposé à celui du piston, réduit dans le rapport des deux bras du levier, AB et AC. Pour construire les excentriques fictifs qui conduiraient de même le tiroir, on prend OD et OD' égaux au rayon de l'excentrique convenablement réduit, de manière à tenir compte de la réduction de la course des extrémités de la coulisse ; puis on prend OR égal au rayon de la manivelle, OM, réduit dans le rapport de AB à AC ; OL et OL' étant les diagonales des rectangles construits avec OR, OD et OD', le centre de l'excentrique fictif se déplace sur LL' quand on manœuvre l'arbre de relevage.

Sur la figure 173, la bielle de suspension saisit la bielle du tiroir entre le coulisseau et l'extrémité A ; souvent au contraire la bielle de relevage s'articule sur un prolongement de la bielle du tiroir au delà de la coulisse. En retournant sens dessus dessous le mécanisme de Walschaerts, on lui fait commander des tiroirs placés sous les cylindres.

92. Systèmes divers de coulisses.

Certains systèmes de distribution, employés sur des locomotives, n'ont pas d'excentrique et comportent une prise de mouvement sur le corps de la bielle motrice. Par exemple, des locomotives des chemins de fer de l'Ouest ont un mécanisme analogue à celui de Walschaerts (fig. 174), où l'excentrique qui fait osciller la coulisse est remplacé par un système articulé d'une part vers le milieu de la bielle motrice, et, d'autre part, au bout d'un levier calé sur l'axe d'oscillation, perpendiculairement à la coulisse. La figure montre que ce système comprend : un levier articulé en un point fixe sur le support des glissières ; un second levier articulé sur le premier et sur la bielle motrice ; un troisième levier articulé en un point intermédiaire du second et à l'extrémité de la tige perpendiculaire à la coulisse. Le point intermédiaire choisi sur le second levier décrit une courbe voisine d'un cercle.

Parmi les distributions sans excentriques, se trouve aussi celle de Joy, où un mécanisme conduit par un point de la bielle motrice fait glisser un coulisseau dans une coulisse, servant de guide, qu'on fixe dans des positions diverses en manœuvrant l'appareil de changement de marche.

La hauteur des boîtes motrices dans leurs glissières doit être soigneusement réglée sur les machines munies de distributions de ce genre, puisque les déplacements de ces boîtes par rapport au châssis, changeant l'inclinaison de la bielle motrice, influent sur la position du tiroir. Pour la même raison il convient que les oscillations des ressorts, qui chargent ces boîtes, n'aient habituellement qu'une faible amplitude.

93. Distributions à obturateurs multiples.

Les machines fixes portent souvent des obturateurs séparés pour l'admission et l'échappement, au lieu du tiroir simple. Des mécanismes analogues ont été quelquefois employés pour la locomotive. Dans le système Durant et Lencauchez (fig. 175 et 176), les obturateurs d'admission et les obturateurs d'échappement sont menés par deux points différents d'un long coulisseau, conduit par une coulisse de Stephenson ; le point qui règle l'échappement est, dans la marche avant, plus éloigné du milieu de la coulisse que celui qui commande l'admission : on peut ainsi réduire la période d'admission sans augmenter l'échappement anticipé et la compression autant qu'avec un coulisseau ordinaire. La marche arrière est sacrifiée.

La distribution Bonnefond (fig. 248) s'écarte encore plus des mécanismes usuels, car les obturateurs d'admission ne sont pas commandés directement pendant toute leur course, mais se ferment brusquement sous l'action d'un piston pressé par la vapeur, quand un déclic les laisse échapper. C'est l'application aux locomotives du principe des machines Corliss.

94. Tiroir à canal.

La forme des tiroirs ordinaires a été parfois modifiée : une des modifications les plus simples donne le tiroir à canal ou tiroir de Trick. Ce tiroir est fondu avec un canal qui va d'une bande à l'autre (fig. 177), et dont les bords c, c', sont parallèles aux bords E, E'. En limitant la table par des bords C, C', convenablement placés, on augmente la section de passage de la vapeur pour l'admission, sans modifier le mécanisme de distribution. Il faut qu'au moment où le bord e atteint le bord E de la table, c'est-à-dire au moment où la lumière va s'ouvrir, le bord c' du canal vienne toucher le bord C de la table ; quand le tiroir aura légèrement dépassé cette position, la vapeur s'introduira non seulement entre e et E, mais aussi, entre c' et C', par le canal.

Le canal fonctionne de même pour l'admission dans l'autre lumière. En déterminant, sur le dessin du tiroir, la position du canal, on a soin que jamais il ne puisse venir déboucher dans la lumière d'échappement, parce que la vapeur fuirait par cette communication intempestive ; il faut que, dans la plus grande course du tiroir, le bord b n'atteigne pas le bord de la lumière d'échappement.

Cette disposition ingénieuse du tiroir diminue le laminage de vapeur ; elle rend le tiroir un peu plus lourd et plus difficile à exécuter, mais ne complique ni la conduite ni l'entretien de la machine. Elle ne modifie en rien les conditions d'échappement.

95. Frottement des tiroirs.

Le tiroir supporte la pression de la vapeur, qui l'appuie sur la table des lumières ; une pression beaucoup moindre s'exerce par-dessous, car cette pression est à peu près celle de l'atmosphère dans toute la cavité intérieure, qui communique constamment avec le conduit d'échappement.

Il est nécessaire qu'une certaine force colle ainsi le tiroir sur la table, pour empêcher les fuites de vapeur par l'échappement ; mais cette force est beaucoup plus grande qu'il ne serait utile : il en résulte un frottement important, qui absorbe du travail et use les surfaces frottantes.

Avec une pression de 10 kg par cm², la force qui appuie ainsi contre sa table un tiroir de 350 mm sur 250 est d'environ 7 500 kg ; l'effort nécessaire pour le faire glisser, malgré cette pression, dépend du poli des surfaces et du graissage : on peut l'estimer, en moyenne, à 350 kg. La course du tiroir varie avec le cran de marche : elle sera par exemple de 100 mm. Par tour de roue, le tiroir fait une excursion aller et retour, longue de 0,2 m. Le travail ainsi consommé est, en kilogrammètres, le produit de la force en kilogrammes par le chemin en mètres, c'est-à-dire 350 x 0,2 ou 70 kilogrammètres. Si les roues font trois tours par seconde, le frottement des deux tiroirs absorbe 420 kilogrammètres par seconde, c'est-à-dire cinq à six chevaux-vapeur.

Quand la machine roule avec régulateur fermé, le tiroir est moins fortement appuyé sur la table ; il peut même se soulever à certains moments ; mais la présence de gaz chauds, qui nuisent au graissage, et, en outre, entraînent des cendres de la boîte à fumée, fait que l'usure est toujours à craindre.

Le graissage des tiroirs réduit ces effets pernicieux. Les meilleurs appareils donnent l'huile en petite quantité à la fois et d'une manière continue, aussi bien quand le régulateur est fermé que quand il est ouvert (§ 73).

On peut aussi s'attaquer à la cause même du frottement et réduire la charge sur la table en équilibrant le tiroir. Une portion de la face supérieure du tiroir Adams (fig. 178) est soustraite à la pression de la vapeur : une couronne frotte sur le plateau de la boîte à vapeur, parallèle à la table des lumières ; elle peut jouer dans une partie alésée sur le dos du tiroir, et des bagues s'opposent aux fuites de vapeur. Grâce à cette disposition, la couronne est toujours appliquée contre le plateau, malgré l'usure.

L'espace ainsi isolé est mis en communication constante avec l'échappement, de sorte que la pression de la boîte à vapeur ne peut s'y établir. Il faut que la partie ainsi soustraite à la pression de la vapeur ne dépasse pas beaucoup la moitié de la surface totale du tiroir ; autrement il aurait tendance à se soulever en marche.

Cette disposition réduit le frottement, au prix d'une petite fuite de vapeur. Il importe d'ailleurs que le graissage de la partie qui frotte sur le plateau soit assuré.

Dans le tiroir Richardson, fort usité aux Etats-Unis, et récemment appliquée des locomotives des chemins de fer de l'Est, des barrettes rectilignes isolent sur le dos du tiroir une chambre rectangulaire. Quand ces barrettes sont montées avec les précautions convenables, elles paraissent mieux fonctionner que la couronne circulaire du tiroir Adams ; il est probable qu'elles se prêtent aux petites inégalités, que peut présenter la surface sur laquelle elles frottent.

96. Tiroirs cylindriques.

On peut équilibrer les pressions en faisant usage de tiroirs cylindriques, c'est-à-dire en remplaçant le tiroir plan par deux pistons conjugués (fig. 179 et 180). Les tiroirs cylindriques, fort employés dans les grandes machines marines, sont quelquefois montés sur des locomotives, notamment en France par les chemins de fer de l'État ; plusieurs applications récentes en ont été faites en Angleterre et en Amérique. Un tiroir cylindrique se compose de deux pistons de même diamètre (quelquefois de diamètres légèrement différents dans les grandes machines verticales), jouant dans un cylindre sur la surface duquel débouchent les lumières ; ces lumières entourent le tiroir cylindrique ; elles sont interrompues par une série de barrettes pleines, destinées à supporter les bagues du tiroir cylindrique. Ces pistons remplacent les bandes du tiroir plan, et ne modifient pas la distribution : l'échappement se produit entre les pistons, et l'admission sur leurs faces extérieures.

Les bagues élastiques des tiroirs cylindriques peuvent être appliquées contre la paroi du cylindre par des ressorts ; on peut aussi faire agir la pression de la vapeur à l'intérieur de ces bagues : le seul frottement du tiroir tient à la force qui applique les bagues sur la surface cylindrique contre laquelle elles se meuvent. Il est bon que ces bagues soient libres de se soulever pour laisser échapper l'eau qui peut se trouver dans le cylindre moteur, quand le piston approche du fond de course.

Parfois on intervertit les côtés d'admission et d'échappement des tiroirs cylindriques, en changeant de côté les recouvrements, et en donnant aux excentriques un calage diamétralement opposé au calage normal ; la vapeur est admise entre les deux pistons et s'échappe sur les faces extérieures.

Les locomotives munies de tiroirs cylindriques portent des soupapes de rentrée d'air, montées sur la boîte à vapeur : le rôle de ces soupapes, dans la marche à régulateur fermé, est indiqué au paragraphe 100.

97. Marche au point mort de la distribution.

Quand on place le mécanisme de changement de marche avec l'index au zéro de la réglette, ou au point mort, le milieu de la coulisse conduit le coulisseau, et le mouvement du tiroir est à peu près celui que donnerait un excentrique de rayon OT⁰, calé à l'opposé de la manivelle motrice (fig. 181), c'est-à-dire avec une avance angulaire de 90°. Cette distribution est la même pour les marches avant et arrière. La méthode exposée au paragraphe 84 permet de suivre le mouvement donné au tiroir par cet excentrique. Dans la marche avant (sens de la flèche de la figure 181), on voit que la détente commence, pour l'arrière du piston, quand le rayon de l'excentrique est en OT⁰₂, et la manivelle à l'opposé ; l'échappement anticipé commence lors du passage en OT⁰₃ et OM₃ ; la compression en OT⁰₅ et OM₅ ; l'admission anticipée, en OT⁰₆ et OM₆. Le piston fait, en sens contraires, les mêmes parcours pendant l'admission anticipée et pendant l'admission, pendant la compression et pendant la détente ; mais le travail résistant et le travail moteur de la vapeur ne se compensent pas, la pression moyenne de la vapeur étant plus élevée pendant la détente que pendant la compression. La rapidité de la marche et la faible ouverture des lumières réduisent beaucoup l'entrée de vapeur pendant l'admission anticipée ; c'est surtout pendant la période d'admission que s'exerce la pression, alors motrice ; puis la vapeur ne sort pas instantanément du cylindre au début de l'échappement anticipé et continue à pousser le piston ; c'est ce que montrent les diagrammes.

Lé tracé pour la marche arrière se fait de même, et le diagramme est analogue.

Si la marche au point mort même de la distribution est possible, on ne saurait en conseiller l'emploi, parce qu'elle n'utilise pas bien la vapeur.

98. Action du régulateur et du changement de marche.

Comme le montre l'étude de la distribution, lorsqu'on rapproche l'appareil de changement de marche de son point mort, la période d'admission de vapeur diminue, ou la portion, du parcours du piston, à partir du fond de course, pendant laquelle le tiroir ouvre l'admission de vapeur, est de plus en plus courte. Si le changement de marche dans sa position extrême donne une admission d'environ 80 p. 100 (pendant les 80 centièmes du parcours du piston), on réduit cette admission à 70, 60, 50, 40... p. 100 en ramenant le changement de marche jusqu'à son point mort, où elle conserve encore une certaine valeur, 10 p. 100 par exemple. Mais la variation de la période d'admission n'est pas le seul effet de cette manœuvre : les périodes d'échappement anticipé, vers la fin de la course aller, et de compression, vers la fin de la course de retour du piston, augmentent à mesure que la période d'admission diminue.

Lorsque le changement de marche se rapproche ainsi de son point mort, la diminution de l'admission d'une part, l'accroissement de la compression d'autre part, réduisent le travail de la vapeur par coup de piston.

Au lieu de toucher au changement de marche, on peut manœuvrer le régulateur : en n'ouvrant qu'une étroite issue à la vapeur de la chaudière, on la lamine : la pression est plus faible dans les boîtes à vapeur que dans la chaudière ; plus on referme le régulateur, plus on fait ainsi baisser la pression de la vapeur employée dans les cylindres, et plus on réduit encore le travail moteur par coup de piston. Mais on n'agit plus sur l'échappement anticipé, ni sur la compression pendant le retour du piston.

Ainsi, pour réduire l'effort moteur sur le piston, le mécanicien peut soit rapprocher le changement de marche du point mort sans toucher au régulateur, soit refermer le régulateur sans toucher au changement de marche, soit combiner les deux manœuvres.

Les diagrammes que donne l'indicateur figurent les variations du travail de la vapeur, qui résultent de ces diverses manœuvres ; le travail d'un coup de piston est mesuré par la surface de ce diagramme ; comme il y a deux cylindres à double effet, il y a par tour de roues quatre diagrammes pareils, si la distribution est bonne.

Qu'on suppose d'abord la machine marchant à une certaine vitesse moyenne invariable ; la figure 182 montre les diagrammes pour une série de positions des deux organes de manœuvre ; ceux qui sont marqués de la même lettre (a, b, c, d, ou e), et qui sont groupés en rangées horizontales, correspondent aux admissions moyennes p. 100 de 80, 60, 40, 20 et 10 (point mort), données par le changement de marche ; tous les diagrammes d'une rangée verticale, ayant même numéro (1, 2, 3, 4, 5), correspondent à une même ouverture du régulateur, les numéros 1 à la plus grande ouverture, les numéros 5 à la plus faible.

Le plus grand des diagrammes, celui qui correspond au travail le plus fort, a-1, est obtenu avec le changement de marche à fond de course et le régulateur ouvert en grand. Le plus petit est e-5. Parmi les autres diagrammes, on peut en trouver des séries qui ont même surface, si l'on suppose le tableau complété par le tracé des intermédiaires, en nombre aussi grand qu'on le désire. C'est ainsi que le diagramme c-1 équivaut à un diagramme placé entre b-2 et c-2 et qu'il a même surface à peu près que b-3 et a-4. Tous les diagrammes de même surface indiquent un même travail sur les pistons.

Ceci posé, quels motifs feront choisir, pour chaque valeur du travail à produire, le régime qui donne un de ces diagrammes plutôt qu'un autre équivalent ? C'est d'abord la recherche de l'économie : le diagramme qui produit le travail demandé avec le moindre poids de vapeur offre un avantage important ; mais des expériences longues et délicates sont nécessaires pour déterminer exactement ce poids, et on ne peut le déduire du simple relevé à l'indicateur, à cause des fortes condensations qui se produisent pendant l'admission dans le cylindre : ces condensations ne sont pas visibles sur le diagramme. A défaut de ces expériences, le mécanicien habile déduit d'une longue pratique et d'une grande attention à la marche de sa machine les conditions qui lui permettent de réduire le plus sa consommation.

La considération du poids de vapeur dépensé n'est cependant pas la seule importante : tous les diagrammes portant le n° 1, qui correspondent au régulateur ouvert en grand, donnent à certains moments sur le piston la pleine pression de la vapeur dans la chaudière ; d'autre part, les diagrammes marqués e, avec le changement de marche au point mort, indiquent aussi de fortes pressions sur le piston, à cause de la longue compression. Or, ces fortes pressions augmentent la fatigue du mécanisme et les frottements : à ce point de vue, les diagrammes qui, pour un même travail, ne les atteignent pas, sont avantageux : ce sont ceux qui correspondent à des admissions de 20 p. 100 au moins et à une ouverture incomplète du régulateur.

Les diagrammes c-5, d-4, d-5, e-3, e-4 et e-5 ont, dans le coin gauche supérieur, une boucle (couverte de hachures, peu visibles vu la petite échelle des dessins), qui montre que le piston comprime la vapeur jusqu'à une pression supérieure à celle de la boîte à tiroir. L'ouverture anticipée de l'admission limite cette compression, en laissant la vapeur refoulée sortir du cylindre et retourner dans la boîte à tiroir, mais non sans causer des pertes de travail : les boucles hachurées représentent un travail résistant ou négatif, et leur surface doit être déduite du reste du diagramme.

Les diagrammes d-5, e-2, e-3, e-4, e-5 montrent encore une boucle couverte de hachures, sur la droite : c'est encore un travail résistant à déduire : cette boucle tient à ce que la pression de la vapeur, à la fin de la détente ou au commencement de l'échappement anticipé, ne dépasse pas beaucoup celle de l'atmosphère. Le piston continuant son mouvement pendant l'échappement anticipé, il arrive que le cylindre, au lieu de renfermer un excès de vapeur, aspire dans la colonne d'échappement ; comme cette aspiration se fait par des ouvertures étroites, il y a laminage, et la pression dans le cylindre s'abaisse au-dessous de la pression atmosphérique : c'est ce qu'on voit clairement sur le diagramme d-5, donné à plus grande échelle (fig. 183).

D'ailleurs, la pression n'a pas la même valeur dans toutes les chaudières de locomotive. Elle est d'environ 8 kg par cm² dans les machines un peu anciennes, de 10 et de 12 kg dans nombre de machines récentes. Or, si les diagrammes de la figure 182 sont établis pour une pression de 9 kg, il faudra supprimer la première colonne (n^os 1) pour les machines timbrées à 8 kg, sur lesquelles les diagrammes portant les n^os 2 correspondront au régulateur ouvert en grand. Si avec cette ancienne machine timbrée à 8 kg on marchait le régulateur ouvert en grand et la distribution à 20 p. 100 d'admission, le jour où on en remplace la chaudière par une autre timbrée à 10 kg, on ne retrouve plus les mêmes conditions de marche en ouvrant le régulateur à fond. Avec une chaudière timbrée à 12 kg, l'effet sera plus sensible encore, et on pourra être conduit à y laminer davantage la vapeur à l'aide du régulateur.

En outre, la vitesse des locomotives varie beaucoup, et cette variation modifie encore le travail de la vapeur. Qu'on laisse le régulateur et le changement de marche dans une position déterminée sans y toucher ; quand la vitesse s'accroît, la vapeur traverse de plus en plus rapidement les divers passages étroits placés sur sa route ; les laminages ou chutes de pression augmentent. Ces laminages se produisent d'abord à la sortie de la chaudière par le régulateur, puis à l'admission dans le cylindre, par la fente qu'ouvre le tiroir, enfin à l'échappement : la pression s'abaisse dans la boîte à vapeur, puis elle tombe de plus en plus vers la fin de l'admission dans le cylindre. Par contre, l'effet de l'échappement anticipé diminue ; mais la contre-pression augmente pendant l'échappement et pendant la compression. Toutes ces actions, sauf celle de l'échappement anticipé, réduisent le travail de la vapeur par coup de piston, en diminuant l'effort moteur à l'aller et en augmentant la résistance au retour : la surface du diagramme se contracte de plus en plus. Les figures 184 et 185 représentent deux diagrammes (correspondant aux numéros b-1 et d-2 de la figure 182), pour une série de vitesses croissantes.

Ainsi, à des vitesses différentes, les mêmes positions du régulateur et du changement de marche ne donnent pas le même, travail par coup de piston ; certaines positions de ces organes, qui conviennent à une vitesse, peuvent donner une mauvaise utilisation de la vapeur avec d'autres vitesses.

En résumé, l'une des positions les plus convenables du changement de marche est celle qui donne l'admission d'environ 20 p. 100 : avec une plus forte admission, la vapeur, n'étant pas assez détendue dans le cylindre, est mal utilisée : une admission plus faible fait commencer trop tôt l'échappement anticipé et produit une trop forte compression.

Quand le changement de marche donne ainsi l'admission de 20 p. 100, si on veut réduire le travail moteur, on refermera un peu le régulateur ; mais il ne faut pas laminer ainsi par trop la vapeur, qui doit toujours arriver dans la boîte à tiroir avec une pression au moins égale à celle que donne la compression dans le cylindre. S'il faut réduire beaucoup le travail moteur, on devra en outre diminuer un peu l'admission avec le changement de marche.

Si l'on a besoin, au contraire, de plus de travail qu'on n'en donne, avec l'admission de 20 p. 100, le régulateur ouvert en grand, on augmentera l'admission à l'aide du changement de marche.

Toutefois, avec les chaudières à très haute pression (12 kg par cm²), une petite chute de pression au régulateur paraît toujours désirable, pour ne pas trop fatiguer les mécanismes et aussi pour diminuer les entraînements d'eau.

Aux grandes vitesses, les admissions réelles que donne le changement de marche au même cran diminuent beaucoup, tandis que les compressions augmentent : le changement de marche trop près du point mort empêche la machine de courir ; on ne devra pas craindre de s'en éloigner, quitte à refermer un peu le régulateur, qui d'ailleurs produit aussi, dans la même position, un laminage de plus en plus fort.

99. Mise en marche.

Pour qu'une locomotive se mette en marche, il ne suffit pas que la vapeur accède aux pistons, quand on ouvre le régulateur, il faut que la force, qui tend à faire tourner l'essieu, surmonte les résistances qui s'opposent au mouvement. En considérant d'abord un seul des cylindres, on voit que la machine peut être arrêtée dans une position où le tiroir ouvre une des lumières de ce cylindre ; au contraire, les deux lumières d'admission peuvent en être masquées. Si 0M₆ (fig. 186) et 0M₂, 0M'₆ et 0M'₂ sont les positions de la manivelle motrice lorsque le tiroir commence à ouvrir ou achève de fermer une lumière d'admission, la vapeur n'entre pas dans le cylindre quand la manivelle est arrêtée entre 0M₂ et 0M'₆ ou entre 0M'₂ et 0M₆ ; quand elle se trouve arrêtée entre 0M'₆ et 0M'₁, ou entre 0M₆ et 0M₁, c'est-à-dire dans les positions où le tiroir donne une admission anticipée, la vapeur vient bien presser le piston, mais elle tend à donner à l'essieu une rotation contraire à celle qu'on veut produire ; l'effort produit est faible, il est vrai, la manivelle étant voisine du point mort.

Si la manivelle est arrêtée dans une position telle que 0M, le piston est pressé par la vapeur avec une force facile à calculer : c'est le produit de la pression effective, en kilogrammes par centimètre carré, soit 10, par la surface du piston en centimètres carrés ; s'il a 45 cm de diamètre, cette surface couvre 1 590 cm², et la force est de 15 900 kg. On peut en déduire la force correspondante à l'extrémité de la manivelle, représentée par le vecteur MF, à l'aide d'une règle simple : on mesure sur la figure 0G et 0M, G étant le point où l'axe de la bielle motrice coupe la perpendiculaire 0Y à l'axe du cylindre 0X ; on divise la longueur 0G par la longueur 0M, puis on multiplie la force sur le piston (15 900 kg dans l'exemple) par le quotient ainsi obtenu.

Quand la manivelle est voisine du point mort, 0M₁, 0G est très petit, la force MF est faible. Elle grandit à mesure que la manivelle est plus éloignée du point mort ; elle prend sa plus grande valeur quand la manivelle est perpendiculaire à la bielle, alors tangente au cercle décrit par le centre de la manivelle ; puis elle diminue pour s'annuler quand le piston n'est plus pressé par la vapeur.

On détermine de même l'effort moteur produit quand la manivelle est arrêtée entre 0M'₁ et 0M'₂ : la vapeur presse l'autre face du piston, la face avant.

En appelant r le rayon 0M de la manivelle, et R le rayon de la roue motrice, l'effort de traction exercé par la machine est égal à la force MF multipliée par le quotient de r par R.

Cette étude montre avec précision pourquoi il est nécessaire que la locomotive ait au moins deux cylindres, puisque avec un seul cylindre elle serait fort souvent arrêtée dans une position où elle ne pourrait démarrer. Le second cylindre attaque une manivelle perpendiculaire à la première : au démarrage, ou les deux cylindres reçoivent de la vapeur, et les efforts qu'ils produisent s'ajoutent ; ou bien un seul cylindre agit ; cela dépend des positions où se trouve arrêtée la machine.

L'effort total prend sa plus petite valeur lorsqu'une des manivelles a légèrement dépassé la position où le tiroir interrompt l'admission, 0M₂ ou 0M'₂ : un seul cylindre est moteur et sa manivelle n'est pas encore fort éloignée du point mort. C'est alors que les machines, si elles ont une charge un peu forte à mettre en mouvement, ne démarrent pas. On change le sens de la marche : le cylindre qui commande la manivelle en 0M₂ ou 0M'₂ reçoit de la vapeur pour la marche arrière, et il est possible que le cylindre de l'autre manivelle en reçoive de même. Toutefois, il peut arriver, avec les distributions généralement en usage sur les locomotives, qu'il n'en soit pas ainsi, de sorte qu'on n'est pas mieux placé pour la marche arrière que pour la marche avant : il est vrai que si l'effort de traction à produire est considérable, la poussée, qui n'agit pas simultanément sur tout le train, exige une force moindre.

Pour que le démarrage soit rarement difficile, il faut que les zones telles que 0M₂ - 0M'₁ et 0M'₂ - 0M₁ soient restreintes, ou, en d'autres termes, que les périodes d'admission, correspondant aux arcs 0M₁ - 0M₂, M'₁ - 0M'₂, soient longues : c'est pourquoi on met le changement de marche à fond de course pour le démarrage ; les meilleures distributions de locomotives, à ce point de vue, sont celles qui donnent alors les plus grandes périodes d'admission.

100. Marche à régulateur fermé.

Quand on ferme le régulateur, on met le changement de marche à fond de course : la machine roule plus librement ; les tiroirs et les cylindres se conservent mieux. Que le régulateur soit ouvert ou fermé, quand la machine tourne, le tiroir se meut de la même manière, ouvrant et fermant les lumières du côté de la boîte à vapeur et du côté de l'échappement aux mêmes instants, c'est-à-dire quand le piston passe par les mêmes positions. Soient T₁, T₂, T₃, T₄, T₅, T₆ (fig. 187), les positions du centre de l'excentrique, au commencement des six phases de la distribution sur la face arrière du piston ; soient 0M₁, 0M₂, 0M₃, 0M₄, 0M₅, 0M₆ les positions correspondantes de la manivelle motrice, et 1, 2, 3, 4, 5, 6, celles du piston.

Pendant le parcours 1 - 2 du piston, l'arrière du cylindre communique avec la boîte à vapeur et le piston exerce une aspiration dans cette boîte, où la vapeur n'arrive plus, le régulateur étant fermé. Le tiroir, se soulevant un peu, laisse alors pénétrer dans le cylindre les gaz pris, par l'échappement, dans la boîte à fumée.

Pendant le parcours 2 - 3, l'arrière du cylindre ne communique ni avec la boîte à vapeur ni avec l'échappement ; les gaz qu'il renferme se dilatent, par suite de l'accroissement du volume qu'ils occupent. Quand le piston arrive en 3, la communication avec l'échappement s'ouvre : c'est alors surtout que peuvent entrer dans le cylindre la fumée et les gaz chauds venus du foyer.

Pendant le retour du piston de 4 à 5, il refoule par l'échappement l'air et les gaz ; puis, pendant le trajet 5 - 6, il comprime les gaz qu'il contient encore, et, enfin, ces gaz comprimés s'échappent dans la boîte à vapeur, dès que la lumière s'ouvre, en 6. Quand on comprime des gaz, ils s'échauffent ; ici les gaz sont déjà chauds, puisqu'ils sont pris dans la boîte à fumée ; la compression en élèvera encore la température ; ces gaz très chauds brûlent les matières de graissage et risquent de détériorer les surfaces polies du cylindre. En outre, d'une part la raréfaction des gaz, surtout pendant la détente où ils sont confinés dans le cylindre, d'autre part leur compression, exercent une résistance qui ralentit ou même arrête la machine.

Les mêmes effets se produisent sur la face avant du piston. Ils sont d'autant moins énergiques que les périodes de détente et de compression sont plus courtes, ce qui a lieu quand le changement de marche est à fond de course : l'aspiration de gaz chauds dans la boîte à fumée, fâcheuse pour la conservation des cylindres, et les résistances à la marche de la machine sont alors aussi réduites que possible.

C'est surtout pendant la marche prolongée à régulateur fermé, sur les longues pentes, qu'il est utile de graisser les tiroirs et les pistons. On réduit l'usure de ces organes en ouvrant alors légèrement le robinet d'injection d'eau et de vapeur dans l'échappement, disposé pour la marche à contre-vapeur ; les gaz de la boîte à fumée n'entrent plus dans le cylindre.

On munit parfois la boîte à vapeur d'une soupape de rentrée d'air (fig. 188), qui s'ouvre du dehors au dedans lorsque le piston aspire, pendant la période d'admission : cette soupape empêche la raréfaction de l'air et la résistance qui en résulte ; l'air ainsi aspiré est refoulé par la tuyère d'échappement pendant le retour du piston ; le cylindre est préservé du contact des gaz chauds de la boîte à fumée.

Avec les tiroirs cylindriques, la soupape de rentrée d'air devient beaucoup plus utile, parce que les pistons, qui composent le tiroir cylindrique, ne laissent plus passer l'air comme un tiroir plan en se soulevant. Il en résulte pour la locomotive à tiroirs cylindriques, non munie de ces soupapes, une grande résistance quand le régulateur est fermé, par suite de la raréfaction puis de la compression de l'air dans le cylindre.

101. Machines à vapeur compound.

Dans les machines à un seul cylindre, ou à plusieurs cylindres travaillant de même, la vapeur passe de la chaudière dans le cylindre, puis s'échappe dans l'atmosphère (ou dans un condenseur). La machine compound, au contraire, a deux cylindres parcourus successivement par la vapeur : un cylindre à haute pression (dit aussi cylindre admetteur ou petit cylindre) reçoit de la chaudière la vapeur, qui en pousse le piston pendant l'admission et pendant la détente ; puis, pendant l'échappement, au lieu de communiquer avec l'extérieur (ou avec le condenseur), ce cylindre est mis en relation avec un réservoir intermédiaire, dans lequel se rend la vapeur. Ce réservoir remplace la chaudière pour le cylindre à basse pression (dit aussi cylindre détendeur ou grand cylindre) et lui fournit la vapeur, qui, après l'admission, puis la détente dans ce grand cylindre, s'échappe enfin au dehors.

La compound se compose ainsi de deux machines : la seconde, formée par le cylindre à basse pression, diffère d'une machine à un cylindre seulement en ce que la vapeur, au lieu d'être fournie directement par une chaudière, sort d'un réservoir. Quant à la première machine, elle diffère d'une machine à un seul cylindre par la pression du réservoir où se fait l'échappement.

Ces deux parties de la machine compound, qui, séparément envisagées, ne diffèrent essentiellement ni l'une ni l'autre d'une machine à un seul cylindre, ont entre elles certaines relations nécessaires, puisque c'est la même vapeur qui les traverse successivement : pendant le même temps, elles reçoivent chacune le même poids de vapeur, avec l'eau condensée qu'elle peut renfermer.

Si les deux cylindres, comme d'habitude, attaquent le même arbre, et si la marche est uniforme, cette égalité des poids de vapeur reçus par chacun des deux cylindres existe pour chaque tour de l'arbre : le poids de vapeur admis dans le petit cylindre sur chacun des côtés du piston, égal au poids qui s'échappe de ce cylindre, pendant une course aller et retour, est le même que le poids entrant dans le grand cylindre pendant une course aller et retour de son piston. Si la distribution est identique pour les deux côtés des pistons, et pourvu que la capacité du réservoir ne soit pas trop petite, il y a égalité entre les admissions sur les côtés avant et arrière, et, par suite, entre les quatre poids admis dans les deux cylindres pour un tour.

La pression de la vapeur dans le réservoir intermédiaire doit toujours être un peu plus petite que dans le petit cylindre ; elle est toujours un peu plus forte que dans le grand cylindre, puisque la vapeur doit s'écouler du petit cylindre dans le réservoir et du réservoir dans le grand cylindre. Cette remarque permet de se rendre compte de la durée que doit avoir la période d'admission dans le grand cylindre et montre pourquoi il y a un petit et un grand cylindre. La vapeur sort du premier cylindre et sa pression s'abaisse un peu ; le même poids de vapeur sort du réservoir pour entrer dans le second cylindre : si aucune condensation ne se produit, le volume de cette vapeur augmente quand la pression baisse. Or, dans un réservoir bien installé, la vapeur ne se condense pas ; il n'en est pas de même dans les cylindres : une certaine condensation se produit à l'admission dans le grand cylindre, ce qui diminue le volume apparent de la vapeur admise ; mais une condensation s'est produite de même à l'admission dans le petit cylindre, et l'eau condensée s'est vaporisée de nouveau pendant l'échappement de ce cylindre, ce qui augmente le volume de la vapeur. Les deux effets se compensent à peu près : l'eau qui se forme dans le grand cylindre pendant l'admission est celle qui s'est retransformée en vapeur dans le petit cylindre pendant l'échappement, et on peut dire que le volume ouvert à l'admission dans le grand cylindre doit toujours être un peu plus grand que le volume ouvert à l'échappement dans le petit cylindre. Comme l'échappement se ferme un peu avant la fin de course du piston, qui produit une certaine compression, ce volume d'échappement est un peu moindre que celui du petit cylindre, d'où la règle fort simple : le volume d'admission dans le grand cylindre sera le volume du petit cylindre.

Une fois admise dans le grand cylindre, cette vapeur doit ensuite s'y détendre, de manière à doubler ou tripler le volume admis, ce qui donne au grand cylindre deux ou trois fois le volume du petit.

En donnant à la période d'admission dans le grand cylindre une valeur supérieure à la limite convenable, on abaisse la pression dans le réservoir intermédiaire, et on diminue le travail de la vapeur sur le grand piston ; le travail sur le petit piston augmente, au contraire, par suite de l'abaissement de la pression résistante du réservoir. On voit aisément, en comparant les diagrammes, que le travail total sur les deux pistons se trouve réduit.

Pour comparer une machine compound à une machine ayant un seul cylindre, il suffit de remarquer que la compound, à chaque demi-tour, prend un certain volume de vapeur à la pression de la chaudière, et laisse échapper au dehors un volume de vapeur détendue jusqu'à remplir à peu près la capacité totale du grand cylindre. En comparant ces deux volumes, on voit combien la vapeur s'est détendue. Qu'on introduise directement le même volume de vapeur pris à la chaudière dans une machine ayant pour cylindre unique le cylindre à basse pression de la compound ; au moment de l'échappement, la vapeur se sera détendue dans ce cylindre unique, autant que dans la compound. Par la même détente du même volume de vapeur, on recueillera à peu près le même travail : on peut dire qu'une machine compound équivaut à une machine réduite au seul cylindre à basse pression, alimentée par la même chaudière.

On voit même que les petites chutes de pression inévitables, qui se produisent lors des deux transvasements successifs de la vapeur, diminuent un peu le travail de la machine compound ; mais la consommation de vapeur est le plus souvent moindre dans la compound.

Les machines compound ont en effet plusieurs avantages spéciaux. Il est difficile d'obtenir, dans un cylindre unique, une détente un peu grande de la vapeur (6 à 8 fois le volume pris dans la chaudière), sans faire usage de certains mécanismes de distribution, moins simples que la commande ordinaire du tiroir, tels que ceux des machines Corliss : avec la coulisse et le tiroir, les grandes détentes ne s'obtiennent qu'en augmentant outre mesure les périodes d'échappement anticipé et de compression, et en laminant la vapeur pendant l'admission, par suite de la faible ouverture des lumières. Or, pour tirer bon parti des pressions élevées de vapeur, il faut une forte détente.

En outre, les espaces libres des cylindres doivent être à chaque course remplis de vapeur à la pression d'admission, que cette vapeur soit prise à la chaudière ou qu'elle provienne de la compression de la vapeur détendue. Quand la pression à l'admission est élevée, on dépense ainsi beaucoup de vapeur, ou on prend beaucoup de travail au piston. Dans la compound, l'espace libre, en relation avec la chaudière lors de l'admission au petit cylindre, est plus petit que dans la machine équivalente, qui aurait pour cylindre unique le grand cylindre de la compound : en outre, une compression modérée y remplit assez facilement les espaces libres des deux cylindres de vapeur à la pression d'admission.

Pendant l'admission dans le cylindre d'une machine, une partie de la vapeur se condense ; l'eau ainsi formée se revaporise pendant l'échappement. Il en résulte une dépense inutile de vapeur, qui est souvent considérable. Une machine à un cylindre, sans condensation, recevra par exemple la vapeur à la pression de 10 kg par cm² ou à la température de 183° ; à l'échappement, la pression est celle de l'atmosphère et la température de la vapeur est 100°. Les parois du cylindre sont donc baignées par un fluide qui passe alternativement de 183° à 100°, ce qui produit les condensations et les vaporisations.

Dans la compound équivalente, la vapeur entre à 183° dans le petit cylindre, mais elle en sort à une pression de 3 ou 4 kg par cm², c'est-à-dire à la température d'environ 140°. Dans le grand cylindre la température varie de 140° à 1O0°. Les écarts de température dans chaque cylindre sont donc réduits, ce qui parait de nature à diminuer la quantité de vapeur condensée à l'admission.

Les fortes pressions causent un frottement considérable des tiroirs et parfois des usures rapides. Cet inconvénient est moindre dans les machines compound, car la force qui appuie sur sa table le tiroir du petit cylindre n'est due qu'à la différence de la pression dans la chaudière et dans le réservoir ; sur le tiroir du grand cylindre on a seulement la pression du réservoir. Les tiroirs se trouvent ainsi en partie équilibrés, sans qu'on ait besoin de recourir à aucune disposition spéciale.

Les fuites de vapeur autour des pistons et tiroirs, qui existent sans qu'on les remarque, à moins qu'elles ne deviennent importantes, se réduisent dans les compound, puisque la fuite à travers les mêmes passages est d'autant moindre que la différence de pression d'un côté à l'autre est plus faible.

Enfin, dans chacun des cylindres de la compound, la détente est bien moins considérable que dans une machine équivalente à deux cylindres séparés : la variation de la pression, et, par suite, de la force qui pousse le piston, est donc moindre du commencement à la fin de la course : les pièces de la machine sont moins fatiguées et l'effort moteur peut être plus régulier.

102. Locomotives compound.

L'application du système compound aux machines marines, qui a commencé vers 1862, a permis de réaliser des économies considérables de combustible ; M. Mallet a pensé qu'il pouvait de même être appliqué aux locomotives, et il a fait construire en 1876 les premières machines de ce genre. Depuis cette époque, un grand nombre de locomotives compound ont été exécutées. Cette application du système compound est d'autant mieux justifiée que la pression dans la chaudière est plus élevée.

La locomotive compound peut n'avoir que deux cylindres : le cylindre à haute pression conserve à peu près les dimensions du cylindre d'une locomotive ordinaire ; le volume du cylindre à basse pression est deux à deux fois et demie plus grand.

Pour éviter un trop gros cylindre, souvent difficile à placer sur la locomotive, on divise en deux le cylindre à basse pression. Le réservoir intermédiaire alimente alors deux cylindres ayant chacun la moitié de la capacité du cylindre unique. Par exception, dans la locomotive de Webb, qui a trois cylindres, c'est le petit cylindre qui a été divisé en deux.

Souvent on divise en deux chacun des deux cylindres : on forme deux groupes de deux cylindres, l'un à haute pression, l'autre à basse pression ; cette division réduit notablement les efforts sur les pièces du mécanisme et se prête à des combinaisons commodes, notamment dans les locomotives articulées.

Les quatre cylindres sont aussi employés d'une manière différente, en formant un groupe unique d'un petit et d'un grand cylindre, avec un seul tiroir, plan ou cylindrique, qui transvase directement la vapeur du petit dans le grand : cette disposition spéciale est désignée sous le nom de système Woolf.

Le réservoir intermédiaire se compose du conduit d'échappement du petit cylindre, de la boîte à vapeur du grand, parfois de diverses capacités fondues avec les cylindres : on y ajoute souvent un tuyau qui fait le tour de la boîte à fumée, où il est soustrait à tout refroidissement, et même chauffé par les gaz qui se rendent à la cheminée. Une soupape de sûreté limite la pression dans le réservoir.

On a conservé, dans les locomotives compound, la distribution usuelle par tiroir, qui convient pour ces machines, où la détente dans chaque cylindre est assez faible : dans le cylindre à basse pression, l'admission ne doit guère descendre au-dessous de 45 à 50 p. 100 ; dans le cylindre à haute pression, une admission de 30 p. 100 donne déjà, par tour de roues, un travail fort réduit. Cependant, malgré ces grandes admissions, auxquelles correspondent des périodes de compression relativement courtes, la compression est souvent trop forte dans les cylindres des locomotives compound, parce que la vapeur comprimée dans le petit cylindre est celle du réservoir intermédiaire, qui a déjà une pression élevée, tandis que la pression finale dans le grand cylindre doit être limitée à cette même valeur, au lieu de pouvoir atteindre la pression de la chaudière. Les laminages de vapeur exagèrent encore ces compressions aux grandes vitesses. Pour éviter les compressions excessives, qui absorbent inutilement du travail et qui fatiguent les mécanismes, on emploie des tiroirs sans recouvrements intérieurs ou même avec découverts. En outre, on a dû souvent agrandir les espaces libres, par exemple en montant des pistons évidés sur les deux faces dans des cylindres munis de fonds plats.

En principe, il convient que les distributions des cylindres à haute et à basse pression d'une locomotive soient commandées par des mécanismes de relevage différents, car l'admission ne doit pas varier beaucoup dans les cylindres à basse pression : on l'augmente seulement à grande vitesse pour compenser l'effet des laminages. Aussi dispose-t-on souvent les machines pour que les deux relevages puissent être manœuvrés indépendamment.

Comme il est important que le sens de la marche puisse être rapidement changé pour les deux groupes, on combine ces mécanismes de manière à permettre à volonté la manœuvre simultanée et la manœuvre indépendante (fig. 189).

Le désir de simplifier la construction et la manœuvre de la machine a fait conserver un arbre de relevage unique sur beaucoup de locomotives compound à deux cylindres : la distribution est la même dans les deux cylindres, ce qui n'est pas sans inconvénients : on ne peut guère descendre à de faibles admissions, 40, 30 p. 100 dans le petit cylindre, parce que ces admissions sont insuffisantes dans le grand.

En calant différemment les leviers sur l'arbre de relevage unique, on obtient simultanément dans les deux cylindres des admissions différentes et mieux graduées, au moins pour la marche avant.

Lorsqu'on est bien fixé sur les positions corrélatives des deux mécanismes de distribution, on peut les manœuvrer à l'aide d'un appareil unique, qui réalise ces positions corrélatives ; toutefois cette méthode suppose que les positions corrélatives doivent rester les mêmes aux différentes vitesses, et l'appareil est assez compliqué. Les systèmes laissant au conducteur de la machine le soin d'ajuster les deux distributions paraissent en général préférables.

Dans les machines à quatre cylindres avec détente de Woolf, le relevage est unique, puisqu'un même tiroir distribue la vapeur dans les deux cylindres correspondants.

103. Locomotives compound à deux cylindres.

Certaines dispositions spéciales sont nécessaires pour le démarrage des locomotives compound à deux cylindres, car les conditions de mise en marche ne restent plus les mêmes qu'avec deux cylindres indépendants. Dans les deux cas, les deux cylindres attaquent deux manivelles calées à angle droit sur l'essieu. Si la manivelle du cylindre à haute pression est arrêtée dans une position telle qu'il n'entre pas de vapeur dans ce cylindre, ou si l'effort de la vapeur sur le piston est insuffisant, il faut introduire directement la vapeur dans le réservoir intermédiaire, le plus souvent à une tension réduite, pour alimenter le cylindre à basse pression. Ce cylindre se trouve placé, pour le démarrage, comme le serait celui d'une machine à deux cylindres simples ; mais l'introduction de vapeur dans le réservoir réagit sur le premier piston ; elle pénètre par l'échappement du petit cylindre et y augmente la contre-pression. Si le petit piston est arrêté dans la zone de détente, non seulement il ne reçoit pas l'action motrice de la vapeur de la chaudière, mais encore il est poussé à contre-sens par la vapeur du réservoir. Cette action affaiblit beaucoup l'effort de démarrage.

On obvie à cet inconvénient de diverses manières. On peut, comme l'a fait M. Mallet, séparer complètement les deux cylindres, en ouvrant un échappement auxiliaire au cylindre à haute pression (fig. 190 et 191). Le cylindre à basse pression reçoit alors directement la vapeur de la chaudière, convenablement détendue, par le laminage à travers un orifice étroit ou dans un détendeur, qui assure une pression, déterminée.

L'échappement direct du petit cylindre n'est pas indispensable : souvent on se contente d'un simple clapet entre le conduit d'échappement du petit cylindre et le réservoir (fig. 192), clapet qui empêche le retour contre le petit piston de la vapeur admise directement au réservoir ; dès que les roues commencent à tourner et que l'échappement du petit cylindre se produit, ce clapet doit être rouvert ou se rouvrir spontanément. Cette disposition a été appliquée sur un grand nombre de locomotives en Allemagne : elle a été étudiée par les ingénieurs von Borries et Worsdell.

On supprime même parfois les valves d'interception, en se contentant de l'admission directe au grand cylindre. Dans ce cas, un moyen d'annuler l'action défavorable, avec certaines positions du petit piston, de la vapeur admise directement au réservoir, consiste à faire communiquer les deux côtés du petit cylindre. C'est ce qu'a obtenu M. Lindner, sur les locomotives de l'État saxon, en perçant de petits trous dans les bandes intérieures du tiroir à haute pression ; la vapeur du réservoir pénètre alors sur les deux faces du petit piston, lorsque le tiroir n'est pas placé dans la position d'admission sur une face. Les trous sont assez petits pour n'exercer qu'une action insignifiante dans la marche normale de la machine. Le robinet d'admission directe est commandé par le mécanisme de relevage, de manière à ne laisser passer la vapeur que lorsque le levier de changement de marche est à l'un de ses fonds de course.

Avec une distribution pouvant donner des admissions pendant les 90 centièmes de la course du piston, le simple envoi direct de vapeur dans le réservoir intermédiaire est suffisant. C'est ce qu'a réalisé en Autriche M. Gœlsdorf, en employant la distribution Walschaerts. Le robinet d'admission directe est même supprimé, l'entrée de vapeur dans le réservoir se produisant par de petites ouvertures spéciales ménagées sur la table des lumières du cylindre à basse pression. Ces ouvertures ne sont démasquées que lorsque la course du tiroir de ce cylindre dépasse celle qui correspond à l'admission de 50 à 55 p. 100.

104. Locomotives compound à trois et à quatre cylindres.

Quand les locomotives compound ont plus de deux cylindres, on se contente quelquefois d'un simple envoi direct de vapeur dans le réservoir intermédiaire pour le démarrage. Il est bon de brancher la prise de vapeur, pour cette admission spéciale, sur celle des cylindres à haute pression plutôt que directement sur la chaudière, afin que la fermeture du régulateur soit une garantie contre la mise en marche intempestive de la locomotive.

Souvent on permet la marche à simple expansion de tous les cylindres, en donnant non seulement une admission directe aux cylindres à basse pression, mais en ménageant un échappement auxiliaire pour la haute pression. On emploie, par exemple, un robinet (fig. 193) : la vapeur, sortant du cylindre à haute pression, se rend directement dans la tuyère d'échappement quand ce robinet est dans la position figurée. Dans une autre position, ce robinet ferme l'échappement direct, et ouvre la communication avec la boîte à vapeur du grand cylindre. La manœuvre se fait à l'aide d'un petit servo-moteur à vapeur ou à air comprimé.

Dans les locomotives à trois essieux couplés et à bogie des chemins de fer de l'Est, l'échappement des deux cylindres à haute pression est dirigé dans une boîte commune, placée au milieu de la machine (fig. 194) ; cette boîte est munie d'un clapet et d'une soupape, que manœuvre un arbre unique : la soupape ouvre un échappement direct à l'extérieur, tandis que le clapet (à droite de la figure) donne la communication normale avec la boîte à vapeur des grands cylindres. Lorsqu'on veut faire fonctionner séparément les deux groupes de cylindres, on ouvre une prise de vapeur spéciale sur la chaudière pour alimenter les grands cylindres.

Dans le système Woolf, les deux cylindres, desservis par un distributeur unique, sont parfois montés en tandem (l'un derrière l'autre, avec le même axe) ; quelquefois ils sont concentriques. Une disposition assez fréquente aux États-Unis est celle de Vauclain (fig. 195 et 195 bis) : les cylindres sont superposés, et la crosse de piston est disposée pour recevoir les deux tiges.

Le tiroir de la locomotive Vauclain est cylindrique. La vapeur subit d'abord dans le petit cylindre une certaine détente ; puis, pendant le retour des pistons, le tiroir met en communication les deux cylindres, et la vapeur continue à se détendre, en passant dans le second cylindre, plus grand que le premier. Enfin l'échappement se fait au dehors. Pour le démarrage, on envoie directement la vapeur aux grands cylindres.

105. Emploi des locomotives compound.

Les locomotives compound, ou du système Woolf, se sont beaucoup répandues depuis quelques années, en Europe et en Amérique. Au commencement de l'année 1897, on en estimait le nombre à 5.000 environ, tandis qu'un état dressé en juin 1892, et comprenant un certain nombre de machines pour tramways, en comptait 1858, savoir :

Comparées aux locomotives à simple expansion équivalentes, les compound donnent en général une économie de combustible, souvent comprise entre les 10 et les 18 centièmes de la consommation. L'entretien et la réparation coûtent peut-être un peu plus cher que pour les machines à simple expansion ; toutefois, la division des mécanismes des locomotives à quatre cylindres en a réduit beaucoup la fatigue et l'usure, de sorte que les frais d'entretien ne croissent pas comme on pourrait le supposer en voyant ces machines.

Il n'y a d'ailleurs aucune difficulté spéciale à conduire les locomotives compound bien étudiées.

Le tableau, qui suit, donne les dimensions principales de diverses locomotives compound.

Tableau des dimensions de quelques locomotives compound.