Locomotive à vapeur - Définition

Les premières locomotives (au XIX^e siècle) étaient propulsées par une machine à vapeur, ce qui leur a valu le nom de locomotives à vapeur. Ce type de transport est resté largement prépondérant jusqu'après la Seconde Guerre mondiale.

Historique

C'est au Royaume-Uni, au début du XIX^e siècle, que commença l'histoire du chemin de fer.

La première locomotive à vapeur fut construite par Richard Trevithick (1771-1833) en 1804.

La traction à vapeur a été inaugurée le 12 août 1812 sur le Middleton Railways dans le Yorkshire. Il s'agissait de locomotives pour rails à crémaillère remorquant des wagonnets de charbon. Les locomotives avaient été construites par Matthew Murray (1765-1826) et John Blenkinsop.

Le 27 septembre 1825 était inauguré le chemin de fer de Stockton à Darlington, première ligne ouverte au transport de passagers. La locomotive était la Locomotion de George Stephenson.

En 1829, Marc Seguin mis au point la chaudière tubulaire, qui permit de quasiment décupler la puissance des machines. Ces engins furent utilisés sur la ligne de St Etienne à Andrézieux, première ligne de chemin de fer construite en France.

Bien que la traction électrique ait été à l'étude dès les années 1880, et utilisée dès les années 1900, c'est en fait la traction diesel qui causa la perte de la traction vapeur là où l'électrification ne semblait pas rentable ou pas souhaitable stratégiquement. Le programme d'électrification intense de l'après guerre et la livraison de nouvelles locomotives diesel dans les années 1950 ont marqué le déclin de la vapeur tout à la fin des années 1970. La turbine à gaz a aussi été utilisée, mais avec moins de succès.

Certains pays particulièrement bien dotés en ressources naturelles de charbon ou de tourbe ont continué à utiliser la traction à vapeur de manière principale jusqu'à la fin du XX^e siècle. Les amateurs retiennent l'Allemagne de l'Est, l'Afrique du Sud et la Chine ou l'Inde (où le pétrole ne parvient pas encore à remplacer le charbon).

Les locomotives à vapeur conservent également un certain succès pour les lignes de haute montagne parce que la traction à vapeur est relativement peu affectée par la baisse de la pression atmosphérique avec l'altitude. L'abaissement du point d'ébullition de l'eau permet même des économies de combustible dans ces situations particulières.

Vitesse

Le record de vitesse mondial pour un train tracté par une locomotive à vapeur est détenu par une locomotive de la famille des Pacific A4 du LNER au Royaume-Uni , la Mallard, tractant six voitures et une voiture dynamométrique à 203 km/h (126 mph) sur une voie descendant légèrement de Stoke Bank le 3 juillet 1938. Comme d'autres locomotives (allemandes, américaines ou belge) se sont seulement approchées de ce record, il est considéré comme constituant la limite pour un train tracté à la vapeur.

Description

La locomotive se compose de 3 parties principales ou ensembles :

• le véhicule roulant qui se compose du chassis, des organes de suspension et des roues ;
• la chaudière, qui produit la vapeur nécessaire,
• le mécanisme ou moteur à vapeur, c’est-à-dire l'ensemble des organes qui transforme le travail de la vapeur sous pression en force motrice sur les essieux.

De plus, elle est souvent attelée à un tender destiné à porter l'approvisionnement en eau et combustible.

Le véhicule

La locomotive prend appui sur les rails et on a longtemps pensé que le poids était seul source de l'adhérence qui permet la progression du véhicule. Les essieux moteurs sont spécialement chargés et on accouple, à l'aide de bielles, les roues voisines d'un même diamètre pour en faire autant de roues motrices. Le nombre de tours par seconde des roues motrices impose au mécanisme de distribution une vitesse de va-et-vient qui ne peut être limitée que par le diamètre de ces roues. Il atteint couramment 2 mètres ou plus pour les machines rapides et c'est une des raisons qui font que les roues sont extérieures au chassis.

Compte tenu de la longueur nécessaire pour le corps cylindrique de la chaudière, on place très souvent des roues porteuses à l'avant et/ou à l'arrière sous forme de bissel ou de bogie.

Le chassis lui-même est en général composé de deux longerons en tôle découpée de forte épaisseur et assemblés par des traverses et entretoises constituées de caisson en tôle ou moulées et dont la rigidité assure la bonne tenue de voie de la machine.

Les cylindres sont fixés aux entretoises en général en extérieur et parfois, selon le type de locomotive entre les longerons. Le chaudière repose sur des supports répartis tout le long du chassis tout en étant fixée essentiellement à l'avant du côté de la boîte à fumée pour pouvoir se dilater librement à l'arrière du côté du foyer.

La chaudière

La chaudière se compose de la partie postérieure, du corps cylindrique et de la boîte à fumée.

La partie postérieure de la chaudière se compose du foyer et de la boîte à feu, reliés par des entretoises. L'emplacement où se trouve l'équipe de conduite est, non pas une cabine, mais l'abri. Les équipements de conduite sont installés sur la devanture constituée par un double de la face arrière du foyer.

Le corps cylindrique renferme les tubes bouilleurs et les tubes à fumée.

Le combustible - charbon, bois ou pétrole - alimente le feu par l'ouverture du foyer, où il brûle sur la grille. Les cendres et mâchefer s'accumulent plus bas dans le cendrier. L'air nécessaire à la combustion entre par des clapets situés au niveau de la grille. La voûte du foyer force la circulation des gaz chauds dans l'ensemble du foyer et limite l'entrée des flamèches dans les tubes. Les gaz résultant de la combustion passent au travers des tubes bouilleurs et tubes à fumée, où ils transmettent leur chaleur à l'eau de la chaudière et arrivent à la boîte à fumées, dans laquelle un pare-escarbilles retient les cendres incandescentes, avant d'être expulsés par la cheminée à travers l'échappement.

La vapeur formée par l'eau de la chaudière se concentre dans le dôme de vapeur, passe par la soupape du régulateur actionnée depuis la cabine de conduite au moyen du levier de régulateur et de son arbre de commande et atteint éventuellement le surchauffeur, qui se compose de groupes de tubes fins insérés dans les tubes à fumée. La vapeur atteint alors une température d'environ 350°C et parvient ensuite comme force motrice aux cylindres (7), où introduite par le tiroir elle pousse alternativement les pistons en avant et en arrière.

Le moteur à vapeur (distribution et entraînement)

L'arrivée et l'échappement de la vapeur des deux côtés du cylindre est réglée par le tiroir de distribution (6). Le piston est relié à la crosse, qui par l'intermédiaire de la bielle motrice transforme le mouvement de va-et-vient en mouvement circulaire. Ce mouvement est transmis à toutes les roues motrices grâce aux bielles d'accouplement. Le réglage du tiroir de distribution pour inverser la marche s'effectue au moyen du volant de commande de la vis de changement de marche (8) qui se trouve dans la cabine de conduite.

Travail de la distribution (modèle de distribution Walschaert)  : C'est par le tiroir (6) que la vapeur est admise dans le cylindre (7) et agit alternativement sur chacune des faces du piston. La tige de piston actionne la bielle couplée au train de roues motrices par l'intermédiaire de la crosse articulée (5). Les roues couplées deviennent toutes motrices.

Par l'intermédiaire de la contre-manivelle (2) calé à 90° de la manivelle motrice, une bielle fait osciller la coulisse (1) de distribution dans laquelle glisse la bielle de commande de tiroir (3). Couplée au levier d'avance (4), le déplacement de la bielle sur la coulisse permet de régler le décalage entre les déplacements du tiroir et ceux du piston. On peut ainsi régler le rapport puissance/vitesse du moteur et également changer de sens.

De chaque côté de la locomotive les manivelles motrices et la distribution ne sont pas en position identique mais sont câlées à environ 90° pour éviter que les deux moteurs ne soient en même temps en position fin de course, rendant le démarrage impossible.

Les autres accessoires (indispensables)

• La pompe d'alimentation alimente la chaudière avec de l'eau chaude venant du réchauffeur, afin de diminuer la baisse de vaporisation dû à l'ajout d'eau froide.
• Les injecteurs, qui servent à ajouter de l'eau à la chaudière sous pression. En effet, pour pouvoir introduire l'eau dans la chaudière (sous pression) il faut que celle ci ait une pression supérieure. Les injecteurs utilisent la pression de la chaudière pour aspirer un flux d'eau et l'accélérer afin qu'il puisse y pénétrer. Le principe détaillé de fonctionnement des injecteurs est de beaucoup plus compliqué, leur utilisation est assez complexe.
• Le niveau d'eau, indiquant au chauffeur s'il y a besoin de remettre de l'eau dans la chaudière. Un niveau d'eau insuffisant peut provoquer une surchauffe et la fonte des plombs de sécurité, ce qui éteint immédiatement le feu. À l'époque de la vapeur, pour un mécanicien, fondre les plombs était une faute particulièrement lourde, motif de "descente de machine".
• Les graisseurs automatiques : éléments importants chargés d'assurer une lubrification permanente de tous les roulements sollicités sous forte charge. La plupart des locomotives à vapeur possédaient en effet des paliers en régule et non des roulements à rouleaux, qui apparurent plus tard comme sur les 232 S.
• Les purgeurs destinés à éliminer l'eau pouvant exister dans les cylindres par effet de condensation : une eau liquide présente dans les cylindres peut être mortelle pour le mécanisme car elle est incompressible.
• La sablière : pour garantir un coefficient d'adhérence suffisant entre la roue et le rail, principalement par mauvais temps ou en cas d'une forte charge remorquée et en pente, on envoie grâce à de l'air comprimé du sable en provenance du dôme à sable devant les roues, pour éviter leur patinage.

L'exploitation et la conduite

Un des défauts de la locomotive à vapeur était la nécessité d'un temps important de préparation avant la mise en ligne ainsi que d'un entretien constant après une période de roulement relativement brève :

• avant mise en ligne :
  • chargement du combustible et de l'eau
  • traitement de l'eau : en France depuis les années 40, l'eau du tender est traitée avec le T.I.A (Traitement Intégral Armand) qui permet d'empêcher la formation et le dépôt de tartre dans les tuyauteries de la chaudière ( voir Louis Armand)
  • graissage des parties mobiles non prises en charge par le graissage automatique
  • mise en chauffe et attente de la mise en pression
• après service :
  • nettoyage du foyer, évacuation du mâchefer et scories : tombée du feu par la grille
  • ramonage de la boîte à fumées
  • nettoyage général, vérification des essieux et graissage
  • évacuation des boues accumulées au point bas de la chaudière (extraction)

Toutes ces opérations étant effectuées au dépôt.

L' équipe de conduite comportait le chauffeur et le mécanicien : l'un chargé de la production de vapeur, de l'alimentation du foyer et de l'alimentation en eau, l'autre chargé de la conduite de la machine elle-même avec surveillance de la voie et des signaux et " tenue de l'heure ". L'équipe se tenait dans l'" abri " face à la " devanture " constituée par la face arrière du foyer : en quelque sorte le tableau de bord de la machine. Sur certaines machines la plateforme de conduite pouvait être distincte de la plateforme du chauffeur (comme sur les Camelback) pour donner une bonne visibilité au mécanicien.

Jusqu'à l'existence de machines banalisées (comme les 141 R), une équipe restait liée à une machine sur une certaine période entre révisions.

Acteurs significatifs dans le domaine

par ordre alphabétique

• Louis Armand inventeur du T.I.A
• Marc de Caso
• André Chapelon
• Thomas Russell Crampton
• Gaston Du Bousquet
• Wilhelm Engerth
• Alfred De Glehn
• Nigel Gresley
• Anatole Mallet
• Robert Riddles
• Marc Seguin
• Sir William Stanier
• George Stephenson
• Richard Trevithick Constructeur de la 1ère locomotive en 1804

Nomenclature et modèles célèbres

• Classification des locomotives
• Fusée de Stephenson
• Crampton
• 41001 "Mountain" prototype de la Cie. de l'Est
• Mallard
• 030 TU S100 "USATC"
• 141 R "Mikado" de la SNCF
• 141 P "Mikado" de la SNCF
• 150 P "Décapod" de la SNCF
• 231 G "Pacific"
• 231 E "Pacific" Chapelon de la Cie. du Nord
• 232 U 1 "Hudson ou Baltic" prototype de la SNCF
• 241 P "Mountain" de la SNCF
• 242 A 1 "Northern" prototype de la SNCF
• 160 A 1 "Centipède" prototype de la SNCF
• 151 A "Santa-fé" du P.L.M.
• 240 P "Twelve-Wheeler" de la SNCF
• 030 "Bourbonnais"
• 2-4-4-2 "Big-Boy" de l'Union Pacific
• 220 classe "School" du Southern Railway

Locomotive 030TA628

Locomotive Crampton 80

Locomotive Saint-Pierre

Locomotive Seguin

Hommages

Une œuvre musicale d'Arthur Honegger se nomme Pacific 231, illustrant le film dont la vedette principale est la Pacific 231 E 24 "Chapelon". Ce film de court-métrage (10 minutes) de Jean Mitry a obtenu le prix du meilleur montage au festival de Cannes en 1949.

L'adaptation du film est de Jean Mitry et Marc Ducouret, les images d'André Périé (cinéaste officiel de la SNCF ), d'André Tadié et Jean Jarret, le son de Georges Leblond, . La machine était conduite par l'équipage : Gilbert Parrage et Jean Grangier. Le parcours s'effectue sur la ligne Paris-Lille.