Locomotive à vapeur - Définition et Explications

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Les premières locomotives (au XIXe 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 XIXe siècle, que commença l'histoire du chemin de fer (Le chemin de fer est un système de transport guidé servant au transport de personnes et...).

La première locomotive à vapeur (Les premières locomotives (au XIXe siècle) étaient propulsées par une machine à vapeur,...) fut construite par Richard Trevithick (Richard Trevithick, (13 avril 1771 - 22 avril 1833) est né à Camborne dans la région minière...) (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 (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le...) de Stockton à Darlington, première ligne ouverte au transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus...) de passagers. La locomotive (Une locomotive est un engin moteur, c'est-à-dire se déplaçant par ses propres moyens, utilisé...) était la Locomotion de George Stephenson (Fils d'ouvrier, l'anglais George Stephenson (né près de Newcastle-upon-Tyne en 1781-mort à...).

En 1829, Marc Seguin (Marc Seguin était un ingénieur et inventeur français, né le 20 avril 1786 à Annonay en...) mis au point (Graphie) la chaudière (Une chaudière est un appareil (voire une installation industrielle, selon sa puissance),...) tubulaire, qui permit de quasiment décupler la puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) 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 (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) à la fin des années 1970. La turbine à gaz (Une turbine à gaz (dénomination historique), appelée aussi turbine à combustion...) a aussi été utilisée, mais avec moins de succès.

Certains pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue...) particulièrement bien dotés en ressources naturelles de charbon ou de tourbe (La tourbe est le produit de la fossilisation de débris végétaux sur 1000 à 2500 ans dans des...) ont continué à utiliser la traction à vapeur de manière principale jusqu'à la fin du XXe siècle. Les amateurs retiennent l'Allemagne de l'Est, l'Afrique (D’une superficie de 30 221 532 km2 en incluant les îles,...) du Sud (Le sud est un point cardinal, opposé au nord.) et la Chine ou l'Inde (où le pétrole (Le pétrole est une roche liquide carbonée, ou huile minérale. L'exploitation de...) ne parvient pas encore à remplacer le charbon).

Les locomotives à vapeur conservent également un certain succès pour les lignes de haute montagne (Une montagne est une structure topographique significative en relief positif, située à la...) parce que la traction à vapeur est relativement peu affectée par la baisse de la pression atmosphérique (La pression atmosphérique est la pression de l'air en un point quelconque d'une atmosphère.) avec l'altitude (L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau...). L'abaissement du point d'ébullition (L’ébullition est la formation de bulles lors d’un changement violent d’un corps...) de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) permet même des économies de combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se...) dans ces situations particulières.

Vitesse (On distingue :)

Le record de vitesse mondial pour un train (Un train est un véhicule guidé circulant sur des rails. Un train est composé de...) 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 (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un...) 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 (Un véhicule est un engin mobile, qui permet de déplacer des personnes ou des charges d'un...) roulant qui se compose du chassis, des organes de suspension ( Le fait de suspendre des particules En chimie, la suspension désigne une dispersion de...) et des roues ;
  • la chaudière, qui produit la vapeur nécessaire,
  • le mécanisme ou moteur (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique,...) à vapeur, c’est-à-dire l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) des organes qui transforme le travail de la vapeur sous pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...) en force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) 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 (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la...) 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 (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre...) pour en faire autant de roues motrices. Le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) de tours par seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui...) 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 (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) 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 (Le bissel est un essieu porteur installé sur certaines locomotives, capable de s'orienter par...) ou de bogie (Un bogie (ou boggie) est un chariot situé sous un véhicule ferroviaire, sur lequel sont fixés...).

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 (La fumée, parfois appelée boucane en Amérique du Nord, est un nuage de particules...) pour pouvoir se dilater librement à l'arrière du côté du foyer.

La chaudière

Porte du foyer et devanture d'une locomotive Big-Boy
Porte du foyer et devanture d'une locomotive Big-Boy

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 (Le feu est la production d'une flamme par une réaction chimique exothermique d'oxydation...), reliés par des entretoises. L'emplacement où se trouve l'équipe de conduite est, non pas une cabine (Sur un bateau, une cabine désigne une pièce d'habitation pour une ou plusieurs personnes. Une...), 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 ( Un grille-pain est un petit appareil électroménager. Une grille écran est un...). Les cendres et mâchefer s'accumulent plus bas dans le cendrier. L'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et...) nécessaire à la combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique d'oxydoréduction. Lorsque la...) entre par des clapets situés au niveau de la grille. La voûte (Une voûte (ou voute) est un élément architectural de couvrement intérieur d'un...) du foyer force la circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles...) des gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) 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 (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent :...) 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 (Une cheminée (lat. caminus) est un conduit vertical aménagé dans un bâtiment,...) à travers l'échappement.

La vapeur formée par l'eau de la chaudière se concentre dans le dôme () de vapeur, passe par la soupape (Une soupape est un organe mécanique servant à fermer et ouvrir une chambre ou un conduit à la...) du régulateur actionnée depuis la cabine de conduite au moyen du levier de régulateur et de son arbre (Un arbre est une plante terrestre capable de se développer par elle-même en hauteur, en...) de commande (Commande : terme utilisé dans de nombreux domaines, généralement il désigne un ordre ou un...) 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 (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) d'environ 350°C et parvient ensuite comme force motrice aux cylindres (7), où introduite par le tiroir elle pousse (Pousse est le nom donné à une course automobile illégale à la Réunion.) alternativement les pistons en avant et en arrière.

Le moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif...) à vapeur (distribution et entraînement)

L'arrivée et l'échappement de la vapeur des deux côtés du cylindre (Un cylindre est une surface dans l'espace définie par une droite (d), appelée...) 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 (La marche (le pléonasme marche à pied est également souvent utilisé) est un...) 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 (La tige est chez les plantes à fleurs, l'axe, généralement aérien, qui prolonge la racine et...) 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 (Calé (J XXXVII Kale) fut découverte en 2001 (d'où sa désignation temporaire...) 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 ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles...) 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 (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but...).

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 (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) en position fin de course (Course : Ce mot a plusieurs sens, ayant tous un rapport avec le mouvement.), rendant le démarrage impossible.

Les autres accessoires (indispensables)

  • La pompe (Une pompe est un dispositif permettant d'aspirer et de refouler un fluide.) 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 (Servent est la contraction du mot serveur et client.) 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 (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments...) 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 (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est...) de remettre de l'eau dans la chaudière. Un niveau d'eau insuffisant peut provoquer une surchauffe (La surchauffe est une opération physique qui a lieu dans un moteur à vapeur.) 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 charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...). La plupart des locomotives à vapeur possédaient en effet des paliers en régule (Les régules sont des alliages d'étain ou de plomb et d'antimoine.) et non des roulements à rouleaux, qui apparurent plus tard comme sur les 232 S (Les locomotives à vapeur 2-232 S 1 à 4 furent étudiées pour la Compagnie des chemins de fer du...).
  • Les purgeurs destinés à éliminer l'eau pouvant exister dans les cylindres par effet de condensation : une eau liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...) présente dans les cylindres peut être mortelle pour le mécanisme car elle est incompressible.
  • La sablière : pour garantir un coefficient (En mathématiques un coefficient est un facteur multiplicatif qui dépend d'un certain...) d'adhérence suffisant entre la roue (La roue est un organe ou pièce mécanique de forme circulaire tournant autour d'un axe passant par...) et le rail (Un rail (ou lisse en québécois) est une barre d’acier profilée. Deux files...), principalement par mauvais temps ou en cas d'une forte charge remorquée et en pente, on envoie grâce à de l'air comprimé (L'air comprimé est de l'air ambiant, mis sous pression avec un compresseur, le plus souvent aux...) du sable (Le sable, ou arène, est une roche sédimentaire meuble, constituée de petites...) 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 ( En mécanique, le roulement, et plus précisément le roulement sans glissement, est le...) relativement brève :

  • avant mise en ligne :
    • chargement (Le mot chargement peut désigner l'action de charger ou son résultat :) 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 (L'automatique fait partie des sciences de l'ingénieur. Cette discipline traite de la...)
    • 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 (Le tableau de bord est l'élément qui indique au conducteur d'un véhicule (automobile, bateau),...) 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 (En météorologie, la visibilité est la distance à laquelle il est possible de...) 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 (Louis Armand, né à Cruseilles (Haute-Savoie), le 17 janvier 1905 et mort le 30 août 1971 à...) inventeur du T.I.A
  • Marc de Caso (Marc de Caso (1893 - 1985), était un ingénieur ferroviaire français.)
  • André Chapelon (André Chapelon (26 octobre 1892, Saint-Paul-en-Cornillon - 22 juillet 1978, Paris) est un...)
  • Thomas Russell Crampton
  • Gaston Du Bousquet
  • Wilhelm Engerth
  • Alfred De Glehn (Alfred De Glehn (1848-1932), né en Angleterre de parents franco-allemands, fut ingénieur en chef...)
  • Nigel Gresley (Sir Herbert Nigel Gresley (né le 19 juin 1876 à Édimbourg en Écosse - décédé le 5 avril 1941...)
  • Anatole Mallet (Anatole Mallet (1837-1919) né à Carrouge et mort à Paris. Il fut ingénieur diplômé de...)
  • 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 (La classification des locomotives se fait pour une part selon la disposition de leurs essieux. On...)
  • Fusée de Stephenson (La fusée de Stephenson est une des premières locomotives à vapeur. Construite en 1829, elle...)
  • Crampton
  • 41001 "Mountain" prototype de la Cie. de l'Est
  • Mallard
  • 030 TU S100 "USATC"
  • 141 R (La Mikado 141 R fut un type de locomotive à vapeur dit unifiée de la SNCF qui fut largement...) "Mikado" de la SNCF
  • 141 P "Mikado" de la SNCF
  • 150 P (Les Decapod de type 150 P numéros 1 à 115 sont des locomotives à vapeur construites par :) "Décapod" de la SNCF
  • 231 G "Pacific"
  • 231 E "Pacific" Chapelon de la Cie. du Nord
  • 232 U 1 (La 2-232 U 1 est une locomotive à vapeur française de type Hudson.) "Hudson ou Baltic" prototype de la SNCF
  • 241 P (Les Mountain de la série 241 P sont des locomotives à vapeur unifiées de la SNCF mises en...) "Mountain" de la SNCF
  • 242 A 1 (La 3-242 A 1 était une locomotive à vapeur prototype de la SNCF qui fut mise en service en 1946....) "Northern" prototype de la SNCF
  • 160 A 1 (La 4-160 A 1 était un prototype de locomotive à vapeur qui fut étudié par la Compagnie du...) "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 (L'Union Pacific Railroad Company (abrégée Union Pacifique), filiale de Union Pacific Corporation,...)
  • 220 classe "School" du Southern (Southern est le nouveau nom de la concession ferroviaire, initialement exploitée par Connex South...) Railway

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.

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