Construction ferroviaire

TRAIN VAPEUR D'HIER ET TRAIN D'AUJOURD'HUI

Rainhill Trial

Nous sommes dans le nord-ouest de l’Angleterre en 1829. La ligne de chemin de fer entre Liverpool et Manchester est sur le point d’être achevée. Reste à choisir le type de machine qui pourra exploiter de façon régulière et fiable cette première ligne commerciale, et les administrateurs de la "Liverpool and Manchester Railway" lancent un concours, avec une prime de 500 £.

Huit règles sont établies : la machine ne devra pas peser plus de six tonnes – les roues devront être suspendues sur ressort – le poids du train tracté ne devra pas être inférieur à trois fois le poids de la locomotive – la locomotive devra atteindre la vitesse de 10 miles (16 km/h) – la hauteur de la locomotive depuis le sol jusqu'au sommet de la cheminée ne doit pas excéder 15 pieds – la machine doit être équipée de deux soupapes de sécurité, dont l'une hors de la portée du conducteur – le moteur doit « consommer sa propre fumée » - le coût de la locomotive doit être inférieur à 550 £.

Dix constructeurs répondent au concours mais cinq seulement se présentent devant les 3 juges, John Rastrick (ingénieur), Nicholas Wood (ingénieur) et John Kennedy, le 6 octobre à Rainhill, pour participer à la compétition.


Les 5 machines sont :

The Cycloped (Le Cycloped) - The Perseverance (La Persévérance) - The Novelty (La Nouveauté) - The Sans pareil (La Sans pareil) - The Rocket (La Fusée).

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"Le Cycloped" (The Cycloped), qui pèse 3 tonnes, est présentée par Thomas BRANDRETH, de Liverpool. Sans aucun modernisme, cette machine est propulsée par un cheval qui avance sur un tapis d’entrainement. Elle est rapidement éliminée après que le cheval soit passé à travers le plancher.
Sa vitesse maximale fut de 5 miles (8 km/h).

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"La Persévérance" (The Perseverance), machine de 2 tonnes et 863 kg, construite par Timothy BURSTALL, d’Édimbourg, à la malchance d’être endommagée lors de son transport à Rainhill.

Timothy BURSTALL mettra 5 jours à remettre en état sa locomotive, mais après avoir atteint seulement une vitesse 6 miles, il se retira de la compétition. Le jury lui donnera quand même un prix de consolation de 25 £.

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Pesant 2 tonnes et 762 kg, "La Nouveauté" (The Novelty) est proposée par John BRAITHWAITE et John ERICCSSON, de Londres. Plus légère que toutes les autres locomotives en compétition, elle est la plus rapide avec une vitesse de 28 miles (44,8 km/h) le premier jour des essais. Confrontée, les jours suivants à des problèmes d’étanchéité de la chaudière, la vitesse ne pouvait dépasser les 15 miles (24 km/h), The Novelty, malgré les faveurs du public présent, fut contrainte à l’abandon.

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"La Sans Pareil" (The Sans pareil), construite par Timothy ACKWORTH, de Darlington, est, avec ses 4 tonnes et 406 kg, la plus lourde des concurrentes. Malgré son poids, elle parvint à une vitesse de pointe supérieure à 16 miles (25,6 km/h) et effectua 8 fois le parcours imposé par les organisateurs. Malheureusement un cylindre fissuré mit un terme à ses essais. Bien que n’ayant pas gagné le concours, la Liverpool and Manchester Railway décida d’acheter « La Sans pareil ».

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Engagée par Robert STEPHENSON assisté de son père George STEPHENSON et de Henry BOOTH, "La Fusée" (The Rocket), qui pèse 4 tonnes et 152 kg, utilise une chaudière tubulaire permettant de produire plus de vapeur. Au troisième jour de la compétition, The Rocket parcourt 35 miles en 3 heures et 12 minutes avec une charge de 13 tonnes et atteint les vitesses de 25 miles (40 km/h) puis 29 miles (46,4 km/h, mais locomotive seule). Devant de tels résultats, les juges lui adjugèrent la victoire, la récompense de 500 £ et envoyèrent à l’entreprise de Robert STEPHENSON, à Newcastle-upon-Tyne, une commande pour la fourniture de locomotives « The Rocket ».

On pourrait croire, à la lecture de cette histoire, que la naissance de la locomotive à vapeur date de 1829. Et pourtant, avant la rencontre de Rainhill, de nombreux essais furent réalisés et parfois réussis, notamment celui fait par Richard TREVITHICK en 1804.

Mais en fait, la machine à vapeur est bien plus ancienne et, bien souvent, le fruit d'une amélioration ou d'une transformation de travaux antérieurs. Ainsi, de l'antiquité, avec l'Éolipyle du grec Héron d'Alexandrie, jusqu'à nos jours, avec les améliorations apportées par André Chapelon, la machine à vapeur n'a cessé d'évoluer, chaque chercheur ou inventeur, modifiant, transformant, modernisant une machine déjà existante ou l'adaptant pour une fonction bien précise ou, mieux encore, la créant de toutes pièces.

Vous trouverez, ci-après, par ordre chronologique et sur 4 chapitres : (de l'antiquité à la fin du XVIIIème siècle - le XIXème siècle - le XXème siècle - le XXIème siècle), un essai du suivi de la progression de la machine à vapeur, puis du chemin de fer en général.

http://trainvapeur.fr/7.html

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Le XIXème Siècle

Blists Hill, Ironbridge, première machine à vapeur de Trevithick loco

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1801 - LA "LOCOMOTIVE" ROUTIÈRE DE TREVITHICK

La veille de Noël, l'anglais Richard TREVITHICK, assisté de son cousin Andrew VIVIAN, présenta à Camborne, sa "locomotive" routière connue sous le nom de "Puffing Devil". Chargée de 7 à 8 personnes, la machine démarra pour escalader la pente de Beacon Hill inclinée à 5%. Elle dut s'arrêter avant le sommet faute de vapeur. Quatre jours plus tard, un nouvel essai se termina par une avarie qui mit le feu à la machine.

1804 - LA PREMIÈRE LOCOMOTIVE SUR RAIL

Le 21 février, la première locomotive à vapeur sur rails est mise en marche en Angleterre par Richard TREVITHICK. Il s'agissait d'une machine circulant sur des rails en fonte qui desservait une petite ligne de transport de fonte de l'usine sidérurgique Pen-y-Darren de Merthyr Tydfil, dans le Pays de Galles. Elle était capable de remorquer une charge de 10 tonnes et 5 wagons chargés de 70 personnes à la vitesse de 8 km/h. Cette machine ne fit que trois voyages son poids faisant éclater les rails en fonte sur son passage. En 1808, TREVITHICK fabriquera une autre locomotive appelée "Catch me who can !" (M'attrape qui peut !), qui malheureusement n'aura pas le succès espéré.

1812 - LE MIDDLETON RAILWAY

Inauguration, le 12 août, sur le Middleton Railway, d'une traction vapeur par locomotives pour rails à crémaillères. Les locomotives remorquant des wagonnets de charbon avaient été construites par Matthew MURRAY et John BLENKINSOP.

1813 - LA LOCOMOTIVE DES HOUILLÈRES

William HEDLEY construit, pour les houillères Blacket à Wylam près de Newcastle, une locomotive pouvant atteindre la vitesse de 8 à 10 km/h. Répondant au nom de "Puffing Billy" cette locomotive restera en activité jusqu'en 1862. En accouplant les deux roues situées sur le même flanc par une bielle, William HEDLEY trouva un dispositif mettant à profit tout le poids de la machine pour empêcher de patiner. Ce dispositif sera repris par George STEPHENSON sur la "Blucher" en 1814.

1817 - ENCORE LE TRANSPORT DU CHARBON

George STEPHENSON, que l'on considère comme le véritable inventeur du transport ferroviaire, met au point, après un premier essai en 1814 avec la "Blucher", sa première vraie locomotive capable de remorquer un train de charbon de 70 tonnes entre Killingworth et Etton.

1823 - PREMIÈRE USINE DE LOCOMOTIVES - LA NAISSANCE DU RAIL FRANÇAIS

Robert STEPHENSON et son père George créent la première usine de construction de locomotives à Newcastle.

En France, Louis XVIII autorise par ordonnance royale la construction de la première ligne de chemin de fer.

1825 - PREMIER TRANSPORT DE PASSAGERS EN TRAIN

Le 27 septembre, George STEPHENSON crée la première ligne ferroviaire ouverte au public et à usage commercial. Elle relie Stokton-on-Tees à Darlington. La machine, à deux essieux moteurs reliés entre eux par des bielles, atteint 30 km/h sur le plat et 40 km/h dans les descentes ! STEPHENSON conduira lui-même sa machine la "Locomotion".

1827 - LA CHAUDIÈRE TUBULAIRE

Le français Marc SEGUIN invente le procédé de la chaudière tubulaire qui a pour effet de décupler la surface de chauffe en faisant passer dans des tubes l'air brûlant issu du foyer ce qui produit une énorme quantité de vapeur.

1828 - LES DÉBUTS DU CHEMIN DE FER FRANÇAIS

Le 1er janvier est inaugurée la ligne Saint-Étienne - Andrézieux (18 km). Comme en Angleterre, cette ligne est créée pour le transport du charbon vers les voies d'eau les plus proches, Loire et Rhône.

1829 - "LA FUSÉE" (The Rocket) - DÉBUT DU RAIL AMÉRICAIN

Certainement la plus célèbre création de George STEPHENSON, la locomotive "La Fusée" (The Rocket) construite pour transporter rapidement aussi bien du charbon que des voyageurs. Elle gagne les 500 £ de prix du concours des locomotives de Rainhill Trial.

Elle sera choisie pour équiper la première ligne régulière entre Liverpool et Manchester.

Début des chemins de fer nord-américains

1830 - PREMIÈRE LIGNE FERROVIAIRE RÉGULIÈRE

Le 15 septembre, en Angleterre, la ligne de chemin de fer reliant Liverpool à Manchester est ouverte grâce au travail de George STEPHENSON qui supervise la construction des voies, tunnels et ponts.

Aux États-Unis l'intense développement des compagnies de chemins de fer nécessite un financement public. La bourse est alors la seule institution à pouvoir financer la réalisation d'un réseau ferré. Ainsi, la "Mohawk and Hudson Railroad" est la première compagnie ferroviaire à être cotée en bourse.

1835 - LES VOYAGEURS AUSSI

Ouverture aux voyageurs des lignes Saint-Étienne - Andrézieux et Givors - Lyon. Le confort est rudimentaire.

1835 - OUVERTURES DES LIGNES FERROVIAIRES EN EUROPE

1835 : Malines-Bruxelles (Belgique) et Nuremberg-Fürth (Allemagne) - 1839 : Naples-Portici (Italie) - 1841 : St Petersbourg-Moscou (Russie) - 1848 : Barcelone-Mataro (Espagne) - 1880 : Ligne transcaucasienne - 1891 : Début du Transsibérien.

1837 - LA PREMIÈRE LIGNE VOYAGEURS FRANÇAISE

Le 26 août, la première rame de chemin de fer transportant des voyageurs est inaugurée sur la ligne entre Paris et Saint-Germain-en-Laye qui fait 18 kilomètres.

1840 - L'ESSOR DU CHEMIN DE FER

Le gouvernement français désireux de rattraper son retard multiplie la construction de lignes ferroviaires et arrive à 550 kilomètres, mais loin derrière l'Angleterre qui dépasse les 2.000 kilomètres.

Emploi du télégraphe, en Angleterre, pour annoncer les trains.

1842 - LES DÉBUTS DE L'ÉLECTRICITÉ

Essai, par Robert DAVIDSON, de la première locomotive électrique entre Edinbourg et Glasgow en Écosse.

1843 - CRÉATION DES PREMIÈRES GRANDES LIGNES ET DES COMPAGNIES PRIVÉES FRANÇAISES

Naissance des premières grandes lignes françaises : Paris - Rouen et Paris - Orléans.

Début des créations des Compagnies privées : 1843, La Compagnie du P.O. (Paris-Orléans) - 1846, La Compagnie du Nord - 1852, La Compagnie du Midi (la seule dont les lignes ne passent pas par Paris) - 1854, La Compagnie de l'Est - 1856, La Compagnie de l'Ouest - 1857, du P.L.M (Paris-Lyon-Méditerranée).

1844 - LA SAINT PIERRE

William Barber BUDDICOM, d'origine anglaise, crée en France sa Compagnie où est construite la célèbre Saint Pierre.

1847 - LA VITESSE

Mise en service de la "Crampton" première locomotive à vapeur étudiée pour la vitesse.

Elle possède des roues motrices de 2,20 m de diamètre. Les locomotives conçues par Thomas Russel CRAMPTON ont été en service dans divers réseaux britanniques mais c'est en France qu'elles ont eu le plus de succès. Elles y furent fabriquées principalement par Jean-François CAIL sous licence britannique, notamment pour la Compagnie des chemins de fer de l'Est.

1850 - LES RÉSEAUX S'ALLONGENT

La France possèdent 3.100 km de voies ferrées mais loin derrière l'Angleterre qui arrive à 10.620 km.

1851 - LE TRANSPORT RÉFRIGÉRÉ

Aux U.S.A., premier transport de denrées périssables dans un wagon réfrigéré par de la glace.

1858 - LE CONFORT ARRIVE

Premières installations de chauffage dans les voitures voyageurs.

1859 - LE LUXE EN PLUS

Mise en service aux U.S.A. des premières voitures de luxe Pullman, du nom de George Mortimer PULLMAN, créateur de la société exploitant les voitures de grand luxe. Suivront, en 1864, les trains avec voiture-lit, en 1867, les trains avec voiture-hôtel (Président) et, en 1868, les trains avec voiture-restaurant (Delmonico) consacrée à la cuisine raffinée.

1863 - INAUGURATION DU PREMIER MÉTRO

Le 10 janvier, le premier métro du monde est inauguré à Londres. Imaginé par Charles PEARSON, la ligne longue de 4 miles (6.5 kilomètres) permet de rallier Farrington Street à Padington. Malgré les problèmes d'aération, il fonctionne avec des machines à vapeur, le "London Metropolitan" transportera près de 30.000 passagers lors de cette première journée.


1869- JONCTION DU TRANSCONTINENTAL AMÉRICAIN

Le 10 mai, les deux équipes chargées de la construction du chemin de fer qui traverse les États-Unis d'est en ouest, opèrent une jonction à Promotory Point dans l'Utah.

La compagnie "Central Pacific" est partie de Sacramento en Californie, tandis que "l'Union Pacific" a démarré à Omaha dans l'Iowa.

George WESTINGHOUSE invente le frein à air. Il agit uniquement sur la locomotive. Ce système ne sera introduit en France qu'en 1877.

1872 - LE FREIN CONTINU

Invention du frein à air comprimé continu qui est mis en action sur tous les véhicules du train.

1876 - LA C.I.W.L.

Le belge Georges NAGELMAKERS crée la Compagnie Internationale des Wagons-Lits et des grands Express Européens.

Anatole MALLET, ingénieur franco-suisse, construit une locomotive à double détente (compound) à deux cylindres inégaux (1 HP, 1 BP).

1882 - LES GARES ÉCLAIRÉES

A Paris, la gare St Lazare est équipée du premier éclairage électrique.

1883 - MISE EN SERVICE DE L'ORIENT-EXPRESS

C'est le 5 juin que le train destiné à relier Paris à Istanbul, via Munich, Vienne et Belgrade, est inauguré sous le nom de "Orient-Express".

Ce train est le plus luxueux d'Europe. Il est équipé de wagons-lits, de salons et d'un restaurant de haute gastronomie. Le parcours de 3.186 kilomètres est effectué en 3 jours environ.

1899 - L'ÉCLAIRAGE DES VOITURES

Apparition des premiers éclairages des voitures voyageurs.

http://trainvapeur.fr

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( http://trainvapeur.fr/4.html )

La machine de Watt

Les machines à vapeur de Savery ou de Newcomen posaient le même problème de rendement et de continuité dans le mouvement. Au bout de quelques cycles de fonctionnement les machines s'arrêtaient. Il fallait les arrêter et les remettre en marche.

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Spoiler:

Afin d'améliorer la puissance et la régularité de sa machine à vapeur, James Watt eu l'idée de transformer ces machines "à simple effet" par des machines "à double effet" et d'y apporter certaines de ses inventions :

le volant
le régulateur à boules
le tiroir de distribution de la vapeur
le balancier avec son parallélogramme articulé
le condenseur externe

C'est en 1769 qu'il déposa un brevet pour sa nouvelle machine à vapeur. Il s'associa à l'industriel Boulton pour la fabriquer à grande échelle.

Le volant

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Spoiler:

Le volant a pour but de réguler la vitesse de fonctionnement de la machine. Si la machine tourne trop vite, le volant se met en rotation plus rapidement et accumule ainsi une partie de l'énergie.
Les frottements étant réduits, le volant poursuit son mouvement.
Il peut restituer à la machine son énergie cinétique, si sa vitesse de fonctionnement vient à diminuer.

Le volant ne suffit pas à réaliser à lui seul une vitesse uniforme de la machine. Il peut même acquérir une vitesse trop élevée si la machine tourne à vide. C'est pour cela que Watt rajouta à sa machine un régulateur.

Le régulateur de Watt

Le régulateur, "flyball governor" en anglais est un dispositif permettant à la machine de régler elle-même sa vitesse de rotation. Cet appareil se compose de deux boules métalliques soutenues par deux tiges articulées autour d'un point fixe O au sommet de l'appareil. Deux autres tiges PM et P'M' reliées aux points P et P' sont fixées au collet en M et M'. Ce collet peut s'élever ou s'abaisser le long de l'axe vertical.

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Spoiler:

Quand la machine fonctionne au bon régime l'écartement des boules permet à la fourchette d'être horizontale.
Si la vitesse est trop élevée, les boules s'éloignent de l'axe entraînant le collet vers le haut et la fourchette pivote autour de l'axe A et appuie sur la valve.

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Si la vitesse de fonctionnement est trop faible, les boules se rapprochent de l'axe, le collet s'abaisse et la fourchette pivote autour de l'axe A et relève la valve.
La fourchette est reliée à une valve d'admission de la vapeur provenant de la chaudière. Ainsi quand la machine tourne trop vite la quantité de vapeur diminue et inversement dans le cas contraire.

Le parallélogramme de Watt

Le balancier est un dispositif ingénieux qui permettant de transformer le mouvement de translation du piston en un mouvement de rotation pour faire tourner par exemple un arbre moteur.

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Le balancier tournant autour de l'axe O est lié au parallélogramme MNPI articulé.
Lorsque le balancier oscille autour de O, le mouvement de la tige du piston reliée au point P est pratiquement rectiligne.
En effet, le dispositif astucieux de Watt consiste en un parallélogramme MNPI dont les quatre côtés sont de longueur constante et qui peut s'articuler autour de ses quatres sommets.

Le condenseur externe

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James Watt remarquait que l'eau injectée dans le cylindre pour recondenser la vapeur, refroidissait considérablement les parois de celui-ci. Il eut pour idée d'utiliser un condenseur externe.
La vapeur arrive par un tuyau latéral et passe dans le cylindre puis est refroidie par injection d'eau froide dans un condenseur placé en-dessous du cylindre.
Ce condenseur baigne dans de l'eau froide qui est recyclée quand elle s'est trop réchauffée grâce à une pompe d'épuisement.
L'apport en eau provenant d'un puits ou d'une rivière est assuré par une pompe d'alimentation.

Le tiroir de distribution de la vapeur

Afin que la vapeur puisse agir de part et d'autre du piston, un exentrique est relié d'un côté à l'arbre moteur et de l'autre à un tiroir d'admission de la vapeur qui est ainsi animé d'un mouvement alternatif comme l'indique cette animation.

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Spoiler:

La distribution de la vapeur par ce tiroir consiste à faire circuler la vapeur qui vient de la chaudière grâce au mouvement de va-et-vient d'une pièce mobile du tiroir.
Pendant que la "nouvelle" vapeur rentre d'un côté du piston, "l'ancienne" est évacuée vers le condenseur.

1. Le piston commence son mouvement vers le haut, poussé par la vapeur qui arrive par la lumière du bas.
2. Quand le cylindre est complètement rempli, le tiroir qui s'est élevé par l'intermédiaire de l'exentrique, laisse rentrer la vapeur par le haut du cylindre.
3. Le piston redescend et la vapeur est évacuée par la lumière du bas. Et ainsi de suite..

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