LOCOMOTIVES À VAPEUR
Le chemin de fer est né au 19e siècle sur le carreau des mines pour transporter le charbon du puits d’extraction vers une voie d’eau. Jusque-là, pour mieux faire rouler les lourds chariots, les mineurs utilisaient des rails de bois, système inventé au 16e siècle. La traction était alors chevaline ou se faisait par simple gravité.
Avec les débuts de l’ère industrielle en Grande-Bretagne, l’augmentation croissante du tonnage met en évidence la nécessité de nouveaux moyens de traction. Déjà utilisée pour actionner les pompes dans les mines, la machine à vapeur va trouver un nouvel emploi.
Naissance en Grande –Bretagne 1800-1829
Richard Trevithick 1771-1833
L’idée de faire avancer un chariot sur rail à l’aide d’une machine à vapeur embarquée revient à Richard Trevithick. Grâce à l’utilisation d’une vapeur à haute pression, de cylindres de moindre diamètre et à l’élimination du condenseur, il parvint à gagner de la place et du poids. Le cylindre placé à l’intérieur de la chaudière actionnait, par un système de bielle manivelle, un lourd volant extérieur pour maintenir le mouvement lors des passages aux points morts. Par l’intermédiaire d’engrenages, le volant entraînait les deux roues gauches, les roues droites restant libres. Le 21 février 1804 à Penydarren (Pays de Galles), cette première locomotive tracta 10 tonnes de fer ainsi que 60 personnes qui s’étaient ruées sur les wagons pour participer au premier voyage en chemin de fer !
John Blenkinsop 1783-1831
En 1812, la première locomotive de série, la Salamanca, est construite par John Blenkinsop. Le problème des points morts y est résolu par la présence d’un deuxième cylindre. Elle est à traction à crémaillère. Ce procédé répond à une croyance généralement admise à l’époque qu’une locomotive, vu les problèmes supposés d’adhérence d’une roue lisse sur un rail lisse, ne pourrait tracter une charge supérieure à son poids. La Salamanca, d’un poids de 5 tonnes, pouvait tracter une charge de 90 tonnes !
William Hedley 1779-1843
William Hedley démontre avec sa Puffing Billy, construite en 1814, que le poids de la locomotive et la transmission par engrenages aux
4 roues motrices, suffisent pour procurer l’adhérence nécessaire. Cette locomotive de 8 tonnes est cependant trop lourde pour la qualité des rails de l’époque. Une version à 8 roues sera développée. Les cylindres sont pour la première fois placés à l’extérieur de la chaudière. La transmission est assurée par un système de balanciers et d’engrenages.
George Stephenson 1781-1848
La même année, George Stephenson, très intéressé par la réalisation de William Hedley, développe sa propre locomotive, l’impressionnante Blücher. Il y introduit des innovations majeures (roues à boudin assurant le guidage en prenant appui sur les faces latérales du rail, tige du piston reliée directement à la roue) et confirme la traction reposant uniquement sur la friction des roues sur le rail.
Il revient cependant à une conception plus primitive avec sa Locomotion qui assure en 1825 l’ouverture du premier service régulier au monde sur la ligne Stockton-Darlington. Elle est très inspirée des machines fixes des usines. Les cylindres sont logés dans la chaudière ; ils actionnent un système de bielles qui renvoie le mouvement vers le bas en direction des roues. La chaudière est encore une simple bouilloire, en contact avec le foyer et traversée d’un gros tube central pour l’évacuation des gaz brûlants.
Timothy Hackworth 1786-1850
Très au fait de la construction de locomotives à vapeur puisque ayant travaillé tant pour William Hedley que pour George Stephenson, Timothy Hackworth sort en 1827 la Royal George, locomotive à 6 roues couplées, considérée comme la plus puissante de l’époque.
Le Concours de Rainhill (1829) organisé par la Direction de la nouvelle ligne Liverpool-Manchester, vajouer un rôle majeur dans l’évolution des premières locomotives. Il s’agissait de présenter une locomotive pesant moins de 6 tonnes, capable de remorquer trois fois son poids à une vitesse de 16 km/h sur plusieurs allers retours (distance totale 112 km).
La Novelty, la Perseverance, la Sans Pareil, la Rocket, et la Cycloped participèrent au concours qui marquait de fait la naissance de la locomotive à vapeur moderne.
John Ericsson 1803-1889
De conception très scientifique, la Novelty était équipée de la chaudière verticale de l’ingénieur suédois John Ericsson, capable de produire très vite la vapeur nécessaire. Sa légèreté lui permit d’atteindre les 50 km/h, mais elle explosa lors des premiers essais, collectionna les pannes malgré les réparations, et fut mise hors course. La Novelty est considérée comme étant la première locomotive-tender5 au monde.
Timothy Burstall 1776-1860
La Perseverance, construite par Timothy Burstall, arriva endommagée au Concours de Rainhill et ne put participer que le sixième et dernier jour, en raison des réparations à effectuer. Elle ne put atteindre la vitesse requise. Burstall reçut le prix de consolation de £25.
La Sans Pareil de Timothy Hackworth, version raccourcie et plus légère que sa Royal George, est une locomotive très performante. La chaudière est traversée d’un large tube en forme de U pour l’évacuation des gaz de combustion, ce qui place le foyer et la cheminée du même côté de la machine. Deux cylindres verticaux entraînent directement les roues avant, et par une bielle d’accouplement, également les roues arrière.
Grande victorieuse du concours, la Rocket de George Stephenson tranche sur les locomotives de l’époque (chaudière horizontale, foyer à l’arrière et cheminée à l’avant). Mais les cylindres restent inclinés et placés à l’arrière, empêchant d’en faire une locomotive moderne. Elle comporte néanmoins des innovations marquantes (chaudière tubulaire multipliant par quatre la production de vapeur ; échappement de la vapeur par la cheminée augmentant le tirage et la performance du foyer). D’un poids total de 4,5 t, elle atteint la vitesse de 50 km/h.
Thomas Shaw Brandreth 1788-1873
A l’issue du concours de Rainhill, la Liverpool and Manchester Railway achète des Rocket mais aussi des Sans Pareil dont la durée de service sera plus importante. Pour l’anecdote, la Cycloped de Brandreth fut éliminée d’office, car il s’agissait d’un wagon pourvu d’un tapis roulant mis en mouvement par un cheval embarqué.
Classification des locomotives.
Bien que le souci d’utiliser une méthode de classification ne soit apparu que beaucoup plus tard dans l’évolution de la locomotive à vapeur, il est utile d’introduire et d’employer le concept dès à présent.
1. Notation Whyte. La méthode, basée sur la disposition des roues, est développée au début du 20e siècle par Frederick Methvan Whyte. Elle consiste à énumérer successivement, de l’avant vers l’arrière, le nombre de roues porteuses avant, de roues motrices, et de roues porteuses arrière. Ainsi, une locomotive à un seul châssis est désignée par 3 chiffres. Dans l’exemple, la locomotive Pacific possède 4 roues porteuses avant, 6 roues motrices, et 2 roues porteuses arrière. La notation Whyte de cette Pacific est donc 4-6-2.
Classification UIC
La classification UIC7, utilisée dans notre document, est directement issue de la notation Whyte mais donne le nombre d’essieux en lieu et place du nombre de roues. La Pacific dans l’exemple est de type 231. Les locomotives décrites jusqu’à présent sont pour la plupart de types 020 ou 011.
Premiers développements en Grande-Bretagne 1829 – 1859
Le développement des locomotives a longtemps été freiné par la qualité des rails de l’époque et par l’armement de la voie, qui limitaient le poids et la vitesse.
1829 Grande-Bretagne Agenoria type 020.
Contemporaine de la Rocket, l’Agenoria8, construite par Foster & Rastrick à Stourbridge, utilise la technologie de la première génération de locomotives : large chaudière traversée par la cheminée. One machine identique, la Stourbridge Lion, est expédiée outre-atlantique et sera la première locomotive à rouler sur le continent américain. L’Agenoria a été utilisée pendant 35 ans pour le transport du charbon des mines de Shutt End. La locomotive est exposée dans le musée de York.
1830 Grande-Bretagne Northumbrian type 011
Avec la Northumbrian de type 011, version élargie de la Rocket, Robert Stephenson introduit des innovations techniques importantes (foyer intégré à la chaudière augmentant ainsi le rendement ; boîte à fumée à l’avant dans laquelle peuvent s’accumuler escarbilles et cendres, dégageant ainsi davantage les tubes à fumée de la chaudière). Les cylindres, maintenant horizontaux, sont encore placés à l’arrière. Ils augmentent ainsi le poids, ajouté à celui du foyer, sur l’essieu arrière uniquement porteur au détriment de l’essieu avant moteur. La locomotive a donc tendance à patiner lors du démarrage. De plus, elle se dandine sur les rails, parcourue d’un mouvement en lacet. Provenant des mouvements alternatifs des pistons et des bielles, il est facilité et entretenu par l’empattement très court de la machine. Dans le futur, les ingénieurs vont construire des machines plus longues et chercheront à équilibrer les pièces en mouvement.
1830 Grande-Bretagne Planet type 110
Egalement construite par Robert Stephenson et pour la même compagnie, la Liverpool and Manchester Railway, la Planet apporte des améliorations. Elle est de type 1109 et les cylindres reçoivent leur position définitive sur l’avant de la locomotive. Les roues motrices sont placées à l’arrière, sous le foyer, là où la locomotive est la plus lourde. Elles sont également plus grandes, ce qui permet, à nombre égal de mouvements de piston, d’atteindre des vitesses plus élevées. L’échappement de la vapeur utilisée se fait par la cheminée, augmentant ainsi le tirage du foyer. Les cylindres, non visibles, sont placés entre les longerons du châssis, donc entre les roues, ce qui oblige à l’emploi d’un essieu moteur coudé en forme de vilebrequin. Cette pièce difficile à fabriquer et à équilibrer sera le point faible de ce type de locomotive.
1833 Grande-Bretagne Patentee type 111
Étape importante dans le développement de la locomotive : Robert Stephenson augmente la puissance de sa Planet par l’allongement du foyer et de la chaudière, qui oblige à la doter de roues supplémentaires. Il fait breveter son idée et nomme sa locomotive la Patentee. Elle est par excellence la locomotive des débuts des grands réseaux ferrés européens et servira de référence pour de nombreux fabricants. Elle dispose du premier système à frein actionné par la vapeur. La Patentee s’exporte et contribue largement au développement des chemins de fer sur tout le continent européen.
1838 Grande-Bretagne Lion type 021
Le transport de marchandises entre Manchester, grande ville industrielle, et Liverpool, grand port, est considérable. Il exige des machines puissantes. La
Lion, l’une des premières locomotives pour trains de marchandises, est construite en 1838 par l’entreprise Todd, Kitson & Laird de Leeds et sera mise en service jusqu’en 1859. Par des circonstances toutes particulières, elle échappe à la casse et elle est aujourd’hui la plus ancienne locomotive au monde toujours capable de rouler.
Isambard Kingdom Brunel 1806-1859
A la recherche de plus de vitesse, d’une plus grande capacité et d’une meilleure stabilité, un ingénieur de génie, Isambard Brunel, prévoit pour le Great Western Railway une voie large à l’écartement de 7 pieds, soit 2m10. La guerre des normes est ouverte. Pour éviter les transbordements inévitables entre réseaux incompatibles, le Great Western Railway doit s’incliner et revenir à la voie normale de 4 pieds, soit 1m435. Cet écartement est devenu le standard des chemins de fer du monde entier, à l’exception de quelques grands pays comme la Russie ou l’Inde.
Daniel Gooch 1816 –1889
1846 Grande Bretagne Iron Duke type 211
Plusieurs locomotives ont été construites pour écartement large, dont l’Iron Duke par Sir Daniel Gooch, capable d’atteindre la vitesse de 125 km/h. Elle est la première d’une série de locomotives à grande vitesse dont certaines resteront en service pendant un demi-siècle. Cette série reprend l’ensemble des dispositions des locomotives anglaises de l’époque : cylindres placés entre les longerons, mouvement intérieur, unique essieu moteur à roues de grand diamètre.
1847 Grande Bretagne Jenny Lind type 111
Construite pour le London and Brighton Railway par E.B.Wilson, cette locomotive représente le standard de la décade pour la traction de trains de voyageurs : larges roues motrices – 1m82 de diamètre, large chaudière 3m23 de diamètre, cylindres entre les longerons, mouvement intérieur. La largeur des roues impose cependant une limitation à la largeur de la chaudière, cette dernière étant placée audessus des axes de roulement et devant néanmoins maintenir un centre de gravité le plus bas possible.
Naissance sur le continent Nord-américain 1828 – 1830
John B. Jervis 1795-1885
L’intérêt pour la traction vapeur, vu l’immensité du continent américain, s’impose d’emblée. La première tentative de création d’un service de transport par rail date de 1828 et revient à John B.Jervis. Il importe deux locomotives, la Stourbridge Lion11 et une locomotive plus récente de Robert Stephenson, The Pride of Newcastsle, rebaptisée America. Leur durée de vie est très brève : la première est retirée parce que trop lourde pour les rails de l’époque et la seconde disparaît dans la nature, quelque part en Pennsylvanie.
Peter Coper 1791-1883
Tom Thumb est la première locomotive 100% américaine. Dotée d’une modeste chaudière verticale à tubes, d’un cylindre unique et d’un système de transmission à engrenages, elle est conçue et construite par Peter Coper en 1830. Une soufflerie embarquée et entraînée par le mouvement des roues compense la faiblesse du tirage naturel du foyer. Cette locomotive est destinée à assurer au port de Baltimore, alors en compétition avec le port de New York, la suprématie du commerce avec l’Ouest. La ligne, reliant Baltimore à Ellicott’s Mills, Maryland, mesurait 13 miles. En 1852, elle relie Baltimore à la rivière Ohio, route-clé du transport fluvial vers le Mississippi.
Toujours pour la même compagnie, la Baltimore and Ohio Railroad (B&O), Phineas Davis construit en 1832 la locomotive Atlantic. D’un poids de 6,5 tonnes, elle possède une chaudière verticale et deux cylindres entraînant les 4 roues.
En 1830, la South Carolina Canal and Rail Road Company commande une locomotive auprès de la West Point Foundry de New York. Démontée et envoyée par bateau à Charleston, SC, elle reçoit sur place le nom de Best Friend of Charleston. Elle est la première locomotive à exploser sur le continent : le chauffeur, gêné par le sifflement de la valve de sécurité, l’avait bloquée !
Premiers développements des chemins de fer Nord-américains 1831-1837
1831 Etats-Unis De Witt Clinton type 020.
Le 9 août 1831, c’est la première locomotive à circuler dans l’Etat de New York. Conçue par l’ingénieur John B. Jervis, elle est construite par la West Point Foundry, qui avec sa première année d’expérience et ses deux locomotives déjà vendues, constitue déjà une référence. A remarquer le tender et son toit en forme de baldaquin prévu pour abriter le combustible. La protection de l’équipe de conduite ne viendra que plus tard.
La John Bull, construite par Robert Stephenson en type 020, est importé en pièces détachées pour la Camden and Amboy Railroad
(C&A). Faute de notice de montage, le mécanicien du réseau, Isaac Dripps, omet de monter la bielle d’accouplement et en fait donc une locomotive de type 110. Les cylindres sont placés à l’avant entre les longerons du châssis. Vu la trajectoire imprécise de la locomotive et afin de mieux l’inscrire dans les courbes, Isaac Dripps a l’idée de doter la machine d’un essieu avant supplémentaire monté sur un petit châssis articulé. Il invente ainsi le bissel avant. Sur ce bissel, il place un chasse-pierres en forme d’étrave pour évacuer tout ce qui traîne sur la voie : pierres, branches ou vaches. Ce chasse-vache deviendra la caractéristique par excellence des locomotives américaines.
1832 Etats-Unis Brother Jonathan type 210.
Conçue par John B. Jervis et construite par la West Point Foundry, cette locomotive introduit le boggie : les 4 roues avant pivotent librement sous le châssis, et permettent à la locomotive de mieux s’inscrire dans les courbes serrées du réseau de l’époque. La configuration 210 sera largement utilisée jusqu’en 1850. Le point faible de la Brother Jonathan est l’insuffisance de l’adhérence de traction due à la mauvaise répartition du poids de la locomotive.
1832 Etats-Unis Old Ironsides type 110
Première locomotive construite par Baldwin qui deviendra le constructeur le plus important des Etats-Unis, sinon du monde. Le type 110 est vite abandonné au profit du type 210 plus approprié pour les réseaux de l’époque. L’Old Ironsides entre en service le 23 novembre 1832 sur la ligne Philadelphie, Germantown et Norristown.
1837 Etats-Unis American type 220.
La première locomotive de type 220 a été construite en 1836 ou 1837 sur le continent américain - d’où son nom générique de American par Henry Campbell.
De type American, la locomotive Gowan & Marx, construite en 1839 par Andrew Eastwick et Joseph Harrison, disposait de 4 roues avant pivotantes pour mieux s’inscrire dans les courbes. Par ailleurs, des ressorts égaliseurs maintenaient constante la répartition de son poids sur les 4 roues motrices, en dépit des inégalités de la voie. Locomotive la plus puissante de l’époque, elle assurait le service entre Pottsville et Philadelphie.
Développements sur le continent européen
France 1829 – 1844.
Marc Seguin 1786-1875
Au cours d’un de ses voyages en Angleterre, Marc Seguin, ingénieur français déjà réputé pour la construction de ponts suspendus, conçoit l’idée d’un chemin de fer entre St-Etienne et Lyon15, reliant ainsi la Loire au Rhône. En avril 1828, il achète aux ateliers Stephenson deux Locomotion qu’il transforme et dote de chaudières tubulaires16. Pour améliorer le tirage de la chaudière, il installe sur le tender une énorme soufflerie actionnée par le mouvement de la locomotive. Celle-ci fait son premier trajet en novembre 1829 sur la voie d’essai posée à Perrache.
1844 Crampton type 210
Thomas Russell Crampton 1816-1888
L’ingénieur anglais Thomas Crampton proposa en vain aux différents réseaux anglais sa nouvelle machine dont la qualité principale était depouvoir rouler à 120 km/h (grâce à ses deux grandes roues arrière de 2m14 de diamètre). Des prototypes ont été construits pour les réseaux belge et américain, mais c’est la France du Second Empire qui l’adopta définitivement. Etudiée par l’ingénieur Houel de la firme Cail, la version française fut mise en service sur les réseaux du Nord et de l’Est. En 1853, Napoléon III fixa par décret la vitesse maximale des locomotives à 120 km/h.
Confédération germanique 1835 – 1838
Louis II de Bavière 1845-1886
Le Roi de Bavière Louis 1er donne en 1834 son approbation pour la construction du chemin de fer Nuremberg – Fürth. L’industrie allemande n’étant pas encore équipée pour la fabrication de locomotives, c’est un modèle standard, la Patentee de Robert Stephenson, rebaptisée l’Aigle, qui assure l’inauguration de la ligne le 7 décembre 1835.
1838 Royaume de Saxe Saxonia type 021
Johann Andreas Schubert 1808-1870
Première locomotive de construction allemande, la Saxonia, construite par l’ingénieur Johann Andreas Schubert en 1838, participe le 7 avril 1839 à l’ouverture de la première ligne de chemin de fer dans le Royaume de Saxe, reliant la capitale Dresde à la ville de Leipzig.
Belgique 1835
1835 Belgique L’Eléphant type 021 et Le Belge type 111
La première ligne commerciale de chemin de fer de l’Europe continentale, la ligne Bruxelles – Malines (Mechelen), est inaugurée le 5 mai 1835. Trois locomotives conçues par Robert Stephenson, la Flèche, l’Eléphant, et la Stephenson en l’honneur de son concepteur, participent à l’ouverture dans la gare de l’Allée-Verte à Bruxelles. Le convoi transporte quelque 900 personnes.
Russie.
1834 Russie Nijni-Taguil type 020
Apparemment hors des circuits traditionnels de l’époque, les mécaniciens serfs du riche fabricant Démidov, Efim Tchérépanov et son fils Miron, créent en 1834 la première locomotive russe. La voie à rails de fonte, longue de 854 mètres, est construite à proximité de la ville de Nijni-Taguil18. Cette locomotive, de type 020 avec les cylindres placés entre les longerons, atteint la vitesse de 16,6 km/h. Sous l’impulsion du Tsar Nicolas 1er, des dizaines de milliers de kilomètres de voies seront construits par la suite.