Question d'origine :
Bonjour.
C'est une question que le passionné de locomotives à vapeur que je suis, se pose depuis longtemps sans avoir jamais trouvé de réponse.
Par quel système, quel mécanisme, quelle astuce, fait on démarrer, reculer ou avancer une loco à l'arrêt lorsque les bielles sont dans le prolongement exact du piston ?
C'est le même problème que le vélo lorsque la pédale est rigoureusement en haut, elle peut partir à droite ou à gauche, mais là c'est le "coup de pied" qui la fait partir dans le bon sens.
Merci énormément si vous avez la réponse !
Cordialement.
Réponse du Guichet
bml_sci
- Département : Sciences et Techniques
Le 02/08/2013 à 10h02
Cette question est d'importance. Penchons-nous si vous le voulez bien sur le principe de fonctionnement de la machine à vapeur, alors que la vapeur est déjà produite.
La vapeur est amenée aux cylindres par des tuyauteries en acier et anime le piston qui se trouve dans le cylindre d'un mouvement alternatif rectiligne.
Pour cela il faut amener la vapeur alternativement d'un coté et puis de l'autre du piston, pour que la vapeur, en se détendant, pousse le piston d'un coté et ensuite de l'autre. C'est ce que l'on appelle la "distribution à tiroirs ".
Ce même mouvement rotatif, entraîne par renvois de bielles, un mouvement alternatif vers la distribution à tiroirs. Ces tiroirs en s'ouvrant d'un côté et puis de l'autre, en alternance, distribuent la vapeur, la puissance, dans le cylindre. La vapeur en se détendant, perd de son énergie, la transmet au piston, qui réagit en avançant et en reculant. La vapeur résiduelle est envoyée vers les autres organes de chaudières : souffleurs, sifflets, alimentation d'eau, etc. C'est le principe de la machine vapeur haute pression simple : les pistons, cylindres, travaillent en haute pression. Dans le système "compound", la vapeur, qui a déjà été injectée dans le premier cylindre (haute pression, 10/14 atm), est réutilisée dans un 2ème cylindre, (basse pression 8/10 atm) pour donner le résidu de puissance qu'elle contient encore.
Les pistons de hautes pressions font 40/60cm de diamètre, ceux de basses pressions sont de diamètre plus grand : 50/80 cm de diamètre.
Cette technique permet de rentabiliser au maximum l'énergie de la vapeur et d'augmenter la puissance de la locomotive, avec le même encombrement.
L'effet se fait sentir en traction où la machine est beaucoup moins sujette à avoir des mouvements de "lacets" (la machine avance comme un lézard), dus à la compression mécanique des bielles sur la roue. Cette poussée de plusieurs tonnes, en fonction de la puissance de la machine, agit sur le train de roue moteur en ayant tendance à le déformer. Pour contrer cette puissante force, des contrepoids intégrés à la jante de la roue sont placés en opposition par rapport au point d'attache de la bielle. Le positionnement de ce contrepoids fait suite à un calcul des diagrammes de force et des parallélogrammes entrant en action lors de la rotation de la roue.
Ces contrepoids équilibrent aussi la roue lors de la rotation en haute vitesse, empêchant le "décollement" de la roue du rail et favorisant par la même, l'adhérence, la puissance de traction de la locomotive. Au démarrage, il est important de "sabler" la roue pour augmenter l'adhérence, favoriser la tension des attelages et empêcher le déraillement de la machine.
source : Activity Simulator World
L'article sur la bielle motrice du Larousse des trains et des chemins de fer nous indique que "[...] Les bielles dans leur mouvement alternatif engendrent néanmoins des phénomènes parasites sur la locomotive (qui se dandine") et des efforts alternés sur la voie. Pour en réduire l'importance, les roues sont munies de contrepoids calculés pour mieux équilibrer les masses de l'ensemble bouton d'entraînement/bielle, d'où l'aspect caractéristique des corps de roues présentant des zones pleines en périphérie, d'importance variable suivant la position dans le train de roues.
Le site freveille.free.fr vous propose de découvrir le logiciel de simulation VAP qui permet de simuler le mécanisme d'une machine à vapeur, d'en visualiser une épure animée ainsi que ses caractéristiques.
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Pour en savoir plus :
* Les Voies Ferrées du Velay
* voisin.ch, site dédié à la construction et aux techniques de la locomotive à vapeur.
* vidéo sur le principe de fonctionnement moteur à vapeur.
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