Article de M. J. Tête, Ingénieur du PLM, paru dans la RGCF juillet 1903

Voitures automotrices à vapeur système Purrey du PLM n° VBCf 1 et 2 Article de M. J. Tête, Ingénieur du PLM, paru dans la RGCF juillet 1903 La Compagnie des chemins de fer de Paris à Lyon et à la Méditerranée a commandé en 1901, à M. V. Purrey, de Bordeaux, deux voitures automotrices à vapeur de son système, pour faire un service de transport de voyageurs sans bagages sur l’une des lignes secondaires de ce réseau.

D’après le programme, chacune de ces voitures devait pouvoir :

• Contenir de 30 à 35 voyageurs assis, dont 8 à 10 en 2ème classe et les autres en 3ème, plus une dizaine de voyageurs debout sur la plate forme,
• Monter sous charge complète des rampes de 20 mm à la vitesse de 20 km/h au moins,
• Soutenir avec une stabilité parfaite la vitesse de 60 km/h sur les voies en palier et en pente,
• Faire en pleine charge une soixantaine de kilomètres sans prendre de charbon, et une trentaine sans prendre d’eau.

Ces voitures viennent d’être livrées.

Cette note a pour but d’en donner une description sommaire et:d’exposer les résultats des essais auxquels elles ont été soumises.

Description d’ensemble

Ces voitures se composent d’une caisse à un seul étage, avec plateforme à l’avant pour le mécanicien et le générateur, des compartiments au milieu pour les voyageurs et une plateforme à l’arrière pour le conducteur et les voyageurs.

La caisse repose sur un châssis en fer profilé, tout à fait analogue à ceux que l’on trouve dans le matériel roulant des Chemins de fer Il est monté sur deux essieux avec ressorts à lames parallèles munis de la suspension à double réglage en usage sur les voitures de la Compagnie PLM.

Le moteur est fixé sous le châssis au-dessus de l’essieu avant, dans une position inclinée, et il agit sur ce dernier par l’intermédiaire d’un arbre moteur et de deux chaînes. L’essieu avant est seul moteur, l’essieu arrière est porteur.

Générateur

Le générateur est d’un type tout à fait semblable à ceux que possèdent les voituras de même provenance de la Compagnie générale des omnibus de Paris, mais il est plus puissant.

Ce type de générateur a été décrit dans le numéro de janvier 1900 de la RGCF, nous prions nos lecteurs de bien vouloir s’y reporter et nous nous bornerons à signaler quelques particularités de ces générateurs et à donner leurs principales conditions d’établissement pour les deux voitures qui nous occupent.

Ainsi que le montre la Figure 1 représentant une coupe de ces générateurs par un plan vertical parallèle à l’axe de la voiture, le collecteur inférieur présente 3 chambres distinctes les unes des autres. Celle du bas reçoit l’eau d’alimentation, qui passe par une série de tubes en U dans celle du milieu. De cette dernière partent les tubes serpentins qui aboutissent au collecteur supérieur. Quant à la 3ème chambre, elle contient de la vapeur surchauffée qu’elle reçoit par une deuxième série de tubes serpentins.

Le rôle des tubes en U dont il vient d’être question est de protéger, dans une certaine mesure contre les coups de feu, tout en augmentant la surface de chauffe, les tubes serpentins qui sont beaucoup plus coûteux et de diminuer, par suite, les frais d’entretien de ces générateurs en service.

Voici leurs principales conditions d’établissement :

• Capacité totale : 262 litres
• Timbre : 20 kg/cm2
• Surface de chauffe : 26 m2
• Surface de grille : 0,84 m2
• Longueur totale du collecteur supérieur : 1,250 m
• Diamètre intérieur de ce collecteur : 0,400 m
• Epaisseur des tôles de ce collecteur : 0,020 m
• Longueur totale du collecteur inférieur : 1,250 m
• Section de ce collecteur : 0,110 x 0,200 m
• Epaisseur des parois verticales de ce collecteur : 0,025 m
• Epaisseur des parois horizontales de ce collecteur : 0,015 m
• Tubes en U :
  • Nombre : 24
  • Longueur : 1,600 m
  • Diamètre intérieur : 0,017 m
  • Epaisseur : 0,004 m
• Tubes serpentins :
  • Nombre : 49
  • Longueur : 6,700 m
  • Diamètre intérieur : 0,017 m
  • Epaisseur : 0,0025 m
• Nombre de soupapes de sûreté : 2
• Diamètre des soupapes de sûreté : 0,024 m

Ces générateurs, comme tous ceux du même système, ne possèdent pas de tube de niveau d’eau. L’admission de vapeur à 20 kg/cm2 de pression dans un tube de verre pourrait présenter des dangers pour le mécanicien chargé de la conduite de la voiture. D’autre part, son implantation fut elle-même possible et inoffensive, un appareil de ce genre ne pourrait donner que des indications fort peu précises à cause de la forte agitation de l’eau dans ces générateurs quand ils sont en marche. Pour cette dernière raison, ils ne possèdent pas non plus de robinet de jauge. Le combustible qu’on y emploie est lez coke. L’approvisionnement nécessaire pour la route est contenu dans une trémie qui peut en recevoir environ 280 kg et se trouve placé sur le côté gauche du générateur. Le fond de cette trémie est incliné à 30 ° sur l’horizontale, comme la grille du foyer et se trouve dans le prolongement de cette dernière, de sorte que, sou l’influence de la pesanteur et des trépidations de la marche, le coke glisse par une ouverture de la trémie sur la grille, au fur et à mesure que cette dernière se dégarnit. Le mécanicien n’a pas à s’occuper du feu en route, si ce n’est de temps à autre, pendant les arrêts, pour retirer les mâchefers qui auraient pu se former sur la grille.

Le cendrier possède deux portes dont le mécanicien peut régler à volonté, de son poste, le degré d’ouverture. C’est le seul moyen dont il dispose pendant la marche pour activer ou ralentir l’intensité du feu.

L’alimentation de la chaudière en eau se fait automatiquement. Elle est assurée par deux appareils : une pompe, actionnée par un excentrique calé sur l’essieu arrière, et un petit cheval. Le fonctionnement de ces appareils et le dispositif de réglage de niveau de l’eau dans le collecteur supérieur ont été décrits dans le numéro de janvier 1900 de la RGCF. Nous nous bornerons à signaler que le réservoir qui les alimente a une capacité de 1280 litres. Il est fixé sous le châssis, à l’arrière de la voiture. Son porte à faux par rapport aux essieux est contrebalancé par celui du générateur qui occupe une position symétrique à l’avant.

Moteur

Le moteur est du système compound à 4 cylindres montés en tandem. Le diamètre des cylindres est de 140 mm pour ceux d’admission et de 200 mm pour ceux de détente. La course commune des pistons est de 200 mm.

Les cylindres de détente, leur boîte à vapeur, les glissières et la traverse portant les paliers de l’arbre moteur forment une seule et même pièce de fonte constituant un bâti rigide. Ce bâti porte :

• A l’avant, les cylindres d’admission, venus ensemble de fonte avec leur boîte à vapeur,
• A l’arrière, l’arbre moteur avec ses manivelles, ses secteurs formant contrepoids d’équilibrage, et ses pignons clavetés en porte à faux aux deux extrémités.

Tout cet ensemble, dont l’encombrement est de 1,800 x 1,200 x 0,400 m est fixé par 8 boulons à 4 goussets rivés sur le châssis.

Le diamètre primitif des pignons clavetés sur l’arbre est de 360 mm, celui des roues dentées montées sur l’essieu avant est de 540 mm, et le diamètre au roulement des roues de cet essieu est de 0,930 m. Il s’en suit que pour marcher à la vitesse de 60 kilomètres à l’heure, l’arbre moteur doit tourner à 514 tours par minute.

Les pistons de chaque groupe de cylindres disposés en tandem sont montés sur une même tige venue de forge avec la crosse correspondante. Le piston de détente s’appuie sur une portée conique de cette tige et il est maintenu à une distance fixe du piston d’admission par un tube emmanché sur la tige et formant entretoise. Un écrou vissé et goupillé sur la tige, derrière le piston d’admission, fait serrage sur ce dernier et complète ce montage. La crosse est munie de 2 larges semelles en fonte, cylindriques comme les glissières. Elle s’articule avec la bielle motrice par une fourche que présente cette dernière.

La longueur de la bielle motrice est 600 mm, soit 6 fois la longueur du rayon de manivelle.

Distribution

La distribution de chaque groupe de cylindres disposés en tandem est commandée par un seul excentrique. Les tiroirs d’admission et de détente, qui sont en fonte et interchangeables sont reliés l’un à l’autre par une tige filetée en sens contraire à ses deux extrémités et vissée dans leurs cadres, ce qui permet de régler l’écartement de ces deux tiroirs demande des tables des cylindres, en faisant tourner la tige sur elle-même. Le cadre de tiroir de détente est relié à la barre d’excentrique par une autre tige, filetée également à ses deux extrémités mais présentant entre ces filetages une partie plane de faible épaisseur, qui la rend facilement flexible. C’est cette partie plane qui, convenablement orientée, tient lieu d’articulation entre la barre d’excentrique et la tige aboutissant au tiroir de détente. Cette dernière est guidée dans son mouvement par le presse - garniture de la boîte à vapeur.

L’admission varie en moyenne de 86 à 90 % pour la marche avant et de 82 à 86 % pour la marche arrière. La période de détente est par suite très réduite.

Changement de marche

Les deux excentriques ne sont pas calés dans une position invariable sur l’arbre moteur. Chacun d’eux est pourvu d’une rainure qui lui permet de coulisser à frottement doux sur une partie carrée de l’arbre moteur perpendiculairement à la manivelle motrice correspondante, de façon à occuper aux extrémités de sa course deux positions symétriques par rapport à cette manivelle. Il s’en suit qu’en amenant cet excentrique de l’une de ces positions extrêmes à l’autre, on change le sens de la marche. Son déplacement est commandé par deux coins, ajustés à queue d’hironde dans deux rainures longitudinales de l’arbre moteur et disposés de part et d’autre de ce dernier de façon que leurs faces inclinées soient parallèles et en contact avec les petits côtés de la rainure de l’excentrique. Tout mouvement longitudinal simultané de deux coins imprime par suite à l’excentrique un mouvement de translation dans le sens de la rainure.

Les quatre coins commandant les déplacements des deux excentriques présentent chacun un talon s’emboîtant sans jeu entre deux tôles parallèles pincées dans les rainures d’une fourche qui peut recevoir un mouvement de va-et-vient parallèle à l’arbre moteur. Cette fourche entraîne dans son mouvement simultanément les quatre coins et imprime par suite à chaque excentrique un déplacement perpendiculaire à la manivelle motrice correspondante. Ce mouvement de va-et-vient de la fourche s’obtient de la plateforme du mécanicien par la manoeuvre d’un levier qui est le levier de changement de marche.

Dans les mouvements de translation de ces excentriques, leurs centres décrivent chacun une ligne droite, et à chacune de leurs positions correspondent un angle de calage et un rayon d’excentricité différents. On pourrait donc obtenir avec ce mécanisme, comme avec une coulisse, des distributions avec admissions variables. Mais il n’existe sur ces voitures aucun mode de fixation du levier de changement de marche dans ses positions intermédiaires. Ses deux positions extrêmes sont seules utilisées, et ces moteurs fonctionnent par suite avec une détente fixe.

Graissage

Le graissage des tiroirs et des cylindres s’obtient par un graisseur automatique à condensation, piqué sur le tuyau d’arrivée de vapeur au moteur et placé sur la plate forme du mécanicien. Quant à l’arbre moteur, il est en partie noyé dans l’huile que contient un carter enveloppant le mécanisme. Le graissage de ce mécanisme en cours de route est donc largement assuré.

Chaînes

Les chaînes sont constituées par une série de lamelles métalliques montées à frottement doux sur des axes d’articulation, parallèlement les unes aux autres, et taillées sur une partie de leur pourtour à la demande des dents des pignons. La moitié de ces lamelles portent sur les axes d’articulation par l’intermédiaire de demi bagues de friction que l’on peut remplacer après usure.

Au fur et à mesure que cette usure se produit, la chaîne s’allonge, mais cet allongement peut être compensé, dans une certaine mesure, par l’enlèvement successif de quatre cales mobiles de 6 mm d’épaisseur, intercalées entre chacune des boîtes de l’essieu moteur et le guide avant de boîte à huile. Au fur et à mesure de leur retrait, ces cales sont placées entre la boîte à huile et le guide arrière, de façon à ne laisser à ces boîtes que le moins de jeu possible dans leur guide.

Les chaînes ont 0,190 m de largeur et 3,300 m de longueur. Elles pèsent environ 120 kg. Leur fonctionnement est tout à fait silencieux. Des carters les protègent contre les poussières de la route.

Caisse

Plateforme d’avant

La paroi verticale avant de cette plateforme (voir Planche 1) est percée de 4 grandes baies vitrées donnant toute facilité au mécanicien pour surveiller la voie. Tous les appareils qu’il à manoeuvrer en cours de route sont groupés contre cette, paroi, de façon qu’il puisse faire tout son service sans perdre de vue la voie qu’il va parcourir. Ces appareils sont :

• la manivelle de commande du régulateur,
• la manivelle de commande du frein à main,
• les deux robinets du frein à air;(frein automatique et frein modérable PLM,
• les deux poignées de manœuvre des portes du cendrier,
• le levier de commande de l’appareil de changement de marche,
• le robinet vanne commandant l’arrivée de la vapeur au petit cheval.

Une ouverture pratiquée sur chacun des côtés latéraux de la plate-forme et un marchepied en regard de cette ouverture y donnent accès.

Celle du côté droit se trouve en face de la porte du foyer et donne le dégagement voulu pour la manoeuvre des outils à feu en stationnement.

Les enveloppes du générateur assurent un isolement très satisfaisant et la chaleur qu’il rayonne n’incommode nullement le mécanicien ni les voyageurs placés dans les compartiments voisins.

Compartiments

Les compartiments sont au nombre de cinq : deux de seconde classe, situés à la suite de la plateforme avant, et trois de 3ème classe, placés entre ceux de 2ème et la plate forme arrière. Une cloison intermédiaire et une porte roulante isolent les compartiments de 2ème de ceux de 3ème. Une autre porte roulante permet de fermer à l’arrière les compartiments de 3ème. Dans ceux de 2ème les banquettes et les dossiers sont munis de garnitures élastiques sans capiton, système Compin, et des miroirs sont encadrés à hauteur d’homme dans la cloison séparant les compartiments de 2ème et ceux de 3ème. Dans ces derniers, il n’existe pas de garniture élastique. Tous ces compartiments possèdent une poignée d’appel de l’intercommunication pneumatique et des filets à bagages. Ils sont largement éclairés et aérés par 9 châssis de glace disposés sur chacun des côtés et tous, pourvus de stores.

Les -voyageurs accèdent aux compartiments par la plate forme arrière, qui est munie sur chaque côté d’une porte et d’un marchepied avec rampe.

Le nombre des places offerte est de 48 dont 12 dans les compartiments de 2ème , 24 dans ceux de 3ème et 12 sur la plateforme arrière.

Dispositions propres à faciliter le service de la voiture

Une manivelle actionnant le frein à main est à la disposition du conducteur sur la plateforme arrière.

Une Porte, pratiquée dans la cloison séparant les compartiments de la plateforme avant, permet au conducteur de se rendre sur cette dernière pendant la marche, s’il y a lieu.

Une autre porte, pratiquée dans la même cloison au regard du générateur, en facilite la visite ainsi que le remplacement et] le nettoyage des tubes.

Il existe dans le plancher de la caisse, au-dessus du moteur, une trappe qui permet de le découvrir complètement et de l’aborder par dessus.

Bien entendu les portes de cette trappe sont normalement fermées.

Éclairage

L’éclairage est donné, pour la marche de nuit, par 7 lampes à huile système Laufaurie, fixées à la toiture, à raison d’une par plateforme et par compartiment.

Chauffage

Le chauffage est assuré par la circulation d’une partie de la vapeur d’échappement, sans pression effective notable, dans une conduite d’aller et une de retour, placées de chaque côté de la voiture contre le bas des parois verticales, et protégées par des tôles perforées. Un robinet permet d’isoler cette tuyauterie de la conduite d’échappement.

Frein

Les freins à main et à air agissent sur les quatre roues au moyen de deux sabots par roue. Le réservoir du frein à air est alimenté par une pompe à air placée en tandem avec celle à eau et actionnée par conséquent par l’excentrique calé sur l’essieu arrière. Une soupape de décharge limite la pression à une valeur convenable dans ce réservoir.

En vue de permettre l’attelage d’une remorque, les conduites du frein à air sont prolongées à l’arrière et se terminent par deux demi accouplements.

Essais

Ces essais qui ont eu lieu sur la ligne d’Alais à l’Ardoise, ont constitué à faire circuler une de ces voitures :

• En marche modérée :
  • Voiture sous charge complète pesant sur rails 23,800 tonne,
  • Idem avec remorque pesant 14 tonnes sur rail,
  • Idem avec deux remorques pesant chacune 14 tonnes sur rail.
• En marche tendue :
  • Voiture sous charge complète pesant sur rails 23,800 tonne,
  • Idem avec remorque pesant 14 tonnes sur rail.

La ligne d’Alais à l’Ardoise, qui a 58 km de longueur, présente de nombreuses courbes de 400 et 500 m de rayon, et, dans les deux sens, des rampes de 18 ou 20 mm, ayant plus de 3 km chacune de longueur.

Le graphique représente le profil de la ligne.

Le graphique représente les deux marches suivies dans ces essais.

Les vitesses prévues dans ces marches sont indiquées en dessous de ce graphique.

• Essai a : Voiture seule en marche modérée. Poids sur rails 23,800 t

La marche tracée a été facilement suivie en maintenant la pression de la chaudière entre 8 et 10 kg. La consommation de coke pour le trajet aller et retour a été de 320 kg, soit 2,700 kg par kilomètre. La consommation d’eau pour le trajet aller et retour a été de 1433 litres soit 4,500 litres par kilogramme de coke.

• Essai b : Voiture et une remorque en marche modérée. Poids sur rails 37,800 t

La marche tracée a été facilement suivie en maintenant la pression de la chaudière à une valeur moyenne de 14 kg. La consommation de coke pour le trajet aller et retour a été de 335 kg, soit 2,900 kg par kilomètre. La consommation d’eau pour le trajet aller et retour a été de 1671 litres soit 4,900 litres par kilogramme de coke.

• Essai c : Voiture et deux remorques en marche modérée. Poids sur rails 51,800 t

La marche tracée a été suivie en maintenant la pression de la chaudière autant que possible à 20 kg. A cette pression, les rampes de 20 mm ont été franchies à la vitesse de 20 km/h. La consommation de coke pour le trajet aller et retour a été de 451 kg, soit 3,900 kg par kilomètre. La consommation d’eau pour le trajet aller et retour a été de 2032 litres soit 4,500 litres par kilogramme de coke.

• Essai d : Voiture seule en marche tendue. Poids sur rails 23,800 t

Dans cet essai, la pression de la chaudière s’est montrée particulièrement instable et a oscillé entre 8 et 20 kg. Néanmoins, l’horaire tracé a pu être suivi. La consommation de coke pour le trajet aller et retour a été de 351 kg, soit 3,000 kg par kilomètre. La consommation d’eau pour le trajet aller et retour a été de 1599 litres soit 4,500 litres par kilogramme de coke.

• Essai e : Voiture et une remorque en marche tendue. Poids sur rails 37,800 t

Dans cet essai, la pression de la chaudière s’est montrée particulièrement instable et a oscillé entre 8 et 20 kg. La marche tracée a été assez péniblement observée, surtout au retour, pour lequel un retard de 7 minutes a été pris à la montée, retard ensuite regagné en partie à la descente. La consommation de coke pour le trajet aller et retour a été de 497 kg, soit 4,300 kg par kilomètre. La consommation d’eau pour le trajet aller et retour a été de 2225 litres soit 4,500 litres par kilogramme de coke.

Ces essais ont eu lieu par temps sec.

La stabilité de la voiture reste bonne, même à la vitesse de 60 km/h. Ses organes, dont certains paraissent un peu grêles, surtout pour le mécanisme, se sont en général bien comportés dans ces essais, sauf la pompe à eau dont les joints ont mal résisté à la vitesse de 60 km/H.

On va faire subir à cette pompe certaines modifications destinées à en améliorer le fonctionnement. Si ces modifications restent inefficaces, on sera vraisemblablement amené à supprimer la commande automatique par l’essieu arrière, et à remplacer la pompe actuelle par un petit cheval assurant à la fois l’alimentation en eau et en air. En plus de la facilité qu’elle donnerait au mécanicien d’alimenter à son gré, cette solution présenterait deux avantages :

• Elle permettrait de rendre à l’essieu arrière le jeu voulu dans ses plaques de garde pour converger en courbe vers le centre, comme il a toujours tendance à le faire, et elle faciliterait par suite les passages en courbe,
• Elle donnerait le moyen de remplir d’air le réservoir du frein par les seules ressources de la voiture avant le départ.