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HISTOIRE DE LA TECHNOLOGIE, TECHNOLOGIE, OBJETS AUTOUR DE NOUS
Locomotive. Histoire de l'invention et de la production
Annuaire / L'histoire de la technologie, de la technologie, des objets qui nous entourent Une locomotive à vapeur est une locomotive autonome avec une centrale à vapeur qui utilise des moteurs à vapeur comme moteur.
L'histoire de la locomotive à vapeur combine deux histoires : l'histoire de la voie ferrée et l'histoire de la locomotive. De plus, le premier est apparu beaucoup plus tôt que le second. Sebastian Munster écrit sur l'utilisation de rails en bois dans l'exploitation minière dans son livre, publié en 1541. Au XVIIIe siècle, les rails ont commencé à être en fonte, et au début du XIXe siècle - en fer doux (la fonte, en raison de sa fragilité, s'est rapidement effondrée). Pendant longtemps, les voies ferrées n'ont été construites que dans les mines, mais ensuite les routes de voyageurs tirées par des chevaux se sont généralisées. Le premier chemin de fer de ce type a été construit en 1801 en Angleterre entre Wandsworth et Croydon. Quant à la locomotive, elle n'a pu voir le jour qu'après la grande invention de Watt. Dès que la machine à vapeur a gagné en popularité, de nombreux inventeurs ont tenté de l'adapter aux besoins du transport - par exemple, en utilisant une machine à vapeur comme moteur pour une charrette automotrice. La première tentative de ce genre a été faite par l'assistant de Watt, Murdoch. Il a compris avant d'autres que le moteur d'une voiture à vapeur doit différer par sa conception d'un moteur à vapeur stationnaire. Pour que le wagon puisse transporter une charge utile en plus de lui-même, le moteur doit être compact, léger et puissant. Tout d'abord, Murdoch a proposé d'augmenter la pression dans le cylindre à 3-3 atmosphères (alors cette pression était considérée comme très élevée). Il a également jugé nécessaire d'abandonner le condenseur et de rejeter la vapeur d'échappement "pour l'échappement" dans l'atmosphère. En 5, Murdoch a construit un modèle de travail d'un chariot à vapeur. Cependant, Watt a réagi très froidement aux expériences de son assistant et Murdoch a dû abandonner ses expériences. Heureusement, un adolescent brillant et curieux, Richard Trivaitik, était présent lors des expériences de Murdoch à Redrete. Ce qu'il a vu l'a énormément impressionné et, ayant mûri, il a consacré sa vie à la création de véhicules automoteurs à vapeur. Trivaitik a commencé là où Murdoch s'était arrêté. Tout d'abord, il a conçu une machine à vapeur à haute pression qui fonctionnait "pour l'échappement" sans condenseur.
Puis, en 1801-1803, il construisit un certain nombre de wagons à vapeur qui roulèrent avec beaucoup de succès sur la mauvaise route de Camborne à Plymouth. En fait, ce sont les premières voitures de l'histoire. Mais avant l'invention des pneumatiques, seuls les passionnés pouvaient conduire de telles machines. Il y avait peu de bonnes routes et aucun ressort n'a sauvé la voiture et son conducteur de fortes secousses. De plus, toutes ces structures étaient très encombrantes et lourdes pour se déplacer sur des chemins de terre.
Trivaitik a eu l'idée de mettre une voiture à vapeur sur rails. En 1804, il crée sa première locomotive à vapeur. Cette locomotive était une chaudière à vapeur cylindrique reposant sur deux essieux. La chambre de combustion était située à l'avant sous la cheminée, de sorte que le tender (un wagon à charbon, où était assis le chauffeur) devait être attelé devant la locomotive. Un long cylindre horizontal de 210 mm de diamètre avait une course de piston de 1 m. La tige de piston dépassait loin devant la locomotive et était soutenue par un support spécial. D'un côté de la locomotive, il y avait une transmission complexe à engrenages et roues sur les deux essieux, de l'autre - un grand volant d'inertie, comme une machine à vapeur d'usine. À bien des égards, cette première locomotive à vapeur de l'histoire possédait des caractéristiques étonnantes. Ainsi, avec son propre poids de 4 tonnes, il a transporté cinq wagons d'un poids total de 5 tonnes à une vitesse de 8 km/h. Vide, il s'est déplacé à une vitesse de 25 km/h.
Trivaitik n'était pas sûr que le frottement entre les roues et les rails suffirait pour le mouvement vers l'avant de la locomotive. Par conséquent, la partie extérieure de la roue, qui dépassait des rails, était parsemée de têtes de clous, qui étaient enfoncées dans les barres posées parallèlement aux rails. Cependant, très vite, Trivaitik a été convaincu que ces dispositifs supplémentaires n'étaient pas nécessaires - la locomotive pouvait parfaitement se déplacer sur des rails lisses et traîner plusieurs wagons derrière elle. Malgré ses bonnes performances de conduite, la première locomotive à vapeur n'a pas suscité d'intérêt. Le fait est que Trivaitik a dû démontrer sa progéniture sur le chemin de fer à cheval Merthyr Tydfil. La lourde locomotive à vapeur cassait constamment les rails en fonte. Il était évident que des chemins spéciaux devraient être construits pour lui. Cependant, les propriétaires des mines, que Trivaitik voulait intéresser à la locomotive à vapeur, ne voulaient pas investir dans la construction d'une nouvelle route et refusaient de financer l'inventeur. Au cours des années suivantes, Trivaitik a conçu et construit plusieurs autres locomotives à vapeur. La locomotive à vapeur de 1808 est un nouveau pas en avant. Trivaitik a retiré le train d'engrenages volumineux. Le mouvement du cylindre vertical était transmis au moyen de simples bielles à manivelles à l'essieu arrière. Une partie de la vapeur d'échappement a été utilisée pour chauffer l'eau dans la chaudière et une partie a été libérée par un trou rétréci dans la cheminée pour augmenter le tirage dans le four. Cette locomotive à vapeur améliorée atteignait une vitesse de 30 km/h à vide. Cependant, personne n'était intéressé non plus par une voiture aussi merveilleuse. En 1811, définitivement ruiné, Trivaitik dut arrêter ses expériences. Son problème était qu'il est venu trop tôt avec son invention. Non seulement le fer, mais aussi la fonte étaient encore trop chers. Par conséquent, la construction de chemins de fer semblait non rentable. Il y avait aussi très peu de machines à couper les métaux de haute précision. Toutes les pièces de la locomotive devaient être fabriquées à la main, leur coût était élevé. De plus, il y avait une guerre avec Napoléon, l'Angleterre était contrainte par le blocus continental, et tous les projets qui nécessitaient de gros investissements ne pouvaient être mis en œuvre. Mais, bien sûr, aucune difficulté ne pouvait arrêter la pensée technique. De nouveaux inventeurs sont apparus qui se sont lancés dans la création d'une locomotive à vapeur. Pendant longtemps, la croyance était répandue parmi les mécaniciens qu'une roue lisse ne pouvait pas rouler sur un rail en fer lisse. En essayant d'éviter ce danger imaginaire, certains inventeurs se sont trompés de chemin. En 1812, Blenkiston, l'un des propriétaires de la Middleton Colliery dans le Yorkshire, construisit un petit chemin de fer de 6 km de long entre Middleton et Leeds spécialement pour la locomotive à vapeur. La même année, le mécanicien Murray construisit une locomotive à vapeur selon le projet Blankiston, qui présentait d'assez bonnes performances techniques. Il se déplaçait sur des rails ordinaires et avait des roues à jantes lisses. Mais le mouvement s'effectuait à l'aide d'une roue dentée roulant le long d'une crémaillère posée à côté de rails lisses. La machine avait deux cylindres à vapeur. Les manivelles du moteur étaient décalées les unes des autres de 90 degrés. Lorsque l'un d'eux était à l'arrêt, l'autre à ce moment-là agissait avec la plus grande force.
C'était la première machine à vapeur à double effet capable de démarrer à partir de n'importe quelle position de la manivelle. La locomotive à vapeur Murray pouvait transporter 20 tonnes de charge utile à une vitesse de 6 km/h. Avec une charge plus légère, il pouvait prendre des montées très raides. Plusieurs de ces locomotives à vapeur ont été construites pour desservir les mines, mais elles n'étaient pas largement utilisées en raison du fait qu'elles avaient une vitesse très faible, un prix élevé et étaient souvent inactives en raison de voies cassées. Un autre inventeur, Brunton, a construit en 1813 une locomotive à vapeur avec deux mécanismes qui, comme des jambes, étaient censés pousser sur le sol et faire avancer la voiture (lors du premier essai, cette locomotive a explosé, car des erreurs ont été commises dans le calcul de la Chaudière).
Il fut bientôt prouvé qu'une roue lisse pouvait se déplacer le long d'un rail lisse. Deux inventeurs - Blackett et Headley - ont construit un chariot spécial avec des jantes lisses, qui était entraîné par un train d'engrenages par des personnes dessus. Le fer était chargé sur le chariot, modifiant ainsi son poids. Au cours de ces expériences, il a été démontré que le frottement des roues motrices du bogie (c'est-à-dire les roues qui recevaient des révolutions du moteur) était 50 fois supérieur au frottement des roues roulant librement le long du rail. Ainsi, grâce à l'arrêt de ses roues motrices, toute locomotive pouvait tracter une charge 50 fois supérieure à sa charge d'attelage (le poids retombant sur les roues d'une locomotive à vapeur couplée à un moteur). En 1815, Blackett et Hadley ont assemblé un très bon moteur, qui a été nommé "Puffing Billy". Avec les dessins de Trivaitik à leur disposition, ils ont pu profiter de plusieurs de ses développements. Pendant très longtemps, les concepteurs ont lutté avec le problème auquel étaient confrontés tous les inventeurs de la locomotive à vapeur de l'époque - comment réduire la charge à l'essieu pour que la locomotive ne casse pas les rails. Au début, cela arrivait trop souvent, de sorte qu'avant chaque voyage, l'annexe devait être chargée d'une réserve de rails en fonte. Enfin, Blackett et Hadley ont placé la chaudière sur le même châssis que le tender, en la dotant de quatre paires de roues, de sorte que le Billy avait quatre essieux moteurs. Ce n'est qu'après cela qu'il a cessé de gâcher les pistes. Cette locomotive a été exploitée à la mine jusqu'en 1865, après quoi elle a été remise au London Museum.
Pendant ce temps, la victoire finale sur Napoléon a entraîné un changement des conditions du marché. L'Angleterre entre dans une période de nouvel essor industriel. La demande de charbon a fortement augmenté, à la suite de quoi les propriétaires des mines sont devenus de plus en plus conscients de la nécessité du transport à vapeur. Maintenant, beaucoup d'entre eux étaient prêts à financer des expériences sur la construction de locomotives à vapeur. A cette époque, l'idée de la traction à vapeur était dans l'air, plusieurs dizaines de mécaniciens y travaillaient à différents endroits en Angleterre à la fois, développant divers modèles de locomotives à vapeur. Les locomotives conçues et construites par George Stephenson se sont avérées plus réussies que d'autres. En 1812, en tant que chef mécanicien des mines de Killingworth, Stephenson propose à son maître, Thomas Liddell, la conception de sa première locomotive à vapeur. Il a accepté de payer pour sa construction. En 1814, les travaux sont terminés. La locomotive à vapeur, qui a reçu le nom de "Blucher", a participé à l'entretien de la mine. De par sa conception, elle ressemblait fortement à la locomotive à vapeur Blenkinston, mais sans roue motrice à engrenages. Il avait deux cylindres à vapeur placés verticalement; le mouvement du piston était transmis par des bielles à deux rampes principales. Ces pentes étaient reliées par une roue dentée. Le tender a été séparé de la locomotive et attelé à l'arrière. "Blucher" pouvait transporter une charge pesant 30 tonnes, mais ne pouvait pas prendre de montées abruptes et développait une vitesse de seulement 5 km / h avec une charge. À bien des égards, il était inférieur au "Puffing Billy" et après un an de fonctionnement, il s'est avéré être à peine plus rentable que les chevaux utilisés auparavant. La raison de l'échec était une faible traction. La vapeur d'échappement était rejetée directement dans l'air et non dans un tuyau, où elle pouvait augmenter le tirage dans le four. Stephenson a éliminé cette lacune en premier lieu. Après que la vapeur d'échappement a commencé à s'écouler dans le tuyau, la poussée a augmenté. La locomotive améliorée rivalisait déjà sérieusement avec les chevaux et Liddell a volontairement donné de l'argent pour poursuivre les expériences.
En 1815, Stephenson construit sa deuxième locomotive à vapeur. Dans cette conception, il a abandonné la connexion des essieux avec une transmission à engrenages. Les chaudières à vapeur verticales étaient placées directement au-dessus des essieux et le mouvement des pistons était transmis directement aux essieux moteurs, associés à une chaîne. En 1816, le troisième moteur "Killingworth" est terminé. Pour lui, Stephenson a d'abord inventé et appliqué des ressorts (avant cela, la chaudière était installée directement sur le châssis, à la suite de quoi la locomotive secouait littéralement l'âme du conducteur, rebondissant au niveau des articulations). Dans le même temps, Stephenson a travaillé sur l'amélioration de la piste. Les rails en fer cassant étaient largement utilisés à cette époque. Lors du déplacement d'une lourde locomotive à vapeur, ils éclatent de temps en temps au niveau des articulations. Stephenson a inventé l'articulation oblique et en a déposé un brevet. Cependant, en même temps, il lui est devenu tout à fait clair que tant que les rails en fonte n'étaient pas remplacés par des rails en fer, des améliorations cardinales ne pouvaient pas être attendues. Le fer était plusieurs fois plus cher que la fonte et les propriétaires étaient réticents à construire des routes aussi coûteuses. Mais Stephenson a prouvé qu'il est rentable d'utiliser des locomotives à vapeur uniquement lorsque leur force de traction est suffisamment importante. Pour que les locomotives à vapeur puissent transporter de grands trains et développer des vitesses importantes, il faut résolument, sans ménager les frais, reconstruire les chemins équestres existants, le long desquels les premières locomotives à vapeur devaient circuler, à deux égards : adoucir les pentes et renforcer les rails. Stephenson a réussi à concrétiser ces idées en quelques années.
En 1821, Edgar Pease, l'un des propriétaires de la mine de Darlington, fonde une société pour construire un chemin de fer de Darlington à Stockton et confie sa construction à Stephenson. La longueur totale de la route avec les branches latérales était de 56 km. C'était une entreprise importante pour l'époque, et Stephenson a entrepris sa mise en œuvre avec enthousiasme. Il réussit à grand peine à persuader Pise et ses compagnons d'installer des rails de fer sur la moitié de la longueur de la route au lieu de rails de fer, bien qu'ils coûtent le double. Le 19 septembre 1825, le premier train de 34 wagons passe solennellement sur la route. Six d'entre eux étaient chargés de charbon et de farine, les autres avaient des bancs pour le public. Tous ces wagons étaient tirés par une nouvelle locomotive à vapeur "Movement", qui était exploitée par Stephenson lui-même. Au son de la musique et des exclamations joyeuses des passagers, le train est passé avec succès à Stockton.
La vitesse moyenne du train était de 10 km/h. Devant la locomotive, un cavalier avec un drapeau galopait, demandant au public de lâcher les rails. Dans certaines sections, il a dû foncer à pleine vitesse, car le train accélérait à 24 km/h. Au total, plus de 600 passagers ont été transportés sur ce vol. Avec le reste de la cargaison, ce public pesait environ 90 tonnes.
Avec la construction réussie de la route Darlington-Stockton, le nom de Stephenson est devenu largement connu. En 1826, le conseil d'administration de la Manchester-Liverpool Road Transport Company offrit à Stephenson le poste d'ingénieur en chef avec un salaire de 1000 63 £. La construction de cette route a été d'une grande difficulté, car elle traversait un terrain très accidenté. De nombreuses structures artificielles différentes ont dû être érigées : remblais, excavations, tunnels, etc. Quelques ponts ont été construits 2. Sous Liverpool même, il a fallu creuser un tunnel de 4 km de long dans le sol rocheux. Ensuite, j'ai dû faire une coupe dans une haute roche sablonneuse (au total, au cours de ce travail, 480 6 mètres cubes de pierre ont été enlevés). La construction d'une toile à travers les marais tourbeux de Chet Moss, de 5 km de large et de 15 m de profondeur, a été particulièrement difficile.Le coût total des travaux a rapidement dépassé toutes les estimations préliminaires, tandis que Stephenson a exigé avec insistance que des rails en fer coûteux soient posés au lieu de rails en fonte bon marché. rampes en fer. Il lui a fallu toute son éloquence et toute son autorité pour prouver aux directeurs que c'est ainsi, et non autrement, qu'il faut construire les chemins de fer. Enfin, tous les obstacles ont été surmontés avec succès. En 1829, alors que la route touche à sa fin et qu'il faut déjà penser au matériel roulant, l'entreprise annonce un concours gratuit pour la meilleure conception de locomotive. Près de Rainhill, un nouveau tronçon de 3 km de long a été attribué. Les locomotives à vapeur participant au concours devaient parcourir cette distance 20 fois. Stephenson expose à Rainhill sa nouvelle locomotive à vapeur "Rocket", construite dans son usine selon les dernières technologies de l'époque. En 1826, il développe la conception d'une locomotive à cylindre incliné (pour la première fois, elle est testée sur la locomotive à vapeur "America"). Cela permettait de réduire l'encombrement néfaste dans les cylindres, qui, avec leur disposition verticale, était très important. La chaudière à vapeur a également été considérablement améliorée et des tubes de fumée ont été utilisés pour la première fois, ce dont il faut en dire plus. En général, la chaudière à vapeur était l'un des composants les plus importants de la locomotive à vapeur, dont dépendaient largement ses caractéristiques techniques. Un certain nombre d'exigences lui ont été imposées: avec une petite consommation de charbon et d'eau, il devait donner la plus grande quantité possible de vapeur élastique. Cet effet pourrait être obtenu, tout d'abord, en augmentant la surface de contact entre l'eau et les gaz chauds.
Les premières locomotives à vapeur utilisaient une simple chaudière cylindrique. Ici D est un bouchon où la vapeur est collectée, conduite vers les soupapes de vapeur à travers l'un des tubes B (l'autre était relié à la soupape de sécurité). La chaudière avait une grille inclinée R, à travers laquelle l'air atmosphérique était envoyé au charbon versé à travers l'entonnoir T. Le charbon glissait dans l'entonnoir pendant qu'il brûlait, la combustion la plus forte se produisant au fond de la grille; la flamme de là montait sous la voûte en pente G, où se trouvait une ouverture b, par laquelle les gaz chauds entraient dans la première cheminée F sous la chaudière. Ensuite, ces gaz sont entrés dans c et dans la cheminée latérale F, et par la connexion d sur le côté avant, ils sont redescendus le long de F jusqu'à l'arrière de la chaudière, d'où ils étaient déjà évacués dans la cheminée. Ainsi, la chaudière, pour ainsi dire, circulait avec de l'air chaud de tous les côtés. La porte à cendres K et le registre S étaient de simples dispositifs avec lesquels le chauffeur réglait le flux d'air dans le foyer.
La modification la plus simple d'une chaudière cylindrique était une chaudière à tube à flamme, dans laquelle la première cheminée ne passait pas sous la chaudière, mais à l'intérieur. L'étape suivante fut la chaudière tubulaire, inventée en 1828 par l'ingénieur français Seguin. Des conduits de fumée métalliques passaient à l'intérieur de cette chaudière, à travers lesquels les gaz chauds se déplaçaient du four à la cheminée. Dans une chaudière tubulaire, la surface de chauffe était beaucoup plus grande que dans une chaudière cylindrique. Dans le même temps, une partie beaucoup plus importante de la chaleur est allée à la vaporisation et une partie relativement plus petite s'est envolée dans la cheminée. Sur le "Rocket", la surface de chauffage totale de la chaudière était d'environ 13 mètres carrés, dont 11 représentaient des tubes.Par conséquent, avec les mêmes dimensions, la productivité de la chaudière était beaucoup plus élevée.
Les concours Rainhill sont devenus un événement majeur dans l'histoire de la locomotive; on pense qu'ils ont mis fin à la période de son enfance. Le concours a réuni environ 10 10 spectateurs, ce qui témoigne surtout du grand intérêt du grand public pour le transport à vapeur. Les espoirs que Stephenson plaçait dans sa création étaient pleinement justifiés. Le 48 octobre "Rocket", partant à vide, a développé une vitesse record pour l'époque de 4 km/h. Avec son propre poids de 5 tonnes, cette locomotive a tiré librement un train d'un poids total de 17 tonnes à une vitesse de 21 km/h. La vitesse de la locomotive à vapeur avec une voiture de tourisme a atteint 38 km / h. Selon toutes les mesures, la "Rocket" était d'un ordre de grandeur meilleure que toutes les autres locomotives, et le prix de 500 livres a été décerné à Stephenson. Il l'a partagé avec son assistant Booth, qui a proposé l'idée d'une chaudière tubulaire (ni Booth ni Stephenson lui-même à l'époque ne savaient rien de l'invention de Seguin). La "Rocket" peut être considérée comme une locomotive à vapeur complètement parfaite, car elle possédait toutes les caractéristiques les plus importantes des locomotives ultérieures : 1) le four était entouré d'eau de chaudière ; 2) la chaudière était située horizontalement et avait des tubes de fumée ; 3) de la vapeur est entrée dans la cheminée, ce qui a augmenté le tirage et augmenté la température du four; 4) la puissance de la vapeur était transmise aux roues par les bielles sans aucun engrenage. L'année suivante, la ligne Liverpool - Manchester est inaugurée. La construction de la route a nécessité des investissements en capital sans précédent à l'époque. Le coût total de sa pose s'est élevé à 739 XNUMX livres. Cependant, le besoin de cette route était si grand qu'elle a payé assez rapidement. C'était la meilleure recommandation pour un nouveau mode de transport. Quelques années plus tard, la construction ferroviaire rapide a commencé dans le monde entier. L'âge de la locomotive à vapeur a commencé. L'importance de la route Liverpool-Manchester dans ce processus ne peut guère être surestimée - il s'agissait du premier grand projet de construction ferroviaire techniquement correct de l'histoire. De nombreuses découvertes de Stephenson, concernant la construction de remblais, la construction de barrages et de tunnels, la pose de rails et de traverses, etc., devinrent plus tard un modèle pour d'autres ingénieurs. Les changements à grande échelle causés par l'utilisation généralisée des locomotives à vapeur étaient si énormes qu'on peut dire sans exagération - ils ont changé la face du monde. Avant l'invention des chemins de fer, les villes industrielles les plus importantes se trouvaient le long de la côte ou sur des rivières navigables. Les voiliers constituaient le principal moyen de transport. A l'intérieur du pays, le transport des marchandises se faisait par des véhicules hippomobiles, et dans tous les pays les routes étaient en très mauvais état. En l'absence de routes, l'industrie ne pouvait se développer. De nombreux territoires qui possédaient des minerais étaient néanmoins voués à l'inactivité. La transition vers le transport à vapeur a entraîné une augmentation significative de la vitesse de déplacement et du chiffre d'affaires du fret, malgré le fait que le coût du transport a nettement diminué. Les régions les plus reculées furent bientôt reliées par des chemins de fer aux centres industriels, aux ports et aux sources de matières premières, et furent impliquées dans le rythme général de la vie économique. La distance cessa d'être un obstacle et l'industrie reçut une puissante impulsion pour son développement. Auteur : Ryzhov K.V.
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