La constitution des locomotives Diesel modernes

La constitution des locomotives Diesel modernes

par Ch. TOURNEUR

Ch. Tourneur examine ici les caractéristiques essentielles et les performances des machines modernes, en cherchant à dégager ce que pourra être leur évolution au cours des prochaines années. Il limite son étude aux locomotives de lignes et aux locomotives effectuant des man?uvres lourdes, laissant de côté les engins dont la puissance du moteur reste inférieure à 500 CV environ, engins qui font l'objet d'une autre communication.

Un agencement général de la caisse

Les locomotives Diesel se classent, à cet égard, en deux grandes catégories :

  • celles dont l'équipement moteur est abrité dans un ou deux capots, qui n'occupent pas toute la largeur du châssis, la conduite de la machine étant assurée depuis une seule cabine de conduite ;
  • celles qui comportent une caisse à peu près parallélépipédique, dont le compartiment central, qui reçoit l'équipement moteur, est encadré par deux cabines de conduite.

Les locomotives avec un équipement abrité dans un ou deux capots

La première disposition, avec capot et cabine unique, conduit à une réalisation économique, et est généralement adoptée pour toutes les unités de puissance modérée, avec lesquelles il est possible de donner aux capots des dimensions suffisamment réduites pour offrir une bonne visibilité au conducteur dans les deux sens de marche. L'agencement avec deux cabines de conduite s'impose, pour des raisons de visibilité, lorsque la puissance devient importante, ou lorsque, la marche en unité multiple étant fréquente, il y a intérêt à permettre l'intercirculation du personnel d'une unité à l'autre.

Afin de mieux protéger le personnel de conduite en cas de collision, et aussi pour des raisons d'esthétique, les locomotives modernes à deux cabines de conduite comportent généralement, à chaque extrémité, un « nez » de dimensions réduites, que surmonte la cabine de conduite, disposée légèrement en retrait.

Aux Etats-Unis, les locomotives à cabine unique sont très répandues, même pour des puissances dépassant 1500 CV. Dans ce cas, la conduite à deux agents, qui est de règle aux Etats-Unis, s'impose, en raison des grandes dimensions des capots, qui limitent la visibilité.

Lorsque, comme c'est fréquemment le cas aux Etats-Unis, la traction des trains nécessite une puissance importante, on a recours à plusieurs unités fonctionnant en unité multiple ; le plus souvent, l'unité de tête, ou les deux unités extrêmes, sont seules dotées d'une cabine de conduite.

Dans le cas des locomotives à cabine unique et à capot, le châssis concourt seul à la résistance générale ; il doit être particulièrement robuste et, en raison de sa faible hauteur, son poids est relativement élevé.

Les locomotives comportant une caisse parallélépipédique

Dans ces machines du 2ème type, il est généralement possible de faire participer les faces des caisses à la résistance de l'ensemble, et de gagner ainsi du poids.

L'élément lourd de la locomotive est constitué par le ou les groupes électrogènes, qu'il faut soustraire par des liaisons appropriées, aux flexions inévitables du châssis, généralement plus sensibles que dans les machines à essieux parallèles.

Une disposition des organes de roulement, locomotives avec et sans bogies

Les locomotives Diesel ont suivi à cet égard une évolution analogue à celle des locomotives électriques. Alors que les premières locomotives Diesel comportaient des essieux moteurs parallèles, encadrés par des essieux directeurs formant bogies ou bissels, on rencontre surtout, à l'heure actuelle, des unités à deux bogies, généralement du type B-B ou C-C, et, plus rarement, du type A1A-A1A. Cette dernière disposition est adoptée lorsque la charge des essieux doit être limitée, sans que les performances demandées nécessitent l'adhérence totale ; elle facilite la réalisation du bogie.

Les bogies moteurs modernes procurent une excellente tenue de voie, sans exercer sur les rails des réactions excessives ; l'usure des roues est ainsi très réduite, et, en outre, la faculté de pouvoir échanger les bogies à l'occasion des opérations d'entretien est précieuse sur les matériels Diesel, dont les moteurs récents nécessitent des réfections moins fréquentes que les organes de roulement.

Il faut également noter que la locomotive Diesel, en raison de sa puissance massique inférieure à celle des locomotives électriques, utilise des moteurs de traction moins puissants, ce qui conduit à des bogies plus légers ; cependant, la caisse, qui contient le ou les groupes électrogènes, est relativement plus lourde. Ces facteurs sont, dans l'ensemble, favorables à une bonne dynamique de la machine.

Les locomotives à 3 ou 4 essieux

Les locomotives à trois, et, plus rarement, à quatre essieux parallèles, sont encore d'un usage fréquent pour les services à basse vitesse (man?uvres, en particulier), parce que leur construction est économique (bielles d'accouplement) ; en outre, dans le cas des transmissions autres qu'électriques, et pour des locomotives devant développer régulièrement de gros efforts, la commande par bielles et faux-essieu est encore la seule qui ait fait largement ses preuves. Malheureusement, même en faisant usage de dispositifs facilitant l'inscription en courbe et en graissant les boudins, l'usure des essieux est, sur ces locomotives, sensiblement plus accentuée que sur les locomotives à bogies, et les réfections immobilisent l'engin complet ; ces difficultés s'accroissent, bien entendu, avec la charge des essieux.

Les moteurs Diesel et transmissions

Ces organes essentiels étant spécialement traités dans d'autres communications, nous nous bornerons à en dégager les caractères essentiels.

Les moteurs dérivés et rapides

On dispose maintenant de nombreux moteurs spécialement adaptés à la traction ferroviaire. Ils appartiennent à deux classes encore assez distinctes :

  • les moteurs dérivés, à l'origine, des moteurs marins, dont la vitesse est généralement comprise entre 600 et 1000 tr/min, comportant 6 à 16 cylindres de 200 à 324 mm d'alésage, dont la puissance unitaire varie de 600 à 2000 CV, et dont le poids au cheval est de l'ordre de 8 à 10 kg ;
  • les moteurs rapides, tournant généralement à 1500 tr/min, comportant 8 à 12 cylindres de 170 à 210 mm d'alésage, développant 500 à 1000 CV, avec un poids au cheval variant de 3 à 9 kg environ. Quelques unités à 16 cylindres, développant en général 1200 à 1500 CV, commencent à être expérimentées.

La puissance maximum couramment réalisable par locomotive ressort ainsi à 1800/2000 CV, en utilisant un moteur de la première catégorie, ou deux de la deuxième.

Les différents types de transmissions utilisés

En matière de transmissions, c'est la transmission électrique qui est encore, de loin, la plus répandue. Techniquement bien au point, très souple, d'une manoeuvre facile, elle s'adapte bien aux diverses performances qui peuvent être demandées, depuis les manoeuvres jusqu'aux services mixtes de ligne, voyageurs et marchandises, même avec des charges d'essieu importantes. Cependant, elle est relativement lourde et coûteuse, d'autant plus qu'on exige de développer en régime continu la puissance de la locomotive sur une gamme de vitesses étendue. Les progrès restent néanmoins sensibles, et des réductions de poids peuvent être encore escomptées, grâce notamment, à l'emploi de nouveaux isolants.

Pour les locomotives de plus de 500 CV, la transmission purement mécanique - et les transmissions dont l'embrayage est constitué par un coupleur hydraulique, qui sont classées dans cette catégorie - n'est pas d'un usage courant, et n'équipe que quelques prototypes ; citons quelques locomotives B-B Renault de 2 X 400 CV, et la locomotive système Fell des chemins de fer britanniques.

La transmission hydraulique, avec convertisseurs de couple, a fait de grands progrès au cours des dix dernières années, principalement en Allemagne ; elle est réalisée maintenant pour des puissances unitaires atteignant un millier de chevaux environ. Les locomotives dépassant cette puissance comportent deux moteurs et deux transmissions distincts.

Les difficultés de réalisation et d'entretien de ces transmissions résident beaucoup moins dans les organes hydrauliques proprement dits que dans les organes mécaniques, toujours importants, qui accompagnent nécessairement les précédents, notamment pour transmettre la puissance jusqu'aux essieux. Le problème est pratiquement résolu sur les machines lentes, à essieux parallèles moyennement chargés, en utilisant un faux-essieu et des bielles ; dans le cas des locomotives à bogies, il faut faire appel aux ponts moteurs avec arbres à cardans, et des réalisations très intéressantes dans ce domaine sont en service sur les chemins de fer allemands (locomotives BB de 1000 et 2 X 1000 CV). Une expérience prolongée reste cependant à faire en service marchandises lourd, car la construction des ponts moteurs pour essieux chargés (18 à 20 tonnes) travaillant  régulièrement sous couples élevés pose des problèmes délicats, et il faut qu'ils soient pleinement résolus pour que les transmissions hydrauliques ou mécaniques puissent concurrencer la transmission électrique sur les locomotives Diesel puissantes « tous services » ; ce point est important, car, en raison du coût élevé des locomotives Diesel et de leur fréquent emploi sur des lignes à trafic moyennement dense (les lignes très chargées sont justiciables en général de l'électrification), il importe, en général, pour les utiliser intensément, de disposer d'unités non spécialisées, aptes à la traction des trains de toutes natures (voyageurs rapides, et marchandises lourds).

Les services auxiliaires

Les locomotives Diesel comportent d'assez nombreux auxiliaires nécessités par le moteur Diesel lui-même, par la transmission, et par les organes de freinage : radiateurs de refroidissement, appareils pour l'alimentation en combustible, filtres divers, radiateurs de refroidissement des transmissions hydrauliques ou ventilateurs de refroidissement des machines électriques, équipement pour le chauffage des voitures à voyageurs, compresseurs d'air, etc...

A l'origine, dans les locomotives à transmissions électriques, la totalité des services auxiliaires était actionnée par des moteurs électriques individuels, à courant continu, alimentés par la génératrice auxiliaire. Ce mode de commande, qui facilite l'installation des divers organes, est toutefois lourd et onéreux, en raison du prix élevé des moteurs à courant continu, et de l'augmentation importante de puissance qu'ils nécessitent pour la génératrice auxiliaire. Sur de nombreuses locomotives modernes, on utilise donc la commande mécanique directe pour les auxiliaires les plus importants, c'est- à-dire le compresseur d'air, les ventilateurs des radiateurs, et même les ventilateurs des moteurs de traction. Quelques constructeurs ont néanmoins conservé la commande électrique pour les ventilateurs des radiateurs, et certains ont recours au courant alternatif produit par un alternateur entraîné par le moteur Diesel. Cette solution, qui a l'avantage d'utiliser des moteurs robustes et peu onéreux, assure en même temps une certaine régulation de la température de l'eau, la vitesse des ventilateurs étant liée à celle du groupe électrogène. Pour le refroidissement de l'huile de graissage, on abandonne de plus en plus les radiateurs parcourus directement par l'huile, et on utilise, de préférence, des échangeurs eau-huile. La régulation automatique de la température de l'eau de refroidissement, dont la nécessité est maintenant unanimement reconnue, est encore assurée fréquemment par des volets réglables disposés devant les radiateurs, ou par une vanne by-pass court-circuitant la circulation dans le radiateur ; mais on s'oriente plutôt vers une régulation par variation de la vitesse des ventilateurs (progressive, ou par « tout ou rien »), et, pour parfaire la régulation, certaines unités récentes comportent même deux systèmes de refroidissement complètement distincts pour l'eau et pour l'huile. L'emploi de la haute suralimentation, qui oblige à refroidir l'air avant son entrée dans le moteur conduit d'ailleurs à prévoir à cet effet un circuit d'eau spécial, fonctionnant à température réduite.

Les organes de filtration d'air, de combustible et d'huile de graissage

Enfin, nous mentionnerons l'importance donnée maintenant aux organes de filtration d'air, de combustible, et d'huile de graissage. En particulier, pour la circulation dans les zones désertiques sujettes aux vents de sable, des précautions spéciales doivent être prises : adduction d'air préfiltré dans les compartiments moteurs, maintenus en surpression, double filtration de l'air pour le moteur Diesel, etc...

Le chauffage des trains de voyageurs

Le chauffage des trains de voyageurs remorqués par locomotives Diesel constitue un problème difficile, et dont l'incidence sur le prix de revient n'est pas négligeable. Les sources de chaleur dont on dispose, en effet, sur les locomotives Diesel ne sont pas utilisables pour le chauffage des voitures, soit en raison de leur irrégularité (gaz d'échappement), soit en raison de leur température trop basse (eau de refroidissement des moteurs). Force est donc de faire appel à une source spéciale adaptée aux équipements des voitures, c'est-à-dire au chauffage électrique ou au chauffage à la vapeur. Le chauffage électrique est très rarement utilisé, en raison de son prix, car il impose l'installation d'une machine spéciale entraînée par le Diesel principal, ou par un moteur auxiliaire, dont la puissance peut atteindre 20 % environ de celle nécessaire pour la traction. Le chauffage du train est donc presque toujours assuré par une chaudière à vapeur à vaporisation instantanée et à fonctionnement automatique, brûlant du gasoil. Une réserve d'eau de plusieurs m3 doit être prévue à bord de la locomotive, de sorte que l'ensemble de l'équipement de chauffage entraîne un alourdissement non négligeable qui peut atteindre une dizaine de tonnes pour une unité de 1800 CV, compte tenu de l'allongement de caisse rendu nécessaire par la chaudière.

source : Extrait de l'article L'EVOLUTION DE LA LOCOMOTIVE DIESEL par Ch. TOURNEUR, Ingénieur en Chef à la S. N. C. F. apparu dans la Revue Universelle de Mines juillet 55

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