Chemin de fer à crémaillère - Rack railway

Locomotive 7 du Vitznau-Rigi-Bahn , l'une des dernières locomotives opérationnelles avec une chaudière verticale
Fonctionnement de la crémaillère sur le système Strub
Extrémité de la crémaillère de la voie ferrée Saline-Volterra, construite avec le système Strub

Un chemin de fer à crémaillère (également à crémaillère et pignon chemin de fer , chemin de fer à crémaillère , ou chemin de fer à crémaillère ) est un chemin de fer de qualité raide avec une denture crémaillère , habituellement entre le fonctionnement des rails . Les trains sont équipés d'une ou plusieurs roues dentées ou pignons qui engrènent avec ce rail à crémaillère. Cela permet aux trains de circuler sur des pentes raides supérieures à 10 %, ce qui est le maximum pour les rails à friction . La plupart des chemins de fer à crémaillère sont des chemins de fer de montagne , bien que quelques-uns soient des chemins de fer de transit ou des tramways construits pour surmonter une forte pente dans un environnement urbain .

Le premier chemin de fer à crémaillère était le Middleton Railway entre Middleton et Leeds dans le West Yorkshire , Angleterre, Royaume-Uni , où la première locomotive à vapeur à succès commercial , Salamanca , a fonctionné en 1812. Cela utilisait un système à crémaillère conçu et breveté en 1811 par John Blenkinsop .

Le premier chemin de fer à crémaillère de montagne était le Mount Washington Cog Railway dans l' État américain du New Hampshire , qui a transporté ses premiers passagers payants en 1868. La voie a été achevée pour atteindre le sommet du mont Washington en 1869. Le premier chemin de fer à crémaillère de montagne en L'Europe continentale était le Vitznau-Rigi-Bahn sur le mont Rigi en Suisse , qui a ouvert ses portes en 1871. Les deux lignes fonctionnent toujours.

Systèmes de racks

Différents systèmes de racks : à partir de la gauche,
Riggenbach , Strub , Abt et Locher .

Un certain nombre de systèmes de rack différents ont été développés. À l'exception de certaines premières installations de rack Morgan et Blenkinsop , les systèmes de rack placent le rail de rack à mi-chemin entre les rails de roulement. Aujourd'hui, la plupart des chemins de fer à crémaillère utilisent le système Abt .

Blenkinsop (1812)

Crémaillère Blenkinsop avec dents sur le côté extérieur d'un seul rail

John Blenkinsop pensait que le frottement serait trop faible des roues métalliques sur des rails métalliques, donc il a construit ses locomotives à vapeur pour le chemin de fer Middleton en 1812 avec une 20- dent roue dentée de diamètre, 3 pieds (914 mm) (pignon) sur la côté gauche qui s'engageait dans des dents de crémaillère (deux dents par pied) sur le côté extérieur du rail, le rail de bord en métal « poisson » avec sa crémaillère latérale étant coulée d'un seul tenant, en trois pieds (un mètre ; neuf- longueurs de cent quatorze millimètres). Le système de Blenkinsop est resté utilisé pendant 25 ans sur le chemin de fer de Middleton, mais il est devenu une curiosité car une simple friction s'est avérée suffisante pour les chemins de fer opérant sur un terrain plat.

Marais (1861)

Le système à crémaillère Marsh

Le premier chemin de fer à crémaillère réussi aux États-Unis était le Mount Washington Cog Railway, développé par Sylvester Marsh . Marsh a obtenu un brevet américain pour l'idée générale d'un chemin de fer à crémaillère en septembre 1861, et en janvier 1867 pour une crémaillère pratique où les dents de la crémaillère prennent la forme de rouleaux disposés comme les barreaux d'une échelle entre deux fer forgé en forme de L. des rails. Le premier essai public du rack Marsh sur le mont Washington a eu lieu le 29 août 1866, alors que seulement un quart de mile (402 mètres) de voie avait été achevé. Le chemin de fer du mont Washington a été ouvert au public le 14 août 1868. Les pignons des locomotives ont des dents profondes qui garantissent qu'au moins deux dents sont en prise avec la crémaillère à tout moment ; cette mesure permet de réduire la possibilité que les pignons montent et sortent de la crémaillère.

Tombé (années 1860)

Le système de chemin de fer de montagne de Fell, développé dans les années 1860, n'est pas à proprement parler un chemin de fer à crémaillère, car il n'y a pas de rouages ​​à dents. Au lieu de cela, ce système utilise un rail central surélevé lisse entre les deux rails de roulement sur des sections de lignes abruptes qui est saisi des deux côtés pour améliorer la friction. Les trains sont propulsés par des roues ou freinés par des patins pressés horizontalement sur le rail central, ainsi qu'au moyen des roues de roulement normales.

Riggenbach (1871)

Le système de rayonnage Riggenbach

Le système de rack Riggenbach a été inventé par Niklaus Riggenbach travaillant à peu près en même temps que Marsh, mais indépendamment de Marsh. Riggenbach a obtenu un brevet français en 1863 sur la base d'un modèle de travail qu'il a utilisé pour intéresser les potentiels bailleurs de fonds suisses. Pendant ce temps, le consul de Suisse aux États-Unis a visité le chemin de fer à crémaillère du mont Washington de Marsh et a fait rapport avec enthousiasme au gouvernement suisse. Désireux de stimuler le tourisme en Suisse, le gouvernement a chargé Riggenbach de construire un chemin de fer à crémaillère jusqu'au mont Rigi . Après la construction d'un prototype de locomotive et d'une piste d'essai dans une carrière près de Berne , la Vitznau-Rigi-Bahn a ouvert ses portes le 22 mai 1871.

Le système Riggenbach est de conception similaire au système Marsh. Il utilise un porte-échelle, formé de plaques ou de canaux d' acier reliés par des tiges rondes ou carrées à intervalles réguliers. Le système Riggenbach souffre du problème que son rack à échelle fixe est plus complexe et coûteux à construire que les autres systèmes.

Suite au succès de la Vitznau-Rigi-Bahn , Riggenbach a créé la Maschinenfabrik der Internationalen Gesellschaft für Bergbahnen (IGB) - une entreprise qui a produit des locomotives à crémaillère à sa conception.

Abt (1882)

Système de rack Abt
Système de crémaillère Abt utilisé sur le Snowdon Mountain Railway .
Section de transition de traction

Le système Abt a été conçu par Carl Roman Abt , un ingénieur de locomotive suisse . Abt a travaillé pour Riggenbach dans son usine d' Olten et plus tard dans son entreprise de locomotives à crémaillère IGB. En 1885, il fonde sa propre entreprise de génie civil.

Au début des années 1880, Abt a travaillé à la conception d'un système de rack amélioré qui surmontait les limites du système Riggenbach. En particulier, le rack Riggenbach était coûteux à fabriquer et à entretenir et les commutateurs étaient complexes. En 1882, Abt a conçu une nouvelle crémaillère utilisant des barres pleines avec des dents verticales usinées. Deux ou trois de ces barres sont montées au centre entre les rails, avec les dents décalées. L'utilisation de plusieurs barres à dents décalées garantit que les pignons des roues motrices de la locomotive sont constamment en prise avec la crémaillère. Le système Abt est moins cher à construire que le Riggenbach car il nécessite un poids de rack inférieur sur une longueur donnée. Cependant, le système Riggenbach présente une plus grande résistance à l'usure que l'Abt.

Abt a également développé un système pour faciliter la transition de la friction à la traction de la crémaillère, en utilisant une section de crémaillère montée sur ressort pour amener progressivement les dents du pignon en prise.

La première utilisation du système Abt a eu lieu sur la Harzbahn en Allemagne, qui a ouvert ses portes en 1885. Le système Abt a également été utilisé pour la construction du Snowdon Mountain Railway au Pays de Galles de 1894 à 1896.

Les roues à pignons peuvent être montées sur le même axe que les roues à rail ou entraînées séparément. Les locomotives à vapeur de la Mount Lyell Mining and Railway Company avaient des cylindres séparés entraînant le pignon, tout comme les locomotives de classe "X" du Nilgiri Mountain Railway .


Strub (1896)

Le système de crémaillère Strub a été inventé par Emil Strub en 1896. Il utilise un rail à fond plat roulé avec des dents de crémaillère usinées dans la tête à environ 100 mm (3,9 pouces) de distance. Les mâchoires de sécurité montées sur la locomotive s'engagent avec le dessous de la tête pour empêcher les déraillements et servent de frein. Le brevet américain de Strub, délivré en 1898, comprend également des détails sur la façon dont le rail de crémaillère est intégré au mécanisme d'un aiguillage .

L'utilisation la plus connue du système Strub est sur la Jungfraubahn en Suisse. Le 7+Une / 4  en(184 mm)calibreBeamish Cog Railwayaumusée Beamishest le seul chemin de fercrémaillère en Angleterre. Il a un viaduc de 150 pieds (46 m) de long et monte à unepentemaximalede 1 sur 8 ou 12,5 % de montée.

Strub est le système de rack le plus simple à entretenir et est devenu de plus en plus populaire.


Locher (1889)

Système de crémaillère Locher
Système Locher Rack (vu du dessus)

Le système de crémaillère Locher, inventé par Eduard Locher , a des dents d' engrenage coupées sur les côtés plutôt que sur le dessus du rail, engagées par deux roues dentées sur la locomotive. Ce système permet une utilisation sur des pentes plus raides que les autres systèmes, dont les dents pourraient sauter hors de la crémaillère. Il est utilisé sur le chemin de fer Pilatus .

Locher a entrepris de concevoir un système de rack qui pourrait être utilisé sur des pentes aussi raides que 1 sur 2 (50 %). Le système Abt — le système de crémaillère le plus répandu en Suisse à l'époque — était limité à une pente maximale de 1 sur 4 (25 %). Locher a montré que sur une pente plus raide, le système Abt était sujet à ce que le pignon d'entraînement dépasse la crémaillère, provoquant des déraillements potentiellement catastrophiques, comme l'avait prédit le Dr Abt. Pour surmonter ce problème et permettre à une crémaillère d'aligner les pentes abruptes du mont Pilate , Locher a développé un système de crémaillère où la crémaillère est une barre plate avec des dents horizontales symétriques. Des pignons horizontaux avec des brides sous la crémaillère engagent la barre montée au centre, entraînant à la fois la locomotive et la maintenant centrée sur la voie.

Ce système offre une fixation très stable à la piste, protégeant également la voiture contre le basculement même sous les vents de travers les plus violents. De tels engrenages sont également capables de conduire la voiture, de sorte que même les brides sur les roues de roulement sont facultatives. Le plus gros inconvénient du système est que l' aiguillage standard n'est pas utilisable et qu'une table de transfert ou un autre dispositif complexe doit être utilisé lorsqu'un embranchement de la voie est nécessaire.

Après des tests, le système Locher a été déployé sur le chemin de fer Pilatus, qui a ouvert ses portes en 1889. Aucun autre chemin de fer public n'utilise le système Locher, bien que certaines mines de charbon européennes utilisent un système similaire sur des lignes souterraines à forte pente.

Morgan (1900)

La variante non motorisée du rack Morgan, du catalogue Goodman de 1919
Une locomotive Goodman à crémaillère sur une pente de 16% dans une mine de charbon près d' Everist, Iowa .

En 1900, EC Morgan de Chicago a reçu un brevet sur un système de chemin de fer à crémaillère qui était mécaniquement similaire à la crémaillère Riggenbach, mais où la crémaillère était également utilisée comme troisième rail pour alimenter la locomotive électrique. Morgan a continué à développer des locomotives plus lourdes et avec JH Morgan, des aiguillages pour ce système. En 1904, il fit breveter une crémaillère simplifiée mais compatible, où les dents des pignons du moteur engageaient des trous carrés percés dans un rail central en forme de barre. JH Morgan a breveté plusieurs conceptions alternatives d'aiguillages à utiliser avec ce système de rack. Curieusement, Morgan a recommandé un rack décentré afin de permettre un passage libre pour les piétons et les animaux marchant le long des voies. Certaines photos des premières installations de Morgan le montrent. Un système de montage de rack simplifié pouvait être utilisé lorsque le rack Morgan n'était pas utilisé pour l'alimentation du troisième rail et que le rack Morgan offrait des possibilités intéressantes pour les tramways. Le rack Morgan était bon pour des notes allant jusqu'à 16 pour cent .

L'équipement Goodman Company a commencé à commercialiser le système Morgan pour les chemins de fer de la mine , et il a vu l' utilisation répandue, en particulier lorsque abrupts classes ont été rencontrées sous terre. En 1907, Goodman avait des bureaux à Cardiff, au Pays de Galles , pour desservir le marché britannique. Entre 1903 et 1909, la société McKell Coal and Coke dans le comté de Raleigh, en Virginie-Occidentale, a installé 35 000 pieds (10 700 m) de rail à crémaillère/troisième rail Morgan dans ses mines. Entre 1905 et 1906, la Mammoth Vein Coal Company a installé 2 500 m de rack motorisé dans deux de ses mines à Everist, Iowa , avec une teneur maximale de 16 %. La Donohoe Coke Co. de Greenwald, en Pennsylvanie, avait 10 000 pieds (3 050 m) de rack Goodman dans sa mine en 1906. Le système Morgan a été utilisé de manière limitée sur un chemin de fer de transport public aux États-Unis, la Chicago Tunnel Company , une entreprise de fret à voie étroite. transporteur qui avait une pente raide dans la ligne jusqu'à leur station d'élimination en surface sur le bord du lac de Chicago .

Lamelle

Joint entre Riggenbach et Lamella

Le système Lamella (également connu sous le nom de système Von Roll) a été développé par la société Von Roll après que les rails en acier laminé utilisés dans le système Strub sont devenus indisponibles. Il est formé d'une seule lame coupée dans une forme similaire au système Abt, mais généralement plus large qu'une seule barre Abt. Le rack Lamella peut être utilisé par les locomotives conçues pour être utilisées sur les systèmes Riggenbach ou Strub, tant que les mâchoires de sécurité qui étaient une caractéristique du système Strub d'origine ne sont pas utilisées. Certains chemins de fer utilisent des racks de plusieurs systèmes ; par exemple, le chemin de fer St. Gallen Gais Appenzell en Suisse a des sections de crémaillère Riggenbach, Strub et Lamella.

La plupart des chemins de fer à crémaillère construits à partir de la fin du 20e siècle ont utilisé le système Lamella.

Systèmes à crémaillère / Systèmes à crémaillère purs

Les systèmes à crémaillère et à adhérence utilisent l'entraînement à crémaillère uniquement sur les sections les plus raides et fonctionnent ailleurs comme un chemin de fer ordinaire. D'autres, les plus raides, sont uniquement en rack. Sur ce dernier type, les roues des locomotives sont généralement en roue libre et malgré les apparences ne contribuent pas à la conduite du train. Dans ce cas, les crémaillères continuent également dans les parties horizontales, le cas échéant.

Commutateurs

Commutateur de chemin de fer sur un chemin de fer à crémaillère. L'aiguillage utilise des rails à crémaillère Lamella, mais la conception globale a été lancée par Strub. La voie à l'extérieur de l'aiguillage utilise des rails à crémaillère Riggenbach. ( Chemin de fer Schynige Platte , Suisse )
Opérateurs de chemin de fer à crémaillère du mont Washington, 2000
Un aiguillage hydraulique automatique du chemin de fer à crémaillère du mont Washington

Les aiguillages de chemin de fer à crémaillère sont aussi variés que les technologies de chemin de fer à crémaillère, pour les lignes à crémaillère en option telles que le Zentralbahn en Suisse et le West Coast Wilderness Railway en Tasmanie, il est pratique de n'utiliser des aiguillages que sur des sections suffisamment plates pour l'adhérence (par exemple, sur un sommet de col ). D'autres systèmes qui reposent sur la crémaillère pour la conduite (avec les roues de rail conventionnelles non entraînées) tels que le Dolderbahn à Zurich , Štrbské Pleso en Slovaquie et le chemin de fer à crémaillère Schynige Platte doivent à la place changer le rail à crémaillère. L'aiguillage de Dolderbahn fonctionne en pliant les trois rails, une opération qui est effectuée à chaque voyage lorsque les deux trains passent au milieu.

La géométrie du système de crémaillère a un impact important sur la construction des aiguillages. Si la crémaillère est élevée au-dessus des rails de roulement, il n'est pas nécessaire d'interrompre les rails de roulement pour permettre le passage des pignons moteurs des moteurs. Strub a explicitement documenté cela dans son brevet américain. Strub a utilisé un ensemble complexe de manivelles et de tiges de poussée reliant la tige de lancement pour les points aux deux tiges de lancement pour les sections de crémaillère mobiles. Une pause dans le rack était nécessaire pour choisir entre les deux itinéraires, et une seconde pause était nécessaire là où les rails du rack croisent les rails de roulement. Les aiguillages pour le système Morgan Rack étaient similaires, avec le rack surélevé au-dessus des rails de roulement. La plupart des brevets d'aiguillage Morgan comprenaient des sections de crémaillère mobiles pour éviter les ruptures dans la crémaillère, mais comme toutes les locomotives Morgan avaient deux pignons d'entraînement liés, il n'y avait pas besoin d'une crémaillère continue. Tant que les ruptures de la crémaillère étaient plus courtes que la distance entre les pignons d'entraînement de la locomotive, la crémaillère pouvait être interrompue partout où il était nécessaire de traverser un rail de roulement.

Les aiguillages sont beaucoup plus complexes lorsque le rack est au niveau ou en dessous du niveau des rails de roulement. Le premier brevet à crémaillère de Marsh montre un tel arrangement, et le chemin de fer à crémaillère original du mont Washington qu'il a construit n'avait pas d'aiguillage. Ce n'est qu'en 1941 qu'un aiguillage a été construit sur cette ligne. Il y avait plus d'aiguillages construits pour la ligne, mais tous étaient actionnés à la main. En 2003, un nouvel aiguillage hydraulique automatique a été développé et construit à la base en tant que prototype. Avec le succès du nouvel aiguillage, de nouveaux aiguillages hydrauliques automatiques ont été construits pour remplacer ceux actionnés manuellement. Les nouveaux aiguillages installés sur la ligne du mont Washington en 2007 sont essentiellement des tables de transfert . Le rack Locher nécessite également des tables de transfert.

Locomotives à crémaillère

Locomotive à chaudière verticale du chemin de fer Vitznau-Rigi
"Old Peppersass" du Mt. Washington Cog Railway, États-Unis
Locomotive à vapeur à crémaillère Schneeberg , avec chaudière inclinée, sur voie de niveau
Locomotive et chariot à crémaillère électrique Rittnerbahn au début

À l'origine, presque tous les chemins de fer à crémaillère étaient propulsés par des locomotives à vapeur . La locomotive à vapeur doit être considérablement modifiée pour fonctionner efficacement dans cet environnement. Contrairement à une locomotive Diesel ou une locomotive électrique , la locomotive à vapeur ne fonctionne que lorsque son groupe motopropulseur (la chaudière, dans ce cas) est assez plat. La chaudière de la locomotive a besoin d'eau pour couvrir les tubes de la chaudière et les tôles de la chambre de combustion en tout temps, en particulier la tôle de couronne , le dessus métallique de la chambre de combustion. Si celui-ci n'est pas recouvert d'eau, la chaleur du feu le ramollira suffisamment pour céder sous la pression de la chaudière, entraînant une panne catastrophique.

Sur les systèmes à crémaillère avec des pentes extrêmes, la chaudière, la cabine et la superstructure générale de la locomotive sont inclinées vers l'avant par rapport aux roues de sorte qu'elles soient plus ou moins horizontales lorsqu'elles sont sur la voie à forte pente. Ces locomotives ne peuvent souvent pas fonctionner sur une voie de niveau, et donc toute la ligne, y compris les ateliers de maintenance, doit être posée sur une pente. C'est l'une des raisons pour lesquelles les chemins de fer à crémaillère ont été parmi les premiers à être électrifiés et la plupart des chemins de fer à crémaillère d'aujourd'hui sont alimentés à l'électricité. Dans certains cas, on peut utiliser une chaudière verticale moins sensible à la pente de la voie.

Sur un chemin de fer à crémaillère uniquement, les locomotives sont toujours en bas de leurs voitures voyageurs pour des raisons de sécurité : la locomotive est équipée de freins puissants, comprenant souvent des crochets ou des pinces qui agrippent solidement le rail à crémaillère. Certaines locomotives sont équipées de freins automatiques qui s'appliquent si la vitesse devient trop élevée, empêchant ainsi les emballements. Souvent, il n'y a pas d'attelage entre la locomotive et le train car la gravité poussera toujours la voiture vers le bas contre la locomotive. Les véhicules électriques sont également souvent équipés de freins électromagnétiques.

La vitesse maximale des trains circulant sur un chemin de fer à crémaillère est très faible, généralement de 9 à 25 kilomètres par heure (5,6 à 15,5 mph) selon la pente et la méthode de propulsion. Parce que le Skitube a des pentes plus douces que la normale, ses vitesses sont plus élevées que la normale.

Les chemins de fer à crémaillère dans la fiction

Le Culdee Fell Railway est un chemin de fer à crémaillère fictif sur l' île de Sodor dans The Railway Series par le révérend W. Awdry . Son fonctionnement, ses locomotives et son histoire sont basés sur ceux du Snowdon Mountain Railway . Il est présenté dans le livre Mountain Engines .

Voir également

Les références

Liens externes