Le sablage. Comment le voulez-vous ? Sec ou à l’eau ?

Toute l’histoire de cette curieuse pratique du sablage aurait commencé sur le réseau américain du Pennsylvania RR en 1836 d’après l’ouvrage « The Guinness railway fact book » de John Marshall, Guinness, Royaume-Uni, paru en 1994. . C’est donc une très ancienne pratique qui, sur le plan mécanique, est assez destructrice parfois. Plutôt considéré comme rude, rustique, peu mécanique, le sablage n’a pas bonne presse chez les ingénieurs et les hommes de la voie. Donner de la sablière passe plutôt pour un expédient à utiliser en cas de manque d’adhérence trop criante. Le sablage ne passe pas pour une technique reconnue et recommandée.

Le problème théorique : augmenter l’adhérence.

Les premiers ingénieurs des chemins de fer établissent tous, chacun dans leur pays et sur leur réseau, que l’adhérence d’une locomotive a des limites inférieures en dessous desquelles il n’y a plus d’effort de traction utilisable.

Dès 1846, un ingénieur français, nommé Crelle, publie un mémoire dans lequel il propose, pour augmenter l’adhérence, que les roues de locomotive soient munies d’une gorge à section conique : il suffirait alors, dans les rampes, d’élargir le rail pour que la roue ne porte plus à plat sur lui, mais porte sur les deux faces inclinées de la gorge qui enserrent le rail. Cette idée est reprise par l’italien Minotto dans son ouvrage « Su i vantaggi del cuneo par accrescere l’aderenza » publié à Turin, en 1852, d’après Charles Couche, l’éminent auteur d’un magistral et volumineux traité ferroviaire publié à la fin du XIXe siècle.

La même idée, intéressante certes, est reprise par W. Bridge Adam, puis Chaplin, deux ingénieurs anglais des années 1860. On devine les difficultés que cette solution aurait engendrées avec des roues à gorge circulant pendant la quasi-totalité de leur existence sur des rails plats classiques, et s’usant exagérément. On comprend que cette solution ait été seulement envisagée, et jamais, à notre connaissance du moins, appliquée concrètement.

L’emploi de systèmes de halage, en revanche, est bien pratiqué dans les cas les plus difficiles, comme de fortes rampes situées au départ d’une gare. Mais il reste le problème quotidien des patinages au démarrage, et dont l’ubiquité sur un réseau fait que l’on ne peut prévoir des installations spéciales un peu partout. Il faut bien transposer la solution du problème sur la locomotive même.

En effet, les manques d’adhérence sont fréquents dans trois cas :

• au démarrage : pour démarrer, il faut que l’effort de traction soit supérieur, et de beaucoup, à la résistance au roulement uniforme du train.
• sur les longues rampes : la locomotive à vapeur est obligée, de par sa nature, de réduire sa vitesse pour augmenter son effort de traction, et son poids adhérent ne suffira plus à compenser les effets bénéfiques de la vitesse acquise du train qui diminuent au fur et à mesure que le train ralentit en s’engageant sur la rampe.
• notamment dans les souterrains : l’humidité permanente qui sature l’air rend le rail glissant.

Le recours au sable : un double bénéfice.

Le sable permet non seulement d’améliorer les performances au démarrage, mais aussi celles du freinage. En effet, dans le chemin de fer, toute action de traction engendre inévitablement son symétrique, le freinage. Les premières lignes à forte rampe, comme celles du Semmering en Autriche, utilisent autant de sable pour une action que pour l’autre, autant pour hisser les trains en rampe que pour retenir les trains en pente. La consommation annuelle sur cette importante ligne au profil sévère atteint 2.000 mètres cubes.

Les trains de banlieue de Londres des années 1860 parcourent un réseau déjà très dense et très développé, et qui demandent des démarrages et des freinages fréquents et énergiques pour les locomotives-tender type 021T, 121T ou autres 022T bien connues et emblématiques de leur temps. Chaque locomotive consomme ainsi 1 500 kg de sable par semaine, et les locomotives du « Metropolitan Railway » inaugurent le système des sablières doubles avec orientation pour chaque sens de marche. Le sable idéal doit être siliceux, dur, exempt d’argile. Les grains doivent être fins, et ne pas dépasser 4 à 8 mm. Si la plupart des réseaux utilisent du sable naturel tamisé, le PLM français est un des premiers à avoir un recours au laitier des hauts fourneaux.

Abondance de biens ne nuit pas, sauf pour le sable.

Le problème majeur est la distribution du sable. L’idéal est une seule couche de grains sur le rail, peu épaisse. Cette couche idéale est obtenue par un écoulement régulier, et à une vitesse régulière de la locomotive. Mais les obstacles à cet écoulement régulier sont nombreux : l’influence des trépidations de la locomotive en roulement, la présence de grains plus gros, d’humidité dans le sable formant des « grumeaux ».

L’écoulement spontané par gravité n’est pas la meilleure des solutions, car elle permet aux grains de former, dans le tube, des agglomérats par simple coinçage des grains les uns contre les autres et contre les parois du tube, formant des voûtes. C’est pourquoi les ingénieurs mettent au point des sablières avec mécanisme de distribution par vis d’Archimède qui, à la fois, force l’écoulement et le régularise, et empêche mécaniquement toute formation d’agglomérats.

D’après Charles Couche dans son traité « Voie, matériel roulant, et exploitation technique des chemins de fer », Tome II, 2^ᵉ fascicule, page 285, le réseau de l’Est semble avoir été le pionnier dans cette pratique avec une vis d’Archimède en fonte moulée tournant dans un tube en laiton. Le mécanicien accepte de fournir l’énergie motrice, et tourne la manivelle placée au sommet de la vis.

Seulement, il y a des limites dans tout ce que l’on peut demander à une équipe de conduite, ne fût-ce que pour des raisons de sécurité. C’est pourquoi l’ingénieur suisse Riggenbach, pour la ligne du « Central Suisse », renonce à demander aux mécaniciens des locomotives de tourner la manivelle quasiment en permanence et sur les 10 km de la rampe de Sissach à Laufelfingen, plus les 6 km de celle de Olten qui lui fait suite, et encore sur les 2,5 km du tunnel de Hauenstein pour faire bon poids, cet exercice incessant étant rendu obligatoire et permanent du fait des raisons climatiques. Riggenbach imagine une sablière automatique puisant son mouvement de rotation sur un essieu moteur de la locomotive et doté d’un embrayage. Mais cette distribution automatique n’est pas satisfaisante, car les besoins en sable ne sont nullement fonction de la vitesse de la locomotive. Riggenbach, comme beaucoup d’ingénieurs du chemin de fer et sur beaucoup de problèmes techniques, est obligé, tout compte fait, de s’en remette au flair, à l’expérience, et à la sagesse des équipes de conduite. Ajoutons que le grand ingénieur suisse est forcé de constater que le mécanisme des locomotives souffre bien d’un excès de sable projeté en tous sens et qui détériore les paliers et les manetons du mouvement de la machine, on s’en doute.

Sec, ou à l’eau, le sablage ?

Contrairement au principe généralement répandu du sablage à sec, le système anglais Lambert utilise l’eau chaude de la chaudière pour véhiculer le sable, sous la forme d’une boue, jusque sur les rails. L’eau est directement injectée dans la sablière et entraîne l’eau par des tubes. L’inventeur précise que, justement, au lieu de lutter vainement contre l’attirance réciproque de l’eau (humidité) et du sable, il vaut mieux l’utiliser pour transporter le sable là où on le veut, et exactement dans la quantité voulue. Il suffit, pour le mécanicien ou le chauffeur, d’ouvrir un robinet sur la devanture de la chaudière pour que le sable soit déposé en une fine couche sur le rail, et y adhère. Le système Lambert donne des sablières immédiatement placées contre les couvre-roues des locomotives, et non sur le dessus du corps cylindrique comme c’est le cas avec les systèmes « secs ». Le système « Lambert » a été très utilisé au Royaume-Uni, et même sur le Nord français sur les 220 Compound et les fameuses Atlantic dont les sablières, sur les couvre-roues, sont caractéristiques du système « Lambert ». Ce système aurait été essayé et même adopté en France sur le PO et l’État, après avoir prouvé une augmentation de l’adhérence de 10 % en service courant, d’après « The locomotive magazine », N° de janvier 1911, page 14.

Non merci, ni sec ni à l’eau, mais à la vapeur.

C’est en 1886, toujours d’après « The locomotive magazine », mais dans le numéro de mai 1933, page 159, que le sablage à la vapeur est utilisé pour la première fois sur le « Midland Railway » britannique, mis au point par Holt et Gresham, l’un étant ingénieur du réseau et l’autre constructeur d’équipements pour locomotives.

La vapeur est engagée dans la sablière et provoque un très fort courant qui entraîne le sable jusqu’aux jantes des roues, près des rails. La grande quantité de vapeur transporte le sable sous forme d’un brouillard, empêche toute obstruction, et permet de doser avec précision la forme du jet et sa puissance. Les fameuses « Single driver » du « Midland Railway », machines à roues libres du type 211, bénéficient les premières de ce système breveté en 1887. Le remplacement de la vapeur par de l’air comprimé permet l’extension du système aux motrices électriques.

Les appareils de voie n’aiment pas le sable.

Le 8 mai 1864, le PLM part en guerre contre l’ensablement « sauvage » des appareils de voie :

« Le sable qui coule des machines sur les changements de voie, peut empêcher les aiguilles de se fermer complètement, soit lorsqu’elles se referment seules après le passage de machines qui les ont prises en talon, soit lorsque l’aiguilleur les abandonne après avoir manœuvré l’excentrique, pour manœuvrer un autre appareil. Pour éviter cet inconvénient, il est interdit aux mécaniciens d’ouvrir le sablier de la machine, ou de le laisser ouvert sur le passage des aiguilles de changement de voie, ou de répandre du sable sur les aiguilles, de quelques manières que ce soit. »

Facile à dire… mais, dans la réalité, les faisceaux d’appareils de voie formant la sortie des grandes gares sont des lieux où abonde l’huile coulant des locomotives en stationnement ou en manœuvres, et le PLM est bien obligé de revoir sa copie, en confiant le travail du sablage aux aiguilleurs qui, pense le PLM, auront beaucoup plus à cœur de ménager leur outil de travail que les « Sénateurs » de la traction qui n’ont que mépris pour les installations fixes :

« Lorsque l’état des rails rend difficile le démarrage des trains, de route ou de manœuvre, et que les machines ne sont pas pourvues de sabliers, les aiguilleurs doivent jeter eux-mêmes du sable sur les rails, devant les machines, à leur passage, sur les changements ou croisements de voie, en évitant avec soin de laisser de gros graviers s’introduire dans les appareils de la voie. Dans ces circonstances, ils doivent s’assurer, après chaque passage de train, que les aiguilles continuent à bien fonctionner. » Effectivement, les cheminots se servaient de graviers placés à la main sur les rails : leur écrasement pouvait tenir lieu de sablage pour des mécaniciens ou des aiguilleurs à l’esprit un peu expéditif.

Les solutions de remplacement.

Il suffit de constater l’existence de sablières sur les matériels les plus récents et les plus performants de la SNCF d’aujourd’hui pour comprendre que les nombreuses solutions de remplacement du sable proposées jadis n’ont jamais eu de suite.

L’adhérence électromagnétique a été une des plus intéressantes. Des essais sont effectués vers 1853 par trois chercheurs du nom de Nicklès, Cassal et Amberger en plaçant une bobine de forme allongée le long de la partie inférieure des roues motrices d’une locomotive, et le plus près possible du rail. Le système fonctionne assez bien, mais les ingénieurs du PLM, où se font les essais, disent que l’on « ne pourrait guère songer à empêtrer la machine, déjà assez compliquée, de tout un attirail de physique : pile, bobine, conducteur, etc. »

La traction électrique est « habillée pour l’hiver » chez les ingénieurs du PLM ! C’est déjà l’expression de l’allergie des ingénieurs de la vapeur à toute présence de l’électricité sur une locomotive, celle-ci pouvant, à la limite, faire tinter les sonnettes des gares et des passages à niveau, mais pas plus…

Les Américains, sans doute d’esprit plus ouvert au progrès, font le même genre d’essais en 1860 sur le réseau du New Jersey. On fait dans le rustique et sans ambages, à l’américaine, mais sans revolver et sans dynamite : on attache vigoureusement la locomotive à un point fixe, régulateur grand ouvert, et on monte la pression dans la chaudière jusqu’à ce que le patinage ait lieu. Puis, on enclenche le système électromagnétique. Les roues cessent de patiner, et il faut augmenter de 40 % la pression pour retrouver le même patinage, si l’on se fie aux chiffres donnés. Mais il faut croire qu’ils étaient peu fiables, ou que le système était trop aléatoire et capricieux, car c’est bien le seul essai de ce genre effectué aux États-Unis, et il n’a jamais été suivi d’une application. Même la traction électrique, où, pourtant, l’électricité ne manque pas, n’adoptera pas un système électromagnétique d’adhérence.

D’autres solutions sont utilisées, comme le système Larmanjat qui consiste à faire rouler la locomotive… à côté des rails en utilisant directement la chaussée empierrée dans laquelle le rail est noyé comme un rail de tramway. La voie proprement dite est réduite à un monorail de guidage (rail plat à gorge), l’ensemble des véhicules du train, locomotive comprise, ayant 3 roues : une sur le rail de guidage, et deux sur la chaussée. Larmanjat démontre qu’une locomotive de 5 tonnes a la même adhérence qu’une locomotive classique de 40 tonnes. Installé entre Montfermeil et Le Raincy, et aussi entre Lisbonne et Torres Vedras au Portugal, le train « Larmanjat » démontre surtout sa propension à ignorer définitivement sa voie, la roue de guidage unique de la locomotive sautant en dehors de la gorge du rail plat au moindre gros caillou qui s’y est logé. Un assistant du mécanicien, posté à l’avant de la locomotive, surveille d’un œil soupçonneux la gorge du rail, et, même, actionne un volant d’orientation de la roue pour améliorer l’inscription en courbe. Notons que Larmanjat fait au moins un disciple : Cottrau, qui propose de remplacer la chaussée par des rails formés de longrines en bois.

On pourrait encore citer les locomotives avec des roues motrices dentées, soient à dents fixes (système « Aveling»), soit mobiles (système « Bray») avec des dents faisant plus ou moins saillie par des trous carrés ménagés dans la jante de la roue : ces dents sont poussées par des tiges reliées à un excentrique que le mécanicien peut positionner à son gré pour obtenir, au niveau du rail, une saillie plus ou moins importante des dents. C’était, en quelque sorte, le soulier de footballeur ou le pneu d’hiver à crampons télécommandés !

Mentionnons enfin la solution proposée par un Écossais du nom de Thomson, d’Édimbourg, qui préconise, un siècle avant les fabricants de trains miniatures actuels, des bandages d’adhérence pour les locomotives réelles, constituées d’un anneau de caoutchouc vulcanisé entourant la jante et épais de 12 centimètres, et assurant non seulement l’adhérence, mais aussi la suspension de la locomotive. Se heurtant déjà aux problèmes que rencontrera Michelin un siècle plus tard, Thomson renonce devant les problèmes d’usure des anneaux, mais aussi de leur glissement par rapport à la roue. Mais Thomson n’a pas perdu son temps, car son système trouvera son application sur les locomotives routières, notamment celle des forges d’Allevard assurant des transports à l’intérieur des emprises de l’usine. En attendant mieux, les TGV utilisent toujours le sablage : rien de nouveau, donc, sous le soleil pour ce qui est des questions d’adhérence roue-rail, mais cette faible adhérence fait toute la force du chemin de fer pour ce qui est des économies d’énergie. Alors : sablons. À votre santé…