東方紅4型內(nèi)燃機車是國鐵集團使用的一種大功率液力傳動內(nèi)燃機車，也是中國鐵路史上研制周期最長的鐵路機車車型，從1964年開始研制到1982年被終止下馬，整個研制過程歷時將近18年，青島四方機車車輛廠、中車戚墅堰機車有限公司、資陽內(nèi)燃機車廠、大連內(nèi)燃機車研究所、戚墅堰機車車輛工藝研究所等均曾經(jīng)參與設(shè)計試制，最終卻因各種原因而未能投入批量生產(chǎn)。
東方紅4型機車最初由四方機車車輛廠設(shè)計試制，并于1969年試制成第一臺原型車，隨后轉(zhuǎn)由戚墅堰機車車輛廠改進設(shè)計，于1971年又試制了第二臺機車。1971年起，戚墅堰、資陽市、四方工廠聯(lián)合設(shè)計，對柴油機、傳動系統(tǒng)、總體布置作出較大改動，于1974年底試制成第三臺機車，并完成了10萬公里運用考核試驗。1975年，資陽內(nèi)燃機車廠接手東方紅4型機車的試制和改進任務(wù)，并再一次對機車總體布置和傳動系統(tǒng)重新設(shè)計，分別于1977年、1979年、1981年各試制了一臺機車。
機車介紹
開發(fā)背景
1960年代至1970年代初是大功率液力傳動內(nèi)燃機車的發(fā)展高峰。為了增加列車牽引重量和提高行車速度，機車單機功率伴隨著技術(shù)發(fā)展而不斷提高。西德、美國、蘇聯(lián)、法國等國家均致力于提高柴油機和液力傳動裝置的功率，并曾經(jīng)設(shè)計制造了十多種4000馬力或以上的液力傳動內(nèi)燃機車。1964年6月，中華人民共和國鐵道部向所屬機車車輛工業(yè)下達了《1964—1965年科學技術(shù)發(fā)展計劃》，同年大連熱力機車研究所開展了大功率液力傳動內(nèi)燃機車用高速柴油機的研究。大連所對當時國內(nèi)外同類型大功率柴油機的發(fā)展趨勢進行了調(diào)查之后，向鐵道部上報了關(guān)于高速柴油機選型和技術(shù)參數(shù)的建議書，提出研制四沖程、水冷式、渦輪增壓、中間冷卻的高速柴油機，氣缸內(nèi)徑200毫米、活塞行程230毫米，近期目標為單缸功率130馬力、額定轉(zhuǎn)速每分鐘1300轉(zhuǎn)，遠期目標為單缸功率190馬力、額定轉(zhuǎn)速每分鐘1500轉(zhuǎn)。該方案隨后交由四方機車車輛廠和中車戚墅堰機車有限公司繼續(xù)進行研究和設(shè)計，為日后出現(xiàn)的16V200系列柴油機打下了基礎(chǔ)。
與此同時，根據(jù)中共中央關(guān)于集中力量進行三線建設(shè)的方針，鐵道部開始將沿海地區(qū)一些重要的鐵路工業(yè)搬遷到西南、西北。1964年9月，鐵道部決定將戚墅堰機車車輛廠的內(nèi)燃機車制造部分，青島四方機車車輛廠的液力傳動和齒輪裝置制造部分、戚墅堰、大連市、天津市、南口四家工廠的柴油機配件制造部分遷往西南，在四川省旺蒼縣建立內(nèi)燃機車生產(chǎn)基地。1965年3月，為了給廣元內(nèi)燃機車廠進行產(chǎn)品選型，鐵道部工廠總局率領(lǐng)廣元內(nèi)燃機車廠籌建處和中車戚墅堰機車有限公司的工程師，前往英國、法國、西德、奧地利等國，就各國的內(nèi)燃機車技術(shù)情況進行考察。1965年8月，鐵道部決定將工廠選址改為資陽縣，建立資陽內(nèi)燃機車廠。1965年12月，國家計委批復《資陽內(nèi)燃機車總廠設(shè)計任務(wù)書》，擬定工廠規(guī)模為年產(chǎn)4000馬力液力傳動內(nèi)燃機車100臺，高速柴油機250臺，液力傳動裝置200套。同月，中國技術(shù)進出口總公司與西德亨舍爾公司簽訂外貿(mào)合同，引進四臺以德國聯(lián)邦鐵路V320型柴油機車為基礎(chǔ)、根據(jù)中國方面訂貨要求而設(shè)計的NY5型內(nèi)燃機車，作為自主研制大馬力液力傳動內(nèi)燃機車的技術(shù)樣板。
四方工廠試制階段
1966年3月，鐵道部放棄引進國外高速柴油機技術(shù)專利的打算，確定將四方機車車輛廠設(shè)計的16V200ZL型柴油機作為資陽內(nèi)燃機車廠的代表產(chǎn)品。1966年底，四方機車車輛廠試制出第一臺缸徑200毫米、行程220毫米、氣缸夾角45°的16V200ZL型柴油機，并開始了漫長的反復試驗和改進工作，對柴油機曲軸、凸輪軸、氣缸蓋、連桿、活塞等主要零部件進行改良。1967年，NY5型內(nèi)燃機車運抵中國，并完成了一系列的性能試驗。1968年夏季，為了消化吸收西德的液力傳動技術(shù)，鐵道部工廠總局安排有關(guān)單位在四方機車車輛廠內(nèi)，對NY5型內(nèi)燃機車所使用的福伊特L830rU型液力傳動裝置和KB510型液力制動器進行測繪學。同年，經(jīng)鐵道部工廠管理總局安排，由青島四方機車車輛廠、中車戚墅堰機車有限公司、大連熱力機車研究所、大連交通大學、上海交通大學等單位組成了大馬力內(nèi)燃機車聯(lián)合設(shè)計組。
1969年9月，為慶祝中華人民共和國二十周年中華人民共和國國慶節(jié)，四方機車車輛廠試制成第一臺東方紅4型內(nèi)燃機車（設(shè)計代號SFJ），該型機車為干線客貨運用的5000馬力（3675千瓦）雙機組液力傳動內(nèi)燃機車，可根據(jù)牽引需要調(diào)節(jié)中間齒輪箱的齒輪傳動比，作為客運機車（最高速度160公里/小時）或貨運機車（最高速度100公里/小時）使用。機車裝用兩臺16V200ZL型高速柴油機，氣缸夾角為45°，小時標定功率為2500馬力，裝車運用功率為2200馬力（1640千瓦），額定轉(zhuǎn)速為每分鐘1500轉(zhuǎn)。機車裝有兩套獨立而又相同的液力傳動系統(tǒng)，由液力變速箱、中間齒輪箱、車軸齒輪箱、萬向軸等部件組成。柴油機的位置靠近車體中部，液力變速箱安裝在兩個轉(zhuǎn)向架外側(cè)車軸上方的主車架上，而中間齒輪箱則安裝在轉(zhuǎn)向架上。液力傳動裝置采用四方機車車輛廠與大連熱力機車研究所聯(lián)合設(shè)計的SF2122型液力變速箱，結(jié)構(gòu)類似于福伊特L218rU型液力傳動裝置（用于德國聯(lián)邦鐵路V320型柴油機車），內(nèi)裝有一個B5-5型起動變扭器、一個B9（B4-6）型運轉(zhuǎn)變扭器、一個CP08型液力偶合器，三個液力元件共用一對齒輪輸出，并設(shè)有液力制動裝置。第一臺東方紅4型機車出廠后經(jīng)過了初步試驗和線路試運行，后因文化大革命而廢棄。
戚墅堰工廠試制階段
四方機車車輛廠的東方紅4型內(nèi)燃機車試制成功后，因考慮到中車戚墅堰機車有限公司是資陽內(nèi)燃機車廠的對口包建單位，鐵道部決定將東方紅4型內(nèi)燃機車的試制和改進任務(wù)轉(zhuǎn)由戚墅堰工廠承擔。1970年，戚墅堰機車車輛廠在16V200ZL型柴油機的基礎(chǔ)上，設(shè)計試制了氣缸尺寸相同但氣缸夾角為70°的16V200ZL-1型柴油機。1971年10月，戚墅堰機車車輛廠試制的第一臺東方紅站4型0001號機車出廠（設(shè)計代號QSJ）。該機車裝用兩臺16V200ZL-1型高速柴油機，小時標定功率為2500馬力，裝車運用功率為2250馬力（1654千瓦），額定轉(zhuǎn)速為每分鐘1500轉(zhuǎn)。主傳動路線與四方工廠制造的第一臺機車基本相同。液力傳動裝置采用中車戚墅堰機車有限公司與大連熱力機車研究所聯(lián)合設(shè)計的QS2025型液力變速箱。由于液力偶合器對于柴油機壽命和傳動性能都有不利影響，因此與四方工廠的SF2122型液力變速箱相比，新的QS2025型液力變速箱取消了液力偶合器，內(nèi)裝有一個QS1型起動變扭器和一個QS2型運轉(zhuǎn)變扭器，通過充排油自動接入或退出工作來完成換檔。東方紅站4型0001號機車出廠后，曾在中國鐵路上海局集團有限公司管內(nèi)進行了線路運行試驗，走行里程達2萬多公里，在京滬鐵路上的最高運行速度達到119～121公里/小時。
1971年3月，根據(jù)交通部內(nèi)燃機車及船用柴油機會戰(zhàn)會議的決定，大連熱力機車研究所、四方機車車輛廠、資陽內(nèi)燃機車廠、戚墅堰機車車輛工藝研究所、蘭州鐵道學院等單位開始對16V200ZL、16V200ZL-1型柴油機進行改進，設(shè)計試制氣缸夾角為45°的16V200ZL-2型柴油機。與前者相比，16V200ZL-2型柴油機采用了經(jīng)重新設(shè)計的曲軸、活塞和機體結(jié)構(gòu)，裝用無錫動力機廠制造的40GP-4型渦輪增壓器，通過改變軸系部件解決了柴油機振動與曲軸扭振問題，并且調(diào)整了燃油和燃燒系統(tǒng)參數(shù)以降低排氣溫度和燃油消耗率。1973年至1974年期間，16V200ZL-2型柴油機先后完成了100小時連續(xù)運轉(zhuǎn)試驗、500小時耐久性試驗和增壓配套試驗。1974年7月，16V200ZL-2型柴油機在交通部技術(shù)鑒定會議上通過部級鑒定，會議討論認為該型柴油機的性能指標基本上達到了設(shè)計要求，可以初步定型。
1974年底，中車戚墅堰機車有限公司完成試制東方紅4型2001號機車（設(shè)計代號QSJ），機車裝用兩臺16V200ZL-2型高速柴油機，小時標定功率為2500馬力，裝車運用功率為2250馬力（1654千瓦），額定轉(zhuǎn)速為每分鐘1500轉(zhuǎn)。機車總體布置及主傳動路線和之前試制的兩臺機車有較大變化，液力變速箱的安裝位置靠近車體中部，而柴油機則安裝在司機室之后，中間齒輪箱安裝在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上。中間齒輪箱內(nèi)有兩對不同傳動比的齒輪，通過調(diào)換齒輪對以滿足客運（最高速度140公里/小時）或貨運（最高速度100公里/小時）需要。柴油機輸出的功率經(jīng)第一萬向軸傳給液力變速箱，然后從液力變速箱輸出的扭矩經(jīng)第二萬向軸、中間支承裝置、第三萬向軸傳入中間齒輪箱，最后從中間齒輪箱經(jīng)過第四、第五、第六萬向軸分別傳給前后三個車軸齒輪箱，這種傳動布置方式與中國向西德訂購的NY5、NY6、NY7型內(nèi)燃機車相同。傳動裝置采用經(jīng)過改良的QS2025型液力變速箱，進一步提高了傳動效率；由于機車最高速度下降，增速齒輪比亦有所改變；變速箱附有液力制動器，最大制動功率為1500馬力。轉(zhuǎn)向架采用箱型斷面焊接構(gòu)架、雙拉桿式軸箱定位裝置、二點式平面摩擦旁承支承裝置、低位牽引拉桿裝置、獨立作用式單側(cè)閘瓦制動裝置。
東方紅4型2001號機車出廠后，隨即開始進行10萬公里運用考核，首先在上海鐵路局管內(nèi)的滬杭鐵路、滬寧鐵路、蕭甬鐵路、浙贛鐵路等投入線路運行試驗，并完成了機車振動試驗，牽引性能試驗和機車噪音測量，至1976年轉(zhuǎn)往中國鐵路北京局集團有限公司靈丘機務(wù)段，與NY7型內(nèi)燃機車一同在京原鐵路進行貨物列車牽引試驗。東方紅站4型機車在平道上牽引3970噸的貨物列車時，最大平衡速度可達85公里/小時；在牽引定數(shù)1500噸、12‰長大坡道的情況下，平衡速度只比5000馬力的NY7型機車低5公里/小時。2001號機車完成10萬公里考核之后回廠進行了拆檢，拆檢結(jié)果表明機車各項指標都達到了設(shè)計要求。
資陽市工廠試制階段
1971年，隨著資陽內(nèi)燃機車廠逐步建成投產(chǎn)，交通部決定先讓其試制東方紅2型液力傳動調(diào)車機車，為以后試制東方紅4型內(nèi)燃機車累積經(jīng)驗。1975年初，根據(jù)鐵道部決定，東方紅4型機車的試制和改進任務(wù)交由資陽內(nèi)燃機車廠繼續(xù)進行，中車戚墅堰機車有限公司將該型機車的全部技術(shù)資料轉(zhuǎn)交資陽內(nèi)燃機車廠。1975年至1976年，資陽內(nèi)燃機車廠在大連內(nèi)燃機車研究所和西南交通大學等的協(xié)助下，對東方紅4型機車的總體布置和傳動系統(tǒng)重新設(shè)計，同時對16V200ZL-2型柴油機進行局部修改，并按照國家標準規(guī)定將型號變更為16V200Z型。1977年7月，資陽內(nèi)燃機車廠先后成功試制首臺16V200Z型柴油機和首臺ZJ2122型液力傳動裝置。同年9月29日，資陽內(nèi)燃機車廠試制的東方紅4型0002號機車正式出廠。1979年和1981年，資陽內(nèi)燃機車廠又先后試制了東方紅4型0003號、0004號兩臺機車。
資陽工廠試制的東方紅4型機車與之前幾臺機車相比，大幅度改變了機車總體布置和液力傳動系統(tǒng)。戚墅堰工廠試制的2001號機車采用帶有中間齒輪箱的主傳動系統(tǒng)，中間支承裝置與中間齒輪箱之間的萬向軸是空間萬向軸,其中點也處于轉(zhuǎn)向架回轉(zhuǎn)中心的上方，使機車通過曲線時萬向軸的工作條件較為良好，但這種布置方式的缺點是結(jié)構(gòu)較復雜、傳動元件較多、成本和重量較大，每套傳動系統(tǒng)需要六根萬向軸、一個中間支承、一個中間齒輪箱，東方紅4型2001號機車制成后發(fā)現(xiàn)超重較多，機車實際總重達到150噸。因此，為了達到機車軸重在23噸以下的設(shè)計目標，資陽工廠的東方紅4型機車采用了無中間齒輪箱的主傳動系統(tǒng)，柴油機的安裝位置靠近車體中部，液力變速箱緊靠司機室并安裝在主車架上，柴油機輸出的扭矩經(jīng)第一萬向軸輸入液力變速箱，扭矩經(jīng)過轉(zhuǎn)換后從液力變速箱下部兩端輸出，經(jīng)第二、第三、第四萬向軸直接驅(qū)動車軸齒輪箱，采用這種布置方式的傳動系統(tǒng)只需四根萬向軸。
機車裝用兩臺16V200Z型高速柴油機，與戚墅堰工廠的16V200ZJ-2型柴油機相比，16V200Z型柴油機采用資陽廠制造的45GP803B型渦輪增壓器，曲軸主軸頸直徑從160毫米加大到165毫米，調(diào)速器由帶節(jié)流阻尼裝置的液壓調(diào)速器改為資陽廠自制的液壓機械式調(diào)速器，主軸瓦和活塞的制造工藝亦有變化。柴油機小時標定功率為2500馬力，裝車運用功率為2250馬力（1654千瓦），額定轉(zhuǎn)速為每分鐘1500轉(zhuǎn)。機車裝用資陽工廠制造的ZJ2022型液力變速箱，內(nèi)裝有一個B46型起動變扭器和一個B85型運轉(zhuǎn)變扭器，并設(shè)有Z510型液力制動器。由于取消了可改變齒輪比的中間齒輪箱，東方紅4型0002～0004號機車只能作為貨運機車，最高速度定為100公里/小時。
1977年11月，東方紅4型0002號機車開始進行10萬公里運用考核，在成都市鐵路局西昌市鐵路分局和成都鐵路分局管內(nèi)進行正線牽引試驗，試驗區(qū)間包括成昆鐵路西昌至金江、西昌至普雄鎮(zhèn)、成渝鐵路資陽市至資中縣、資陽至成都等地。1978年6月至7月，東方紅站4型0002號機車完成了粘著性能試驗。1978年11月，0002號機車轉(zhuǎn)往中國鐵路北京局集團有限公司豐臺機務(wù)段，在京原鐵路豐臺西至靈丘縣、豐沙鐵路豐臺至沙城鎮(zhèn)區(qū)間繼續(xù)進行試驗，直到1980年8月因車軸齒輪箱故障而返廠為止，結(jié)束了歷時兩年零九個月的試運行，期間累計走行99009公里，最終仍未能完成10萬公里運用考核。0003號機車于1979年12月到達豐臺機務(wù)段并開始試驗，至1980年12月因柴油機故障而返廠。1981年5月，資陽內(nèi)燃機車廠制造的三臺東方紅4型機車在貴陽市鐵路分局遵義機務(wù)段投入運用，擔當川黔鐵路遵義至貴陽南間的貨物列車牽引任務(wù)，其中兩臺機車一直在遵義機務(wù)段運用至1988年。在川黔鐵路上一臺東方紅站4型機車可以頂替兩臺東風型內(nèi)燃機車，能夠牽引1050噸以27公里/小時通過20‰長大坡道，燃油消耗率約為62公斤/萬噸公里，比雙機重聯(lián)的東風型機車低10～14%；但由于機車粘著重量比雙機重聯(lián)的東風型機車輕114噸，當牽引列車在坡道起動時也較容易發(fā)生空轉(zhuǎn)。
東方紅4型機車的試驗過程一波三折，主要原因是柴油機可靠性問題。東方紅4型機車在成昆鐵路和京原鐵路等地試運行時，多次發(fā)生因柴油機故障而機破停車的狀況，機務(wù)部門對該型機車的印象亦不甚理想。除此之外，東方紅4型機車所使用的預燃室式高速柴油機，燃油及機油消耗率高、零部件磨損大壽命短等問題始終未能得到妥善解決。相較之下，北京型內(nèi)燃機車和東風4型內(nèi)燃機車所使用的12V240ZJ型、16V240ZJ型中速柴油機，經(jīng)歷多年改良之后可靠性已有大幅提高，各項性能指標也接近世界先進水平。同時，隨著電傳動內(nèi)燃機車的技術(shù)進步，雙機組大功率液力傳動內(nèi)燃機車大勢已去。1982年7月，面對當時國鐵集團運能緊張及內(nèi)燃機車產(chǎn)能不足的形勢，鐵道部向資陽內(nèi)燃機車廠下達指示，要求停止東方紅4型機車和16V200Z型柴油機的試制試驗，并準備轉(zhuǎn)產(chǎn)東風4型內(nèi)燃機車，結(jié)束了長期以來關(guān)于大功率內(nèi)燃機車發(fā)展電傳動或液力傳動的爭論。
技術(shù)數(shù)據(jù)
參考資料 >