東方紅 4 型柴油機車

東方紅 4 型柴油機車是中國鐵路使用的一種大功率液力傳動柴油機車，也是中國鐵路史上研製週期最長的鐵路機車車型，從 1964 年開始研製到 1982 年被終止下馬，整個研製過程歷時將近 18 年，青島四方機車車輛廠、戚墅堰機車車輛廠、資陽內燃機車廠、大連內燃機車研究所、戚墅堰機車車輛工藝研究所等均曾經參與設計試製，最終卻因各種原因而未能投入批次生產。

東方紅 4 型機車最初由四方機車車輛廠設計試製，並於 1969 年試製成第一臺原型車，隨後轉由戚墅堰機車車輛廠改進設計，於 1971 年又試製了第二臺機車。1971 年起，戚墅堰、資陽、四方工廠聯合設計，對柴油機、傳動系統、總體佈置作出較大改動，於 1974 年底試製成第三臺機車，並完成了 10 萬公里運用考核試驗。1975 年，資陽內燃機車廠接手東方紅 4 型機車的試製和改進任務，並再一次對機車總體佈置和傳動系統重新設計，分別於 1977 年、1979 年、1981 年各試製了一臺機車。

歷史

1.1 開發背景

1960 年代至 1970 年代初是大功率液力傳動柴油機車的發展高峰。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發展而不斷提高。西德、美國、蘇聯、法國等國家均致力於提高柴油機和液力傳動裝置的功率，並曾經設計製造了十多種 4000 馬力或以上的液力傳動柴油機車。1962 年，中華人民共和國鐵道部確定了動力改革 “內燃、電力機車並重，以內燃為主” 的方針，在發展內燃機車方面確定了 “高速柴油機和中速柴油機並舉，電力傳動和液力傳動並舉” 的方針，並確定以大連、四方、戚墅堰三個工廠為主力，加強內燃機車的試製工作。1963 年 8 月，經國務院批准成立了 “國家大功率牽引動力內燃化、電氣化領導小組 “。1964 年 6 月，鐵道部向所屬機車車輛工業下達了《1964—1965 年科學技術發展計劃》，同年大連熱力機車研究所開展了大功率液力傳動柴油機車用高速柴油機的研究。大連所對當時國內外同類型大功率柴油機的發展趨勢進行了調查之後，向鐵道部上報了關於高速柴油機選型和技術引數的建議書，提出研製四衝程、水冷式、渦輪增壓、中間冷卻的高速柴油機，氣缸內徑 200 毫米、活塞行程 230 毫米，近期目標為單缸功率 130 馬力、額定轉速每分鐘 1300 轉，遠期目標為單缸功率 190 馬力、額定轉速每分鐘 1500 轉。該方案隨後交由四方機車車輛廠和戚墅堰機車車輛廠繼續進行研究和設計，為日後出現的 16V200 系列柴油機打下了基礎。

與此同時，根據中共中央關於集中力量進行三線建設的方針，鐵道部開始將沿海地區一些重要的鐵路工業搬遷到西南、西北地區。1964 年 9 月，鐵道部決定將戚墅堰機車車輛廠的內燃機車製造部分，青島四方機車車輛廠的液力傳動和齒輪裝置製造部分、戚墅堰、大連、天津、南口四家工廠的柴油機配件製造部分遷往西南，在四川省廣元縣建立內燃機車生產基地。1965 年 3 月，為了給廣元內燃機車廠進行產品選型，鐵道部工廠總局率領廣元內燃機車廠籌建處和戚墅堰機車車輛廠的工程師，前往英國、法國、西德、奧地利等國，就各國的柴油機車技術情況進行考察。1965 年 8 月，鐵道部決定將工廠選址改為資陽縣，建立資陽內燃機車廠。1965 年 12 月，國家計委批覆《資陽內燃機車總廠設計任務書》，擬定工廠規模為年產 4000 馬力液力傳動內燃機車 100 臺，高速柴油機 250 臺，液力傳動裝置 200 套。同月，中國技術進出口總公司與西德亨舍爾公司簽訂外貿合同，引進四臺以德國聯邦鐵路 V320 型柴油機車為基礎、根據中國方面訂貨要求而設計的 NY5 型柴油機車，作為自主研製大馬力液力傳動柴油機車的技術樣板。

1.2 四方工廠試製階段

1964 年至 1965 年，青島四方機車車輛廠參與了鐵道部組織的內燃機車高速柴油機研製大會戰，完成了 16V200ZL 型柴油機單缸熱工效能的調整試驗研究，為該型柴油機熱力效能引數的設計確立了依據。1966 年 3 月，鐵道部放棄引進國外高速柴油機技術專利的打算，確定將四方機車車輛廠設計的 16V200ZL 型柴油機作為資陽內燃機車廠的代表產品。1966 年底，四方機車車輛廠試製出第一臺缸徑 200 毫米、行程 220 毫米、氣缸夾角 45° 的 16V200ZL 型柴油機，並開始了漫長的反覆試驗和改進工作，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 型柴油機車運抵中國，並完成了一系列的效能試驗。1968 年夏季，為了消化吸收西德的液力傳動技術，鐵道部工廠總局安排有關單位在四方機車車輛廠內，對 NY5 型柴油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。同年，經鐵道部工廠管理總局安排，由青島四方機車車輛廠、戚墅堰機車車輛廠、大連熱力機車研究所、大連鐵道學院、上海交通大學等單位組成了大馬力內燃機車聯合設計組。

1969 年 9 月，為慶祝中華人民共和國二十週年國慶，四方機車車輛廠試製成第一臺東方紅 4 型柴油機車（設計代號 SFJ4），該型機車為幹線客貨運用的 5000 馬力（3675 千瓦）雙機組液力傳動柴油機車，可根據牽引需要調節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），額定轉速為每分鐘 1500 轉。機車裝有兩套獨立而又相同的液力傳動系統，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向架外側車軸上方的主車架上，而中間齒輪箱則安裝在轉向架上。液力傳動裝置採用四方機車車輛廠與大連熱力機車研究所聯合設計的 SF2122 型液力變速箱，結構類似於福伊特 L218rU 型液力傳動裝置（用於德國聯邦鐵路 V320 型柴油機車），內裝有一個 B5-5 型起動變扭器、一個 B9（B4-6）型運轉變扭器、一個 CP08 型液力偶合器，三個液力元件共用一對齒輪輸出，並設有液力制動裝置。第一臺東方紅 4 型機車出廠後經過了初步試驗和線路試執行，後因文化大革命而廢棄。

1.3 戚墅堰工廠試製階段

四方機車車輛廠的東方紅 4 型柴油機車試製成功後，因考慮到戚墅堰機車車輛廠是資陽內燃機車廠的對口包建單位，鐵道部決定將東方紅 4 型柴油機車的試製和改進任務轉由戚墅堰工廠承擔。1970 年，戚墅堰機車車輛廠在 16V200ZL 型柴油機的基礎上，設計試製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製的第一臺東方紅 4 型 0001 號機車出廠（設計代號 QSJ3）。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），額定轉速為每分鐘 1500 轉。主傳動路線與四方工廠製造的第一臺機車基本相同。液力傳動裝置採用戚墅堰機車車輛廠與大連熱力機車研究所聯合設計的 QS2025 型液力變速箱。由於液力偶合器對於柴油機壽命和傳動效能都有不利影響，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，內裝有一個 QS1 型起動變扭器和一個 QS2 型運轉變扭器，透過充排油自動接入或退出工作來完成換檔。東方紅 4 型 0001 號機車出廠後，曾在上海鐵路局管內進行了線路執行試驗，走行里程達 2 萬多公里，在京滬鐵路上的最高執行速度達到 119～121 公里 / 小時。

1971 年 3 月，根據交通部內燃機車及船用柴油機會戰會議的決定，大連熱力機車研究所、四方機車車輛廠、資陽內燃機車廠、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，設計試製氣缸夾角為 45° 的 16V200ZL-2 型柴油機。與前者相比，16V200ZL-2 型柴油機採用了經重新設計的曲軸、活塞和機體結構，裝用無錫動力機廠製造的 40GP-4 型渦輪增壓器，透過改變軸系部件解決了柴油機振動與曲軸扭振問題，並且調整了燃油和燃燒系統引數以降低排氣溫度和燃油消耗率。1973 年至 1974 年期間，16V200ZL-2 型柴油機先後完成了 100 小時連續運轉試驗、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鑑定會議上透過部級鑑定，會議討論認為該型柴油機的效能指標基本上達到了設計要求，可以初步定型。

1974 年底，戚墅堰機車車輛廠完成試製東方紅 4 型 2001 號機車（設計代號 QSJ5），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），額定轉速為每分鐘 1500 轉。機車總體佈置及主傳動路線和之前試製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後， 中間齒輪箱安裝在轉向架構架上。中間齒輪箱內有兩對不同傳動比的齒輪，透過調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第一萬向軸傳給液力變速箱，然後從液力變速箱輸出的扭矩經第二萬向軸、中間支承裝置、第三萬向軸傳入中間齒輪箱，最後從中間齒輪箱經過第四、第五、第六萬向軸分別傳給前後三個車軸齒輪箱，這種傳動佈置方式與中國向西德訂購的 NY5、NY6、NY7 型柴油機車相同。傳動裝置採用經過改良的 QS2025 型液力變速箱，進一步提高了傳動效率；由於機車最高速度下降，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。轉向架採用箱型斷面焊接構架、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、獨立作用式單側閘瓦制動裝置。

東方紅 4 型 2001 號機車出廠後，隨即開始進行 10 萬公里運用考核，首先在上海鐵路局管內的滬杭鐵路、滬寧鐵路、蕭甬鐵路、浙贛鐵路等投入線路執行試驗，並完成了機車振動試驗，牽引效能試驗和機車噪音測量，至 1976 年轉往北京鐵路局靈丘機務段，與 NY7 型柴油機車一同在京原鐵路進行貨物列車牽引試驗。東方紅 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 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 萬公里考核之後回廠進行了拆檢，拆檢結果表明機車各項指標都達到了設計要求。

1.4 資陽工廠試製階段

1971 年，隨著資陽內燃機車廠逐步建成投產，交通部決定先讓其試製東方紅 2 型液力傳動調車機車，為以後試製東方紅 4 型柴油機車累積經驗。1975 年初，根據鐵道部決定，東方紅 4 型機車的試製和改進任務交由資陽內燃機車廠繼續進行，戚墅堰機車車輛廠將該型機車的全部技術資料轉交資陽內燃機車廠。1975 年至 1976 年，資陽內燃機車廠在大連內燃機車研究所和西南交通大學等的協助下，對東方紅 4 型機車的總體佈置和傳動系統重新設計，同時對 16V200ZL-2 型柴油機進行區域性修改，並按照國家標準規定將型號變更為 16V200Z 型柴油機。1977 年 7 月，資陽內燃機車廠先後成功試製首臺 16V200Z 型柴油機和首臺 ZJ2122 型液力傳動裝置。同年 9 月 29 日，資陽內燃機車廠試製的東方紅 4 型 0002 號機車正式出廠。1979 年和 1981 年，資陽內燃機車廠又先後試製了東方紅 4 型 0003 號、0004 號兩臺機車。

資陽工廠試製的東方紅 4 型機車與之前幾臺機車相比，大幅度改變了機車總體佈置和液力傳動系統。戚墅堰工廠試製的 2001 號機車採用帶有中間齒輪箱的主傳動系統，中間支承裝置與中間齒輪箱之間的萬向軸是空間萬向軸，其中點也處於轉向架迴轉中心的上方，使機車透過曲線時萬向軸的工作條件較為良好，但這種佈置方式的缺點是結構較複雜、傳動元件較多、成本和重量較大，每套傳動系統需要六根萬向軸、一箇中間支承、一箇中間齒輪箱，東方紅 4 型 2001 號機車製成後發現超重較多，機車實際總重達到 150 噸。因此，為了達到機車軸重在 23 噸以下的設計目標，資陽工廠的東方紅 4 型機車採用了無中間齒輪箱的主傳動系統，柴油機的安裝位置靠近車體中部，液力變速箱緊靠司機室並安裝在主車架上，柴油機輸出的扭矩經第一萬向軸輸入液力變速箱，扭矩經過轉換後從液力變速箱下部兩端輸出，經第二、第三、第四萬向軸直接驅動車軸齒輪箱，採用這種佈置方式的傳動系統只需四根萬向軸。

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 型柴油機採用資陽廠製造的 45GP803B 型渦輪增壓器，曲軸主軸頸直徑從 160 毫米加大到 165 毫米，調速器由帶節流阻尼裝置的液壓調速器改為資陽廠自制的液壓機械式調速器，主軸瓦和活塞的製造工藝亦有變化。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），額定轉速為每分鐘 1500 轉。機車裝用資陽工廠製造的 ZJ2022 型液力變速箱，內裝有一個 B46 型起動變扭器和一個 B85 型運轉變扭器，並設有 Z510 型液力制動器。由於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，在成都鐵路局西昌鐵路分局和成都鐵路分局管內進行正線牽引試驗，試驗區間包括成昆鐵路西昌至金江、西昌至普雄、成渝鐵路資陽至資中、資陽至成都等地。1978 年 6 月至 7 月，東方紅 4 型 0002 號機車完成了粘著效能試驗。1978 年 11 月，0002 號機車轉往北京鐵路局豐臺機務段，在京原鐵路豐臺西至靈丘、豐沙鐵路豐臺至沙城區間繼續進行試驗，直到 1980 年 8 月因車軸齒輪箱故障而返廠為止，結束了歷時兩年零九個月的試執行，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 號機車於 1979 年 12 月到達豐臺機務段並開始試驗，至 1980 年 12 月因柴油機故障而返廠。1981 年 5 月，資陽內燃機車廠製造的三臺東方紅 4 型機車在貴陽鐵路分局遵義機務段投入運用，擔當川黔鐵路遵義至貴陽南間的貨物列車牽引任務，其中兩臺機車一直在遵義機務段運用至 1988 年。在川黔鐵路上一臺東方紅 4 型機車可以頂替兩臺東風型柴油機車，能夠牽引 1050 噸以 27 公里 / 小時透過 20‰長大坡道，燃油消耗率約為 62 公斤 / 萬噸公里，比雙機重聯的東風型機車低 10～14%；但由於機車粘著重量比雙機重聯的東風型機車輕 114 噸，當牽引列車在坡道起動時也較容易發生空轉。

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執行時，多次發生因柴油機故障而機破停車的狀況，機務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，北京型柴油機車和東風 4 型柴油機車所使用的 12V240ZJ 型、16V240ZJ 型中速柴油機，經歷多年改良之後可靠性已有大幅提高，各項效能指標也接近世界先進水平。同時，隨著電力傳動柴油機車的技術進步，雙機組大功率液力傳動柴油機車大勢已去。1982 年 7 月，面對當時中國鐵路運能緊張及柴油機車產能不足的形勢，鐵道部向資陽內燃機車廠下達指示，要求停止東方紅 4 型機車和 16V200Z 型柴油機的試製試驗，並準備轉產東風 4 型柴油機車，結束了長期以來關於大功率柴油機車發展電力傳動或液力傳動的爭論。

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