ND4型柴油機車

ND4型柴油機車是中國鐵路使用的電力傳動柴油機車車型之一，由法國阿爾斯通公司於1973年至1974年間設計及製造，共計50臺機車全部配屬北京鐵路局豐臺機務段運用，引進目的主要是為了解決當時中國鐵路運輸急需大功率柴油機車的問題。該型機車是以法國國鐵CC 72000型柴油機車為基礎、按照中國鐵路的技術要求而研製的4000馬力幹線貨運柴油機車，其技術性能代表著當時世界上電力傳動柴油機車的先進水平，併為中國後來研製的柴油機車提供了借鑑意義。機車裝用一臺由阿爾薩斯機械製造公司設計製造的SACM AGO 240 V16 ESHR型柴油機，傳動系統採用三相交流同步發電機、矽二極體整流裝置、直流牽引電動機組成的交—直流電傳動裝置。1970年代至1980年代期間，ND4型柴油機車曾經是豐沙鐵路和京山鐵路的主力貨運機車。1990年代，由於機車狀況日益老化和配件供應困難，ND4型柴油機車開始被逐步淘汰，至2000年全部停運報廢。現存的唯一一臺ND4型柴油機車被保存於中國鐵道博物館東郊館。發展歷史.開發背景.1960年代，隨著柴油機車不斷向提升單機功率的方向發展，柴油機和傳動裝置的功率也相應提高。電力傳動柴油機車自問世以來，一直採用直流牽引發電機配合直流牽引電動機的直—直流電傳動系統，但受到直流發電機之整流子換向條件和電機尺寸的技術限制，3000馬力以上直流電力傳動裝置的設計和製造面臨很大困難，成為進一步提升直—直流電傳動柴油機車單機功率的制約因素。1964年，法國成功研製了世界上第一臺採用交—直流電傳動裝置的BB 67036號柴油機車。交—直流電傳動裝置採用交流牽引發電機，透過整流器使交流電變為直流電，然後再供給直流牽引電動機，交流發電機具有結構簡單、減輕重量、維護簡便的優點，使交—直流電傳動柴油機車得到迅速發展。正當西方發達國家正在向交—直流電傳動柴油機車過渡之際，以採用直—直流電傳動裝置的東風型柴油機車為代表、中國鐵路的第一代幹線柴油機車才剛開始投入批次生產。為了儘快縮小與國際先進水平的差距，中華人民共和國鐵道部於1965年開始研製第二代大功率柴油機車。1969年9月，為慶祝中華人民共和國二十週年國慶，大連機車車輛廠試製成首臺東風4型柴油機車，但由於草率上馬導致整臺機車的效能和質量未能過關。1970年代初，鐵道部面對東風4型機車遲遲未能定型、柴油機車產能不足的情況，決定從國外進口一批技術較先進的柴油機車作為過渡，並派員前往國外就交—直流電傳動柴油機車引進專案進行考察和選型。引進過程.在法國國家鐵路向中方推介其最新型的CC 72000型柴油機車之後，經過法國駐華大使館和中國駐法國大使館商務參贊居中協商，中國機械進出口總公司與法國阿爾斯通公司及電氣牽引裝置公司，結算方式為外匯現金結算，合同價格的5%為。雖然法國方面可以提供五年期，但中國方面仍然堅持使用現金方式支付貨款，在簽訂合同之後首先支付了一部分的訂金，其餘金額在機車交付過程中分期支付。這批機車是由阿爾斯通公司在法國國鐵CC 72000型柴油機車的基礎上，根據中國鐵路的使用要求專門設計製造的4000馬力幹線貨運柴油機車，機車裝用一臺由阿爾薩斯機械製造公司研製的SACM AGO 240 V16 ESHR型柴油機。該型機車在中國鐵路系統內被定型為ND4型柴油機車，其中“N”代表內燃機車、“D”代表電力傳動、“4”代表第四款進口電力傳動內燃機車。該型機車在阿爾斯通公司的設計代號為AD48C型柴油機車，其中“A”代表交—直流電傳動，“D”代表柴油機車，“C”代表機車軸式Co-Co，“48”代表機車功率等級。雖然該型機車裝用了一臺4000馬力的SACM AGO 240 V16 ESHR型柴油機，按照阿爾斯通機車產品代號編制，其設計代號中原本應該以“40”表示功率等級；然而就在ND4型柴油機車的設計過程之際，剛由研製成功的SEMT V12 PA6-280型柴油機正在進行試驗，這款柴油機的標定功率最高可達4800馬力，並於1973年初裝用於法國國鐵CC 72075號柴油機車上投入運用考核，而這臺機車的改進經驗亦使ND4型柴油機車在設計和試驗期間從中受惠，因此其設計代號最終以“48”來表示功率等級。運用歷史.ND4型柴油機車全部配屬於北京鐵路局豐臺機務段。1973年8月，因應即將到來的ND4型柴油機車，豐臺機務段開始組織培訓乘務人員，並對柴油機車整備場所和裝置進行改建。1973年11月，首批ND4型機車陸續運抵中國，阿爾斯通公司派出技術人員進駐豐臺機務段提供售後服務工作。1974年1月，ND4型柴油機車正式投入運用，開始了豐臺機務段幹線牽引機車內燃化的程序。1974年4月，鐵道科學研究院機車車輛研究所與阿爾斯通公司派出的技術專家組，在北京環行鐵道合作完成了ND4型機車的驗收試驗。1975年11月，鐵道科學研究院機車車輛研究所熱力機車研究室、北京鐵路局、豐臺機務段合作，選取了ND4型48號機車進行機車牽引熱工效能試驗。ND4型柴油機車在豐臺機務段投入運用以後，取代了該段原來使用前進型蒸汽機車和建設型蒸汽機車，成為當時京山鐵路、豐沙鐵路、京原鐵路的主型貨運機車，並且有效提高了這幾條路線的貨物列車牽引定數。在京山鐵路豐臺西至南倉之間的平原線路，上下行的牽引定數均為3500噸。在豐沙鐵路豐臺西至張家口之間的長大坡道，下行上坡方向的牽引定數為1800噸。1977年，為了滿足大同至北京間快速增長的煤炭運輸需求，鐵道部對豐沙鐵路豐臺西至沙城和京包鐵路沙城至大同段修建自動閉塞訊號系統。1978年，豐沙大鐵路完成自動閉塞方式改造後，成為了當時晉煤外運的最主要通道。自1979年起，東風4型柴油機車經過持續不斷的改進後，機車品質漸趨穩定而運用故障率亦大幅下降，豐臺機務段安排東風4型機車重新投入京山鐵路運用。至1982年10月，京山線上的ND4型機車已基本上被東風4型機車取代，ND4型機車則被集中到豐沙鐵路擔當晉煤外運的重任。1984年11月，鐵道部選擇了晉煤外運北通道中的豐沙大鐵路和京秦鐵路，進行了雙機牽引7400噸組合式過載煤炭列車的運轉試驗，即是將兩列3700噸列車合併成一列執行，由ND4型或ND5型柴油機車雙機牽引，並從大同西站出發直達秦皇島東站。1985年起，隨著豐臺機務段大量配屬從美國進口的ND5型柴油機車，大部分ND4型機車又再重新投入京山鐵路豐臺西至南倉間運用。1986年起，張家口機務段開始支配豐臺機務段的部分ND4型機車，擔當京包鐵路張家口至大同、張家口至康莊間貨物列車，以及宣龐鐵路客貨列車的牽引任務。維修問題.早於1975年，根據鐵道部關於加強進口機車配件國產化的要求，豐臺機務段便成立了ND4型機車配件國產化攻關組，先後完成了柴油機機體、連桿、曲軸、增壓器、連桿瓦、活塞、散熱器、牽引電動機、彈性齒輪、制動閘瓦等共130種配件的國產化。然而，由於ND4型機車為國外進口機車，機務段和機車檢修廠並不具備整車大修的能力，因此僅能由豐臺機務段自己進行有限度的維修保養工作，以擴大機車架修修程來解決沒有工廠承接廠修的困難。隨著機車運用時間日益增長，卻始終無法獲得全面的維修，致使機車質量日漸下降。截至1987年底，所有ND4型機車累計走行10458萬公里，平均每臺機車累計走行217萬公里，其中有13臺已經走行230萬公里以上，影響機車運用可靠性的主要問題包括：柴油機方面有機體裂紋、活塞銅頂脫落抱缸、曲軸頸燒損等；電氣系統方面為牽引電路及控制電路電線電纜絕緣老化或短路，主發電機和牽引電動機定子接地；制動空氣管路老化鏽蝕，造成機車制動失靈的安全隱患。從1987年開始，為了維持ND4型機車的基本質量和執行安全，鐵道部及北京鐵路局決定對走行里程達230萬公里以上的機車，逐臺投資100萬元人民幣實行簡易廠修。簡易廠修修程增加了車體、轉向架、電機的部分檢修範圍，包括清洗大燃油箱及部分燃油管路、可見部分電氣線路加強絕緣處理、司機室儀表盤國產化改造、電阻制動櫃及蓄電池箱解體整修、委託北京電機廠檢修主發電機及牽引電動機等等。1987年至1988年間，共計有12臺ND4型機車完成了簡易廠修。基於機務段自身拆裝和檢修能力的侷限，簡易廠修對於一些威脅行車安全的質量問題仍然束手無策，而且部分國產化零部件也因為質量不穩定而影響可靠性，例如花費相當大代價仿製的柴油機連桿瓦 , 便因質量未能過關而只能依靠進口昂貴的原廠產品。因此，即使是經過簡易廠修的ND4型機車，實際上機務段對其品質亦沒有太大把握。逐步淘汰.1980年代後期，考慮到ND4型機車的質量狀況和檢修困難，鐵道部制定了“維持使用、逐步淘汰”的原則，將ND4型機車從京山、豐沙等主要幹線撤換下來，以減輕機車負擔並儘量延長使用壽命。1988年，豐臺機務段調配17臺ND4型機車配屬南口機務段被拆解，僅餘下一臺15號機車被放置於機務段一角的儲備廠上。車輛儲存.對於碩果僅存的ND4型15號機車，中國鐵路迷曾經多番呼籲，希望有關部門能讓這臺機車進入博物館永久收藏，避免這個鐵路文化遺產淪為一堆廢鐵。早在2004年，網際網路上就有“廣大車迷強烈要求將中國僅存的ND4型內燃機車送入鐵道博物館”的訊息。2006年4月4日，《北京晚報》刊登了標題為《火車迷呼籲收藏後一輛臺ND4型內燃機車》的報道。媒體的報導和火車迷的呼籲引起了中國鐵道博物館的重視，該館派出工作人員對機車的狀況進行了多次調查，並將調研情況反映給有關部門，希望採取措施加以保護。2012年3月，中國鐵道博物館館長王新橋對媒體表示，“ND4最好的歸宿是送到鐵博當做展品”，並已經開始就外觀修復進行調研。2012年4月11日，中國鐵道博物館和豐臺機務段開始對ND4型15號機車進行整修工作，修復的重點是按機車歷史原貌恢復車體外觀和司機室。在向民眾徵集ND4機車的零件的同時，也對已無原廠配件的部件進行仿製。2013年1月24日，ND4型15號機車在東風7C型5526號機車的牽引下離開了豐臺機務段；1月25日，ND4型15號機車正式進入中國鐵道博物館東郊館永久收藏。2013年9月，該機車作為中國鐵路牽引動力發展變化的重要實物見證，經鑑定後被評為國家二級文物。技術影響.ND4型機車上獨具匠心的設計和優異的可靠性，使其深受豐臺機務段乘務和檢修人員的歡迎，各種電機電器、輔助傳動系統、機車走行部甚少發生嚴重故障。與同時期國產的東風4型柴油機車相比，ND4型機車不僅機破臨修率遠低於前者，亦具有較長的檢修週期和較短的檢修停時。此外，由於磁放大器勵磁調節系統設計得宜之緣故，該型機車的低手柄位輸出功率和起動加速效能也優於東風4型機車。中國透過借鑑和吸收ND4型機車的優點，促進了國產柴油機車設計製造的進步。例如，永濟電機廠在測繪ND4型機車的基礎上，仿製出GQL-45型感應子牽引勵磁機，供東風4型和東風5型系列柴油機車配套使用，大幅減少了在早期東風4型機車上常見的勵磁機故障。此外，永濟電機廠參考ND4型機車的TAO-659型牽引電動機，對東風4型機車所使用的ZQDR-410型牽引電動機作出改進，研製出更為可靠的ZQDR-410B型牽引電動機，供東風7型柴油機車配套使用。1985年，ND4型32號機車被命名為青年文明號，接替原來的東風4型0300號機車，成為豐臺機務段青年包乘組的機車。1986年5月，青年文明號換型為ND5型0383號機車。1986年5月，ND4型37號機車被命名為工人先鋒號，接替原來的東風4型0316號機車。1997年9月4日，工人先鋒號換型為東風4B型1960號機車。技術特點.總體佈置.ND4型柴油機車是幹線貨運用的六軸柴油機車，機車標稱功率為2,880馬力之手，他提供了橙色、綠色和藍色三種車身塗裝方案以供選擇，最終則選用瞭如今所見的藍色方案。機車設計充分考慮到機車運用地區即中國華北的氣候條件，確保機車可在外溫-40℃～40℃、長大隧道內、雙機牽引、大風雪或沙塵較多的環境下都能正常執行。車體側牆設有較大面積的通風百葉窗口和空氣過濾裝置。為了避免在隧道內進行雙機牽引時後面機車吸入前面機車排出的廢氣，柴油機的空氣濾清器安裝在車體側牆下部，並在車頂設有煙氣導向板，以儘量引導排氣向機車後方散逸。ND4型機車在車體隔熱保暖、空氣濾清裝置、冷卻水管路設計等方面，亦吸收了一些基於阿爾斯通公司向國外出口機車所獲得的經驗。一如其他來自法國的鐵路機車，ND4型機車十分注重司機室的舒適性，並且具有先進的隔熱和隔音功能。司機室內的佈置採用與6G型電力機車相似的系列化設計，機車執行方向的左側設有司機操縱檯、空氣制動機的自動制動閥和單獨制動閥，右側設有副司機座席及部分控制裝置，兩端司機室之間可以透過對講機聯絡。司機座椅具備高度調節和傾斜椅背之功能，座位上方設有電風扇。兩塊前窗玻璃均具有電加熱裝置，每塊玻璃的加熱功率為735瓦，前窗內側並設有遮陽板。作為主要噪音柴油機和冷卻裝置，與兩端司機室之間均至少有兩道隔音間壁，因此ND4型機車的司機室噪音水平能夠保持較低水平。在柴油機全負荷、機車速度為75公里/小時的情況下，司機室噪音水平僅為72～75分貝。此外，冬季時的司機室供暖是由柴油機冷卻水直接提供，即使在最惡劣的氣候條件下司機室內仍能保持正常溫度。位於機車中部的動力室內安裝了一套柴油發電機組，以及、空氣壓縮機、前轉向架牽引電動機通風機等輔助裝置，兩側側牆上裝有空氣濾清器和車體通風機。輔助裝置室內設有空氣制動裝置櫃、預熱鍋爐、啟動空氣壓縮機、後轉向架牽引電動機通風機等裝置。電氣室內設有整流器櫃、高壓電器櫃和電器控制櫃，頂部設有電阻制動裝置並由兩臺功率為17.5千瓦的通風機進行冷卻。冷卻室內設有兩排垂直並列安裝的散熱器組，分別為冷卻柴油機的高溫冷卻水系統，低溫系統散熱器佈置在高溫系統散熱器的外側，這亦是法國柴油機車散熱系統的典型設計；冷卻室頂部設有兩個經萬向軸和液力耦合器驅動的冷卻風扇，風扇轉速由高溫冷卻水系統內的感溫元件自動控制；冷卻室內另設有膨脹水箱和啟動風缸。柴油機.ND4型機車裝用一臺由阿爾薩斯機械製造公司，額定工作狀況下的燃油消耗量為155克/有效馬力·小時。柴油機採用部分與氣缸體鑄造成一體的整體式鑄鐵機體，每個氣缸有一個單獨的單體式氣缸蓋，也是採用與機體相同的鑄鐵材料製成。SACM AGO系列柴油機的其中一個特點是具有嵌入式的活塞，活塞由鑄鋁頂部、鍛鋁裙部和銅基合金燃燒室組成，佈置於活塞頂上的半橢球形燃燒室有利於柴油機在低溫情況下的啟動。活塞透過發動機潤滑系統的機油進行冷卻，位於機體上的噴嘴對位於活塞頂環下部的環形冷卻腔連續供油。柴油機採用整體鍛造的鉻鉬合金曲軸，主軸頸直徑為180毫米，曲柄銷直徑為165毫米。主副連桿結構的連桿組由鎳鉻合金鋼模鍛制而成，副連桿透過浮動銷與主連桿連線。V形夾角內佈置有兩套HS-400型軸流式增壓器和四臺增壓空氣中冷器。ND4型機車也是中國至今惟一一種採用自動延時電控風啟動的柴油機車。柴油機啟動時由起動風缸和起動風泵提供壓縮空氣，經空氣分配器和啟動閥按柴油機點火順序輸入氣缸並推動活塞，當曲軸達到穩定轉速後停止供氣，同時噴油泵供油點火從而啟動柴油機。整個過程均為自動控制，司機只要按下“啟機”按鈕，可以自動完成上述動作啟動柴油機。與自帶啟動電動機方式的柴油機相比，雖然壓縮空氣啟動的柴油機構造較為複雜，需要另設一臺完整的空氣啟動系統，但這種啟動方式具有較高可靠性，並可減少所需的蓄電池容量。超方形結構柴油機的主要缺點是燃燒混合物形成困難、連桿軸承載荷增大、受熱零件熱負荷較高，因此這款柴油機採用了活塞頂部半橢圓形燃燒室來形成較強烈的進氣渦流，並採用主副連桿結構來降低連桿比壓的設計。即使如此，該型柴油機的熱負荷仍超過不少同類機型的水平，特別是活塞燃燒室喉口和氣缸蓋鼻樑部分，常常因為熱負荷過高而產生裂紋。因此，豐臺機務段於1980年起採取柴油機降速降功率使用的措施，將額定轉速由每分鐘1,350轉降至每分鐘1,250轉，裝車功率由3,650馬力，以降低柴油機熱負荷及延長柴油機使用壽命。機油對於柴油機的正常運轉和零部件磨損有著密切關係，由於當時中國的潤滑油生產技術水平落後，加上對高增壓柴油機的機油缺乏認識和經驗，ND4型柴油機車初期使用的是北京東方紅煉油廠生產的14號普通柴油機油，在ND4型機車上完成了10萬公里行車試驗後，於1978年11月透過部級鑑定，雖然這種機油的效能水平與國外同級產品尚有一段距離，但已足以解決代替進口產品的代用機油問題。1990年代起，ND4型機車已開始使用效能更佳的第三代和第四代機油。傳動系統.ND4型柴油機車採用交—直流電傳動裝置，電傳動系統參考自CC 72000型柴油機車。柴油機透過彈性聯軸器直接驅動一臺交流同步發電機，發出的三相交流電經由矽二極體組成的三相橋式整流電路整流為直流電後，輸送給六臺並聯連線的直流牽引電動機，透過傳動齒輪驅動輪對。牽引發電機採用AT-73型三相交流同步發電機，額定容量為2540千伏安，額定電壓為430伏特，額定電流為5400安培，最大電壓為760伏特，最大電流為7060安培，額定轉速為每分鐘1350轉，冷卻方式為自通風式，主發電機淨重為4800公斤。牽引發電機發出的三相交流電由矽整流裝置轉換成直流電，矽整流裝置採用由風冷式矽二極體元件組成的三相橋式全波整流電路，整流電路每一橋臂有六個並聯的AS20V型平板式矽二極體，整流裝置共有36個二極體元件。矽整流裝置的最大直流輸出電壓為830伏特，最大直流輸出電流為9000安培，整流櫃冷卻風道串聯在前牽引電動機通風機的吸風口上。ND4型機車使用TAO-659C1型六極直流串勵牽引電動機，額定功率為342千瓦，額定電壓為430伏特，額定電流為900安培，額定轉速為每分鐘580轉，最高轉速為每分鐘2450轉，定子及電樞絕緣等級為H級，冷卻方式為強迫通風。為擴大機車恆功率調速範圍，可對牽引電動機使用一級磁場削弱，磁場削弱率為53%。在電阻制動工況時，牽引電動機變為他勵直流發電機工作，其激磁繞組全部串聯由牽引發電機經矽整流櫃供電，牽引電動機發出的電流輸入到電阻制動櫃，將電能透過電阻器轉化為熱能消耗掉，制動功率為4,000馬力。為了使牽引發電機在任何負載下都能充分利用柴油機發出的功率，在電傳動柴油機車上都會設有一套功率自動調節系統，一方面調節發電機的以改變發電機的功率，同時透過調節柴油機的供油量以改變柴油機的輸出功率，透過兩者相互匹配達到恆功調節的目的。有別於東風4型機車的可控矽斬波器勵磁調節裝置，ND4型柴油機車牽引傳動電路的特色之處，便是應用了作為勵磁系統的控制元件，其可靠程度之高更為豐臺機務段的技術人員留下了深刻的印象，需要對磁放大器進行更換或調整的故障極為罕見，因此ND4型機車並不像東風4型機車那樣需要另設故障勵磁電路。同步牽引發電機的勵磁電流是由感應子交流勵磁機的控制。轉向架.機車軸式為Co-Co，走行部為兩臺相同的無導框式三軸轉向架，轉向架構架和傳動裝置的設計參考自出口到中國的6G型電力機車，而懸掛裝置則參考自CC 72000型柴油機車。轉向架構架採用鋼板壓型焊接而成的箱形結構。軸箱採用無導框式和阿爾斯通式彈性軸箱拉桿定位，依靠兩根裝有橡膠關節元件的軸箱拉桿與構架連線，並實現軸箱的橫向和縱向定位，中間軸有16毫米的自由橫動量以便透過小半徑曲線。每臺轉向架的構架上設有六個金屬橡膠堆旁承，車體重量透過八個旁承支承點由兩臺轉向架承載，利用橡膠堆變形實現車體相對轉向架的彈性橫動和迴轉。彈簧懸掛裝置分為一系和二系懸掛兩部分，一系懸掛為軸箱與構架之間的軸箱圓彈簧，並在第一、三、四、六軸裝有並列的摩擦式垂向減震器；二系懸掛為轉向架構架與車體之間的旁承橡膠堆；懸掛裝置的彈簧總靜撓度為140毫米。牽引力和制動力透過非承載式中心銷傳遞。為了改善機車的橫向穩定效能，除了採用軸箱拉桿定位和較長的固定軸距外和單邊彈性齒輪傳動，牽引電動機的一側透過抱軸瓦剛性地支承在車軸上，另一側透過橡膠元件和橫向拉桿懸掛在轉向架構架上，齒輪傳動比為4.64；牽引電動機採用順置方式以減少軸重轉移。ND4型機車採用26-L型空氣制動機，基礎制動方式為雙側槓桿踏面制動，透過每臺轉向架上的左右兩個制動缸施行制動，每個制動缸控制一個獨立傳動的槓桿系統，轉向架並設有閘瓦間隙調整器和輪緣噴油器。意外事故.1988年3月7日凌晨2時，北京鐵路局豐臺機務段的ND4型42號機車，擔當4018次單機由廊坊站開出經由京山鐵路執行，至凌晨2時52分到達南訊號站，停車後司機長下車擦拭機車走行部及前部，當攀爬至車頂時忽略已經進入電氣化區段，侵入接觸網安全界限而發生觸電，司機長顧某當即被高壓電電擊死亡。大眾文化.在由蔣雯麗執導、2010年上映的人物自傳電影《我們天上見》，講述了1970年代小時候的蔣雯麗和她的姥爺相依為命的故事，電影其中一幕展現了《參考訊息》引述“法新社報道正在革命中的中國從法國引進了內燃機車”的訊息，便是指中國在文化大革命期間從法國引進的ND4型柴油機車。