日本國鐵DF50型柴油機車

DF50型柴油機車是日本國有鐵道的電力傳動柴油機車車型之一，於1957年由三菱重工業研製成功，也是日本鐵路史上第一款投入批次生產的柴油機車，是日本國鐵牽引動力現代化的一個重要里程碑。1957年至1963年間共生產了138臺DF50型柴油機車，其中包括由三菱重工業、汽車製造、日本車輛製造生產的基本番臺機車65臺，以及由川崎重工業、東京芝浦電氣、日立製作所生產的500番臺機車73臺，兩者除了所裝用的柴油機型號不同之外，其他部分均完全相同。開發背景.1950年代初，受到美國和聯邦德國大力推動牽引動力內燃化改革的影響，日本國有鐵道也開始計劃非電氣化幹線的牽引動力現代化。與此同時，隨著舊金山和平條約的簽訂，日本在1952年完成了從統制經濟邁向市場經濟的轉變，正式結束了石油製品統制制度，日本國鐵隨即恢復新型柴油機車的研製工作。1953年，新三菱重工業和三菱電機成功試製了DD50型柴油機車，並投入北陸本線進行試執行。DD50型柴油機車是1000馬力的電傳動柴油機車，由於日本當時缺乏鐵路機車使用之中等功率柴油機的研製經驗，因此採用了由瑞士蘇爾壽公司轉讓技術及授權生產的8LDA25型柴油機。然而，DD50型柴油機車投入北陸本線運用後，很快就顯示出一些設計上的不足之處。例如，單端司機室的設計令機車幾乎總是需要重聯運用，大大降低了這種機車的運用靈活性和經濟性；加上機車的平均軸重達到了15噸，使其不能在軸重限制為14噸的四級線路上使用。此外，該型機車亦沒有安裝為旅客列車供暖的蒸汽鍋爐，旅客列車在冬季仍需要加掛燃煤的。1957年，隨著鐵路運輸量伴隨日本經濟高速增長，日本國鐵宣佈執行第一個五年計劃，旨在提高鐵路系統運輸能力和推進牽引動力現代化。同年，日本國鐵在DD50型柴油機車的基礎上，開發研製了新一代的DF50型柴油機車，以推動次級幹線鐵路的旅客列車無煙化。針對上述關於DD50型柴油機車的缺點，DF50型柴油機車是按照次級幹線的單機運用為原則進行設計，採用了設有貫通門的雙端司機室佈置方式，並搭載了一臺與EF58型電力機車相同形式的自動化蒸汽鍋爐。因考慮到在次級幹線的運用需要，而且搭載蒸汽鍋爐亦增加了機車重量，因此DF50型柴油機車特別採用了Bo-Bo-Bo軸式，不僅使機車具有良好的曲線透過效能，還可以令軸重減輕到約14噸。三菱重工業、汽車製造、日本車輛製造生產的基本番臺機車採用經過改良的8LDA25A型柴油機，裝車功率為1200馬力。電力傳動系統包括一臺直流牽引發電機和六臺直流牽引電動機。為了提升DF50型柴油機車的牽引力，將最高速度設定為90公里/小時，使其在低速時能發揮同D51型蒸汽機車一樣的效能，高速時能發揮同一樣的效能。雖然DF50型柴油機車的出現大大加快了日本國鐵的非電氣化幹線無煙化，但與其他功率較大的蒸汽機車相比，比如1600馬力的C62型蒸汽機車，其功率和牽引力水平仍然比較低；而且當時電傳動柴油機車的製造成本居高不下，加上其柴油機的部分零部件需要從國外進口，一臺DF50型柴油機車的造價高達7000萬日元。除此之外，在柴油機車選用電力傳動抑或液力傳動方面，日本國鐵認為液力傳動機車單位功率重量較小，因而更適合允許軸重較輕的日本鐵路，所以於1960年確定以後研製的柴油機車均採用液力傳動。這些因素都減少了日本國鐵繼續購置DF50型柴油機車的意欲，最終DF50型柴油機車亦在1963年停產。1957年3月至1962年10月，三菱重工業、汽車製造、日本車輛製造共生產了65臺基本番臺機車。運用歷史.從1950年代末起，DF50型柴油機車作為日本國鐵第一種可以在次級幹線投入長距離運轉的柴油機車，被廣泛運用於除北海道以外的非電氣化次級幹線和部分幹線鐵路，例如奧羽本線、北陸本線、中央本線、紀勢本線、關西本線、山陰本線、土讚本線、予讚本線、日豐本線等區域，曾經配屬長野、秋田、敦賀第一、米子、龜山、高松、高知、大分等機關區，擔當包括特急列車在內的旅客列車和貨物列車牽引任務；尤其對於有較多隧道的線路區段，牽引動力內燃化徹底解決了蒸汽機車噴出煤灰煙塵的問題。當奧羽本線的矢立隧道和松原隧道在1970年代初開通之前，列車透過秋田和青森縣境內的大坡度區間時，一般需要加掛多一臺DF50型柴油機車作為補機進行重聯牽引。然而，作為日本國鐵柴油機車的初代實用化車型，DF50型柴油機車最主要的問題是功率不足。雖然它能夠在大坡度區間上保持良好的粘著效能而不會造成嚴重的空轉，但其功率等級對於幹線柴油機車而言實在偏低，使其牽引列車執行在長大坡道時速度大幅下降，當牽引630噸列車透過10‰連續坡道的平衡速度為26公里/小時，當牽引370噸列車透過25‰連續坡道的平衡速度更只有20公里/小時；此外，機車在平原地區執行時亦沒有充足的功率餘量，其牽引效能僅與過去使用的蒸汽機車相當。1962年，日本國鐵成功研製了2000馬力等級的DD51型液力傳動柴油機車。隨著製造成本較低的DD51型柴油機車投入批次生產，並陸續投入到日本各地的非電氣化鐵路幹線使用，部分貨物列車和優等旅客列車牽引任務亦轉交由DD51型柴油機車承擔，而替換下來的DF50型柴油機車則相繼集中轉往運用負荷較輕的次級幹線使用。1970年代中期後，由於日本國鐵加快對次級幹線進行電氣化改造，或使用DD51、DE10型柴油機車取代老化的DF50型柴油機車，DF50型柴油機車於1976年起開始逐步報廢。九州地區的DF50型柴油機車曾經擔當“富士號”、“彗星號”特急臥舖列車和“高千穗號”、“日南號”急行旅客列車的牽引任務，直到日豐本線全線於1979年完成電氣化後才改用ED76型電力機車牽引。而紀勢本線的“紀伊號”列車是最後一列使用DF50型柴油機車牽引的臥鋪特急列車，其中上行的4004次列車於1979年6月改用DD51型柴油機車牽引；上行的4004次列車在龜山至紀伊勝浦間，以及回4003次回送列車在紀伊勝浦至新宮間的牽引任務，一直使用龜山機關區的DF50型柴油機車擔當，直到在1980年2月被DD51型柴油機車淘汰為止。自從本州和九州地區終止DF50型柴油機車的營業運轉後，四國就成為了該型機車最後一個活躍​​的地方。截至1980年3月31日，國鐵四國總局下轄的高知機關區及高松運轉所仍配屬有44臺DF50型柴油機車，是土讚本線和予讚本線的主力機車。1981年10月，四國的客車列車均改由DE10型柴油機車牽引，DF50型柴油機車不再牽引定期旅客列車，同時500番臺機車全部停運報廢。1983年9月，貨物列車亦停止使用DF50型柴油機車。同年9月25日，隨著DF50 1、DF50 65號機車完成重聯牽引“再見DF50土佐路號”臨時急行列車的，亦標誌著DF50型柴油機車正式告別歷史舞臺。1985年1月21日，DF50 34號機車除籍報廢後，除了三臺機車獲得保留外，其餘DF50型柴油機車已全部報廢。技術特點.總體佈置.DF50型柴油機車是客貨運通用的電力傳動柴油機車，採用底架承載的全鋼焊接結構貫通式箱型車體，車體鋼結構的非承載部分由高強度鋼板和預製構件組成。車體兩端各設有一個司機室，司機室內機車執行方向的左側設有司機操縱檯，右側設有副司機座席及手制動手柄，司機室兩側設有供乘務員乘降的側門。司機室前端中央設有一道貫通門，貫通門外側還設有踏板和扶手，以便機車重聯時乘務人員透過到另一臺機車。車體中部是設有各種機械及電氣裝置的機械室，機械室內從第一端至第二端順序佈置有動力室、冷卻室、鍋爐室三個部分，並設有貫通式雙側內走廊連線兩端司機室，司機室和機械室之間設有隔牆和內車門以阻隔機械室噪音。動力室內安裝了一套柴油發電機組，牽引發電機上方裝有渦輪增壓器，並設有勵磁機、勵磁電阻器、膨脹水箱、機油濾清器、機油冷卻器、輔助發電機、牽引電動機通風機、總風缸等配套裝置，靠近司機室的隔牆上還設有控制電器櫃，每邊側牆上各設有八個通風格柵，車體頂蓋上設有多個小型採光玻璃窗。冷卻室設有柴油機和機油熱交換器的冷卻水散熱系統，冷卻室頂部裝有一個軸流式冷卻風扇，兩邊側牆上各設有一個通風百葉窗和大型散熱器，冷卻風扇經百葉窗口吸入冷風再從車頂排出熱風，另外還設有牽引電動機通風機、電動空氣壓縮機、空氣制動裝置。鍋爐室設有一臺為旅客列車供暖的SG3型蒸汽鍋爐。為了儘可能縮短車體長度，蓄電池和鍋爐水箱被設定在機械室內走廊下方。在車體下方除了有三臺轉向架之外，之間還吊掛著兩個燃油箱。柴油機.DF50型基本番臺機車裝有一臺三菱重工製造的8LDA25A型柴油機，由瑞士蘇爾壽公司轉讓技術及授權生產，是在DD50型柴油機車使用的8LDA25型柴油機基礎上強化而成，透過提升增壓壓力使輸出功率提高了20%。這是一種四衝程、直列式、八氣缸、廢氣渦輪增壓的水冷式中速柴油機，氣缸直徑為250毫米，活塞行程為320毫米；小時功率為1200馬力，額定轉速為每分鐘800轉。除了活塞和增壓裝置等少數零部件不同外，其他部分基本與8LDA25型柴油機通用。DF50型500番臺機車裝有一臺川崎重工製造的V6V22/30MA型柴油機，由聯邦德國的曼恩集團轉讓技術及授權生產，是在DF40型柴油機車使用的V6V22/30型柴油機基礎上強化而成，透過提升增壓壓力使輸出功率提高了16%。這是一種四衝程、12氣缸、廢氣渦輪增壓的水冷式V型中速柴油機，氣缸直徑為220毫米，活塞行程為300毫米；小時功率為1400馬力，額定轉速為每分鐘900轉。後來日本為臺灣製造的臺鐵R0型柴電機車也使用同系列柴油機。DF50型柴油機車採用氣動式調速器作為柴油機的控制機構，司機控制器手柄透過改變控制風管供給圓盤形凸輪節流閥的氣壓，使燃油系統的噴油泵改變供油量。這種控制方式雖然容易獲得較多的調速級位，但是重聯運轉時的響應延遲是一個主要缺點。傳動系統.傳動系統使用直—直流電傳動裝置，柴油機直接驅動一臺直流牽引發電機，並將發出的直流電供給六臺直流牽引電動機。機車裝用一臺獨立勵磁的DM49型牽引發電機，持續功率為700千瓦，額定電壓為450伏特，額定電流為1560安培，額定轉速為每分鐘800轉，冷卻方式為半密閉式強迫通風。當柴油機啟動時牽引發電機變為串勵電動機，作為起動電動機使用並改由蓄電池供電。機車還裝有一臺2千瓦的DM51型勵磁機，用來供給牽引發電機勵磁電流，並使牽引發電機具有恆功率勵磁特性。每個轉向架裝有兩臺MT48型四極串勵直流牽引電動機，額定功率為100千瓦，額定電壓為225伏特，額定電流為520安培，額定轉速為每分鐘410轉，最高轉速可達2600轉，電樞及定子繞組均採用B級絕緣，冷卻方式為半密閉式強迫通風。為了擴大機車的的恆功率調速範圍，還可以透過在牽引電動機勵磁繞組並聯分流電阻的方法，對牽引電動機進行二級磁場削弱，磁場削弱率分別為50%和30%。六臺牽引電動機採用“兩串三並”的連線方式，即每兩臺電動機分為一組串聯連線，三組電動機採用並聯連線。空轉警報系統與EH10型電力機車相同，透過檢測同一組兩臺牽引電動機端電壓的差異來判斷空轉。轉向架.DF50型柴油機車是日本第一種採用Bo-Bo-Bo軸式的鐵路機車。日本鐵路有著許多半徑較小的曲線區段，主要幹線的最小曲線半徑為400米，二級線路的最小曲線半徑為300米，在一些支線上甚至還有200米的小半徑曲線。兩臺三軸轉向架相比，由於三軸轉向架的固定軸距較長，當機車透過小半徑曲線時會產生較大的橫向側壓力，這在之前試製的DF40型柴油機車上已經進行過試驗。若果採用軸距較短的二軸轉向架，則可減少輪對在曲線上的衝角和側壓力，從而使轉向架更容易透過小半徑曲線區段，較小的輪緣磨耗亦有利於減輕線路維護負擔，因此日本國鐵決定仿效當時歐洲的一些六軸電力機車，在DF50型柴油機車上應用了Bo-Bo-Bo軸式。機車走行部為兩臺搖枕式的二軸轉向架，包括兩臺DT102型兩端轉向架和一臺DT103型中間轉向架。兩端轉向架可以互換使用，但中間轉向架因其搖枕裝置較為特殊，不能與兩端轉向架互換。轉向架採用“日”字形的鋼板焊接箱型結構構架。搖枕裝置由上搖枕、下搖枕、搖枕彈簧、吊杆等部分組成。兩端轉向架的上下搖枕透過四根吊杆懸掛在構架側樑上，而搖枕彈簧則採用每側兩個縱向並列的螺旋彈簧，並配有垂向油壓減震器。中間轉向架的搖枕裝置具有橫動機構，“T”形吊杆機構能允許轉向架的橫向自由移動 ，使中間轉向架在機車透過曲線時，可以產生相對於車體中心線左右各最多150毫米的橫向位移；而且中間轉向架要求搖枕彈簧具有較大的橫向剛度，因此搖枕彈簧採用每側兩個橫向並列的螺旋彈簧，以便轉向架透過曲線後能夠自動復位。