東風4E型柴油機車

東風4E型柴油機車，是當時中國國內牽引功率最大的柴油機車。機車動力裝置採用由四方機車車輛廠自行製造的16V240ZJB型柴油機，機車還採用了永濟電機廠引進美國通用電氣技術生產的ZD109A型牽引電動機，有效擴大了機車恆功率調速範圍，並使牽引電動機的可靠性得到提高。1994年至1997年，四方機車車輛廠共生產了16臺東風4E型機車，全部配屬上海鐵路局南翔機務段運用，擔當滬寧鐵路的過載貨物列車牽引任務。1990年代末，隨著新一代大功率過載貨運柴油機車——東風8B型柴油機車面世，逐漸取代了燃油消耗率較高及運用靈活性較差的東風4E型機車。2002年，全部東風4E型機車由戚墅堰機車車輛廠改造為32臺東風4B型貨運機車。發展歷史.開發背景.從1980年代起，中國實行改革開放後隨著國民經濟的發展，中國鐵路貨物運輸量迅速增長，鐵路運輸能力與運量增長的矛盾越趨突出。“六五”及“七五”期間，中華人民共和國鐵道部確定了以“貨運過載、客運高速”、提高運輸能力為方針的鐵路科技發展規劃，並將鐵路貨運過載配套技術列入研究開發的主攻方向之一，致力提高機車牽引功率和貨車裝載重量。為了緩和繁忙幹線運輸能力緊張的局面，鐵道部決定透過調整機車型別、延長貨物列車長度、提高牽引定數的辦法，在京滬、京廣、京哈鐵路等主要幹線開行5000噸級過載混編貨物列車。“七五”期間根據鐵道部“中取華東”的鐵路建設戰略，對滬寧鐵路進行了提速擴能改造，並擴建了南翔及南京東編組站。為了滿足滬寧鐵路提高列車重量後的牽引需要，大連機車車輛廠於1993年8月根據鐵道部的指示，試製了兩臺具有重聯裝置的東風4B型柴油機車，配屬上海鐵路局南翔機務段使用，並向南翔機務段提交了重聯機車的改造圖紙，由機務段自行對該段配屬的東風4B型機車進行加裝重聯裝置的改造。研製過程.1994年初，鐵道部頒發了新的《鐵路主要技術政策》177號》文向四方機車車輛廠下達關於研製東風4E型重聯柴油機車的設計任務書，並要求在1994年內完成試製及交付第一組機車。為了便於鐵路機務部門的運用、維護和保養，東風4E型機車是在東風4B型機車的基礎上設計而成，實質上相當於兩節固定聯掛的東風4B型機車，兩節單司機室機車透過微機控制重聯裝置實現同步控制。1994年2月，鐵道部科教司批准大連內燃機車研究所立項研製“電傳動內燃機車重聯裝置”。1994年5月26日，鐵道部在北京召開東風4E型機車設計審查會議，通過了機車設計方案並進入試製階段。1994年12月，大連內燃機車研究所研製的重聯裝置完成實驗室模擬試驗後，發往四方機車車輛廠裝車。1994年12月28日，第一組東風4E型0001號機車在四方機車車輛廠完成組裝。1995年1月至3月，開始在廠內進行單機水阻試驗和靜態重聯功能試驗，隨後在膠濟鐵路青島至濰坊東之間進行了正線重聯執行試驗和出廠驗收執行試驗。1995年4月19日，東風4E型0001號機車到達所配屬的上海鐵路局南翔機務段，在滬寧鐵路按過載交路投入效能試驗和運用考核。提速試驗.1995年，中國鐵路正式奏響了既有線大提速的前奏，關於繁忙幹線提速的研究與試驗全面展開。1995年9月16日至22日，滬寧鐵路進行了首次貨物列車提速試驗，試驗列車分別由東風8型柴油機車和東風4E型柴油機車牽引，按三種不同的編組方式在南翔至南京東、南京東至常州東之間往返執行，分別為東風8型機車單機牽引4200噸、東風4E型機車牽引4200噸、東風4E型機車牽引5000噸，列車編組以C62A型及C64型敞車為主，並加掛SY 97050牽引動力試驗車以收集測試資料，主要試驗專案包括機車起動加速效能、列車執行時分、列車常用及緊急制動、調速制動效能等。試驗結果顯示，東風4E型機車的起動加速能力遠優於東風8型機車。當東風4E型機車牽引4200噸列車時，平直道起動加速到80公里/小時的所需時間和距離為8分16秒和7.32公里，加速到90公里/小時的所需時間和距離為11分21秒和11.75公里，最高速度可達100.4公里/小時。當東風4E型機車牽引5000噸列車時，平直道起動加速到80公里/小時的所需時間和距離為9分21秒和8.52公里，最高速度可達96.5公里/小時，滬寧之間的全程執行時間為3小時46分鐘，比當時中國國內貨物列車的平均速度提高了一倍，證明其能夠滿足“九五”期間鐵路高速過載的需求。。滬寧鐵路提速試驗結束後，四方機車車輛廠於1996年完成了東風4E型機車的圖紙整理工作，並通過了鐵道部機務局的審查，開始批次生產東風4E型機車。1994年至1997年間，四方機車車輛廠共生產了16組東風4E型柴油機車。機車改造.1997年，戚墅堰機車車輛廠成功研製出採用16V280ZJA型柴油機的東風8B型柴油機車，該型機車是專門為幹線貨運提速而設計的大功率過載貨運柴油機車，柴油機裝車功率為3,680千瓦，單機標稱功率為3,100千瓦，機車軸重為25噸，單機在4‰坡道以下區段牽引5000噸過載貨物列車時的最大速度可達85公里/小時。1999年，東風8B型柴油機車投入批次生產並大量配屬南翔機務段，擔當滬寧鐵路的過載貨物列車牽引任務。由於東風4E型柴油機車屬於滿足過載牽引需求的過渡性產物，而且雙機固定重聯也導致機車燃油消耗量較大、運用靈活性較差的缺點，相比之下，東風8B型柴油機車明顯具有更好的經濟性，僅需一臺機車已經能夠取代雙機重聯使用的東風4E型機車，擔當相同重量的過載列車牽引任務。2001年至2002年，戚墅堰機車車輛廠根據上海鐵路局的要求，將16組東風4E型柴油機車改造為32臺東風4B型柴油機車。在保證機車運用可靠性和零部件威化的通用性前提下，儘可能選用東風4B型機車上成熟的產品，主要部件如柴油發電機組、牽引電動機、轉向架等仍然利用原車部件。機車改造範圍以車體底架與司機室為主，車體按照東風4B型機車的鋼結構進行改造，車體第二端增設一個司機室，冷卻室和二端司機室之間增加一個隔牆；對柴油機的燃油系統、機油系統、冷卻水系統管路重新佈局；將東風4E型機車原來採用的斜齒輪靜液壓變速箱，改造為東風4B型機車通用的直齒輪結構變速箱。電氣控制系統方面，司機操縱檯及電器櫃結構均按照東風4B型機車的標準進行改造，並加裝了LTQ-IIA型勵磁調節器。這批由東風4E型機車改造而成的東風4B型機車，新車號為7701～7732號，而此號段與大連機車車輛廠製造的32臺東風4B型機車編號重複，因此該號段的每個編號各有兩臺機車。這兩批機車外觀基本完全相同，僅機車出廠銘牌標識和駕駛室空調的佈置有所區別。這批機車經改造後全部配屬上海鐵路局上海機務段，主要負責滬昆鐵路貨運交路、上海至封浜的8521～8526次通勤列車，以及上海鐵路樞紐內鐵路支線包括何楊支線、南何支線、新閔支線、金山支線等的小運轉任務。截至2020年1月，東風4B型7708、7710、7713、7714、7723、7725、7727、7729號機車仍在運用狀態，其餘24臺機車已經退役並被封存在金衛西站。技術特點.總體佈置.東風4E型機車是幹線貨運用的雙節重聯十二軸柴油機車，由兩節結構相同的單司機室六軸機車聯掛而成，分別為A節和B節機車。機車乘務員在本務機車上可同時操縱兩節機車，兩車之間有橡膠風擋和。機車既可雙節重聯使用，也可單節獨立使用。機車標稱功率為5,400馬力，構造速度為100公里/小時，運轉整備重量為2×138噸。東風4E型機車採用單司機室、內走廊式、全鋼焊接結構的框架式側牆承載車體，車體由左右側壁、底架、車頂、內部隔牆、後端牆、司機室等部分焊接在一起，車體主要骨架採用16Mn低合金鋼材。車體長度為20,010毫米，車鉤中心線間距為2×21,100毫米，車體寬度為3,105毫米，車體高度為4,755毫米。每節機車的車體底架下部兩臺轉向架之間，吊掛著一個容量為8,000升的，燃油箱兩側並設有鉛酸蓄電池組，燃油箱前後各設有一個總風缸。機車從前到後分別為、電氣室、動力室、冷卻室，其中電氣室、動力室和冷卻室頂部均設計成活動頂蓋，以便拆裝車內部件。司機室內機車執行方向的左側設有司機操縱檯、重聯控制裝置顯示器、空氣制動機的自動制動閥和單獨制動閥等，右側設有副司機座席及工具箱，司機室後壁設有裝置手柄。電氣室內設有電氣控制櫃、主矽整流櫃、勵磁整流櫃和電阻制動櫃等電氣裝置，由啟動變速箱驅動的、、測速發電機、前轉向架牽引電動機通風機等輔助裝置佈置在電氣室後部地板上。位於機車中部的動力室內安裝了一套柴油發電機組，並設有車體通風機、空氣濾清器、、、、預熱鍋爐等輔助裝置。柴油機空氣濾清系統採用與東風4B型機車相同的二級空氣濾清系統，第一級以旋風筒式慣性空氣濾清器作為粗濾器，第二級以鋼板網式空氣濾清器作為細濾器。為了方便對動力裝置的檢修，機車除了在司機室設有側門外，在動力室的兩側也設有一對側門。冷卻室設有冷卻水系統和散熱裝置，冷卻室頂部裝有V型結構的肋片扁管式銅散熱器，以及兩個直徑為1,600毫米的軸流式冷卻風扇，冷卻風扇由靜液壓馬達傳動。機車設有兩套獨立的迴圈冷卻水系統，分別為冷卻柴油機的高溫冷卻水系統。冷卻室下方設有靜液壓變速箱、後轉向架牽引電動機通風機、機油熱交換器、空氣壓縮機等，機車尾端設有重聯電氣分線箱及空氣制動系統的主要閥類。冷卻室左右兩側側壁均設有八個通風百葉窗口。東風4E型機車的空氣制動裝置沿用了東風4B型機車的JZ-7型空氣制動機，但加裝了重聯閥使兩節機車的制動、緩解作用協調一致，兩節機車的總風缸之間有平均管相連，使四個總風缸的風壓保持平衡。停車制動採用手制動裝置。柴油機.每節機車裝用一臺由四方機車車輛廠製造的16V240ZJB型柴油機，為240/275系列柴油機產品之一。該型柴油機為、四衝程、V型結構、直接噴射、、廢氣渦輪增壓、增壓空氣中間冷卻的中速柴油機。與大連機車車輛廠生產的同型號柴油機相比，四方機車車輛廠採用了高強度整體鑄造機體和合金鋼整體鍛造麴軸，有別於大連廠採用的鋼製鑄焊組合結構機體和合金球墨鑄鐵曲軸。整體鑄造機體消除了因機體造成板材裂紋的隱患，提高柴油機的可靠性和耐久性。柴油機還採用合金鍛鋼、組合式鋼頂鋁裙活塞、蠕墨鑄鐵鑄造氣缸蓋。為240毫米，活塞行程為275毫米，額定轉速為每分鐘1000轉，最低空載轉速為每分鐘430轉，為3,600馬力。左右兩列氣缸中心線間夾角為50°，V形夾角上方設有主機油道、進氣穩壓箱、、、排氣總管等部分，兩套ZN310G型渦輪增壓器及中冷器組對稱安裝在柴油機兩端的上方。16V240ZJB型柴油機採用無級調速裝置，透過控制聯合調節器配速機構上的步進電機，實現對柴油機的無級調速控制。柴油機由ZQF-80型起動發電機起動，其電源由蓄電池供給。柴油機完成起動後，啟動發電機由直流串勵電動機變為直流他勵發電機，並透過電壓調整器輸出110伏特直流電，作為輔助發電機使用，用來給蓄電池充電並和向輔助電路及控制電路供電。傳動系統.東風4E型機車採用交—直流電傳動裝置，柴油機透過法蘭盤直接驅動一臺三相交流同步牽引發電機，透過矽整流裝置把牽引發電機發出的三相交流電整流為直流電，再將電能輸送給兩臺轉向架上的六臺並聯連線的直流牽引電動機，透過傳動齒輪驅動。柴油機與主發電機之間採用連線。牽引發電機採用與東風4C型機車相同的TQFR-3000B型三相交流同步發電機，額定容量為2570千伏安，額定電壓為386／606伏特，額定電流為3840／2444安倍，額定轉速為每分鐘1000轉，定子及轉子均為F級，冷卻方式為徑向自通風式，主發電機淨重為5100公斤。牽引發電機由一臺GQL-45型，勵磁機由柴油機透過啟動變速箱驅動，其發出的交流電經勵磁整流器轉換為直流電後，給發電機的轉子勵磁繞組勵磁。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，每節機車上都設有一組GTF-4800/770型矽整流裝置，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，矽整流裝置有六個串聯的整流橋臂，每一橋臂有六個並聯的ZP500-20型整流二極體，每節機車共有36個整流二極體元件。矽整流裝置的最大直流輸出電壓為770伏，額定直流輸出電流為4800安培。東風4E型機車採用永濟電機廠製造的ZD109A型四極直流串勵牽引電動機，取代了東風4B型機車的ZQDR-410型牽引電動機。該型電動機是在ZQDR-410型牽引電動機的基礎上，吸收了在引進ND5型柴油機車時通用電氣公司向永濟電機廠轉讓的牽引電動機制造技術，例如壓型焊接機座、定子整體壓型線圈等，從而提高了額定電流和額定轉矩，大幅改善了機車持續牽引特性和恆功率範圍。雖然東風4E型機車的柴油機功率與東風4B型機車相等，但由於採用了調壓比較大的牽引發電機和牽引電動機，使恆功率速度範圍由東風4B型機車的21.6～73.1公里/小時，擴充套件到19.4～97.5公里/小時。ZD109A型牽引電動機的額定功率為530千瓦，額定電壓為670伏，額定電流為845安培，額定轉速為每分鐘773轉，最高轉速為每分鐘1970轉，定子及電樞絕緣等級均為H級，冷卻方式為強迫通風。控制系統.東風4E型機車配備了由大連內燃機車研究所研製的“電力傳動內燃機車簡統化重聯裝置”，兩節機車之間的電氣及空氣連線透過一組重聯電氣軟管和四根重聯空氣軟管來提供。每節機車各有一套單獨的微機控制系統，兩節機車的微機系統透過序列通訊相互連線。微機系統在結構上分為三個部分，包括恆功率勵磁與電阻制動控制箱、重聯控制箱、司機操縱檯監控顯示屏。控制箱採用英特爾微控制器為核心並透過擴充套件介面組成控制系統，實現牽引工況恆功率勵磁控制、電阻制動控制、磁場削弱過渡控制、輪對防空轉控制、柴油機超速及機車超速保護等功能，同時還確保重聯機車中的兩臺柴油機能夠同步調速，司機亦可以在本務機車對另一臺機車的柴油機起停、故障勵磁、空氣壓縮機工況進行控制，司機操縱檯上設有顯示相鄰機車狀態的監控顯示屏。轉向架.機車軸式為2×，每節機車的走行部為兩臺相同的無導框式三軸轉向架。轉向架採用鋼板組焊成封閉式箱形結構的“目”字形構架，由箱形截面的兩根側梁、兩根橫樑、前後端梁組焊而成，並分別焊有旁承座、拉桿座、外側彈簧座、牽引拐臂座、電機吊杆座、水平槓桿座、橫向止擋、制動座、制動缸座及砂箱座等。輪對軸箱內裝有四列圓柱滾子軸承，軸箱定位裝置採用拉桿式彈性定位結構，依靠裝有橡膠關節元件的軸箱拉桿來實現軸箱的橫向和縱向定位。轉向架採用四點支承的尼龍摩擦旁承裝置，車體全部重量透過八個旁承由兩臺轉向架支承。此外，轉向架與車體間還設有彈性側擋裝置，使轉向架進出曲線時能夠相對與車體進行迴轉運動。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和橡膠墊，並在1、3、4、6軸裝有並列的垂向液壓減震器；二系懸掛為轉向架構架與車體之間的旁承橡膠堆。牽引力和制動力透過低位平行四杆牽引杆機構傳遞，牽引點高度距離軌面725毫米。牽引電動機採用軸懸式驅動方式和吊杆懸掛在轉向架構架上；牽引電動機採用順置方式，即電動機都放在車軸的同一側，有利於減少。牽引齒輪傳動比為4.5。基礎制動方式為帶閘瓦間隙自動調節器的單側踏面制動，每個車輪各配有一個152毫米直徑的制動缸，當機車施行制動時，制動缸從空氣制動機獲得壓縮空氣，並透過槓桿機構使抱輪產生制動作用。