東風7型柴油機車

東風7型柴油機車的12V240ZJ1型柴油機作為動力裝置，牽引傳動系統採用TQFR-3000型同步發電機、GTF-4800/770型矽整流機組、ZQDR-410型直流牽引電動機。此外，該型機車也是中國第一款採用恆功率勵磁控制系統的柴油機車。此後，北京二七機車廠根據鐵路運輸發展的需要，在東風7型機車的基礎上又先後研製出提高柴油機裝車功率、增加電阻制動、適用於幹線貨運的東風7B型機車，採用12V240/275系列柴油機的東風7C型機車，用於山區和高寒地區的東風7D型機車，提高柴油機裝車功率、軸重25噸的東風7E型重型調車機車，為大型工礦企業鐵路專用線研製的東風7F型重型調車機車，以及採用交流傳動技術的東風7J型機車，形成了一個龐大的東風7型柴油機車家族系列。發展歷史.開發背景.1970年代末，中華人民共和國鐵道部為了提高鐵路運輸能力，參考國外的經驗及積極發展鐵路過載運輸，將提高列車重量作為鐵路的一條主要技術政策，並將“鐵路過載列車成套技術研究”列入了“六五”期間的38個國家科技攻關計劃之一，其目標是要在主要幹線開行4000~5000噸級過載貨運列車，個別運煤專線開行萬噸級過載列車。鐵路過載作為一個涉及範圍廣泛的系統工程，鐵道部為此設立了牽引動力、過載貨車、重型鋼軌、牽引供電、通訊訊號等各方面配套技術的研究課題，而機車車輛攻關專案中的一項內容，便是開發大功率重型調車機車。當時，中國鐵路使用的調車柴油機車主要包括東風5型、東方紅5型柴油機車，以及已經停產的東風2型、東方紅2型柴油機車。東風2型機車適用於牽引定數為2,000噸至3,000噸以下的中型編組站調車作業。按照工礦調車設計的東方紅2型機車由於粘著重量不足，也無法用於大中型編組站的調車作業；而經過改進的東方紅5型機車則與東風2型機車相當，同樣可以滿足3,000噸以下牽引定數的調車作業。對於牽引定數為3,000噸至4,000噸的大型編組站則可使用東風5型機車，但因機車起動和低速效能未如理想，仍需作進一步改進。有鑑於預期未來主要幹線貨物列車牽引定數將提高到4000噸以上，大中型編組站由於貨物編組量增加而需要更大功率的調車機車。因此，根據中國鐵路運輸的發展需要和當時急需重型調車機車的實際情況，鐵道部遂於1979年提出了新型調車機車的研製計劃。研製過程.1979年9月至10月，北京二七機車車輛工廠派出技術人員走訪北京、濟南、上海、鄭州、成都鐵路局及所屬機務段和編組站，瞭解各地調車和小運轉機車的運用情況，以及聽取運用部門對機車的意見和要求。1980年4月，鐵道部科技局在北京二七機車廠三大功率等級調車柴油機車系列的目標。1980年6月7日，鐵道部向北京二七機車廠正式下達了《關於東風7型調車內燃機車設計任務書的通知》，要求二七機車廠和其他協作工廠合作設計和試製兩臺東風7型柴油機車。經過各個單位之間的協商之後，決定由永濟電機廠負責電機及電器系統的配套，鐵道部科學研究院機車車輛研究所負責勵磁控制系統，大連內燃機車研究所負責柴油機增壓配套和軸系扭振計算，機車總體設計和其餘機械部分由二七機車廠自理。1980年8月，二七機車廠完成了東風7型機車的草圖設計方案。同年，二七機車廠還提出了“一種機型”的產品開發目標。1981年1月，二七機車廠對12V240ZJ1型柴油機先後進行了增壓配套試驗、起動試驗和調速效能試驗，並根據對比試驗結果決定選用無錫動力機廠的261P-13型增壓器。1981年12月，12V240ZJ1型柴油機通過了效能試驗和100小時連續運轉試驗。試驗.1982年4月和6月，東風7型0001號和0002號兩臺樣車先後落成。1982年8月7日，東風7型0001號和0002號機車完成廠內除錯後正式出廠，交付北京鐵路局北京內燃機務段進行運用考核，自同年9月15日起正式投入使用。根據鐵道部科學研究院編制的機車運用效能試驗計劃，東風7型0001號機車於9月下旬調往豐臺西編組站運用。當以16位手柄從編組場牽出3,500噸列車時，東風7型機車的速度可達26公里/小時，而東風2型機車只能達到18公里/小時。1983年，鐵道部科技局聯同北京二七機車廠、鐵科院機輛所、北京鐵路局、北京內燃機務段等單位，開始對東風7型柴油機車進行整車型式試驗。1983年7月，“東風7型機車研製及鑑定試驗”課題被鐵道部列入“鐵路過載列車成套技術研究”的配套專案之一。1983年8月25日至9月28日，東風7型0001號機車在北京環形鐵道試驗基地進行水阻定置試驗；同年10月在北京環形鐵道和京承鐵路進行動力學效能試驗。1983年11月至1984年3月，在北京環形鐵道先後完成了制動效能試驗、起動加速效能試驗、牽引熱工效能試驗、司機室噪音測量、輔助功率消耗測試等試驗專案。1984年8月，東風7型0001號機車赴廣州鐵路局長沙機務段，在夏季高溫環境下進行機車冷卻效能試驗。試驗結果表明，東風7型機車的各項效能指標均達到了設計任務書提出的要求，機車牽引效能、部分負荷經濟效能良好；實測機車最大起動牽引力可達460千牛，司機控制器手柄在第一位時機車即可發揮314千牛的牽引力。東風7型機車在環形鐵道進行6,000噸煤炭專用列車的牽引試驗中，均衡速度達41.5公里/小時；單機牽引總重1,556噸的貨物列車，走行115米即可加速到20公里/小時。批次生產.1984年10月16日至18日，鐵道部科技局在北京二七機車廠主持召開東風7型機車鑑定試驗審查會，會議同意東風7型機車透過部級鑑定並批准投入批次生產。同時，鐵道部根據鐵路運輸需要要求北京二七機車廠儘快投產東風7型機車，並根據原型車在試驗和運用考核過程中發現的問題，限定於1985年完成修改設計，當年投產及交付二至三臺機車。隨後，北京二七機車廠在四個月內完成了上千張圖紙的修改設計，這次修改設計的主要改動是將司機室操縱檯由原來面向短罩端改為面向長罩端，同時還降低了輔助功率消耗、增加一級磁場削弱、提高車架剛度等，因此機車總體佈置、車體車架、冷卻水系統、輔助傳動系統、電氣及空氣制動系統的管路設定也有很大變化，尤其是車體車架幾乎每張圖紙都作了改動。從1985年9月起，北京二七機車廠開始批次生產東風7型機車，當年完成組裝7臺、試運5臺、交付3臺的生產任務。同年12月2日，經過改進設計後的東風7型0003號機車，在京廣鐵路長辛店至保定間進行第一次牽引試驗，機車牽引總重3,803噸貨物列車順利完成了各項試驗。1988年，為了提高東風7型機車的功率儲備、使其滿足小運轉任務的使用需求，北京二七機車廠開始了關於改善12V240ZJ1型柴油機增壓配套效能的研究。1989年4月，二七機車廠試製出經過改良的東風7型0111號機車，並交付鄭州鐵路局投入運用。這臺機車的柴油機裝車功率提高至2,500馬力，並改進了電子恆功率勵磁特性，冷卻系統方面加強了冷卻效能，提高了冷卻風扇的額定轉速。為了區別於一般的東風7型機車，該機車又被稱為東風7A型機車。“六五”和“七五”期間，為了提高機車車輛工業的生產能力，鐵道部大幅增加對機車車輛工業的投資。因應生產北京型和東風7型機車的擴能改造和補充配套裝置需要，北京二七機車廠從1984年開始研究轉產內燃機車後的第二次改擴建方案。1986年3月25日，鐵道部正式批覆二七機車廠擴建任務書，生產綱領確定以東風7型機車作為工廠代表產品，年產幹線及調車機車數量由原來的40臺增加到100臺，計劃總投資6,283萬元人民幣，並利用世界銀行貸款從國外引進先進加工裝置和儀器。1985年1月，東風7型機車獲得由國家科委、國家計委、國家經委等六個部委聯合頒發的“六五”國家科學技術攻關獎；同年7月獲得國家科學技術進步二等獎；1989年獲北京市優質產品稱號。運用.北京二七機車廠自1986年起開始批次生產東風7型柴油機車，至1997年底停產為止累計生產了295臺，大部分均配屬鄭州鐵路局及北京鐵路局運用，其餘少數交付地方廠礦企業使用。國家鐵路.由於東風7型機車與北京型柴油機車均採用了二七機車廠的240/260系列柴油機，為了便於機務部門對機車和柴油機的檢修，東風7型機車被集中配屬在同樣運用北京型機車的北京鐵路局和鄭州鐵路局。至1990年代初，東風7型調車機車已被陸續分配到北京鐵路分局北京機務段、豐臺機務段、南口機務段，天津鐵路分局天津機務段，石家莊鐵路分局保定機務段、石家莊機務段、陽泉機務段，太原鐵路分局太原機務段，大同鐵路分局大同機務段，鄭州鐵路分局鄭州機務段、新鄉機務段、月山機務段，洛陽鐵路分局洛陽機務段，西安鐵路分局西安機務段、寶雞機務段，安康鐵路分局安康機務段，武漢鐵路分局江岸機務段、信陽機務段，襄樊鐵路分局襄樊北機務段，投入豐臺西、鄭州北、武昌南、襄樊北、大同等大型編組站投入運用。2005年3月，中華人民共和國鐵道部正式實施撤消鐵路分局、由鐵路局直接管理站段的體制改革，原鄭州鐵路局被分割為鄭州、武漢、西安三個鐵路局，而原北京鐵路局被分割為北京、太原兩個鐵路局，新成立的武漢鐵路局管轄原武漢鐵路分局和襄樊鐵路分局的業務，西安鐵路局管轄原西安鐵路分局和安康鐵路分局的業務，太原鐵路局管轄原太原鐵路分局與大同鐵路分局的業務。下轄各機務段的機車配屬關係亦相應調整，原屬西安、安康、太原、大同、武漢、襄樊分局的東風7型機車，分別改屬西安、太原、武漢鐵路局。2010年代，原屬鄭州鐵路局的東風7型0034號機車被調撥給昆明鐵路局昆明機務段，使其成為唯一一臺曾配屬上述路局以外的東風7型機車。2014年起，在直流傳動機車被交流傳動機車所取代的大趨勢下，隨著新一代的HXN3B型、HXN5B型柴油機車投入運用，各地的東風7型機車也逐步退役及報廢。廠礦企業.1986年，為配合即將建成投產的南京揚子乙烯工程，北京二七機車廠應中國石化總公司揚子石油化工公司的請求，在完成路內生產任務的同時增產了一臺在原生產計劃外的東風7型0114號機車，並於1987年交付揚子石化公司投入揚子鐵路專用線使用，這亦是二七機車廠首次開啟地方廠礦企業的鐵路機車市場，後來揚子石化公司又訂購了兩臺東風7型機車等。衍生車型.東風7B型.因考慮到山區和丘陵地帶的鐵路線路坡度較大，並且使機車適應幹線小運轉和支線運輸的需要，北京二七機車廠於1989年決定在東風7型柴油機車的基礎上，開發研製具備電阻制動裝置的東風7B型柴油機車。與前者相比，東風7B型機車改為裝用一臺12V240ZJ-5型柴油機，裝車功率由2,000馬力，並相應提升了冷卻系統的效能；機車增設兩組臥式電阻制動櫃，以確保下坡執行的安全性；司機室內加裝第二操縱檯，解決機車換向執行時操縱不便問題；電氣系統並增設了重聯裝置。東風7B型3001號及3002號機車於1991年2月出廠，並交付北京鐵路局陽泉機務段投入運用考核。1991年下半年，北京二七機車廠開始小批次生產東風7B型機車。1992年，鐵道部決定在京廣鐵路石家莊至鄭州北之間開行5000噸級過載貨物列車，同年9月利用兩臺重聯的東風7B型機車順利完成了5000噸級過載列車牽引試驗。隨後，北京二七機車廠根據鐵道部提出的要求，對東風7B型調車機車在車體、電氣、輔助系統、管路及裝置等方面，進行區域性改進設計以適應幹線貨運的需要，並於同年年底試製成東風7B型6001號及6002號幹線貨運機車，並於1993年3月投入小批次生產。幹線貨運型機車的主要改動為換裝了12V240ZJ-7型柴油機和ZN261-13B型增壓器，其餘各部分結構均與東風7B型調車機車相同。東風7C型.1991年，為了提高東風7型機車與東風4型機車零部件通用性、使其使用範圍能擴大到北京和鄭州鐵路局之外，鐵道部要求北京二七機車廠生產裝用240/275系列柴油機的東風7C型柴油機車。1991年10月，東風7C型5001號及5002號機車在北京二七機車廠落成，同年底交付上海鐵路局南翔機務段運用，並自1992年起投入小批次生產。首七臺機車裝用由大連機車車輛廠提供的12V240ZJE型柴油機，從東風7C型5008號機車開始則改為裝用由二七機車廠自行生產的12V240ZJ6型柴油機。與裝用240/260系列柴油機的東風7型機車相比，除了柴油機型號以及相應的油水管路、進排氣管道有所改變外，東風7C型機車還在司機室內增設了第二操縱檯並提高了電氣室高度，而其他主要結構和效能引數均與東風7型機車大致相同。技術特點.總體佈置.基本結構.東風7型柴油機車是調車及小運轉用的六軸柴油機車，機車標稱功率為1,600馬力，構造速度為100公里/小時，運轉整備重量為135噸，軸重為22.5噸。機車採用外走廊式及中梁承載的罩式車體結構，車體所有載荷均由車體底架承擔，車體底架長度為17,800毫米，車鉤中心線間距為18,800毫米，車體寬度為3,344毫米，車體高度為4,750毫米。車身兩側和兩端設有露天走臺與扶梯，車體兩側設有供乘務人員檢修裝置的拉門。車體底架兩端裝有13號上作用車鉤、牽引緩衝裝置和排障器。車體底架下部兩臺轉向架之間吊掛著一個容量為5,400升的，燃油箱兩側設有鉛酸蓄電池組。裝置佈置.機車從前到後分別為輔助室、冷卻室、動力室、司機室和電氣室，其中電氣室方向為短罩端，輔助室方向為長罩端。輔助室內設有兩臺空氣壓縮機。冷卻室內設有冷卻水系統和散熱裝置，冷卻室頂部裝有兩個由液力耦合器驅動的軸流式冷卻風扇，冷卻風扇直徑為1,500毫米，冷卻室兩側共設有40個銅管帶式散熱器單節，冷卻室下部設有輔助變速箱、機油熱交換器和前轉向架牽引電動機通風機。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。動力室內安裝了一套柴油發電機組，柴油機自由端透過彈性聯軸節和萬向軸連線起動變速箱，並透過該變速箱驅動、、後轉向架牽引電動機通風機；動力室內並設有兩個總風缸、空氣濾清器、、、、預熱鍋爐、、矽整流櫃、勵磁整流櫃等裝置。司機室內設有包含主控制器、操縱按鈕、空氣制動閥、儀表和訊號顯示裝置等裝置的司機操縱檯，另外還設有。在最初生產的東風7型0001號和0002號機車上，司機室內在面向短罩端方向的左側設有司機操縱檯。從東風7型0003號機車開始將司機操縱檯改為設於面向長罩端方向的左側。司機室並設有三個門與外走廊相通，另一個門通往電氣室。電氣室內設有高低壓控制電器櫃，其中包含換向開關、電子恆功率勵磁裝置、電壓調整器和各種用途的接觸器開關。空氣制動裝置採用JZ-7型空氣制動機，並配備兩臺NPT5型電動空氣壓縮機。柴油機.東風7型柴油機車裝用一臺由北京二七機車廠設計及製造的12V240ZJ1型柴油機，屬於240/260系列柴油機產品之一。該型柴油機的結構和效能與北京型柴油機車所使用的12V240ZJ型柴油機基本相同，只是在機座、聯軸節、增壓器和部分管路等作出一些改動，並調整了工作轉速和壓縮比引數。與12V240ZJ型柴油機相比，12V240ZJ1型柴油機的標定轉速由每分鐘1,100轉降低到1,000轉，裝車功率由2,700馬力，以提高柴油機的耐久性和可靠性；為提高機車在低負荷工況時的經濟性，在柴油機熱負荷允許條件下提高了最大燃燒壓力，降低空轉轉速，並增設空轉節油擋使最低負荷轉速與空轉轉速分開，定為每分鐘400轉。12V240ZJ1型柴油機是一款12氣缸、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。為240毫米，活塞行程為260毫米。柴油機機體採用鋼板焊接結構，V形夾角下部設有和冷卻活塞的機油管道。柴油機並採用鋼頂鋁裙振盪冷卻組合式活塞、合金鋼全纖維鍛壓懸掛式曲軸、蠕墨鑄鐵整體鑄造汽缸蓋、合金鋼鍛壓主副式、單體式噴油泵。柴油機採用脈衝增壓系統，V形夾角上部設有兩臺ZN261-13型渦輪增壓器。柴油機採用由步進電機驅動的無級調速聯合調節器。空氣過濾裝置採用多旋流管式慣性濾清器和鋁板過濾網組成二級空氣濾清系統。柴油機由ZQF-80型起動發電機起動，其電源由96伏特直流蓄電池供給。柴油機完成起動後，起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。東風7型柴油機車投入運用初期，在進行定期維修時相繼發現機油稀釋的問題。由於調車機車的柴油機經常處於空載最低轉速狀態，柴油機噴油器在較小供油量的情況下造成燃油霧化質量不良，噴射出的大顆粒油滴未能與進入的空氣混合燃燒，致使未完全燃燒的燃油沿氣缸套內壁滲入柴油機，並導致機油稀釋。為此，北京鐵路局北京內燃機務段於1989年11月率先在東風7型0104號和0075號機車上試驗安裝單側供油裝置，當柴油機在最低轉速狀態時切斷其中一側氣缸的供油，使另一側氣缸的負載增大並相應增加其供油量以維持最低轉速，從而改善燃油霧化和避免了機油稀釋的問題。1990年起，北京鐵路局為東風7型柴油機車陸續加裝單側供油裝置。傳動系統.東風7型機車採用交—直流電傳動裝置，柴油機曲軸透過聯軸節驅動一臺交流同步發電機發出三相交流電，經由矽二極體組成的三相橋式整流裝置整流為直流電後，再將電能輸送給兩臺轉向架上的六臺直流牽引電動機，透過傳動齒輪驅動。東風7型機車的主發電機、牽引電動機、矽整流機組、起動發電機和勵磁機型號均與東風4B型柴油機車相同。牽引發電機.牽引發電機採用TQFR-3000型三相交流同步發電機，額定容量為2,985千伏安，額定電壓為438／613伏特，額定電流為3,936／2,805安培，額定轉速為每分鐘1,100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4,985公斤。牽引發電機的由一臺專門的勵磁機供給，勵磁機由柴油機透過起動變速箱驅動，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。整流裝置.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，整流裝置是由矽二極體元件組成的三相橋式全波整流電路。東風7型機車採用與東風4B型柴油機車相同的GTF-4800/770型矽整流裝置，由六個串聯的整流橋臂組成，每一橋臂有六個並聯的ZP500-20型風冷平板式整流二極體，每臺整流櫃共有36個二極體元件，矽整流裝置的最大直流輸出電壓為770伏特，額定直流輸出電流為4,800安培。牽引電動機.牽引電動機採用ZQDR-410型四極串勵直流電動機，額定功率為410千瓦，額定電壓為550伏特，額定電流為800安培，額定轉速為每分鐘640轉，最高轉速為每分鐘2,365轉，定子及電樞絕緣等級分別均為H級，冷卻方式為強迫通風。牽引電動機採用全並聯連線。首兩臺最早試製的原型車並無磁場削弱功能。為了擴大機車的恆功率速度範圍，從1985年起批次生產的機車則在牽引電動機迴路增加了一級磁場削弱，磁場削弱係數為60%。控制系統.東風7型柴油機車的勵磁控制系統採用由鐵道部科學研究院機車車輛研究所研製的DHT-A型電子恆功率調節器，同時還保留了從東風4型柴油機車沿用下來、由聯合調節器油馬達驅動功調電阻的勵磁調節裝置。兩者共同進行牽引工況時的恆功率控制，彌補了聯合調節器功調電阻勵磁系統反應時間長、動態效能差的缺陷，並可自動控制機車起動電流增長率和恆制動功率。當功調電阻勵磁調節裝置發生故障時，微機控制的勵磁調節器仍然可以獨立運作。同時，勵磁控制系統還可藉助於聯合調節器對功調電阻的調節訊號來實現機車輔助功率的轉移。功調電阻勵磁調節裝置採用由聯合調節器伺服油壓馬達帶動變阻器的方式。牽引發電機的勵磁電流是由勵磁機發出的交流電經勵磁整流櫃整流後供給，而勵磁機的勵磁電流則是由柴油機經啟動變速箱驅動的測速發電機供電。測速發電機的勵磁電流由110伏輔助電源提供，並經過功率調節電阻和勵磁調節器控制。功率調節電阻的滑動觸點由聯合調節器上的功率伺服油壓馬達帶動，它根據柴油機工作狀況自動地調節可變電阻器的阻值，從而改變測速發電機的勵磁電流，並經測速發電機和勵磁機二級放大後，間接地改變了牽引發電機的輸出功率。電子恆功率調節器採用柴油機在各手柄擋位下的轉速作為牽引發電機的功率給定訊號，並採用霍爾感測器作為牽引發電機的電壓、電流和功率訊號檢測器；由運算放大器組成的比例積分調節器和定寬變頻式閘流體斬波器則作為執行元件，用來改變勵磁機的勵磁電流，繼而調節牽引發電機的輸出功率。鐵科院的這套電子恆功率調節器最初是為東風5型柴油機車設計，並於1977年內先後安裝在東風5型0001號機車和東風4型0113號機車上進行試驗。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。轉向架的主要結構與東風4型柴油機車基本相同。轉向架採用鋼板組焊成封閉式箱形結構的“目”字形構架。輪對軸箱內裝有四列向心圓柱滾子軸承，軸箱定位裝置採用拉桿式彈性定位結構，軸箱透過裝有橡膠關節元件的上、下軸箱拉桿與構架相連線，實現軸箱相對於構架的橫向和縱向定位。轉向架採用四點支承的彈性摩擦旁承裝置，車體全部重量透過八個旁承由兩臺轉向架支承，轉向架與車體間還設有緩衝側擋裝置。彈簧懸掛裝置分為一系和二系懸掛兩部分。一系懸掛採用獨立懸掛形式，包括軸箱與構架之間的軸箱圓彈簧，以及用於衰減吸收來自軌道高頻振動的橡膠墊，以及在1、3、4、6軸裝有並列的液壓減震器；二系懸掛為轉向架構架與車體之間的旁承橡膠堆，一系及二系懸掛靜撓度為90毫米和15毫米。牽引力和制動力透過低位平行四杆牽引杆機構傳遞，牽引點至軌面距離725毫米。牽引電動機採用單側齒輪傳動的軸懸式驅動方式。基礎制動方式為帶閘瓦間隙自動調節器的單側踏面制動，每個車輪各有一套制動裝置，當機車施行制動時制動缸從空氣制動機獲得壓縮空氣，並透過槓桿機構使閘瓦抱輪產生制動作用。停車制動為手制動裝置。