FL9型雙動力源機車

FL9型雙動力源機車是美國通用汽車電氣動力分部為設計製造的一款幹線客運用雙動力源鐵路機車。這款機車是在F9型柴油機車基礎上發展而來的雙動力源機車，既能夠在非電氣化線路上以柴油機作為動力源，又可以在第三軌供電的電氣化鐵路上獲得直流電源。1956年10月至1960年11月間，通用汽車電氣動力分部共生產了60臺FL9型機車。紐約，紐黑文和哈特福德鐵路於1969年結業後，FL9型機車先後被、聯合鐵路公司、美國國家鐵路客運公司、大都會北方鐵路等鐵路公司繼承和使用。開發背景.紐約，紐黑文和哈特福德鐵路早於1907年已經完成電氣化，採用接觸網供電的11千伏25赫茲單相交流電制式，這是當時世界上最長的一條電氣化鐵路幹線，而且還是世界上首次採用單相交流供電的電氣化鐵路。儘管如此，由於長期困擾著紐黑文鐵路公司的財政問題，直到該公司於1969年合併到之時，將電氣化鐵路延伸至波士頓的計劃仍沒有實現。此外，紐黑文鐵路還與紐約中央鐵路擁有關於使用路權的營運協議，紐黑文鐵路的列車可以透過紐約中央鐵路的線路，直通執行至紐約市曼哈頓的大中央車站。為了保障列車執行安全和環境保護的原因，連線大中央車站的區段早於1907年就完成電氣化，供電制式為第三軌供電的660伏特直流電，從此蒸汽機車和柴油機車被禁止進入紐約市中心的地下隧道，電氣化區段不久之後還進一步延伸至伍德朗。在雙動力源機車出現以前，所有從大中央車站發往波士頓方向的旅客列車，在紐約大中央車站至紐黑文之間由電力機車牽引，並於紐黑文更換為柴油機車牽引直至目的地。1950年代中期，為了提高機車運用效率和縮短列車執行時間，紐黑文鐵路決定研製一種新型雙動力源機車，這種機車既能夠在一般線路上以柴油機作為動力源，當進入公園大道隧道後又可以從第三軌獲得直流電。紐黑文鐵路的機械工程部門根據這個概念，與多家機車製造商接洽並開展設計任務，但由於曼哈頓97街至公園大道隧道口的高架橋承重限制，幾家機車製造廠提出的方案都因重量超過限制而未被採納。後來，通用汽車電氣動力分部。這批機車於1957年全部完成交付，後來又追加訂購了第二批30臺機車，並於1960年交付完畢。技術特點.總體結構.FL9型機車是內燃和電力雙動力源的幹線客運機車，採用“鬥牛犬”式流線型外觀的整體承載結構棚式車體，車體長度比F9型柴油機車延長了約8英尺，以容納額外增加的電氣裝置和蒸汽鍋爐。車內裝有一臺為旅客列車供暖的維帕-克萊森式蒸汽鍋爐，蒸汽發生量為每小時2000磅，水箱容積為1300加侖。機車走行部為特殊的B-A1A軸式，前端轉向架是二軸轉向架，而後端轉向架則是三軸轉向架；除了三軸轉向架的中間軸之外，其他四根車軸均由各自的牽引電動機驅動。這種軸式配置最初是為FP9型柴油機車設計的，原意是用來增加水箱容量以便牽引長距離旅客列車，雖然實際上從來沒有FP9型機車使用這種軸式，卻在後來的FL9型機車上被成功應用。為了騰出第三軌受電靴的安裝空間，FL9型機車使用經過改良的布貝格轉向架，將原本設定在構架外側的搖枕鋼板彈簧取消，改為使用設定在構架內側的搖枕螺旋彈簧。而轉向架其他部分則與普通的布貝格轉向架無大差異，車軸軸箱採用導框式定位結構，一系懸掛為軸箱頂端兩個並聯的螺旋彈簧組。牽引力和制動力透過中心銷來傳遞。基礎制動裝置為雙側閘瓦制動，每個輪對左右各設有一個制動缸，另外還設有閘瓦間隙調整器。FL9型機車採用西屋空氣制動公司的24RL型非自動保壓式制動機。動力裝置.FL9型機車的動力裝置是一臺16氣缸的易安迪567系列二衝程柴油機，氣缸直徑為8.5英寸，並與D22A型牽引發電機配套使用。柴油機直接與直流牽引發電機相連線，另外還驅動一臺交流輔助發電機，用來為冷卻風扇電動機和牽引電動機通風機供電。傳動系統.傳動系統採用直—直流電傳動裝置，柴油機直接驅動一臺直流牽引發電機，發出的直流電供給四臺D37B型直流牽引電動機。當以柴油機作為動力源時，司機控制器手柄的八個級位分別對應著八個柴油機轉速檔位。為了充分利用牽引發電機發出的功率，並使牽引電流、電壓自動保持在規定的限值內，在加速過程中牽引電動機自動進行四種方式的串—並聯換接，當機車起動和加速時牽引電動機以“兩串兩並”方式連線，以此擴大恆功率調速範圍並使機車達到最高速度。這種控制方式當時被廣泛應用於易安迪公司的柴油機車。當機車在電氣化鐵路上由第三軌供電時，仍由同一個司機控制器對機車實行操縱。由於受流電壓和牽引電動機的額定電壓相若，因此只需使用串—並聯換接和電阻調壓來作為調速手段。司機控制器的第一個級位使牽引電動機以“兩串兩並”方式連線，並和所有電阻器串聯連線；第二至第五級位順序減少串聯連線的電阻器，逐步提高向牽引電動機供給的電壓；第六級位使牽引電動機轉換到全並聯連線，並和另外一系列電阻器連線；第七和第八級位是接入分流電阻進行二級磁場削弱。FL9型機車總共有28個調壓級，從而獲得相對平滑的調速效能。現代化改造.改造背景.FL9型機車自投入運用以來經歷了多次大修，雖然從1980年代起鐵路公司開始考慮採購新型機車來取代FL9型機車，但由於需求量太少的原因，新機車的招標總是得不到回應，因而唯一的辦法是對FL9型機車進行一次又一次的大修，以儘可能延長其使用壽命。1985年起，為了配合具備電氣供暖的投入運用，大都會北方鐵路對部分FL9型機車進行了相應改造，加裝為列車供電的輔助柴油發電機，為旅客列車的空調、照明、蓄電池充電等用電負載供應480伏特60赫茲三相交流電。1986年，鐵路公司決定選取十臺FL9型機車進行全面的現代化改造，其中包括大都會北方鐵路的七臺機車作為工程承包商。為了便於對交流傳動技術進行分析和模擬，ABB公司還在德國曼海姆建立了牽引系統試驗平臺。改造工程原本計劃在北卡羅來納州的共和機車製造廠進行，但該工廠結業後改造工程被轉移至紐約州埃爾邁拉市的ABB工廠繼續進行。改造內容.鐵路公司選擇了易安迪公司的12-710G3型柴油機作為FL9AC型機車的動力裝置，這是一款12氣缸、二衝程、廢氣渦輪增壓的V型中速柴油機，氣缸直徑為9-1⁄16英寸，額定轉速為每分鐘900轉。選擇該型柴油機的主要因素是在提高功率的同時亦可以縮小尺寸和減輕重量，使其能夠適配於新的電氣裝置和滿足空氣濾清系統的要求，而且繼續使用易安迪柴油機也有利於維護檢修、人員培訓和配件提供。FL9AC型機車是繼美國國家鐵路客運公司的202號機車之後，美國第二款採用ABB牽引系統的交流傳動柴油機車。主傳動系統主要由牽引發電機、整流裝置、升壓斬波器、制動斬波器、牽引逆變器、牽引電動機、微機控制系統等部分組成。FL9AC型機車裝用一臺易安迪AR7YBC型三相交流同步牽引發電機，是在易安迪AR10型牽引發電機的基礎上改良而成。柴油機透過彈性聯軸器直接驅動牽引發電機，發出的三相交流電透過整流裝置轉換成直流電後，再由兩臺VVVF牽引逆變器轉換成頻率、電壓可調節的三相交流電，每臺逆變器各自向每個轉向架上的兩臺牽引電動機供電。當機車在電氣化鐵路從第三軌獲取的660伏特直流電時，首先經過在第二象限工作的升壓斬波器，將電壓提高至1400伏特的中間直流電壓後再輸入逆變器。FL9AC型機車上的升壓斬波器、制動斬波器、牽引逆變器均採用相同的GTO功率模組，每一個模組都是由反並聯方式連線的可關斷閘流體和二極體元件組成，功率模組採用防火效能較好的氟利昂蒸發冷卻。四臺牽引電動機採用由ABB公司提供的鼠籠式非同步牽引電動機，控制策略採用ABB公司開發的直接轉矩控制，繞組使用、玻璃纖維、矽樹脂真空壓力浸漬進行絕緣處理，牽引電動機的電樞軸端裝有空轉感測器。機車上還裝有一臺CVCF逆變器作為列車供電裝置，它能夠為列車提供最大700千瓦容量的480伏特60赫茲三相交流電。FL9AC型機車使用MICAS-S微機控制系統，系統分為機車控制級和傳動控制級兩個層次，各個層級和模組透過匯流排交換資訊，系統具有牽引控制、制動控制、防空轉保護、故障診斷和顯示等功能。運用歷史.FL9型雙動力源機車於1957年開始投入服務，最初主要擔當紐約至波士頓、斯普林菲爾德的直通旅客列車的牽引任務，包括紐黑文鐵路的優等旅客列車“商旅特快號”，單程旅行時間約4小時15分鐘。後來，FL9型機車的執行區段不僅延伸到普羅維登斯甚至鱈魚角，在新英格蘭地區的丹伯裡、皮茨菲爾德、伯克希爾等地均可見到其蹤影。FL9型雙動力源機車的靈活性和廣泛運用，使紐黑文鐵路公司得以在1961年拆除了紐黑文線至間的電氣化鐵路架空接觸網，另外亦促使紐黑文鐵路淘汰了所有在1955年以前投入運用的舊型電力機車，只保留了部分和交流電力機車繼續使用。1969年，紐黑文鐵路公司被繼續撥款來維持營運。在的介入之下，時任美國總統尼克松於1973年簽署了《地區鐵路重組法案》。1983年，聯合鐵路公司將通勤鐵路客運業務移交給各州政府的交通管理部門。為此，紐約州政府下轄的紐約大都會運輸署於同年成立了大都會北方鐵路，作為一家經營紐約州通勤鐵路服務的公營機構，這些屬於大都會北方鐵路的FL9型機車都採用了新塗裝。其中10臺機車後來經過翻新後又被轉售予，這批機車均採用原始的紐黑文鐵路塗裝。1980年代末，長島鐵路計劃開行由傑斐遜港經紐約市至奧爾巴尼的直通旅客列車，由於列車會進入位於紐約市曼哈頓地底的賓夕法尼亞車站，長島鐵路考慮到進行全線電氣化改造的成本高昂，因此決定使用雙動力源機車作為牽引動力，以利用賓夕法尼亞車站的第三軌供電電氣化鐵路。1989年，長島鐵路向大都會北方鐵路購置了三臺FL9型機車，並且連同大都會北方鐵路的七臺機車進行了現代化改造。同時，長島鐵路還向日本的東急車輛製造訂購了10輛C1型雙層客車，這批客車於1991年7月抵達美國並開始試執行；由於當時改造後的FL9AC型機車尚未來得及完成試驗，在試執行初期曾經一度使用E8型和GP38-2型柴油機車作為牽引動力，直到FL9AC型機車於1992年開始投入試執行為止。然而，C1型雙層客車因設計方面存在不足之處而未曾實際投入營運，長島鐵路的FL9AC型機車也因此歸還給大都會北方鐵路。1995年起，隨著大都會北方鐵路和美國國家鐵路客運公司引入了新一代的P32AC-DM型雙動力源機車，使用壽命將近50年的FL9型機車開始逐步被淘汰。2005年10月23日，大都會北方鐵路、康涅狄格州運輸部、合作舉辦了一次FL9型機車的活動。2009年，大都會北方鐵路的FL9型機車全部停運報廢。不少FL9型機車在退役後都進入博物館儲存或者轉讓予地方鐵路使用，例如部分從美鐵退役的FL9型機車被購入及用來牽引旅遊列車，還有兩臺機車被購入，用來牽引布倫瑞克至羅克蘭的短途旅客列車。