日本國鐵DF50型柴油機車

开发背景

1950年代初，受到美国和联邦德国（西德）大力推动牵引动力内燃化改革的影响，日本国有铁道也开始计划非电气化干线的牵引动力现代化。与此同时，随着旧金山和平条约的签订，日本在1952年完成了从统制经济迈向市场经济的转变，正式结束了石油制品统制制度，日本国铁随即恢复新型柴油机车的研制工作。1953年，新三菱重工业和三菱电机成功试制了DD50型柴油机车，并投入北陆本线进行试运行。
DD50型柴油机车是1000马力的电传动柴油机车，由于日本当时缺乏铁路机车使用之中等功率柴油机的研制经验，因此采用了由瑞士苏尔寿公司转让技术及授权生产的8LDA25型柴油机。然而，DD50型柴油机车投入北陆本线运用后，很快就显示出一些设计上的不足之处。例如，单端司机室的设计令机车几乎总是需要重联运用，大大降低了这种机车的运用灵活性和经济性；加上机车的平均轴重达到了15吨，使其不能在轴重限制为14吨的四级线路上使用。此外，该型机车亦没有安装为旅客列车供暖的蒸汽锅炉，旅客列车在冬季仍需要加挂燃煤的暖房车。
1957年，随着铁路运输量伴随日本经济高速增长，日本国铁宣布执行第一个五年计划（1957年—1961年），旨在提高铁路系统运输能力和推进牵引动力现代化。同年，日本国铁在DD50型柴油机车的基础上，开发研制了新一代的DF50型柴油机车，以推动次级干线铁路的旅客列车无烟化。针对上述关于DD50型柴油机车的缺点，DF50型柴油机车是按照次级干线的单机运用为原则进行设计，采用了设有贯通门的双端司机室布置方式，并搭载了一台与EF58型电力机车相同形式的自动化蒸汽锅炉。因考虑到在次级干线的运用需要，而且搭载蒸汽锅炉亦增加了机车重量，因此DF50型柴油机车特别采用了Bo-Bo-Bo轴式，不仅使机车具有良好的曲线通过性能，还可以令轴重减轻到约14吨。
三菱重工业、汽车制造、日本车辆制造生产的基本番台机车采用经过改良的8LDA25A型柴油机，装车功率为1200马力（895千瓦）；而川崎重工业、东京芝浦电气、日立制作所生产的500番台机车则装用由西德曼恩集团授权生产的V6V22/30MA型柴油机，装车功率进一步提高至1400马力（1040千瓦）。电力传动系统包括一台直流牵引发电机和六台直流牵引电动机。为了提升DF50型柴油机车的牵引力，将最高速度设定为90公里/小时，使其在低速时能发挥同D51型蒸汽机车一样的性能，高速时能发挥同C57型蒸汽机车一样的性能。
虽然DF50型柴油机车的出现大大加快了日本国铁的非电气化干线无烟化，但与其他功率较大的蒸汽机车相比，比如1600马力的C62型蒸汽机车，其功率和牵引力水平仍然比较低；而且当时电传动柴油机车的制造成本居高不下，加上其柴油机的部分零部件需要从国外进口，一台DF50型柴油机车的造价高达7000万日元。除此之外，在柴油机车选用电力传动抑或液力传动方面，日本国铁认为液力传动机车单位功率重量较小，因而更适合允许轴重较轻的日本铁路，所以于1960年确定以后研制的柴油机车均采用液力传动。这些因素都减少了日本国铁继续购置DF50型柴油机车的意欲，最终DF50型柴油机车亦在1963年停产。
1957年3月至1962年10月，三菱重工业、汽车制造、日本车辆制造共生产了65台基本番台机车（1～65）。1958年4月至1963年10月，川崎重工业、东京芝浦电气、日立制作所共生产了73台500番台机车（501～573）。

总体布置

DF50型柴油机车是客货运通用的电力传动柴油机车，采用底架承载的全钢焊接结构贯通式箱型车体，车体钢结构的非承载部分由高强度钢板和预制构件组成。车体两端各设有一个司机室，司机室内机车运行方向的左侧设有司机操纵台，右侧设有副司机座席及手制动手柄，司机室两侧设有供乘务员乘降的侧门。司机室前端中央设有一道贯通门，贯通门外侧还设有踏板和扶手，以便机车重联时乘务人员通过到另一台机车。车体中部是设有各种机械及电气装置的机械室，机械室内从第一端至第二端顺序布置有动力室、冷却室、锅炉室三个部分，并设有贯通式双侧内走廊连接两端司机室，司机室和机械室之间设有隔墙和内车门以阻隔机械室噪音。
动力室内安装了一套柴油发电机组，牵引发电机上方装有涡轮增压器，并设有励磁机、励磁电阻器、膨胀水箱、机油滤清器、机油冷却器、辅助发电机、牵引电动机通风机、总风缸等配套设备，靠近司机室的隔墙上还设有控制电器柜，每边侧墙上各设有八个通风格栅，车体顶盖上设有多个小型采光玻璃窗。冷却室设有柴油机和机油热交换器的冷却水散热系统，冷却室顶部装有一个轴流式冷却风扇，两边侧墙上各设有一个通风百叶窗和大型散热器，冷却风扇经百叶窗口吸入冷风再从车顶排出热风，另外还设有牵引电动机通风机、电动空气压缩机、空气制动装置。锅炉室设有一台为旅客列车供暖的SG3型蒸汽锅炉。为了尽可能缩短车体长度，蓄电池和锅炉水箱被设置在机械室内走廊下方。在车体下方除了有三台转向架之外，之间还吊挂着两个燃油箱。

传动系统

传动系统使用直—直流电传动装置，柴油机直接驱动一台直流牵引发电机，并将发出的直流电供给六台直流牵引电动机。机车装用一台独立励磁的DM49型牵引发电机，持续功率为700千瓦，额定电压为450伏特，额定电流为1560安培，额定转速为每分钟800转，冷却方式为半密闭式强迫通风。当柴油机启动时牵引发电机变为串励电动机，作为起动电动机使用并改由蓄电池供电。机车还装有一台2千瓦的DM51型励磁机，用来供给牵引发电机励磁电流，并使牵引发电机具有恒功率励磁特性。
每个转向架装有两台MT48型四极串励直流牵引电动机（原始型号为MB340-AVR），额定功率为100千瓦，额定电压为225伏特，额定电流为520安培，额定转速为每分钟410转，最高转速可达2600转，电枢及定子绕组均采用B级绝缘，冷却方式为半密闭式强迫通风。为了扩大机车的的恒功率调速范围，还可以通过在牵引电动机励磁绕组并联分流电阻的方法，对牵引电动机进行二级磁场削弱，磁场削弱率分别为50%和30%。六台牵引电动机采用“两串三并”的连接方式，即每两台电动机分为一组串联连接，三组电动机采用并联连接。空转警报系统与EH10型电力机车相同，通过检测同一组两台牵引电动机端电压的差异来判断空转。

转向架

DF50型柴油机车是日本第一种采用Bo-Bo-Bo轴式的铁路机车。日本铁路有着许多半径较小的曲线区段，主要干线的最小曲线半径为400米，二级线路的最小曲线半径为300米，在一些支线上甚至还有200米的小半径曲线。两台三轴转向架（Co-Co轴式）和三台二轴转向架（Bo-Bo-Bo轴式）相比，由于三轴转向架的固定轴距较长，当机车通过小半径曲线时会产生较大的横向侧压力，这在之前试制的DF40型柴油机车上已经进行过试验。若果采用轴距较短的二轴转向架，则可减少轮对在曲线上的冲角和侧压力，从而使转向架更容易通过小半径曲线区段，较小的轮缘磨耗亦有利于减轻线路维护负担，因此日本国铁决定仿效当时欧洲的一些六轴电力机车，在DF50型柴油机车上应用了Bo-Bo-Bo轴式。
机车走行部为两台摇枕式的二轴转向架，包括两台DT102型两端转向架和一台DT103型中间转向架。两端转向架可以互换使用，但中间转向架因其摇枕装置较为特殊，不能与两端转向架互换。转向架采用“日”字形的钢板焊接箱型结构构架（1～8号机车使用一体化铸钢构架），转向架固定轴距为2,600毫米。车轴轴承采用了双列滚柱轴承，并使用了滚珠轴承作为止推轴承之用。轴箱采用导框式定位结构，一系悬挂装置为轴箱顶端构架侧梁内的螺旋弹簧。车体重量由摇枕旁承和心盘共同承载。牵引力和制动力则通过下摇枕以及心盘传递给车体。基础制动装置采用双侧踏面制动。牵引电动机采用轴悬式驱动方式，输出的扭矩通过一级减速齿轮传递给轮对，牵引齿轮传动比为4.235（17：72）。
摇枕装置由上摇枕、下摇枕、摇枕弹簧、吊杆等部分组成。两端转向架的上下摇枕通过四根吊杆悬挂在构架侧梁上，而摇枕弹簧则采用每侧两个纵向并列的螺旋弹簧，并配有垂向油压减震器。中间转向架的摇枕装置具有横动机构，“T”形吊杆机构能允许转向架的横向自由移动，使中间转向架在机车通过曲线时，可以产生相对于车体中心线左右各最多150毫米的横向位移；而且中间转向架要求摇枕弹簧具有较大的横向刚度，因此摇枕弹簧采用每侧两个横向并列的螺旋弹簧，以便转向架通过曲线后能够自动复位。