FL9型双动力源机车

開發背景

紐約，紐哈芬和哈特福德鐵路（以下簡稱紐哈芬鐵路）擁有超過3000公里的鐵路，主要經營美國東北部新英格蘭地區的鐵路運輸業務，也是美國最早發展和應用電氣化的鐵路公司。從伍德朗至紐哈芬的鐵路（今大都會北方鐵路紐哈芬線）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，由於長期困擾著紐哈芬鐵路公司的財政問題，直到該公司於1969年合併到賓州中央運輸公司之時，將電氣化鐵路延伸至波士頓的計劃仍沒有實現。
此外，紐哈芬鐵路還與紐約中央鐵路擁有關於使用路權的營運協議，紐哈芬鐵路的列車可以通過紐約中央鐵路的路線（今大都會北方鐵路哈萊姆線），直通運行至紐約市曼哈頓的大中央車站。為了保障列車運行安全和環境保護的原因，連接大中央車站的公園大道隧道區段早於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哈芬聯合車站之間由電力機車牽引，並於紐哈芬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運行時間，紐哈芬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路線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。紐哈芬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（以下簡稱易安迪）提出了一個以F9型柴油機車為基礎的建議，改造內容包括延長車體長度以便安置額外的電氣裝置，同時將一台二軸轉向架改成A1A軸式的三軸轉向架，而非採用以前標準的Bo-Bo軸式配置，這一方案就能夠滿足高架橋的重量限制。1956年初，紐哈芬鐵路向易安迪公司訂購了首批30台機車，這種雙動力源機車被定型為FL9型機車（意為延長車體的F9型機車）。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台機車，並於1960年交付完畢。

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設備和蒸汽鍋爐。車內裝有一台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馬達驅動。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，將原本設置在構架外側的搖枕鋼板彈簧取消，改為使用設置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。牽引力和制軔力通過中心銷來傳遞。基礎制軔裝置為雙側閘瓦制軔，每個輪對左右各設有一個制軔缸，另外還設有閘瓦間隙調整器。FL9型機車採用西屋空氣制軔公司（WABCO）的24RL型非自動保壓式軔機。

動力裝置

FL9型機車的動力裝置是一台16氣缸的易安迪567系列二行程柴油機，氣缸直徑為8.5英寸（216毫米），活塞行程為10英寸（254毫米），單缸排量為567立方英寸（9.29升），額定轉速為每分鐘835轉，採用羅茨式鼓風機作為機械增壓器。首批30台機車裝用16-567C型柴油機，額定功率為1,750馬力（1,306千瓦），並與D12D型牽引發電機配套使用；而後來追加訂購的第二批30台機車，則裝用經過強化的16-567D1型柴油機，額定功率為1,800馬力（1,343千瓦），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接，另外還驅動一台交流輔助發電機，用來為冷卻風扇馬達和牽引馬達通風機供電。

傳動系統

傳動系統採用直—直流電傳動裝置，柴油機直接驅動一台直流牽引發電機，發出的直流電供給四台D37B型直流牽引馬達。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，在加速過程中牽引馬達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馬達以「兩串兩並」方式連接（Series-Parallel），當達到一定速度後在牽引馬達迴路接入分流電阻進行磁場削弱（Series-Parallel Shunt），隨著速度繼續提高又改為以全並聯方式連接（Parallel）來繼續加速，當達到牽引馬達額定電壓之後再次接入分流電阻進行磁場削弱（Parallel Shunt），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馬達的額定電壓相若，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馬達以「兩串兩並」方式連接，並和所有電阻器串聯連接；第二至第五級位順序減少串聯連接的電阻器，逐步提高向牽引馬達供給的電壓；第六級位使牽引馬達轉換到全並聯連接，並和另外一系列電阻器連接；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性能。

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海岸快車型鐵路客車投入運用，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台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台機車（2040～2046）和長島鐵路的3台機車（300～302），改造內容包括採用全新的渦輪增壓柴油機、三相交流傳動系統、微機控制系統、電阻制軔和再生制軔系統、空氣制軔系統、重新設計的司機室等部分，完成改造後的機車被改稱為FL9AC型機車。經過改造後的機車幾乎是全新製造的機車，從原車上得以保留下來的主要部件只有車體鋼結構和轉向架構架。經過一連串的公開招標過程後，最終選擇了ABB公司（即後來的Adtranz）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台。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、二行程、廢氣渦輪增壓的V型中速柴油機，氣缸直徑為9-1⁄16英寸（230.2毫米），活塞行程為11英寸（279.4毫米），額定功率為3,150馬力（2,350千瓦），單缸排量為710立方英寸（11.63升），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（F40PHAC型柴油機車）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、制軔斬波器、牽引逆變器、牽引馬達、微機控制系統等部分組成。FL9AC型機車裝用一台易安迪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。柴油機通過彈性聯軸器直接驅動牽引發電機，發出的三相交流電通過整流裝置轉換成直流電後，再由兩台VVVF牽引逆變器轉換成頻率、電壓可調節的三相交流電，每台逆變器各自向每個轉向架上的兩台牽引馬達供電。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、制軔斬波器、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接的可關斷閘流體和二極體元件組成，功率模組採用防火性能較好的氟利昂蒸發冷卻。四台牽引馬達採用由ABB公司提供的鼠籠式異步牽引馬達，控制策略採用ABB公司開發的直接轉矩控制（DTC），繞組使用卡普頓、玻璃纖維、矽樹脂真空壓力浸漬進行絕緣處理，牽引馬達的電樞軸端裝有空轉傳感器。機車上還裝有一台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，各個層級和模組通過匯流排交換信息，系統具有牽引控制、制軔控制、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，包括紐哈芬鐵路的優等旅客列車「商旅特快號」（Merchants Limited），這趟列車往返於紐約大中央車站和波士頓南站，運行里程全長229.5英里（369.3公里），單程旅行時間約4小時15分鐘。後來，FL9型機車的運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里、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，使紐哈芬鐵路公司得以在1961年拆除了紐哈芬線南諾沃克至丹伯里間的電氣化鐵路高架電纜，另外亦促使紐哈芬鐵路淘汰了所有在1955年以前投入運用的舊型電力機車，只保留了部分EP5型和E33型交流電力機車繼續使用。
1969年，紐哈芬鐵路公司被賓州中央運輸公司（由原賓夕法尼亞鐵路和紐約中央鐵路合併而成）兼併，紐哈芬鐵路的所有資產包括FL9型機車均被賓州中央公司繼承，部分機車被接收後披上了賓州中央公司的新塗裝，但也有一些機車仍然保留紐哈芬鐵路公司的舊塗裝。紐哈芬鐵路公司被整體兼併後，賓州中央運輸公司的經營狀態更是雪上加霜，最終在1970年6月正式宣布破產。在賓州中央運輸公司的清盤過程中，原本由其經營的通勤客運業務改由紐約大都會運輸署（MTA）和麻薩諸塞灣交通局（MBTA）繼續撥款來維持營運。
在美國鐵路協會的介入之下，時任美國總統尼克森於1973年簽署了《地區鐵路重組法案》（Regional Rail Reorganization Act），並於1976年由美國聯邦政府注資成立了聯合鐵路公司（Conrail），對宣布或瀕臨破產的鐵路公司進行重組。聯合鐵路公司開始營業後接收了原屬賓州中央運輸公司的FL9型機車，其中12台機車在不久之後被轉售予美國國家鐵路客運公司（Amtrak）。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台機車後來經過翻新後又被轉售予康乃狄克州運輸部，這批機車均採用原始的紐哈芬鐵路塗裝。
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台FL9型機車，並且連同大都會北方鐵路的七台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運行；由於當時改造後的FL9AC型機車尚未來得及完成試驗，在試運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年開始投入試運行為止。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、康乃狄克州運輸部、豪薩托尼鐵路合作舉辦了一次FL9型機車的告別運轉活動。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保存或者轉讓予地方鐵路使用，例如部分從美鐵退役的FL9型機車被莫里斯敦和伊利鐵路購入及用來牽引旅遊列車，還有兩台機車被緬因州東方鐵路購入，用來牽引布倫瑞克至羅克蘭的短途旅客列車。