日本國鐵DF50型柴油機車

開發背景

1950年代初，受到美國和聯邦德國（西德）大力推動牽引動力內燃化改革的影響，日本國有鐵道也開始計劃非電氣化幹線的牽引動力現代化。與此同時，隨著舊金山和平條約的簽訂，日本在1952年完成了從統制經濟邁向市場經濟的轉變，正式結束了石油製品統制制度，日本國鐵隨即恢復新型柴油機車的研製工作。1953年，新三菱重工業和三菱電機成功試製了DD50型柴油機車，並投入北陸本線進行試運行。
DD50型柴油機車是1000馬力的電傳動柴油機車，由於日本當時缺乏鐵路機車使用之中等功率柴油機的研製經驗，因此採用了由瑞士蘇爾壽公司轉讓技術及授權生產的8LDA25型柴油機。然而，DD50型柴油機車投入北陸本線運用後，很快就顯示出一些設計上的不足之處。例如，單端司機室的設計令機車幾乎總是需要重聯運用，大大降低了這種機車的運用靈活性和經濟性；加上機車的平均軸重達到了15噸，使其不能在軸重限制為14噸的四級路線上使用。此外，該型機車亦沒有安裝為旅客列車供暖的蒸汽鍋爐，旅客列車在冬季仍需要加掛燃煤的暖房車。
1957年，隨著鐵路運輸量伴隨日本經濟高速增長，日本國鐵宣布執行第一個五年計劃（1957年—1961年），旨在提高鐵路系統運輸能力和推進牽引動力現代化。同年，日本國鐵在DD50型柴油機車的基礎上，開發研製了新一代的DF50型柴油機車，以推動次級幹線鐵路的旅客列車無煙化。針對上述關於DD50型柴油機車的缺點，DF50型柴油機車是按照次級幹線的單機運用為原則進行設計，採用了設有貫通門的雙端司機室布置方式，並搭載了一台與EF58型電力機車相同形式的自動化蒸汽鍋爐。因考慮到在次級幹線的運用需要，而且搭載蒸汽鍋爐亦增加了機車重量，因此DF50型柴油機車特別採用了Bo-Bo-Bo軸式，不僅使機車具有良好的曲線通過性能，還可以令軸重減輕到約14噸。
三菱重工業、汽車製造、日本車輛製造生產的基本番台機車採用經過改良的8LDA25A型柴油機，裝車功率為1200馬力（895千瓦）；而川崎重工業、東京芝浦電氣、日立製作所生產的500番台機車則裝用由西德MAN集團授權生產的V6V22/30MA型柴油機，裝車功率進一步提高至1400馬力（1040千瓦）。電力傳動系統包括一台直流牽引發電機和六台直流牽引馬達。為了提升DF50型柴油機車的牽引力，將最高速度設定為90公里/小時，使其在低速時能發揮同D51型蒸汽機車一樣的性能，高速時能發揮同C57型蒸汽機車一樣的性能。
雖然DF50型柴油機車的出現大大加快了日本國鐵的非電氣化幹線無煙化，但與其他功率較大的蒸汽機車相比，比如1600馬力的C62型蒸汽機車，其功率和牽引力水平仍然比較低；而且當時電傳動柴油機車的製造成本居高不下，加上其柴油機的部分零部件需要從國外進口，一台DF50型柴油機車的造價高達7000萬日元。除此之外，在柴油機車選用電力傳動抑或液力傳動方面，日本國鐵認為液力傳動機車單位功率重量較小，因而更適合允許軸重較輕的日本鐵路，所以於1960年確定以後研製的柴油機車均採用液力傳動。這些因素都減少了日本國鐵繼續購置DF50型柴油機車的意欲，最終DF50型柴油機車亦在1963年停產。
1957年3月至1962年10月，三菱重工業、汽車製造、日本車輛製造共生產了65台基本番台機車（1～65）。1958年4月至1963年10月，川崎重工業、東京芝浦電氣、日立製作所共生產了73台500番台機車（501～573）。

總體布置

DF50型柴油機車是客貨運通用的電力傳動柴油機車，採用底架承載的全鋼焊接結構貫通式箱型車體，車體鋼結構的非承載部分由高強度鋼板和預製構件組成。車體兩端各設有一個司機室，司機室內機車運行方向的左側設有司機操縱台，右側設有副司機座席及手制軔手柄，司機室兩側設有供乘務員乘降的側門。司機室前端中央設有一道貫通門，貫通門外側還設有踏板和扶手，以便機車重聯時乘務人員通過到另一台機車。車體中部是設有各種機械及電氣裝置的機械室，機械室內從第一端至第二端順序布置有動力室、冷卻室、鍋爐室三個部分，並設有貫通式雙側內走廊連接兩端司機室，司機室和機械室之間設有隔牆和內車門以阻隔機械室噪音。
動力室內安裝了一套柴油發電機組，牽引發電機上方裝有渦輪增壓器，並設有勵磁機、勵磁電阻器、膨脹水箱、機油濾清器、機油冷卻器、輔助發電機、牽引馬達通風機、總風缸等配套設備，靠近司機室的隔牆上還設有控制電器櫃，每邊側牆上各設有八個通風格柵，車體頂蓋上設有多個小型採光玻璃窗。冷卻室設有柴油機和機油熱交換器的冷卻水散熱系統，冷卻室頂部裝有一個軸流式冷卻風扇，兩邊側牆上各設有一個通風百葉窗和大型散熱器，冷卻風扇經百葉窗口吸入冷風再從車頂排出熱風，另外還設有牽引馬達通風機、電動空氣壓縮機、空氣制軔裝置。鍋爐室設有一台為旅客列車供暖的SG3型蒸汽鍋爐。為了儘可能縮短車體長度，蓄電池和鍋爐水箱被設置在機械室內走廊下方。在車體下方除了有三台轉向架之外，之間還吊掛著兩個燃油箱。

傳動系統

傳動系統使用直—直流電傳動裝置，柴油機直接驅動一台直流牽引發電機，並將發出的直流電供給六台直流牽引馬達。機車裝用一台獨立勵磁的DM49型牽引發電機，持續功率為700千瓦，額定電壓為450伏特，額定電流為1560安培，額定轉速為每分鐘800轉，冷卻方式為半密閉式強迫通風。當柴油機啟動時牽引發電機變為串勵馬達，作為起動馬達使用並改由蓄電池供電。機車還裝有一台2千瓦的DM51型勵磁機，用來供給牽引發電機勵磁電流，並使牽引發電機具有恆功率勵磁特性。
每個轉向架裝有兩台MT48型四極串勵直流牽引馬達（原始型號為MB340-AVR），額定功率為100千瓦，額定電壓為225伏特，額定電流為520安培，額定轉速為每分鐘410轉，最高轉速可達2600轉，電樞及定子線圈均採用B級絕緣，冷卻方式為半密閉式強迫通風。為了擴大機車的的恆功率調速範圍，還可以通過在牽引馬達勵磁線圈並聯分流電阻的方法，對牽引馬達進行二級磁場削弱，磁場削弱率分別為50%和30%。六台牽引馬達採用「兩串三並」的連接方式，即每兩台馬達分為一組串聯連接，三組馬達採用並聯連接。空轉警報系統與EH10型電力機車相同，通過檢測同一組兩台牽引馬達端電壓的差異來判斷空轉。

轉向架

DF50型柴油機車是日本第一種採用Bo-Bo-Bo軸式的鐵路機車。日本鐵路有著許多半徑較小的曲線區段，主要幹線的最小曲線半徑為400米，二級路線的最小曲線半徑為300米，在一些支線上甚至還有200米的小半徑曲線。兩台三軸轉向架（Co-Co軸式）和三台二軸轉向架（Bo-Bo-Bo軸式）相比，由於三軸轉向架的固定軸距較長，當機車通過小半徑曲線時會產生較大的橫向側壓力，這在之前試製的DF40型柴油機車上已經進行過試驗。若果採用軸距較短的二軸轉向架，則可減少輪對在曲線上的沖角和側壓力，從而使轉向架更容易通過小半徑曲線區段，較小的輪緣磨耗亦有利於減輕路線維護負擔，因此日本國鐵決定仿效當時歐洲的一些六軸電力機車，在DF50型柴油機車上應用了Bo-Bo-Bo軸式。
機車走行部為兩台搖枕式的二軸轉向架，包括兩台DT102型兩端轉向架和一台DT103型中間轉向架。兩端轉向架可以互換使用，但中間轉向架因其搖枕裝置較為特殊，不能與兩端轉向架互換。轉向架採用「日」字形的鋼板焊接箱型結構構架（1～8號機車使用一體化鑄鋼構架），轉向架固定軸距為2,600毫米。車軸軸承採用了雙列滾柱軸承，並使用了滾珠軸承作為止推軸承之用。軸箱採用導框式定位結構，一系懸掛裝置為軸箱頂端構架側梁內的螺旋彈簧。車體重量由搖枕旁承和心盤共同承載。牽引力和制軔力則通過下搖枕以及心盤傳遞給車體。基礎制軔裝置採用雙側踏面制軔。牽引馬達採用軸懸式驅動方式，輸出的扭矩通過一級減速齒輪傳遞給輪對，牽引齒輪傳動比為4.235（17：72）。
搖枕裝置由上搖枕、下搖枕、搖枕彈簧、吊杆等部分組成。兩端轉向架的上下搖枕通過四根吊杆懸掛在構架側樑上，而搖枕彈簧則採用每側兩個縱向並列的螺旋彈簧，並配有垂向油壓減震器。中間轉向架的搖枕裝置具有橫動機構，「T」形吊杆機構能允許轉向架的橫向自由移動 ，使中間轉向架在機車通過曲線時，可以產生相對於車體中心線左右各最多150毫米的橫向位移；而且中間轉向架要求搖枕彈簧具有較大的橫向剛度，因此搖枕彈簧採用每側兩個橫向並列的螺旋彈簧，以便轉向架通過曲線後能夠自動復位。