东方红4型柴油机车

開發背景

1960年代至1970年代初是大功率液力傳動柴油機車的發展高峰。為了增加列車牽引重量和提高行車速度，機車單機功率伴隨著技術發展而不斷提高。西德、美國、蘇聯、法國等國家均致力於提高柴油機和液力傳動裝置的功率，並曾經設計製造了十多種4000馬力或以上的液力傳動柴油機車。1964年6月，中華人民共和國鐵道部向所屬機車車輛工業下達了《1964—1965年科學技術發展計劃》，同年大連熱力機車研究所開展了大功率液力傳動柴油機車用高速柴油機的研究。大連所對當時國內外同類型大功率柴油機的發展趨勢進行了調查之後，向鐵道部上報了關於高速柴油機選型和技術參數的建議書，提出研製四行程、水冷式、渦輪增壓、中間冷卻的高速柴油機，氣缸內徑200毫米、活塞行程230毫米，近期目標為單缸功率130馬力、額定轉速每分鐘1300轉，遠期目標為單缸功率190馬力、額定轉速每分鐘1500轉。該方案隨後交由四方機車車輛廠和戚墅堰機車車輛廠繼續進行研究和設計，為日後出現的16V200系列柴油機打下了基礎。
與此同時，根據中共中央關於集中力量進行三線建設的方針，鐵道部開始將沿海地區一些重要的鐵路工業搬遷到西南、西北地區。1964年9月，鐵道部決定將戚墅堰機車車輛廠的內燃機車製造部分，青島四方機車車輛廠的液力傳動和齒輪裝置製造部分、戚墅堰、大連、天津、南口四家工廠的柴油機配件製造部分遷往西南，在四川省廣元縣建立內燃機車生產基地。1965年3月，為了給廣元內燃機車廠進行產品選型，鐵道部工廠總局率領廣元內燃機車廠籌建處和戚墅堰機車車輛廠的工程師，前往英國、法國、西德、奧地利等國，就各國的柴油機車技術情況進行考察。1965年8月，鐵道部決定將工廠選址改為資陽縣，建立資陽內燃機車廠。1965年12月，國家計委批覆《資陽內燃機車總廠設計任務書》，擬定工廠規模為年產4000馬力液力傳動內燃機車100台，高速柴油機250台，液力傳動裝置200套。同月，中國技術進出口總公司與西德亨舍爾公司簽訂外貿合同，引進四台以德國聯邦鐵路V320型柴油機車為基礎、根據中國方面訂貨要求而設計的NY5型柴油機車，作為自主研製大馬力液力傳動柴油機車的技術樣板。

四方工廠試製階段

1966年3月，鐵道部放棄引進國外高速柴油機技術專利的打算，確定將四方機車車輛廠設計的16V200ZL型柴油機作為資陽內燃機車廠的代表產品。1966年底，四方機車車輛廠試製出第一台缸徑200毫米、行程220毫米、氣缸夾角45°的16V200ZL型柴油機，並開始了漫長的反覆試驗和改進工作，對柴油機曲軸、凸輪軸、氣缸蓋、連杆、活塞等主要零部件進行改良。1967年，NY5型柴油機車運抵中國，並完成了一系列的性能試驗。1968年夏季，為了消化吸收西德的液力傳動技術，鐵道部工廠總局安排有關單位在四方機車車輛廠內，對NY5型柴油機車所使用的福伊特L830rU型液力傳動裝置和KB510型液力制軔器進行測繪。同年，經鐵道部工廠管理總局安排，由青島四方機車車輛廠、戚墅堰機車車輛廠、大連熱力機車研究所、大連鐵道學院、上海交通大學等單位組成了大馬力內燃機車聯合設計組。
1969年9月，為慶祝中華人民共和國二十周年國慶，四方機車車輛廠試製成第一台東方紅4型柴油機車（設計代號SFJ₄），該型機車為幹線客貨運用的5000馬力（3675千瓦）雙機組液力傳動柴油機車，可根據牽引需要調節中間齒輪箱的齒輪傳動比，作為客運機車（最高速度160公里/小時）或貨運機車（最高速度100公里/小時）使用。機車裝用兩台16V200ZL型高速柴油機，氣缸夾角為45°，小時標定功率為2500馬力，裝車運用功率為2200馬力（1640千瓦），額定轉速為每分鐘1500轉。機車裝有兩套獨立而又相同的液力傳動系統，由液力變速箱、中間齒輪箱、車軸齒輪箱、萬向軸等部件組成。柴油機的位置靠近車體中部，液力變速箱安裝在兩個轉向架外側車軸上方的主車架上，而中間齒輪箱則安裝在轉向架上。液力傳動裝置採用四方機車車輛廠與大連熱力機車研究所聯合設計的SF2122型液力變速箱，結構類似於福伊特L218rU型液力傳動裝置（用於德國聯邦鐵路V320型柴油機車），內裝有一個B5-5型起動變扭器、一個B9（B4-6）型運轉變扭器、一個CP08型液力偶合器，三個液力元件共用一對齒輪輸出，並設有液力制軔裝置。第一台東方紅4型機車出廠後經過了初步試驗和路線試運行，後因文化大革命而廢棄。

戚墅堰工廠試製階段

四方機車車輛廠的東方紅4型柴油機車試製成功後，因考慮到戚墅堰機車車輛廠是資陽內燃機車廠的對口包建單位，鐵道部決定將東方紅4型柴油機車的試製和改進任務轉由戚墅堰工廠承擔。1970年，戚墅堰機車車輛廠在16V200ZL型柴油機的基礎上，設計試製了氣缸尺寸相同但氣缸夾角為70°的16V200ZL-1型柴油機。1971年10月，戚墅堰機車車輛廠試製的第一台東方紅4型0001號機車出廠（設計代號QSJ₃）。該機車裝用兩台16V200ZL-1型高速柴油機，小時標定功率為2500馬力，裝車運用功率為2250馬力（1654千瓦），額定轉速為每分鐘1500轉。主傳動路線與四方工廠製造的第一台機車基本相同。液力傳動裝置採用戚墅堰機車車輛廠與大連熱力機車研究所聯合設計的QS2025型液力變速箱。由於液力偶合器對於柴油機壽命和傳動性能都有不利影響，因此與四方工廠的SF2122型液力變速箱相比，新的QS2025型液力變速箱取消了液力偶合器，內裝有一個QS1型起動變扭器和一個QS2型運轉變扭器，通過充排油自動接入或退出工作來完成換檔。東方紅4型0001號機車出廠後，曾在上海鐵路局管內進行了路線運行試驗，走行里程達2萬多公里，在京滬鐵路上的最高運行速度達到119～121公里/小時。
1971年3月，根據交通部內燃機車及船用柴油機會戰會議的決定，大連熱力機車研究所、四方機車車輛廠、資陽內燃機車廠、戚墅堰機車車輛工藝研究所、蘭州鐵道學院等單位開始對16V200ZL、16V200ZL-1型柴油機進行改進，設計試製氣缸夾角為45°的16V200ZL-2型柴油機。與前者相比，16V200ZL-2型柴油機採用了經重新設計的曲軸、活塞和機體結構，裝用無錫動力機廠製造的40GP-4型渦輪增壓器，通過改變軸系部件解決了柴油機振動與曲軸扭振問題，並且調整了燃油和燃燒系統參數以降低排氣溫度和燃油消耗率。1973年至1974年期間，16V200ZL-2型柴油機先後完成了100小時連續運轉試驗、500小時耐久性試驗和增壓配套試驗。1974年7月，16V200ZL-2型柴油機在交通部技術鑑定會議上通過部級鑑定，會議討論認為該型柴油機的性能指標基本上達到了設計要求，可以初步定型。
1974年底，戚墅堰機車車輛廠完成試製東方紅4型2001號機車（設計代號QSJ₅），機車裝用兩台16V200ZL-2型高速柴油機，小時標定功率為2500馬力，裝車運用功率為2250馬力（1654千瓦），額定轉速為每分鐘1500轉。機車總體布置及主傳動路線和之前試製的兩台機車有較大變化，液力變速箱的安裝位置靠近車體中部，而柴油機則安裝在司機室之後， 中間齒輪箱安裝在轉向架構架上。中間齒輪箱內有兩對不同傳動比的齒輪，通過調換齒輪對以滿足客運（最高速度140公里/小時）或貨運（最高速度100公里/小時）需要。柴油機輸出的功率經第一萬向軸傳給液力變速箱，然後從液力變速箱輸出的扭矩經第二萬向軸、中間支承裝置、第三萬向軸傳入中間齒輪箱，最後從中間齒輪箱經過第四、第五、第六萬向軸分別傳給前後三個車軸齒輪箱，這種傳動布置方式與中國向西德訂購的NY5、NY6、NY7型柴油機車相同。傳動裝置採用經過改良的QS2025型液力變速箱，進一步提高了傳動效率；由於機車最高速度下降，增速齒輪比亦有所改變；變速箱附有液力制軔器，最大制軔功率為1500馬力。轉向架採用箱型斷面焊接構架、雙拉杆式軸箱定位裝置、二點式平面摩擦旁承支承裝置、低位牽引拉杆裝置、獨立作用式單側閘瓦制軔裝置。
東方紅4型2001號機車出廠後，隨即開始進行10萬公里運用考核，首先在上海鐵路局管內的滬杭鐵路、滬寧鐵路、蕭甬鐵路、浙贛鐵路等投入路線運行試驗，並完成了機車振動試驗，牽引性能試驗和機車噪音測量，至1976年轉往北京鐵路局靈丘機務段，與NY7型柴油機車一同在京原鐵路進行貨物列車牽引試驗。東方紅4型機車在平道上牽引3970噸的貨物列車時，最大平衡速度可達85公里/小時；在牽引定數1500噸、12‰長大坡道的情況下，平衡速度只比5000馬力的NY7型機車低5公里/小時。2001號機車完成10萬公里考核之後回廠進行了拆檢，拆檢結果表明機車各項指標都達到了設計要求。

資陽工廠試製階段

1971年，隨著資陽內燃機車廠逐步建成投產，交通部決定先讓其試製東方紅2型液力傳動調車機車，為以後試製東方紅4型柴油機車累積經驗。1975年初，根據鐵道部決定，東方紅4型機車的試製和改進任務交由資陽內燃機車廠繼續進行，戚墅堰機車車輛廠將該型機車的全部技術資料轉交資陽內燃機車廠。1975年至1976年，資陽內燃機車廠在大連內燃機車研究所和西南交通大學等的協助下，對東方紅4型機車的總體布置和傳動系統重新設計，同時對16V200ZL-2型柴油機進行局部修改，並按照國家標準規定將型號變更為16V200Z型柴油機。1977年7月，資陽內燃機車廠先後成功試製首台16V200Z型柴油機和首台ZJ2122型液力傳動裝置。同年9月29日，資陽內燃機車廠試製的東方紅4型0002號機車正式出廠。1979年和1981年，資陽內燃機車廠又先後試製了東方紅4型0003號、0004號兩台機車。
資陽工廠試製的東方紅4型機車與之前幾台機車相比，大幅度改變了機車總體布置和液力傳動系統。戚墅堰工廠試製的2001號機車採用帶有中間齒輪箱的主傳動系統，中間支承裝置與中間齒輪箱之間的萬向軸是空間萬向軸 , 其中點也處於轉向架迴轉中心的上方，使機車通過曲線時萬向軸的工作條件較為良好，但這種布置方式的缺點是結構較複雜、傳動元件較多、成本和重量較大，每套傳動系統需要六根萬向軸、一個中間支承、一個中間齒輪箱，東方紅4型2001號機車製成後發現超重較多，機車實際總重達到150噸。因此，為了達到機車軸重在23噸以下的設計目標，資陽工廠的東方紅4型機車採用了無中間齒輪箱的主傳動系統，柴油機的安裝位置靠近車體中部，液力變速箱緊靠司機室並安裝在主車架上，柴油機輸出的扭矩經第一萬向軸輸入液力變速箱，扭矩經過轉換後從液力變速箱下部兩端輸出，經第二、第三、第四萬向軸直接驅動車軸齒輪箱，採用這種布置方式的傳動系統只需四根萬向軸。
機車裝用兩台16V200Z型高速柴油機，與戚墅堰工廠的16V200ZJ-2型柴油機相比，16V200Z型柴油機採用資陽廠製造的45GP803B型渦輪增壓器，曲軸主軸頸直徑從160毫米加大到165毫米，調速器由帶節流阻尼裝置的液壓調速器改為資陽廠自製的液壓機械式調速器，主軸瓦和活塞的製造工藝亦有變化。柴油機小時標定功率為2500馬力，裝車運用功率為2250馬力（1654千瓦），額定轉速為每分鐘1500轉。機車裝用資陽工廠製造的ZJ2022型液力變速箱，內裝有一個B46型起動變扭器和一個B85型運轉變扭器，並設有Z510型液力制軔器。由於取消了可改變齒輪比的中間齒輪箱，東方紅4型0002～0004號機車只能作為貨運機車，最高速度定為100公里/小時。
1977年11月，東方紅4型0002號機車開始進行10萬公里運用考核，在成都鐵路局西昌鐵路分局和成都鐵路分局管內進行正線牽引試驗，試驗區間包括成昆鐵路西昌至金江、西昌至普雄、成渝鐵路資陽至資中、資陽至成都等地。1978年6月至7月，東方紅4型0002號機車完成了粘著性能試驗。1978年11月，0002號機車轉往北京鐵路局豐臺機務段，在京原鐵路豐臺西至靈丘、豐沙鐵路豐臺至沙城區間繼續進行試驗，直到1980年8月因車軸齒輪箱故障而返廠為止，結束了歷時兩年零九個月的試運行，期間累計走行99009公里，最終仍未能完成10萬公里運用考核。0003號機車於1979年12月到達豐臺機務段並開始試驗，至1980年12月因柴油機故障而返廠。1981年5月，資陽內燃機車廠製造的三台東方紅4型機車在貴陽鐵路分局遵義機務段投入運用，擔當川黔鐵路遵義至貴陽南間的貨物列車牽引任務，其中兩台機車一直在遵義機務段運用至1988年。在川黔鐵路上一台東方紅4型機車可以頂替兩台東風型柴油機車，能夠牽引1050噸以27公里/小時通過20‰長大坡道，燃油消耗率約為62公斤/萬噸公里，比雙機重聯的東風型機車低10～14%；但由於機車粘著重量比雙機重聯的東風型機車輕114噸，當牽引列車在坡道起動時也較容易發生空轉。
東方紅4型機車的試驗過程一波三折，主要原因是柴油機可靠性問題。東方紅4型機車在成昆鐵路和京原鐵路等地試運行時，多次發生因柴油機故障而機破停車的狀況，機務部門對該型機車的印象亦不甚理想。除此之外，東方紅4型機車所使用的預燃室式高速柴油機，燃油及機油消耗率高、零部件磨損大壽命短等問題始終未能得到妥善解決。相較之下，北京型柴油機車和東風4型柴油機車所使用的12V240ZJ型、16V240ZJ型中速柴油機，經歷多年改良之後可靠性已有大幅提高，各項性能指標也接近世界先進水平。同時，隨著電力傳動柴油機車的技術進步，雙機組大功率液力傳動柴油機車大勢已去。1982年7月，面對當時中國鐵路運能緊張及柴油機車產能不足的形勢，鐵道部向資陽內燃機車廠下達指示，要求停止東方紅4型機車和16V200Z型柴油機的試製試驗，並準備轉產東風4型柴油機車，結束了長期以來關於大功率柴油機車發展電力傳動或液力傳動的爭論。