日本國鐵DD51型柴油機車

開發背景

1950年代初，日本國有鐵道受到美國和聯邦德國（西德）的影響，也開始推動非電氣化幹線的牽引動力內燃化改革。1952年，日本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。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，日本國鐵在之前試製的DD50型柴油機車的基礎上，成功研製了幹線用的DF50型電力傳動柴油機車。翌年，又研製了調車用的DD13型液力傳動柴油機車。
1958年，為了儘快制定具體的綜合牽引動力現代化計劃，日本國鐵成立了動力現代化調查委員會，目標是探討各種能源資源（電力、石油、煤炭）的供應情況、確定牽引動力電氣化和內燃化的範圍，並進一步制定各類鐵路車輛的技術型譜。1959年6月，委員會正式發表「動力現代化長期計劃」，決定在十五年內實現5000公里主要幹線電氣化和其餘路線內燃化，至1975年底淘汰全部蒸汽機車；內燃化區段的客運任務主要由動力分散式的柴聯車承擔，柴油機車主要用於牽引內燃化區段的貨物列車、電氣化區段的直通旅客列車、以及調車和小運轉任務。
委員會並根據運用需要制定了國鐵標準型柴油機車的型譜，包括大型（輪周功率1200馬力）、中型（輪周功率800馬力）、小型（輪周功率550馬力）柴油機車。大型柴油機車計劃用來代替以D61型為代表的幹線蒸汽機車，中型及小型柴油機車計劃分別用來代替以9600型、8620型為代表的調車用舊型蒸汽機車。至於柴油機車傳動方式的選擇，日本國鐵根據對DF50、DD13型柴油機車的比較，認為液力傳動機車的單位功率重量較小，因而更適合允許軸重較輕的日本鐵路，因此決定以後研製的柴油機車均採用液力傳動。
1962年至1963年間，為了填補上述型譜之中的大型和中型柴油機車，日本國鐵先後研製了DD51型幹線柴油機車和DD20型調車柴油機車，而小型柴油機車則由既有的DD13型柴油機車來擔當。DD51型柴油機車是幹線客貨運通用的液力傳動柴油機車，原型車裝有兩台1000馬力的DML61S型柴油機和兩台DW2型液力傳動裝置，最大輪周牽引功率達到1400馬力，是當時日本國鐵單節功率最大的柴油機車。與DF50型柴油機車相比，DD51型柴油機車在保持同等重量的條件下，功率增大了近一倍但造價卻與前者相若。DD50型柴油機車還首次採用了獨特的B-2-B軸式配置，使機車可以滿足最大軸重14噸的技術要求，並且搭載了為旅客列車供暖用的蒸汽鍋爐。

500番台

1966年起，為了滿足國鐵的重載貨物列車牽引需要，新造的DD51型柴油機車均裝有重聯控制裝置，稱為DD51型500番台機車（即所謂的重聯型車輛），以便與無重聯功能的基本番台區別。在重聯型機車當中又可以根據重聯控制裝置的差異，分為半重聯型和全重聯型。

國鐵時代

1960年代中期，DD51型柴油機車開始投入東北地區和九州地區的非電氣化幹線運用，擔當東北本線、鹿兒島本線、長崎本線的優等旅客列車牽引任務，以加快淘汰這些地區的C60型和C61型客運蒸汽機車。DD51型柴油機投入運用初期曾經頻繁發生各種故障，僅於1964年度的故障率就達到了每百萬公里50件，其中發生最多的故障是柴油機軸瓦燒損，以及液力傳動裝置控制閥及排油閥故障，迫使日本國鐵放緩DD51型柴油機投入運用的進度。後來經過車輛技術部門對各種問題的改進，比如加寬曲軸軸瓦並把主軸承改成滾動軸承，及改良液力傳動裝置控制閥的製造工藝，使機車故障率得以大幅下降。從1966年起，DD51型柴油機車的運用範圍進一步擴大到北海道、信越本線、中央本線等地區。在DD51型柴油機車的全盛時期，其蹤影遍及除四國地方以外的日本全國各地，是推進日本國鐵非電氣化幹線無煙化的主要動力。此後，隨著主要幹線的電氣化改造逐漸完成，加上客車列車和貨物列車的開行數量減少，許多DD51型柴油機車已經在國鐵末期除籍報廢。截至1987年4月1日國鐵分割民營化之前，全數649台DD51型柴油機車當中已有超過五分之三被報廢。

民營化後

1987年4月1日國鐵分割民營化後，尚存的259台DD51型柴油機車被新成立的JR公司繼承，其中北海道旅客鐵道（JR北海道）25台、東日本旅客鐵道（JR東日本）29台、東海旅客鐵道（JR東海）4台、西日本旅客鐵道（JR西日本）63台、九州旅客鐵道（JR九州）1台、日本貨物鐵道（JR貨物）137台。
1990年代起，隨著各旅客鐵道公司的客車列車被逐年削減，加上這些機車的使用壽命已經超過或將屆30年，DD51型柴油機車亦難逃被逐步淘汰的命運。1999年，JR九州的唯一一台DD51型柴油機車（1071）報廢。2005年1月，JR貨物停止在九州地區使用DD51型柴油機車。2008年，JR東海的最後兩台DD51型柴油機車（791、1037），亦隨著「Euroliner」歡樂列車的引退而報廢。截至2014年4月，仍然有60台在籍的DD51型柴油機車，分別配屬JR北海道（13台）、JR東日本（4台）、JR西日本（5台）、JR貨物（38台）。
JR北海道的DD51型柴油機車全部配屬函館運輸所，主要擔當「濱梨號」急行列車、「北斗星號」特急列車（重聯牽引）、「仙后座號」臨時特急列車（重聯牽引）、「黃昏特快號」臨時特急列車（重聯牽引）的定期牽引任務，其擔當的運行區間除了「黃昏特快號」列車為札幌至五稜郭間之外，其他列車均為札幌至函館間（經由室蘭本線）。此外，DD51型機車也會擔當札幌運轉所、函館運輸所至苗穗工廠的電聯車或柴聯車列車的回送和調車任務。JR北海道的所有DD51型柴油機車都採用藍色車身配黃色帶的「北斗星色」塗裝。
JR東日本的DD51型柴油機車全部配屬高崎車輛中心，主要擔當JR東日本管內的臨時列車和工務列車的牽引任務，其中DD51 842、888、895號機車可作為御召列車的牽引機車。
JR西日本的DD51型柴油機車分別配屬網干綜合車輛所宮原支所、後藤綜合車輛所、下關綜合車輛所。網干綜合車輛所的DD51型機車已經脫離定期運用，主要擔當JR西日本管內的臨時列車和工務列車的牽引任務。後藤綜合車輛所的DD51型機車自從「出雲號」特急列車在2006年3月停運後亦脫離定期運用，後來主要用於牽引臨時列車、御召列車和工務列車，或執行車站的調車作業。下關綜合車輛所的DD51 1043號機車之前配屬宮原綜合車輛所，於2011年9月開始接替已被報廢的DD51 844號機車，擔當臨時列車的牽引任務或「SL山口號」列車的補機任務。
JR貨物的DD51型柴油機車分別配屬鷲別機關區、愛知機關區、門司機關區。鷲別機關區主要擔當北海道地區的貨物列車牽引任務，包括函館本線、室蘭本線、千歳線、石勝線、根室本線、宗谷本線（旭川至北旭川間），每年8月至翌年4月期間亦會投入石北本線使用。愛知機關區的DD51型機車主要用於牽引東海道本線、關西本線的貨物列車。門司機關區則主要擔當山陽本線、美彌線、山口線、山陰本線的貨運牽引任務。

更新改造

由於DD51型柴油機車因長期使用而逐漸老化，尤其北海道地區的車輛在惡劣的氣候條件下長距離運用，導致柴油機等部件經常發生故障。從1990年代中期開始，雖然JR貨物引入了DF200型柴油機車，並逐步淘汰老舊的DD51型柴油機車，但因為全面淘汰DD51型柴油機車尚需要一段時間，而且DF200型柴油機車因受到其較大軸重的限制，無法投入石北本線和根室本線（釧路貨物站以東）使用。此外，JR貨物尚沒有合適的柴油機車來替代北海道地區以外的DD51型柴油機車。
因此，JR貨物於1994年開始首先對北海道地區的部分DD51型機車進行了更新改造，以提高機車的運用可靠性及延長機車的使用壽命。主要改造內容是換裝新型柴油機，來取代原來裝用的DML61Z型柴油機。早於1990年，小松製作所和新潟鐵工所分別開發了SA12V170-1、12V16CSX型柴油機，並於同年開始在JR貨物的DD51 1087號機車上先後裝車試驗，最終JR貨物於1993年決定採用小松製作所的SA12V170-1型柴油機。1994年，JR貨物開始對北海道支社配屬的DD51型柴油機車實施「B更新工程」，除了換裝全新的柴油機外，還改變了冷卻水管路、燃油管路及靜液壓管路等的設計，並對其它許多零部件進行了更新。完成改造後的機車採用了與DF200型柴油機車相同的新塗裝，以紅色作為車身主色並配以灰色帶。在DD51型柴油機車上使用的SA12V170-1型柴油機，當轉速為每分鐘2000轉時的最大功率為1500馬力，由於其功率比原裝的DML61Z型柴油機大，因此在運用中只使用約80%的功率；柴油機的調速控制採用了燃油電子調速器系統，有效改善了響應性和可靠性。 這款柴油機後來亦被應用於DF200型50番台柴油機車。
2002年起，JR貨物又開始對本州和北海道地區的DD51型柴油機車實施「A更新工程」，主要改造內容是對各類管線進行翻新改造，而沒有更換柴油機以節省成本。完成「A更新工程」的機車改用新塗裝以便區分，車身塗裝以深藍色（藍1號）為主色配以白色帶，車體兩端的設備檢查門採用奶黃色（奶油1號），車體頂蓋採用灰色（N4號）。從2004年在廣島車輛廠為愛知機關區改造的DD51 892號機車開始，又改為採用以紅色為基調的新塗裝，車體上半和下半部分別採用紅色和灰色，司機室上半部採用黑色。

車體結構

DD51型柴油機車是客貨運通用的液力傳動柴油機車。它的司機室被設置在車體中央位置，司機室前後兩端分別為兩個機械室，各種設備以司機室為中心對稱順序布置，第一端和第二端都具有相同的設備。以往日本國鐵的幹線柴油機車都是採用雙端司機室的箱型車體，但DD51型柴油機車則是首次應用類似DD13型調車柴油機車的中央司機室和罩式車體結構，最主要的原因是這種車體的製造成本比箱型車體低得多，將司機室設在車體中間亦可縮短各種空氣管路和電氣路線長度；另一個原因是許多車體零部件可以與DD20型調車柴油機車通用，從而節省設計時間和日後維護成本。除此之外，罩式車體還有結構重量輕和抗扭剛度大的優點，對柴油機和傳動裝置的安裝和檢修也比較方便。
機車車體採用外走廊式底架承載結構，由上部的罩式車體和下部的車體底架組成。DD51 1號原型車的採用鋼板焊接成箱型結構的車體底架，從DD51 2號機車起開始使用工字形鋼樑、型鋼和鋼板焊接成箱型結構的車體底架。為了改善中央司機室瞭望視野不夠廣闊的缺點，因此在設計上將增壓器布置在柴油機後面，並減少液力傳動裝置的高度，以儘可能降低機械室部分的車體高度。司機室部分直接焊接在車體底架上，而機械室部分的車體則用螺栓固定在底架上，之間使用橡膠緩衝接頭連接。車體底架的四個角上設有登車腳踏板，並且在機車前後兩端都設有過道及扶手。

總體布置

司機室內機車運行方向的左側設有司機座席和司機操縱台，右側設有副司機座席及手制軔手柄，司機和副司機座席之間設有控制電器櫃。司機室兩側設有供乘務員乘降的側門。由於DD51型柴油機車以長距離幹線運轉為主，因此沒有採用像DD13、DE10、DD16型調車機車那樣的單一縱向司機操縱台，而是在司機室內兩個對角分別布置兩組橫向司機操縱台。此外，司機室中央設有一台SG4型自動蒸汽鍋爐，司機室地板下還有一個4000升的鍋爐水箱。
機械室內由各車端順序可分為冷卻室和動力室兩個部分。冷卻室內設有冷卻水散熱器、空氣壓縮機、油泵和水泵等設備，頂部裝有一個靜液壓驅動的軸流式冷卻風扇。動力室內安裝了一套柴油機和液力傳動裝置，以及燃油泵、起動馬達、機油熱交換器、濾紙式空氣過濾器、排氣消音器等配套裝置。動力室外部的左側設有蓄電池櫃。車體下方三台轉向架之間吊掛著燃油箱、總風缸、輔助矽整流器。

柴油機

早期生產的19台DD51型柴油機車裝載兩台DML61S型柴油機，這是一種四行程、12氣缸、廢氣渦輪增壓、無中間冷卻的水冷式V型高速柴油機，平均有效壓力為每平方厘米9.83公斤，持續功率為2×1000馬力。從1965年開始投入生產的量產車改為裝載兩台DML61Z型柴油機，與前者的主要差異是增加了增壓空氣中間冷卻器（中冷器），使平均有效壓力提升至每平方厘米10.80公斤，持續功率亦相應提高至2×1100馬力；而在此之前生產的19台機車後來亦陸續改裝DML61Z型柴油機，替換下來的DML61S型柴油機被轉移至DD16型柴油機車使用。
這款柴油機是DMF31系列柴油機的家族產品之一，實質上相當於一對直列式、六氣缸的DMF31S型柴油機，因此DML61S（Z）、DMF31S型柴油機有很多共通的零部件，而且DMF31S型柴油機已經廣泛裝用於日本國鐵的DD13型柴油機車，這對於柴油機的檢修維護十分方便。DML61Z型柴油機的氣缸直徑為180毫米，活塞行程為200毫米，氣缸夾角為60°；持續功率為1100馬力（820千瓦），額定轉速為每分鐘1500轉，最高轉速為每分鐘1650轉，單位燃料消耗量為175（+10%）克/有效馬力·小時，柴油機淨重量為5500公斤。兩個同樣被使用於DMF31S型柴油機的TB22B型軸流式渦輪增壓器安裝在柴油機後端。柴油機採用電空式全速調速器來控制轉速，通過4個電感線圈構成14個調速擋位（DD51 1號原型車為3個電感線圈和7個調速檔位）。

主傳動路線

DD51型柴油機車是採用雙機組的液力傳動柴油機車，兩套相同的動力傳動機組對稱布置，分別驅動前後兩台動力轉向架。液力傳動系統主要包括液力傳動箱、車軸齒輪箱、萬向軸及彈性聯軸節等部件。液力傳動箱靠近車體中部的司機室，通過橡膠閥座和球面軸承支撐在車體底架上。柴油機通過彈性聯軸節及第一萬向軸將功率傳遞到液力傳動箱，再從液力傳動箱下部的輸出法蘭，以第二萬向軸傳給內側輪對的第一車軸齒輪箱，最後再經過第三萬向軸將動力傳到外側輪對的第二車軸齒輪箱。這種主傳動路線的優點是結構簡單緊湊，每套傳動系統只有三根萬向軸和兩個車軸齒輪箱，而且液力傳動箱和車軸齒輪箱之間的距離也比較短。

液力傳動箱

DD51型柴油機車採用全新的DW2A型液力傳動裝置（DD51 1號原型車採用DW2型），它是由日本國鐵與日立製作所、川崎重工業合作開發的國鐵標準型傳動裝置。液力傳動裝置由一對增速齒輪、三個充排油式變扭器、減速齒輪、回動齒輪、控制機構等部分組成。變扭器為三個單級三輪或四輪離心渦輪式液力變扭器，其中起動變扭器（第一變扭器）適用於機車起動和低速工況，而運轉變扭器（第二、三變扭器）適用於機車中高速運轉工況，使變扭器總是在高效率狀態下運轉。變扭器的運轉狀態是根據運行速度和柴油機輸出功率決定，並依靠變扭器的充排油過程來自動完成換檔。為了儘可能降低傳動裝置的高度，三個變扭器分別布置在兩根主動軸上，第一主動軸裝有第一、二變扭器，第二主動軸裝有第三變扭器，使輸入軸與輸出軸的垂直距離只有821毫米。
由上述可見，DW2A型液力傳動裝置的工作原理實際上與西德福伊特的多循環圓液力傳動裝置是一樣的，但變扭器和齒輪的排列方式則有所不同。當司機控制器選擇了某一檔位，就自動確定了柴油機轉速和輸出功率，輪周牽引力隨速度增加而呈雙曲線關係下降。由於液力變扭器的充排油是重疊進行的，所以換檔時牽引力並不會中斷。起動變扭器還具有快速充油功能，使其起動加速性能優於電力傳動柴油機車。傳動裝置內裝有嚙合輔助裝置的風動換向齒輪機構，以改變輸出軸旋轉方向和機車行駛方向。

冷卻系統

DD51型柴油機車在冷卻水循環系統中採用乾式冷卻。冷卻水系統由柴油機帶動的水泵驅動，冷卻水並首先分別進入柴油機機油和液力傳動油的油—水熱交換器，然後兩個迴路的冷卻水會合併進入柴油機，冷卻水最後進入乾式散熱器進行冷卻。當柴油機運轉時冷卻水才進入散熱器，當柴油機停機時散熱器中不再存水，冷卻水全部回流到水箱，這種乾式冷卻系統可以在嚴寒天氣下有效保護散熱器。此外，當機車在夏季炎熱天氣下行駛時，可以將蒸汽鍋爐水箱內的冷水混合到冷卻水系統中，利用這部分水的熱容量來提升冷卻效果。DD51型柴油機車採用小型化鋁制散熱器，布置在車體兩端冷卻室的兩側。冷卻風扇由靜液壓驅動系統帶動，其轉速根據柴油機冷卻水的溫度作自動控制，這種冷卻風扇實際上是DD14型柴油機車上的加強型。

轉向架

DD51型柴油機車是日本首次採用B-2-B軸式配置的柴油機車，機車走行部為三台二軸轉向架，包括兩台裝有車軸齒輪箱的兩端轉向架、一台只承受車體重量的中間轉向架。由於DD51型柴油機車的整備重量達到84噸，因此必須採用六根車軸來分擔車體重量，才能用於軸重限制為14噸的乙級路線。因考慮到二軸轉向架通過曲線時的橫向側壓力比三軸轉向架小，亦有利於簡化主傳動路線和轉向架承載結構，而且零部件也能與DD13、DD20型柴油機車通用，因而令日本國鐵作出採用B-2-B軸式的決定。

兩端轉向架

兩端轉向架採用DT113B型無均衡樑式轉向架，其結構基本上與DD13型柴油機車的DT113型轉向架相同。兩端轉向架的固定軸距為2200毫米，採用鋼板焊接成箱型結構的「H」字形構架和導框式軸箱定位裝置，軸箱彈簧裝置為軸箱兩側的螺旋彈簧。兩端轉向架採用心盤承載方式支承車體重量，車體重量通過下心盤坐落在轉向架構架上，在車體與構架之間還設有滑動摩擦式旁承作為輔助承載裝置。基礎制軔裝置為雙側閘瓦制軔，每個輪對左右兩側各設有一個制軔缸，並設有制軔橫樑以保證兩側閘瓦同步作用，另外還設有閘瓦間隙調整器。

中間轉向架

中間轉向架是一種旁承承載的無動力轉向架，固定軸距為1700毫米，其結構形式經過了多次改良。最初試製的DD51 1號機車採用TR101型中間轉向架，構架採用「U」形側梁的鋼板焊接結構，軸箱通過橡膠環安裝在構架上，旁承彈簧為每側兩個並列的螺旋彈簧組。中間轉向架按允許最大橫移量190毫米和旋轉角3°的條件設計以便通過曲線，並且採用了特殊的旁承彈簧機構來消除復原力矩，以儘可能減少所產生的橫向側壓力。為了在中間轉向架實現兩級可變軸重功能，DD51 2～4號機車在旁承彈簧部分加裝墊片，使平均軸重可以根據需要而設定為14噸或15噸。從DD51 5號機車開始的量產車改為採用TR101A型中間轉向架，唯一區別是以空氣彈簧取代了螺旋彈簧組，利用改變空氣彈簧的氣壓而使軸重變化。
從1967年生產的DD51 548號機車開始，改為採用TR106型中間轉向架，特點是增加了單側閘瓦制軔作為基礎制軔裝置。從1968年開始生產的DD51型800番台機車改為採用TR106A型中間轉向架，降低了制軔倍率以防止因制軔力過大而導致輪對滑行。從1970年生產的DD51 808號機車開始，改為採用TR106B型（無蒸汽鍋爐車輛用）或TR106C型（有蒸汽鍋爐車輛用）中間轉向架，該型轉向架改良了軸箱橡膠定位裝置，以抑制因增加基礎制軔裝置而帶來的震動。

海外讓渡

1998年，JR西日本原本計劃將十台報廢的DD51型柴油機車讓渡予越南鐵路，並對輪對進行改造以適應東南亞國家的米軌軌距（1000毫米），但該讓渡計劃最終沒有實現。後來，其中四台機車（DD51 1106、1118、1110）被讓渡予澳洲鐵路工程承包商百利茂林營造股份有限公司（Barclay Mowlem），用於泰國國家鐵路南線的修繕工程。此外，另外一台機車（DD51 1032）被讓渡予馬來西亞的「Emrail」鐵路工程公司，用於馬來亞鐵路西海岸線（萬撓至巴東勿剎段）的提速改造工程。
2004年，JR貨物將兩台報廢的DD51型柴油機車（DD51 797、DD51 823）讓渡予緬甸鐵路，這兩台機車在緬甸被定型為D2D.2200型柴油機車（D2D.2201、D2D.2202）。由於其功率對於緬甸鐵路的運輸水平而言顯然過剩，因此D2D.2202號機車於2008年被分解成兩台DD.1100型柴油機車（DD.1101、DD.1102），不久之後D2D.2201號機車亦進行了相同改造（DD.1103、DD.1104）。