东风4型柴油机车

開發背景

1950年代，中國在大躍進形勢的推動下踏上牽引動力內燃化的道路，並開始仿造試製多種形式的柴油機車。1956年，中華人民共和國鐵道部制定了《鐵路十二年科技發展規劃》，提出牽引動力的改造是鐵路技術改造的重點，要逐步由蒸汽機車轉到電力機車和內燃機車。1958年，大連機車車輛廠參照蘇聯的TE3型柴油機車，成功試製了兩台巨龍型柴油機車。這款中國第一代電傳動柴油機車經過數年試驗改進後，於1965年定型為ND型柴油機車（1966年8月改稱為東風型柴油機車），並正式投入批量生產。與此同時，當時世界上的大功率柴油機車已經出現了採用中速柴油機、交—直流電傳動的發展趨勢。1964年，鐵道部確定了「高速柴油機和中速柴油機並舉」、「電傳動和液力傳動並舉」的柴油機車發展方針，為了儘快縮小中國柴油機車與國際先進水平的差距，中華人民共和國鐵道部向大連機車車輛廠下達了研製第二代大功率柴油機車的任務。

研製過程

1965年初，大連機車車輛廠、大連熱力機車研究所、大同機車廠、鐵道科學研究院等機構聯合組成新中速柴油機設計組，首先重點是研製柴油機車的動力來源——新型大功率中速柴油機。當時同類型柴油機的設計參考資料十分缺乏，設計組只能從國內外雜誌文獻中尋找相關資訊，將國外同類型柴油機及機車的數據、圖片以及使用中情況等作為設計參考，例如蘇聯哈爾科夫運輸機械製造廠的Д70系列、法國阿爾薩斯機械製造公司的AGO 240系列、瑞士蘇爾壽公司的LVA24系列等。1965年7月，鐵道部內燃機車會戰指揮小組在青島召開會議，批准下達新中速柴油機設計任務書，主要技術指標為缸徑240毫米、行程275毫米、小時功率4000馬力、額定功率3600馬力、額定轉速為每分鐘1100轉、四行程、16缸、渦輪增壓。1966年初，大連機車車輛廠試製成雙缸機並調試成功，雙缸機最大輸出功率突破500馬力，證明16缸機可達到4000馬力的預期目標。1965年8月，完成試製首台16缸的16V240ZJ型柴油機樣機，同年內完成新型機車的總體設計。
正當柴油機樣機依試驗程序進行調試和設計改進時，文化大革命在全國範圍內爆發，受到「奪權」和「批鬥」政治運動干擾，各地科研機構首當其衝的遭到巨大的衝擊，研製工作只能在斷斷續續的情況下進行。1967年，湘潭電機廠（今湘潭電機股份有限公司）試製了首批為第二代大功率柴油機車配套的牽引電機組，包括3000千伏安三相交流同步牽引發電機、410千瓦牽引馬達、80千瓦起動發電機、45千伏安三相交流同步勵磁發電機。
1969年，為慶祝中華人民共和國二十周年國慶，大連機車車輛廠對原有的設計方案進行局部修改，將之前試製的柴油機和牽引電機組樣機安裝在機車上，同年9月26日試製出首台東風4型2001號機車，出廠後在瀋大鐵路大連至大石橋區間進行牽引試驗。但由於這台機車為「國慶獻禮」草率上馬，其零部件未經必要的試驗考核和改進，柴油機和電氣部分以及機車其它一些裝置未達到設計要求，導致整台機車的性能和質量都未能過關。此後，大連機車車輛廠針對原型車試運行中出現的問題，聯合田心電力機車工廠（今中車株洲電力機車）、株洲電力機車研究所、永濟電機廠、大連熱力機車研究所等單位，進行了持續十幾年的反覆試驗和全面改進。

試驗改進

從1971年到1974年間，除了於1966年試製的首台16缸樣機之外，大連機車車輛廠又生產了另外四台柴油機進行試驗考核，這五台柴油機進行總計2400小時的各種試驗，基本解決了柴油機功率不足、燃燒不良、排氣溫度高、機油稀釋和柴油機振動等幾大關鍵問題。因應初期試製配套牽引電機組存在的一些問題，田心電力機車工廠、永濟電機廠、株洲電力機車研究所、大連熱力機車研究所等單位於1970年組成聯合設計組，對牽引電機組的設計作出改良。1971年至1973年間，田心電力機車廠先後完成ZQDR-410型牽引馬達和TQFR-3000型牽引發電機的試製和投產。與此同時，面對東風4型機車遲遲未能定型、內燃機車產能不足的情況，鐵道部決定從法國阿爾斯通公司進口一批技術較先進的內燃機車作為過渡，也就是代表著當時世界上電傳動柴油機車先進水平的ND4型柴油機車。
1972年，東風4型2001號機車交付北京鐵路局北京內燃機務段開始進行運用考核。1973年，大連機車車輛廠又試製了東風4型2002號機車，同年5月交付北京內燃機務段進行運用試驗。兩台原型車在京原鐵路北京至靈丘間進行了牽引性能試驗，並與同期從西德引進的NY6、NY7型柴油機車進行對比試驗，然後又在京包鐵路南口至康莊間進行了八達嶺大坡道上停車再起動試驗，以及在京廣鐵路完成旅客列車牽引試驗。隨後，兩台原型車被安排在京山鐵路牽引旅客列車。1974年6月，大連機車車輛廠試製了東風4型0001號貨運機車，交付北京鐵路局豐臺機務段投入運用考核，在京山鐵路豐臺西至南倉間擔當貨物列車牽引任務。同年8月，這台機車赴湘黔鐵路婁底至金竹山區間進行夏季高溫冷卻性能試驗。1974年9月，這台機車又改裝客運傳動比的轉向架，在京廣鐵路豐臺至石家莊之間、京承鐵路豐臺至洞廟河間進行動力學性能試驗，最高試驗速度達130公里/小時。隨後，東風4型0001號機車返廠安裝貨運傳動比的轉向架，然後繼續在京山鐵路進行運用考核。至同年底，2001號、2002號機車已分別完成了10萬公里的運用考核，0001號機車亦已完成1.5萬公里的磨合試驗，005號柴油機也完成了500小時的耐久試驗。

投入生產

1974年底，為了滿足中國鐵路對大功率柴油機車的急切需求，裝用16V240ZJ型柴油機的東風4型柴油機車正式投入批量生產，大連機車車輛廠同時停產東風型柴油機車，張店電機廠（今淄博牽引電機集團）和永濟電機廠亦分別於1974年和1975年開始，按照株洲電力機車廠提供的圖紙生產牽引電機組。1975年1月，東風4型0001號機車在北京環形鐵道由鐵科院主持進行了牽引熱工性能試驗，試驗結果顯示機車主要性能都達到了設計任務書規定的指標。1975年2月，《中國新聞報》和香港《大公報》均以《4000馬力內燃機車誕生記》為題對東風4型機車的研製作了長篇報導。
然而，從1975年開始隨著機車走行里程的增加，柴油機的可靠性問題不斷暴露出來，相繼出現如連杆螺栓斷裂、連杆瓦蓋斷裂、連杆結合齒斷裂、鍛鋁組合式活塞裂紋、配氣齒輪打牙、凸輪軸剝離、滑油泵斷軸等故障，僅在1975年就有22台柴油機連杆螺栓折斷，可以說柴油機上的主要零部件都出現了大大小小的質量問題，當時豐臺機務段還曾經傳唱著一句順口溜：「東風4，東風4，從東單跑不到西四。京廣線要癱瘓，東風4要完蛋」。為此，鐵道部下令組織產品質量攻關，並且連續幾年召開設計改進會議。大連機車車輛廠對零部件出現的問題進行了詳細的分析研究後，制定了一系列結構改良方案並再進行疲勞試驗驗證，同時派出技術人員到各機務段現場進行維修。在改進過程中，工廠首先針對較廣泛的連杆螺栓和連杆蓋斷裂故障，改為採用了全纖維輾制滾壓螺栓和加厚對稱連杆蓋，以提高連杆零部件的疲勞強度和剛度；此外，將原來左、右兩列氣缸並聯工作的兩根排氣總管，分別接到兩端的增壓器上的結構，改成兩列氣缸共用一根排氣總管，從其兩端接到柴油機兩端的渦輪增壓器上，並在柴油機頂部加設排氣穩壓箱，這樣既可以改善增壓系統的穩定性，又可以降低柴油機低工況時的燃油消耗率。為了區別原有的16V240ZJ型柴油機，經過上述兩項改進的柴油機被定型為16V240ZJA型。第一台裝用A型柴油機的東風4型0109號機車於1976年6月出廠，並於同年下半年開始批量生產。
東風4型機車從1974年下半年投入批量生產，到1977年底已生產了233台機車，配屬全國9個鐵路局、14個機務段運用。但從1976年開始，柴油機又出現了更嚴重的機體裂紋事故，到1978年末已有多達143台柴油機出現機體裂紋，占當時已出廠東風4型機車總數的41.6%，造成大量機車無法運用趴窩待修。設計部門通過大量試驗研究查明，柴油機各種故障的根源在於機體強度和剛度不足，以及柴油機軸系動力性能欠佳所致，因此對柴油機機體等二十多個零部件進行了修改設計，包括加高主軸承座以增加機體的高度，主軸承蓋加設了水平橫拉螺釘，通過調整曲軸平衡塊重量和加粗主軸頸來提高曲軸強度，又將鍛鋁活塞改為整體薄壁球鐵活塞，還大膽採用了先進的薄壁球鐵活塞和簧片式彈性聯軸節。1977年11月，經過上述改良的0255號柴油機完成了500小時台架耐久試驗，結果顯示柴油機性能和部件狀態良好，作為A型柴油機的升級產品定型為16V240ZJB型。

後續發展

1978年3月，鐵道部在大連召開了16V240ZJB型柴油機鑑定會議，批准B型柴油機初步定型，可以投入小批量生產。根據會議的建議，大連機車車輛廠將0255號柴油機樣機裝上東風4型0282號機車。從1978年10月至1979年底，這台機車在豐沙鐵路豐臺西至張家口間進行運用試驗，期間牽引貨物列車共運行21萬多公里，柴油機經拆檢觀察顯示性能和主要零部件磨耗情況良好。16V240ZJB型柴油機得到肯定後，為了使柴油機更加可靠，大連機車車輛廠決定參照國外柴油機的試驗規範，對柴油機再進行2000小時高負荷耐久試驗。1979年7月至1980年6月，大連內燃機車研究所對0503號柴油機進行了2000小時耐久試驗。隨後，設計部門先後在單缸機和三台16缸柴油機上進行了三種標定轉速的對比試驗，最終決定在保持裝車功率3300馬力不變的情況下，將標定轉速由原來每分鐘1100轉降為每分鐘1000轉，空轉轉速由原來每分鐘500轉降到每分鐘430轉，以降低柴油機零部件的機械負荷。
1979年6月，為了東風4型柴油機車功率隨大氣條件的變化規律，以便確定柴油機隨大氣條件的功率修正方式，鐵道部科學研究院選定了東風4型0108號機車，在多個不同海拔高度及氣溫的地點進行柴油機功率試驗。1980年9月，大連內燃機車研究所選用東風4型0188號機車，進行了三種不同標定轉速下的牽引熱工性能試驗。1980年至1981年間，大連機車車輛廠對已產生裂紋的A型柴油機機體更換為B型柴油機機體，共更換115台。1982年12月，第一台裝用16V240ZJB型柴油機的0527號機車出廠，作為東風4型機車的升級換代產品，定型為東風4B型柴油機車。1983年1月至5月，0527號機車在大連內燃機車研究所完成了各項性能試驗。1984年底，正式定型的16V240ZJB型柴油機和東風4B型柴油機車投入批量生產，同時大連機車車輛廠停產東風4型機車。從1974年投產開始到1984年停產為止，大連機車車輛廠累計生產了801台東風4型柴油機車，其中包括客運型31台（車號2001～2031）、貨運型770台（車號0001～0770）。
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問題，鐵道部指示資陽內燃機車廠轉產東風4型柴油機車，同時停止東方紅4型液力傳動柴油機車和16V200Z型柴油機的試製試驗，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。1983年3月26日，國家計委下達了 「關於資陽廠轉產改造設計任務書的批覆」。隨後，資陽內燃機車廠得到大連機車車輛廠提供的全套圖紙，又新建了16V240ZJ型柴油機試驗台和東風4型機車水阻試驗台 ，終於趕在1983年12月25日試製出第一台東風4型3001號機車，同年底交付廣州鐵路局廣州機務段使用。1986年6月，資陽內燃機車廠完成轉產東風4B型機車的技術改造，同時停產東風4型機車。1984年至1986年，資陽內燃機車廠累計生產了42台東風4型柴油機車（車號3001～3042）。大連和資陽兩家工廠共生產了843台東風4型機車。
1980年代初，中國開始發展重載列車以提高鐵路運輸能力，大連機車車輛工廠為東風4型柴油機車研製了重聯裝置，並且根據電阻制軔系統在試驗和運用過程中發現的問題及運用部門提出的意見，與西安信號工廠和天津機車車輛機械工廠合作進行了改進設計。1984年，東風4型0642號、0643號機車安裝了重聯控制及電阻制軔設備，配合中國第一代運煤專用敞車C61型敞車，於同年7月至8月進行鐵路重載列車運行試驗並獲得成功，選擇了晉煤外運北通道的京包鐵路、豐沙鐵路（豐臺—沙城—大同線）和京秦鐵路（北京—秦皇島線）為試點。雙機最大牽引噸位達5000噸（計60節車輛），平直道上的最大平衡速度可達85公里/小時，在9‰坡道上的平衡速度為26公里/小時，並在7.6‰坡道上進行了雙機坡停起動試驗。此外，大多數早期生產的東風4型機車在後來返廠廠修時均按照東風4B型機車的標準進行了改造，包括更換成16V240ZJB型柴油機、聯調切控閥、增壓器和聯軸節等部件。

援助朝鮮

2006年至2008年間，中國鐵道部先後多次將國內淘汰的東風4型和東風4B型機車無償援助朝鮮民主主義人民共和國。在朝鮮民主主義人民共和國鐵路系統中，這些機車被定型為朝鮮鐵道200型柴油機車，機車編號為내연2xx（「내연」意為「內燃」），大多數配屬咸興鐵道局咸興機車隊，擔當貨物列車和旅客列車的牽引任務。

總體布置

東風4型柴油機車是幹線客貨運用的六軸柴油機車，採用雙司機室、內走廊式、全鋼焊接結構的框架式側牆承載車體，車體主要骨架均採用16Mn低合金鋼材，車體外部蒙皮為2.5毫米厚鋼板。車體兩端設有同等功能的司機室，可雙向操縱機車。機車從前到後分別為第一司機室、電氣室、動力室、冷卻室、第二司機室五個部分，其中電氣室 、動力室和冷卻室頂部均設計成活動頂蓋，以便拆裝車內部件。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工具箱；司機室後部設有手制軔裝置手柄。電氣室內設有電氣控制櫃、主矽整流櫃、勵磁整流櫃和電阻制軔櫃等電氣設備，以及啟動變速箱、啟動發電機、前轉向架牽引馬達通風機等輔助設備。機車採用EL-14型空氣軔機，可以單獨軔機車或同時軔機車和列車。
動力室位於車體中部，安裝了一套柴油發電機組，以及空氣濾清器、燃油輸送泵、燃油濾清器、膨脹水箱、預熱鍋爐等輔助設備，並在動力室頂部設有車體通風機。為了方便對動力裝置的檢修，機車除了在司機室設有側門外，在動力室的兩側也設有一對側門。冷卻室上方設有油水系統冷卻裝置，採用V型結構的肋片扁管式銅散熱器，冷卻室頂部裝有兩個直徑相同的軸流式冷卻風扇，該冷卻風扇由靜液壓馬達傳動。機車設有兩套獨立的循環冷卻水系統，分別為冷卻柴油機的高溫冷卻水系統（24個散熱器單節），以及冷卻增壓空氣、機油、靜液壓傳動油的低溫冷卻水系統（32個散熱器單節）。冷卻室下方設有靜液壓變速箱、後轉向架牽引馬達通風機、機油熱交換器、空氣壓縮機、起動機油泵等。在車體下部兩台轉向架之間的空間，吊裝著一個容積為9000升的燃油箱，以及鉛酸蓄電池組和兩個總風缸。

柴油機

東風4型柴油機車裝用一台16氣缸、四行程、V型結構、直接噴射、廢氣渦輪增壓的16V240ZJ型中速柴油機。柴油機機體採用鑄焊組合結構和懸掛式軸承座。柴油機採用鉬銅稀土合金球鐵鑄造曲軸、鍛鋼並列連杆、濕式氣缸套、鍛鋁組合式內油冷活塞、耐熱合金鑄鐵氣缸蓋。氣缸直徑為240毫米，活塞行程為275毫米，額定轉速為每分鐘1100轉，最低空載轉速為每分鐘500轉，小時功率為4000馬力（2980千瓦），持續功率為3600馬力（2650千瓦），裝車功率為3300馬力（2430千瓦），單位燃油消耗率為155克/有效馬力·小時，柴油機淨重為19,600公斤。
早期生產的東風4型機車投入運用後，16V240ZJ型柴油機出現大量可靠性問題，相繼出現連杆螺栓斷裂、連杆蓋和主軸承蓋斷裂、機體主軸承座裂紋等故障。為此，大連機車車輛廠首先針對較廣泛的連杆螺栓和連杆蓋斷裂故障，改為採用了全纖維輾制滾壓螺栓和加厚對稱連杆蓋，以提高連杆零部件的疲勞強度和剛度；此外，將原來左、右兩列氣缸並聯工作的兩根排氣總管，分別接到兩端的增壓器上的結構，改成兩列氣缸共用一根排氣總管，從其兩端接到柴油機兩端的渦輪增壓器上，並在柴油機頂部加設排氣穩壓箱，增壓器型號由45GP802型改為45GP802-1型。為與前期生產的16V240ZJ型柴油機區別，經過上述改進的機型被命名為16V240ZJA型，並從1976年起批量生產。

傳動系統

東風4型機車採用交—直流電傳動裝置，柴油機通過鋼片半剛性聯軸節驅動一台交流同步發電機發出三相交流電，經由矽二極體組成的三相橋式整流裝置整流為直流電後，輸送給六台並聯連接的直流牽引馬達，通過傳動齒輪驅動輪對。
牽引發電機採用TQFR-3000型三相交流同步發電機，額定容量為2985千伏安，額定電壓為438／613伏特，額定電流為3936／2805安倍，額定轉速為每分鐘1100轉，定子及轉子絕緣等級分別為B級和H級，冷卻方式為自通風式，主發電機淨重為4850公斤。牽引發電機是由一個交流同步勵磁機發出的交流電，經勵磁整流器轉換為直流電後給發電機的轉子繞組勵磁。為了使牽引發電機能充分利用柴油機的功率，機車設有可控矽勵磁調節裝置控制發電機勵磁電流，以保持牽引發電機輸出功率的恆定。
牽引發電機發出的三相交流電由GTF-4800/770型矽整流裝置轉換成直流電，供給牽引馬達使用。每台機車設有兩台矽整流櫃，矽整流裝置採用由矽二極體元件組成的三相橋式全波整流電路，整流電路每一橋臂有六個並聯的NDZ500/2400型風冷平板式矽二極體，每台整流櫃共有36個二極體元件。矽整流裝置的最大直流輸出電壓為770伏特，額定直流輸出電流為4800安培。
牽引馬達為ZQDR-410型四極串勵直流馬達，額定功率為410千瓦，額定電壓為550伏特，額定電流為800安培，額定轉速為每分鐘647轉，最高轉速為每分鐘2365轉，定子及電樞絕緣等級分別為H級和F級，冷卻方式為強迫通風。為擴大機車的恆功率速度範圍，可以在牽引馬達勵磁繞組接入並聯分流電阻，對牽引馬達使用二級磁場削弱，磁場削弱率分別為60%和43%。東風4型機車設有電阻制軔，在電阻制軔工況時牽引馬達變為他勵直流發電機工作，其激磁繞組全部串聯由牽引發電機經矽整流櫃供電，發出的電流輸入到車上兩個電阻制軔櫃，將電能通過電阻器轉化為熱能消耗掉；受制軔電阻通風冷卻條件的限制，最大制軔電流限制為600安培，制軔功率為2160千瓦。

轉向架

機車軸式為Co-Co，走行部為兩台相同的無導框式三軸轉向架。轉向架採用鋼板組焊成封閉式箱形結構的「目」字形構架，由箱形截面的兩根側梁、兩根橫樑、前後端梁組焊而成，並分別焊有旁承座、拉杆座、外側彈簧座、牽引拐臂座、電機吊杆座、水平槓桿座、橫向止擋、制軔座、制軔缸座及砂箱座等。輪對軸箱內裝有四列圓柱滾子軸承，軸箱定位裝置參考了東方紅1型機車，採用拉杆式彈性定位結構，依靠裝有橡膠關節元件的軸箱拉杆來實現軸箱的橫向和縱向定位。轉向架採用四點支承油浴摩擦旁承裝置，車體全部重量通過八個旁承由兩台轉向架支承。此外，轉向架與車體間還設有彈性側擋裝置，使轉向架進出曲線時能夠相對與車體進行迴轉運動。彈簧懸掛裝置分為一系和二系懸掛兩部分，一系懸掛為軸箱與構架之間的軸箱圓彈簧和橡膠墊，並在1、3、4、6軸裝有並列的液壓減震器；二系懸掛為轉向架構架與車體之間的旁承橡膠堆。牽引力和制軔力通過低位平行四桿牽引杆機構傳遞，牽引點至軌面距離725毫米，有利於提高機車粘著利用率。
牽引馬達採用軸懸式驅動方式（滑動抱軸承式半懸掛），即牽引馬達的一側通過抱軸瓦剛性地支承在車軸上，另一側通過彈性元件（橡膠墊）和吊杆懸掛在轉向架構架上；牽引馬達採用順置方式，即馬達都放在車軸的同一側，有利於減少軸重轉移。東風4型機車根據牽引齒輪傳動比分為客運型和貨運型，從而使機車的牽引特性能滿足不同需要。客運型的齒輪傳動比為3.75（60：16），最高運行速度為120公里/小時。貨運型的齒輪傳動比為4.5（63：14），最高運行速度為100公里/小時。基礎制軔方式為單側槓桿踏面制軔，每個車輪各有一套制軔裝置，當機車施行制軔時，制軔缸從空氣軔機獲得壓縮空氣，並通過槓桿機構使閘瓦抱輪產生制軔作用。停車制軔為手制軔裝置。

機車命名

1977年2月，配屬北京鐵路局豐臺機務段的東風4型0002號機車被命名為「毛澤東號」，替換了上一代的解放1型304號蒸汽機車（ㄇㄎ1-304），成為第二代「毛澤東號」機車。1991年8月，東風4B型1893號機車接替了東風4型0002號機車，成為第三代「毛澤東號」。東風4型0002號機車除名後改為豐臺機務段調車機車。
2002年1月24日，機車在北京郊區的周口店鐵路進行調車作業，前往長溝峪煤礦取車後，由於車站職工誤將折角塞門關閉且司機疏忽，列車運行至下坡道時制軔失效，緊急制軔只能將列車減速至約20公里/小時，周口店站決定將失控的列車溜進貨場，將停放的三節敞車撞毀後機車脫軌顛覆，沒有造成人員傷亡，機車修復後恢復運行。
2008年12月19日，東風4型0002號機車根據鐵道部電報令報廢；報廢后封存於豐臺機務段儲備廠中。2012年9月7日，豐臺機務段開始對該機車進行整修，使用東風4B型6223號機車的主要零部件進行修復。機車經修復後存放於豐臺機務段內的毛澤東號機車展覽館。