2TE121型柴油机车

背景

1960年代初，隨著蘇聯鐵路運輸量的大幅增長，由此產生了對新型大功率幹線柴油機車的需求，根據當時蘇聯的幹線柴油機車發展規劃，提出的機車功率等級為2000、3000、4000、6000馬力。根據當時由蘇聯交通部中央運輸工程科學研究院（ЦНИИ）的計算，為了滿足運輸需求，蘇聯鐵路的幹線貨運柴油機車應該有至少30%裝用4000馬力柴油機。當時蘇聯國內功率最大的幹線柴油機車是2TE10L型機車，仍裝用3000馬力的10D100型二衝程柴油機及直流電傳動裝置，進一步發掘其提高功率的潛力是十分困難的，因此蘇聯的鐵路科研部門決定開發新一代的四衝程柴油機，作為新型大功率柴油機車的動力來源。1966年，科洛姆納內燃機車製造廠成功研製了Д49型四衝程柴油機（16ЧН-26/26）。1967年，盧甘斯克機車製造廠（1971年至1989年稱為伏羅希洛夫格勒內燃機車製造廠）試製了首台裝用1А-5Д49型柴油機的TE109型柴油機車，柴油機裝車功率為3000馬力，也是蘇聯第一種採用交—直流電傳動裝置的柴油機車。1971年，伏羅希洛夫格勒內燃機車製造廠研製了2TE116型幹線貨運柴油機車，計劃作為2TE10型柴油機車的換代產品，單機功率等級同樣為3000馬力，但採用了先進的Д49型四衝程柴油機、交—直流電傳動裝置和無導框式標準轉向架。
根據最初的技術規劃，2TE116型柴油機車實際上是為研製更大功率機車的過渡階段產品，因此柴油機裝車功率僅為3060馬力（16個氣缸），單缸功率約為190馬力；而在未來隨著柴油機強化程度的提高，柴油機功率應進一步提升為4000馬力（16個氣缸）、單缸功率250馬力，以及6000馬力的20氣缸柴油機，單缸功率可達到300馬力。1972年，伏羅希洛夫格勒工廠開始小批量生產2TE116型柴油機車，但由於2TE116型機車在還沒有經過全面試驗及運用考核的情況下就投入生產及使用，導致機車的缺陷在運用過程初期中逐漸暴露出來，尤其柴油機的可靠性較差，為機務部門帶來了不少麻煩。因此，科洛姆納工廠和伏羅希洛夫格勒工廠不得不隨著機車的生產，對機車各主要零部件逐步進行修改，以解決柴油機及電傳動系統的可靠性問題。

研製

儘管在2TE116型機車的生產和改進過程中還碰到一堆問題，但伏羅希洛夫格勒工廠仍然同時開始研製下一代的大功率幹線貨運柴油機車。根據伏羅希洛夫格勒工廠與蘇聯交通部達成的共識，認為下一代的幹線貨運柴油機車應該以兩節六軸機車組成、單機功率4000馬力的雙節式柴油機車作為基本系列，而且在動力裝置、電氣設備、車體結構、轉向架等部件方面應該實現統一化，以減少設計和製造上的困難。與此同時，蘇聯的4000馬力柴油機車的研製也取得了突破，科洛姆納工廠於1973年成功研製TEP70型幹線客運柴油機車，成為蘇聯第一種單機功率達到4000馬力並投入批量生產的柴油機車。此後，伏羅希洛夫格勒工廠又分別在1974年和1975年，試製了同樣裝用5Д49型柴油機的TE129、TE120型柴油機車。
根據蘇聯交通部設定的技術指標，新一代的8000馬力雙節式柴油機車應採用25噸軸重，整備重量為2×150噸，輪徑為1250毫米，持續牽引力不小於30噸。1977年，蘇聯制定了《幹線內燃機車（型式和基本參數》標準》（ГОСТ 22602-77），為單節六軸的4000馬力柴油機車提供了技術規範。1978年，伏羅希洛夫格勒工廠試製了首台2TE121型柴油機車。該型機車採用了一系列嶄新的技術，包括整體承載式車體、電樞空心軸牽引電動機架懸式轉向架、囊式司機室、整合式牽引發電機組、中央通風冷卻系統等，使其技術水平及性能指標均處於當時世界領先水平。

改進

2TE121-001號機車出廠後，在北高加索鐵路局管內邁科普至別洛列琴斯卡亞區段進行了正線運行試驗及動力學性能試驗，此後又在全蘇內燃機車科學研究院（ВНИТИ）及全蘇鐵道運輸科學研究院（ВНИИЖТ）的組織下，在位於莫斯科州謝爾賓卡的環形鐵道試驗基地進行最高速度120公里/小時的高速運行試驗，並根據試驗結果提出了一些修改建議。2TE121-001號機車最主要的問題是重量太大，機車軸重達到26.8噸，遠超過原本規定的25噸。由於當時蘇聯已經決定暫緩鋪設Р65（每延米重65公斤）、Р75（每延米重75公斤）型重型鋼軌，而且許多地區並沒有足夠的軌道養護設備。因此在這種情況下對機車軸重提出了更嚴格的要求，迫使伏羅希洛夫格勒工廠在短時間內重新設計機車結構，並在1979年試製了2TE121-002號機車。這台機車的單節長度由22米縮短到21米，使其單節重量能滿足設計要求的150噸（±3%），而許多機械及電氣部件也經過改良。1980年至1982年間，伏羅希洛夫格勒工廠又生產了2TE121-003、2TE121-004號機車，其中003號機車在1980年代曾長時間被全蘇內燃機車科學研究院用於轉向架的試驗和研究。
1983年，伏羅希洛夫格勒工廠生產了2TE121-005號機車，從這台機車開始採用經過改進的5Д49型柴油機，並重新設計了車頭外觀，同年開始小批量生產。首批10台2TE121型柴油機車配屬北方鐵路局伯朝拉機務段投入使用，並顯示出良好的效益。2TE121型機車的燃油消耗平均比2TE10V型機車降低了8～10%；同時由於機車功率較大，不僅能夠提高貨物列車牽引重量，而且也能縮短區間運行時分、提高列車趕點能力。此外，2TE121型機車也具有較好的司機工作環境及較小的輪軌磨耗。後來，烏克蘭的頓涅茨克鐵路局波帕斯納亞機務段也開始配屬2TE121型機車。
蘇聯解體以後，獨立國協國家的鐵路運輸生產均面臨嚴重滑坡，在運量劇減、財政窘迫的情況下，俄羅斯聯邦交通部及烏克蘭交通部都終止採購2TE121型機車。至1992年停產，盧甘斯克機車製造廠共生產了76台2TE121型機車。同時，獨立國協國家的機車車輛修理也面臨極大的困難，根本沒有足夠的修理能力來滿足機車車輛的大修需求，而原本由盧甘斯克機車製造廠負責為2TE121型機車提供的ТР-3級大修，也被迫改由第三方的機車修理廠進行。而且由於2TE121型機車產量不大，機車配件供應亦無法得到保障。結果許多配屬頓涅茨克鐵路局的2TE121型機車在1990年代中期就相繼被封存或報廢，而俄羅斯的2TE121型機車也在2000年代陸續報廢。

總體結構

2TE121型柴油機車是雙節重聯的十二軸大功率幹線貨運用柴油機車，能確保在-50℃～40℃的環境溫度下實現全天候穩定運行。每組機車由兩節結構完全相同的六軸機車通過車鉤、通過台、重聯線等連接而成，也可以在必要時分解為兩台機車單獨運行。機車採用了整體承載結構的桁架式側壁承載車體，車體是一個由車架（下弦梁）、側牆、上弦梁、等部件焊接成一個完整的箱形結構。底架和車體結構中廣泛採用低合金鋼焊接結構，底架由厚度為4～6毫米的的箱形截面縱向側梁組成，側梁之間用鋼板聯結，其中的空間亦是中央通風冷卻系統的送風道。燃油箱及總風缸吊掛在底架中部。2TE121型機車採用了獨立模塊化結構的囊式司機室，寬敞舒適的司機室整體通過橡膠墊固定到車架上，能有效減少司機室承受的噪音及振動，司機室內並設有空調、灶具、冰箱。除了司機室之外車體其他部分的鋁製頂蓋均為可拆式，以方便組裝及維修。
制動系統採用空氣制動機及組合式基礎制動裝置，實施雙側閘瓦制動，制動缸直徑為10吋，制動系統組件包括483號空氣分配閥、394號單元制動器、254號輔助制動閥；當制動初速為100公里/小時，機車制動距離不大於800米。2TE121型機車沿用了在TEP70型機車上首次採用的集中式中央通風冷卻系統，由柴油機曲軸驅動的軸流式風扇，通過車體側壁的百葉窗及空氣濾清裝置抽入冷風，經過通風支路為牽引發電機、牽引電機、整流裝置進行冷卻，中央通風冷卻系統具有空氣流量大、空氣過濾效果好、減少輔助功率消耗等優點。全車所有通風機均採用鼠籠式三相異步電動機驅動。

柴油機

機車裝用一台2В-5Д49型柴油機（蘇聯國家標準GOST型號為16ЧН26/26），是一種由科洛姆納工廠研製的16氣缸、四衝程、二級增壓帶中間冷卻的V型中速柴油機，裝車功率為4000馬力（2,942千瓦），氣缸直徑為260毫米，活塞行程為260毫米，額定轉速為每分鐘1000轉，最低穩定轉速為每分鐘350轉，單位燃料消耗量為160克/有效馬力·小時。柴油機採用了二級增壓系統，第一級是單級軸流式廢氣渦輪增壓器，第二級是由離心式鼓風機組成的單級機械增壓器，兩級增壓器之間設有增壓空氣中間冷卻器（中冷器）。柴油機整體淨重18,520公斤。
柴油機的冷卻水系統分為高溫冷卻水系統及低溫冷卻水系統。高溫水系統是柴油機冷卻水的系統，而低溫水系統是為機油熱交換器及中冷器而設的冷卻水系統。冷卻裝置由散熱器與風扇組成，冷卻水帶出的熱能在散熱器中傳給空氣而冷卻。機車並設有一台2ПСГ02型啟動發電機，通過齒輪變速箱直接與柴油機曲軸相連。啟動發電機為一台直流電機，在機車起動時啟動發電機由蓄電池供電，作為串勵直流電動機運轉並驅動柴油機起動；當機車完成啟動後它又變為他勵直流發電機，輸出120伏直流電，供蓄電池充電、機車控制電路及照明設備用電。

傳動系統

機車傳動裝置採用交—直流電傳動，柴油機通過聯軸器直接驅動一台三相交流同步牽引發電機，經矽整流裝置轉換成直流電後，供給六台並聯的牽引電動機。牽引發電機與輔助發電機採用整合式設計，機車採用由哈爾科夫重型電機廠設計製造的А-714У2型牽引發電機組，是由設在同一焊接機座內的兩台同步發電機組成，機組總重8200公斤，冷卻方式為強迫通風。
牽引發電機為ГС-504А型凸極式三相交流他勵同步發電機，發電機淨重6500公斤，額定功率為2800千瓦；發電機定子為兩組星形接法的三相繞組，彼此相差30°電角度；額定電壓為366伏（2×2400安培），最高輸出電壓為580伏（2×1520安培），額定轉速為每分鐘1000轉（100赫茲）。輔助發電機為一台400千瓦的自勵同步發電機，為機車上的輔助機械包括通風機、油泵、水泵、空氣壓縮機等設備供電，同時經過整流為直流電後給牽引發電機勵磁。2TE121型機車具有發電機恆功率勵磁調節功能，以充分利用柴油機的功率。
牽引發電機發出的三相交流電由УВКТ-9У2型矽整流裝置轉換成直流電，整流裝置設有二組並聯的三相橋式整流電路，整流電路每一橋臂有九個並聯支路，每個支路有二個串聯連接的ВЛ200-8型雪崩整流二極體，全套整流裝置共有216個二極體元件，額定輸出電壓為800伏（5400安培）。
牽引電動機採用ЭД-126У1型六極串勵直流牽引電動機，額定功率為409千瓦，額定電壓為548伏（820安培），最高工作電壓為725伏（620安培），額定轉速為每分鐘480轉，最高轉速為每分鐘1910轉，定子及電樞繞組的絕緣等級分別為F級和H級，單台電機重量為3600公斤。此外，2TE121型機車並設有具備全功率自負荷試驗功能的電阻制動裝置，在電阻制動工況時牽引電動機變為他勵直流發電機工作，並與制動電阻相聯，單節最大制動功率為3200千瓦。

轉向架

走行部採用無導框式三軸轉向架。為了改善機車的粘著性能、減小接觸應力，2TE121型機車的車輪直徑由傳統的1050毫米增大到1250毫米，轉向架的尺寸和重量也相應增大，轉向架重量比2TE116型機車增加了近40%。轉向架的「目」字形構架由箱形截面的縱梁和橫樑焊接而成，軸箱採用接觸球軸承結構。一系懸掛裝置借鑑了VL60、VL80型電力機車的成熟技術，由軸箱螺旋彈簧和均衡梁組成，靜撓度約為100毫米。二系懸掛採用與2TE116型機車的橡膠堆旁承結構，靜撓度約為16～18毫米。車體全部重量通過四點式橡膠堆旁承由兩台轉向架支承，牽引力和制動力通過心盤傳遞。
由於2TE121型機車的軸重提高到25噸，為了減少輪軌作用力，機車採用了電機空心軸式牽引電動機全懸掛彈性驅動裝置。該技術借鑑自斯柯達公司為蘇聯提供的ChS2、ChS4型電力機車，牽引電動機全部重量懸掛在轉向架構架上，牽引電動機的扭矩通過中空電樞軸上的齒輪聯軸器，再經過連杆及橡膠繩膜片式聯軸節，傳遞給齒輪減速箱，由主動齒輪傳給從動齒輪，從而驅動輪對，齒輪聯軸器及橡膠聯軸節使整個傳動裝置在機車運行過程中都能和轉向架構架作相對各向運動，齒輪減速箱的牽引傳動齒輪比為22：95。