2TE116型柴油机车

背景

1953年，哈爾科夫運輸機械製造廠成功研製了裝用2D100型二衝程柴油引擎的TE3型柴油機車，單節機車功率達到2000馬力。此後，哈爾科夫工廠在2D100型柴油機的基礎上進行改進，設計了立式12氣缸的9D100型二衝程柴油引擎，使單機功率提高到3000馬力，於1958年首先裝用於TE10型柴油機車。1960年，哈爾科夫工廠又將單缸功率提高至300馬力，成功研製了立式10氣缸的10D100型二衝程柴油引擎，單機功率仍保持在3000馬力，被廣泛使用於2TE10系列柴油機車。
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。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10D100型二衝程柴油引擎及直流電傳動裝置，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引擎，作為新型大功率柴油機車的動力來源。

研製

1962年，哈爾科夫運輸機械製造廠與哈爾科夫理工學院合作，成功試製了Д70型四衝程柴油引擎（16ЧН-24/27），氣缸直徑240毫米，活塞行程270毫米，額定功率為3000馬力，並於1963年裝用於2TE40型柴油機車投入運用考核。與此同時，科洛姆納內燃機車製造廠也不甘示弱，在1960年代中期成功研製了Д49型四衝程柴油引擎（16ЧН-26/26），氣缸直徑為260毫米，活塞行程為260毫米，功率同樣為3000馬力。1967年，盧甘斯克機車製造廠試製了首台裝用1А-5Д49型柴油引擎的TE109型柴油機車，也是蘇聯第一種採用交—直流電傳動裝置的柴油機車。
對於這兩種四衝程柴油引擎的選擇，蘇聯鐵道部也經過了長時間的考慮。哈爾科夫運輸機械製造廠需要較多的技術準備以保證Д70型柴油引擎在下一個五年計劃投入批量生產，而科洛姆納內燃機車製造廠的Д49型柴油引擎也存在機油消耗量較大的問題。1968年至1969年間，在全蘇鐵道運輸科學研究院的組織下，TE109、2TE40、2TE10L型柴油機車於烏克蘭的敖德薩-基希訥烏鐵路局伯爾茲機務段進行了對比試驗，試驗結果表明，四衝程柴油機具有較好的燃油經濟性，而Д70、Д49型兩種柴油引擎亦具有相當接近的性能指標。1969年冬季，為了作進一步的比較和論證，盧甘斯克機車製造廠試製了兩組雙節重聯的2TE109型柴油機車，其中001號機車裝用2Д70型柴油引擎，而002號機車則裝用1А-5Д49型柴油引擎，兩者均在伯爾茲機務段投入了運用考核。
然而，最終決定哪種柴油引擎能夠投入批量生產的問題，並非純粹的技術決定，而是根據蘇聯重工業的生產布局而決定的。蘇聯重型機械工業部最終決定，由部屬的盧甘斯克機車製造廠負責繼續改進Д49型柴油引擎，而哈爾科夫工廠已於1960年代末恢復由蘇聯國防部直接管理，並逐步停止生產鐵路機車的業務，轉為專注於坦克的研究與開發。自此，Д49型柴油引擎就成為了蘇聯以後各種大功率機車柴油機的基礎。
1970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）開始設計新一代大功率幹線貨運柴油機車，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型四衝程柴油引擎、交—直流電傳動裝置和無導框式標準轉向架。這種機車原本擬命名為TE116型（ТЭ116），但最終被定型為2TE116型。1971年，在科洛姆納內燃機車製造廠、哈爾科夫運輸機械製造廠、哈爾科夫重型電機廠及全蘇鐵道運輸科學研究院等單位的協作下，伏羅希洛夫格勒工廠試製了首三組2TE116型柴油機車。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，因此柴油引擎功率僅為3060馬力（16個氣缸），單缸功率約為190馬力；而在未來隨著柴油引擎強化程度的提高，柴油引擎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氣缸柴油引擎，單缸功率300馬力。但是面對機車的試驗、調整和生產上發現的困難，伏羅希洛夫格勒工廠不得不隨著機車的生產，對機車主要零部件進行修改，其中還涉及柴油引擎及電傳動系統的可靠性問題。

改進

1972年，伏羅希洛夫格勒工廠開始小批量生產2TE116型柴油機車，同年首批機車率先在中亞鐵路局科貢機務段及布哈拉一號機務段投入運用。1975年起，2TE116型機車開始配屬於東南鐵路局葉列茨機務段；隨後，2TE116型機車又大量配屬到斯維爾德洛夫斯克鐵路局的秋明、伊希姆機務段。截至1975年底，蘇聯鐵路已經有194台2TE116型機車，其中165台配屬於斯維爾德洛夫斯克鐵路局。然而，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批量生產及使用，導致機車的缺陷在運用過程初期中逐漸暴露出來，為機務部門帶來了不少麻煩；尤其柴油引擎的曲軸及主軸承可靠性較差，根據蘇聯鐵道部門的統計，在1972年至1976年生產的2TE116型機車之中，在運行40萬公里後有超過30%的柴油機曲軸出現問題，遠高於同時期11Д45、10Д100型柴油引擎的曲軸故障率（約5%）。為此，科洛姆納工廠和伏羅希洛夫格勒工廠曾對曲軸、氣缸蓋、水泵、機油泵、燃油裝置、曲軸調速器、渦輪增壓器、空氣冷卻器和機油濾清系統等柴油機零部件進行了較多改進工作。至1970年代後期，雖然Д49型柴油引擎漸趨穩定，但使用壽命並沒有明顯延長。至1980年代初期，科洛姆納工廠仍然致力於改善Д49型柴油引擎的可靠性。
與此同時，2TE116型機車的可靠性問題已引起蘇聯鐵道部的關注。1981年2月，蘇聯共產黨在莫斯科舉行第二十六次代表大會，蘇聯鐵道部部長巴甫洛夫斯基（И.Г. Павловский）在會上批評，「機車製造廠欠了鐵路工人的債，機車廠不但沒有生產出強大、經濟的機車，卻生產了一堆故障頻生的2TE116型機車。」此外，鐵道部與重型機械工業部之間也因而產生了矛盾，蘇聯鐵道部向蘇聯部長會議提交了一份文件，名為《鐵道部關於在第十一個五年計劃（1981年—1985年）及未來維持2TE116型柴油機車正常運用，及保障鐵路運輸安全可靠的建議》，並拒絕接收新的2TE116型機車。面對上級的壓力，科洛姆納工廠不得不加快對Д49型柴油引擎的改進。1982年至1984年，經過各方面改進的Д49型柴油引擎通過了試驗，並獲得了令人滿意的結果。1986年，跨部門的驗收委員會正式批准2TE116型機車投入批量生產。從1971年到1986年，伏羅希洛夫格勒工廠共花了15年的時間來改進Д49型柴油引擎和2TE116型柴油機車。

2TE116M

1974年，伏羅希洛夫格勒內燃機車製造廠試製了首台帶有電阻制動裝置的2TE116M-140號機車，1977年又生產了兩台2TE116M型機車（316、317）。2TE116M型機車的電傳動系統具有電阻制動功能，當機車處於電制動工況時，牽引電動機變為他勵直流發電機運轉，輸出的電能一部分經由晶閘管逆變裝置轉換為三相交流電，供給車上的輔助電機使用，另一部分則消耗於制動電阻。機車並設有自動制動控制系統（САРТ），電阻制動對穩定列車的下坡速度十分有利，能夠使列車在長大下坡道上實現恆速運行。根據試驗結果，2TE116M型機車最大制動功率為2553千瓦（當時速為58公里/小時）。

2TE116G

1980年代初，鐵路運輸業已經是蘇聯國內最主要的柴油用戶，柴油機車每年需要消耗過千萬噸柴油，然而由於石油開採成本日益提高，石油開採量的增長速度在降低。1984年年初，蘇聯通過了《蘇聯長期發展動力綱要的基本方針》，為各個能源及動力相關部門到2000年的發展規定了主要方針，其中包括建議調整燃料結構，大量使用天然氣代替作為燃料的石油。同年，根據蘇聯交通部的指示，全蘇鐵道運輸科學研究院、伏羅希洛夫格勒內燃機車製造廠、科洛姆納內燃機車製造廠、布良斯克機械製造廠等單位開始了天然氣內燃機車的研製工作。1987年，布良斯克機械製造廠對一台TEM2U型調車機車進行了改造，成為世界上第一台以天然氣為燃料的內燃機車，並成功進行了試驗。1988年，伏羅希洛夫格勒工廠在2TE116型機車的基礎上，試製了一組2TE116G型天然氣機車（2ТЭ116Г）。
2TE10G型機車由兩節結構相同的六軸單司機室機車，與一節四軸的液化天然氣儲存車（又稱低溫車）聯掛而成，各車連接部分設有通過台和風擋裝置，還設有輸送天然氣和冷卻水的連接軟管。天然氣儲存車上設有兩個容積為20立方米、儲存溫度為-162°C的液化天然氣罐，以及配套的氣化裝置、供氣裝置、空氣壓縮機等設備。兩節機車的總體結構和普通的2TE116型機車基本相同，但加裝了輸氣管路、車體強迫通風系統、氣體泄漏警報裝置等。機車裝用由科洛姆納工廠研製的1ГДГ型天然氣發電機組（Д4Г型雙燃料四衝程發動機），此外車上還設有СКРЗД-3型電子式發動機監控、調節和保護系統。機車每一次注滿燃料可以走行1000公里。
2TE116G型機車出廠後進行了調整和試驗，試驗結果表明，天然氣發動機的燃燒性能良好，但天然氣儲存車的結構上還存在一些缺點。蘇聯解體以後，2TE116G型機車被劃歸俄羅斯的鐵道部門所有，全俄鐵道運輸科學研究院在有限的科研資金的支持下，仍然持續進行對天然氣內燃機車的開發和研究。

2TE116A

1981年至1982年間，伏羅希洛夫格勒內燃機車製造廠先後試製了四台2TE116A型柴油機車（2ТЭ116А），該型機車的車體、主要機械設備和電氣設備的結構與2TE121型柴油機車（002～004號）實現了最大程度的統一化，而走行部則沿用與2TE116型機車大致相同的轉向架。因此，2TE116A型機車「沉重」的車體與「輕小」的轉向架構成了「頭重腳輕」的強烈對比，車體底架與轉向架構架之間的間隙大得甚至還能讓一個人鑽過去。2TE116A型機車裝用5-9ДГ型柴油發電機組，包括5-5Д49型柴油機及А-714У2型牽引發電機，柴油機裝車功率為3060馬力。首兩台機車採用新型的ЭД-125Б型牽引電動機，後兩台機車改裝ЭД-118Б型牽引電動機。1980年代，四台2TE116A型機車曾經在東南鐵路局科切托夫卡機務段投入運用考核。1982年，伏羅希洛夫格勒工廠在2TE116A型機車的基礎上，為貝阿鐵路研製了四節重聯的4TE130型柴油機車。

2TE116UP

1995年，盧甘斯克機車製造廠試製了一台2TE116UP型客貨運通用柴油機車（2ТЭ116УП-0001），但沒有投入批量生產。2TE116UP型機車的單節功率由3060馬力（2250千瓦）提高到3600馬力（2650千瓦），並設有電阻制動裝置、列車取暖供電裝置及微機控制系統，最高運行速度為120公里/小時，持續牽引力為2×323千牛。每節機車設有一台新設計的輔助交流同步發電機，輔助發電機與牽引發電機同軸，輸出的交流電經整流後向旅客列車直接提供3000伏直流電，為列車上的電熱取暖裝置提供電源，單節機車的供電系統額定功率為575千瓦。此外，機車取消了分別安裝的勵磁機及啟動發電機，牽引發電機的勵磁電源及機車輔助電機的電源均由該輔助發電機提供。司機室內配備空調、暖氣和通風裝置，改善了機車乘務員的工作環境。
2001年，該台機車被俄羅斯的「ЛинкОйл」鐵路貨運公司購入並投入使用。2005年3月，機車在愛沙尼亞約格瓦縣境內發生意外事故，導致A節機車損毀；同年5月，機車在塔林完成修復。後來，該台機車被愛沙尼亞鐵路局租用。2009年7月，A節機車因火災事故受損，同年5月返回俄羅斯的沃羅涅日內燃機車修理廠。2011年11月，機車在道加夫皮爾斯機車修理廠進行大修，之後又再被轉售予民營的愛沙尼亞鐵路服務公司（E.R.S. AS）。

2TE116U

2007年，盧甘斯克機車製造廠開始為俄羅斯鐵路股份公司提供2TE116U型幹線貨運柴油機車（2ТЭ116У）。2TE116U型機車與2TE116型機車的總體結構基本相同，仍然沿用了原來的電傳動系統，但引擎更換為18-9ДГ-01型柴油引擎，機車總功率提高到7208馬力，持續牽引力由2×248千牛提高到2×323千牛，而單位燃料消耗量由204克/千瓦小時下降至198克/千瓦小時，同時改善了柴油機的排放污染。此外，2TE116U型機車改用功率更大的ЭД133型牽引電動機，並設有最大制動功率為2700千瓦的電阻制動裝置。機車採用МСУ-ТП型微機控制和診斷系統、遙距監控系統、統一化機車綜合安全系統（КЛУБ-У）。司機室採用了與2TE126、2TE136型機車相同的外觀，司機操縱台符合最新的人體工程學和美學的要求，機車當前狀態的所有數據及診斷結果都能直觀地顯示在顯示屏上。截至2012年12月，俄羅斯已經接收了185台2TE116U型柴油機車，主要配屬在伏爾加鐵路局、十月鐵路局、北高加索鐵路局及斯維爾德洛夫斯克鐵路局。

2TE116UM

2010年10月，蒙古國烏蘭巴托鐵路局與俄羅斯運輸機械控股集團簽訂了採購35台2TE116UM型幹線貨運柴油機車（2ТЭ116УМ）的訂單。2TE116UM型機車是在2TE116U型機車的基礎上，為高海拔及大風沙氣候環境而設計的，兩者的柴油機、電傳動系統、控制系統均基本相同。微機控制系統軟體特別為適應高海拔地區的柴油機功率修正作出了調整，使柴油機功率隨海拔高度自行修正，保證機車在760～620毫米汞柱的大氣壓力環境下都能夠充分發揮柴油機功率。為了滿足柴油機對吸氣潔淨程度的要求，機車設有三級空氣濾清裝置。此外，機車並設有牽引電機溫度、電機軸溫、輪對軸溫的監控系統。

2TE116UK

2TE116UK型柴油機車（2ТЭ116УК）是為哈薩克斯坦企業「ПромТрансМенеджмент」設計製造的幹線貨運柴油機車，單節功率為3060馬力（2250千瓦），但不設微機控制系統及司機室空調裝置。

2TE116UD

2012年，盧甘斯克機車製造廠與美國通用電氣公司合作，研製了2TE116UD型柴油機車（2ТЭ116УД）。該型機車吸收了通用電氣「創新」系列（Evolution Series）柴油機車的成熟技術，實際上已經脫離了傳統的2TE116型機車系列，機車採用了全新的柴油發電機組及交—直—交流電傳動系統，並重新設計了高壓電氣室、車體頂蓋、油水管路及電氣線路。機車使用通用電氣的GEVO V12型大功率柴油機，具有更好的燃油經濟性及更低的維護成本，氣缸直徑250毫米，活塞行程320毫米，額定轉速為每分鐘1050轉；受到機車冷卻條件限制，柴油機額定功率為4560馬力（3350千瓦），排放指標能夠符合美國環保局二級（EPA Tier 2）排放標準。機車並採用了由烏克蘭重型電機製造廠（«Завод Электротяжмаш»）生產的А723МУ2型交流傳動系統，包括牽引發電機、輔助發電機、啟動發電機等。機車構造速度為100公里/小時，起動牽引力達到2×410千牛（2×41.76公噸）。

2TE116UR

2014年,盧甘斯克機車製造廠推出使用德國MTU 20V4000R43大功率高速柴油機2TE116UR型柴油機車(2ТЭ116УР),單機功率3670馬力,目前僅試造一輛。

總體結構

2TE116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，採用了車架承載式封閉型結構車體，車體由車架、側牆、司機室及頂蓋部件組合成一個完整的箱形結構，側壁及車頂不參與承載。主車架承載構件的結構類似於M62型柴油機車的車體底架，是由工字鋼樑及槽鋼焊接而成，中梁是車架的主要受力部件，為左右兩根貫穿機車全長的45號工字鋼，上下翼緣用兩塊厚度為18毫米的鋼板加強。2TE116型機車車架的主要特點為延長了底架長度，並改變了轉向架旁承的結構和位置，底架中部設有下凹的魚腹型結構蓄電池箱。側牆由鋼結構骨架及壓筋鋼板組成。司機室採用獨立的模塊化結構，生產機車時首先將柴油發電機組和其他設備安裝到車架之後，再將司機室整體焊接到車架上，司機室構架隔層之中並填充有隔音材料。除了司機室之外車體其他部分的頂蓋均為可拆式，以方便組裝及維修。為了使機車達到設計重量及平均分配軸重，從118號機車開始，每節機車加裝了三塊分別重1347、2721、490公斤的壓鐵配重，總重9116公斤。
機車採用空氣制動機（包括270.005-1號空氣分配閥、394號單元制動器、254號輔助制動閥），及КТ-7型空氣壓縮機。機車上的冷卻風扇及牽引電機通風機均使用三相交流電動機驅動，而空氣壓縮機則採用直流電動機驅動。機車整備重量為2×138±3%噸，構造速度為100公里/小時，當持續速度為24.7公里/小時，持續牽引力為2×248千牛（25300公斤）。

柴油機

每節機車裝用一台1А-5Д49型柴油機（蘇聯國家標準GOST型號為16ЧН26/26），是一種由科洛姆納內燃機車製造廠研製的16氣缸、四衝程、二級增壓帶中間冷卻的V型中速柴油機，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360轉，裝車功率為3060馬力（2,250千瓦），單位燃料消耗量為151～158.5克/有效馬力·小時。曲軸採用球墨鑄鐵製造。柴油機採用了二級增壓系統，為柴油機提供壓力為1.35～1.5公斤/立方厘米的壓縮空氣，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）。柴油機淨重量為17650公斤。
機車的冷卻水系統分為高溫冷卻水系統及低溫冷卻水系統，分別具有獨立的冷卻裝置。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增壓空氣中間冷卻器而設的冷卻水系統。冷卻裝置由散熱器與風扇組成，冷卻水帶出的熱量在散熱器中傳給空氣而冷卻。

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ГС-501А型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。牽引發電機由哈爾科夫重型電機廠設計製造，額定功率為2190千瓦，發電機定子按兩組三相繞組設計，彼此相差30°電角度，轉子線圈組件用環氧樹脂浸漬，定子及轉子絕緣等級分別為H級和B級；額定電壓為290伏（2×2350安培），最高輸出電壓為535伏（2×1330安培），額定轉速為每分鐘1000轉（100赫茲），輸出頻率為35～100赫茲；主發電機淨重為6000公斤，柴油機—發電機組（含起動發電機及勵磁機）總淨重量為25000～26000公斤。
在牽引發電機的底座上還設有一台ВС-650В型勵磁機及一台ПСТУ2型輔助啟動發電機，兩台電機均通過齒輪變速箱直接與柴油機曲軸相連和驅動。勵磁機是一台26千瓦的單相同步交流發電機，勵磁機發出的交流電，經過晶閘管橋式整流電路整流為直流電後，供給牽引發電機勵磁。啟動發電機為一台50千瓦的直流電機，工作轉速範圍為每分鐘1150～3300轉，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110伏直流電，供蓄電池充電及機車控制電路及輔助設備用電。
牽引發電機發出的三相交流電由УВКТ-5型矽整流裝置轉換成直流電，整流裝置由位於愛沙尼亞的塔林電氣工廠設計製造，設有二組並聯的三相橋式整流電路，整流電路每一橋臂有十個並聯支路，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240個二極體元件，額定直流輸出電壓為750伏（5700安培）。2TE116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。
牽引電動機採用ЭД-118А型直流串勵牽引電動機，與2TE10L、2TE10V型機車相同，由哈爾科夫重型電機廠設計製造，額定功率為305千瓦，額定電壓為463伏（835安培），最高工作電壓為700伏（552安培），額定轉速為每分鐘562轉，最高轉速為每分鐘2290轉，定子及電樞繞組的絕緣等級為H級，單台電機重量為3100公斤。另外也有少部分2TE116型機車裝用經過改進的ЭД-118Б型牽引電動機。為擴大機車恆功速度範圍，機車能夠對牽引電動機使用二級磁場削弱，磁場削弱率分別為60%及37%。機車採用了КВ-1552型司機控制器，調速手輪具有前進、中立、後退三個工作模式，以及零位和1～15位運行級位。

轉向架

走行部為兩台無導框式三軸轉向架，與TE109型機車的轉向架基本相同。轉向架的「目」字形構架由箱形截面的縱梁和橫樑焊接而成，滾柱軸承軸箱採用拉杆式定位結構。一系獨立懸掛採用螺旋彈簧及橡膠墊；二系懸掛採用橡膠堆旁承，一系及二系懸掛系統總靜撓度為126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。牽引電動機採用抱軸式半懸掛安裝在轉向架上，牽引齒輪傳動比為17：75。