東風 4DJ 型柴油機車（DF4DJ），原稱東風 4DAC 型柴油機車（DF4DAC），是中國鐵路使用的電力傳動柴油機車車型之一，也是中國第一代採用交流傳動技術的國產柴油機車，由大連機車車輛廠及德國西門子交通集團於 2000 年共同研製。東風 4DJ 型柴油機車是以東風 4D 型柴油機車為基礎的交流傳動試驗性車型，主要目的為驗證交流傳動技術的優越性，柴油機、轉向架和機械裝置由大連機車車輛廠提供，主發電機採用按照西門子公司技術要求、委託由永濟電機廠製造的 JF216 型同步發電機，牽引傳動系統則應用了西門子公司提供的 IGBT 牽引變流器、1TB2630 型交流異步牽引電動機和 SIBAS 32 微機控制系統。動力裝置採用 16V240ZJD 型柴油機，柴油機裝車功率為 4,000 馬力（2,940 千瓦），機車標稱功率為 3,300 馬力（2,425 千瓦），最大運用速度為 145 公里 / 小時。



發展歷史

開發背景

自 1990 年代起，交流傳動技術已經逐步成為了國際上電力傳動柴油機車發展的必然趨勢，美國、德國、瑞士、日本等國均開始批量生產交流傳動柴油機車。由於採用了更為可靠的異步交流牽引電動機，可以大幅減少牽引電動機的維修並延長機車維修間隔，同時能夠有效改善粘著控制和防空轉特性從而得到更高的輪周牽引力，為機車進一步提高單軸功率創造了條件。1990 年代初，為了滿足中國鐵路「提速、重載」的發展需要，中華人民共和國鐵道部決定在第九個五年計劃期間著手開發以交流傳動技術為主要特徵的中國第四代柴油機車，中國鐵路機車車輛工業總公司並將該目標列入了機車車輛工業「九五」科技發展計劃。早於 1994 年，大連機車車輛廠已經開始了交流傳動柴油機車的設計研究，最初的構想是開發一款以東風 6 型柴油機車作為基礎的交流傳動機車。交流傳動的核心技術是逆變裝置及其控制系統，惟當時中國在這方面的技術尚未成熟，遂選擇與外國廠商合作。1995 年 12 月 18 日，時任中華人民共和國鐵道部部長韓杼濱、副部長國林到工廠視察，回應工廠上馬交流傳動柴油機車時指出，「京廣線、京滬線要開通 5000 噸重載列車，要一通到底，GTO 要求電流大，電壓高，國內達不到，引進交直交技術勢在必行，內燃、電力要同步上…… 大連廠要研究確定一下與誰合作搞交直交技術」。

1997 年，三種交流傳動柴油機車研製計劃被列入了鐵道部科技計劃，分別以東風 6 型（由於東風 6 型機車未能投入批量生產，故後來改以東風 4D 型機車作為基礎）、東風 8B 型（後來發展為東風 8BJ 型柴油機車）、東風 5 型柴油機車（後來發展為 NJ1 型柴油機車）為基礎。交流傳動技術按照應用元件劃分，先後經歷了快速晶閘管（KK）、可關斷晶閘管（GTO）、絕緣柵雙極電晶體（IGBT）三個發展階段；為了儘快縮短中國與國際先進水平的差距，鐵道部決定在交流傳動柴油機車的發展上，跳過 GTO 階段，直接引進國外先進的 IGBT 技術。大連機車車輛廠經過長時間的研究和談判，決定聯同德國西門子公司合作。1998 年 5 月，大連機車車輛廠與西門子公司簽署了關於合作生產大功率交流傳動內燃機車的合作備忘錄。1998 年 12 月，時任鐵道部長傅志寰提出「爭取用十年左右的時間，完成直流傳動向交流傳動轉換」的發展戰略目標。1999 年 4 月 1 日，大連機車車輛廠與西門子公司正式簽訂合作協議。技術合作分為三個階段實行，第一階段是以東風 4D 型柴油機車為基礎，應用西門子提供的交流傳動系統，試製兩台東風 4DAC 型交流傳動柴油機車；第二階段是雙方共同研製用於出口的交流傳動柴油機車；第三階段是雙方共同研製用於中國鐵路的交流傳動柴油機車。

研製過程

東風 4DAC 型柴油機車是在東風 4D 型機車的基礎上，應用了西門子公司提供的交流傳動技術，將「歐洲短跑手」（EuroSprinter）系列 ES64F 型電力機車（德國鐵路 152 型電力機車）上試驗的 IGBT 模塊移植到東風 4DAC 型機車的牽引逆變器。由於該型機車的主要目的為驗證交流傳動技術相比直流傳動技術的優越性，因此機車除傳動系統以外的部分儘量保持與東風 4D 型機車相同，以獲得更具比較性的測試數據。根據合同規定，大連機車車輛廠負責機車總體設計，提供車體、機械設備、轉向架及柴油機；永濟電機廠根據西門子的技術要求設計製造牽引發電機；西門子提供機車使用的 1TB2630 型交流異步牽引電動機、牽引變流裝置、交流輔助發電機以及 SIBAS 32 微機控制系統等部件。

1999 年 7 月，機車技術設計方案通過廠內設計評審，並開始進行施工設計。2000 年 2 月，第一台機車進入總組裝階段；同年 4 月至 5 月，機車在工廠內進行出廠前的靜態和動態調試。2000 年 6 月 28 日，東風 4DAC 型 8001 號機車（DF4DAC-8001）在大連機車車輛廠舉行落成剪彩儀式，鐵道部原總工程師周翊民、中車公司副總經理鄭昌泓、鐵科院副院長王忠文、大連市經委副主任王乃波、西門子公司代表克勞塞克等出席大會並為機車剪彩。2000 年 6 月，東風 4DAC 型 8002 號機車（DF4DAC-8002）完成組裝；同年 12 月 20 日，該機車完成第一次試運轉後出廠。同年年內，鐵道部正式將這種機車定型為東風 4DJ 型，兩台機車分別更名為東風 4DJ 型 0001 號及 0002 號機車（DF4DJ-0001、DF4DJ-0002）。

試驗考核

2000 年 8 月，東風 4DJ 型 0001 號機車在鐵道部科學研究院北京環形鐵道內進行了安全性能、牽引性能、制動性能、防空轉性能、機車阻力等試驗，均達到了設計要求。此後，機車又在京承鐵路北京至洞廟河區段、京秦鐵路北京至秦皇島區段分別完成了小半徑曲線和高速動力學試驗，期間最高試驗速度達到 158 公里 / 小時。2001 年 5 月，兩台機車完成安全評估試驗後，根據鐵道部運輸局的安排，配屬北京鐵路局豐臺機務段投入運用考核，主要擔當京原鐵路豐臺西至靈丘、京山鐵路豐臺西至南倉間的貨運交路，至 2003 年 7 月均已完成 15 萬公里運用考核。

東風 4DJ 型機車在性能試驗和運用考核期間都表現出良好的性能。與相同功率等級的東風 4D 型貨運機車比較（持續速度為 24.5 公里 / 小時，恆功率速度範圍為 24.5~100 公里 / 小時），東風 4DJ 型機車具有較低的持續速度（19.9 公里 / 小時）和較大的恆功率速度範圍（25~145 公里 / 小時），起動牽引力由 480 千牛提高到 555 千牛、持續牽引力亦由 341 千牛提高到 444 千牛。根據豐臺機務段於 2002 年對該段配屬各型貨運機車燃油消耗情況的統計，與東風 4B 型、東風 4C 型、東風 4D 型、東風 8B 型貨運機車相比，東風 4DJ 型機車是燃油消耗率最低的車型，萬噸公里油耗僅為 16.3 公斤。

運用歷史

兩台東風 4DJ 型機車完成運用考核後繼續配屬豐臺機務段，擔當京山鐵路豐臺西至南倉的貨運交路牽引任務。由於車上的牽引變流系統和 SIBAS 微機控制系統為西門子產品，對機車的故障診斷、維護檢修造成一定困難。機車遇到變流系統方面的故障時需通知西門子公司，中方人員技術人員從機車下載數據之後上傳到西門子德國本部，經德方分析故障原因和提出解決方案後，通知西門子公司在華售後服務組進行處理，因此往往需要花費較長的時間才能解決故障。2005 年 8 月，豐臺機務段開始將兩台東風 4DJ 型機車中止營運封存。2010 年 6 月，東風 4DJ 型 0001 號機車經外觀翻新後移交給中國鐵道博物館永久收藏。2011 年 11 月底，東風 4DJ 型 0002 號機車於豐臺機務段儲備廠內報廢及拆解。



技術特點

總體布置

東風 4DJ 型柴油機車是幹線客貨運用的六軸柴油機車，機車標稱功率為 3,300 馬力（2,425 千瓦），構造速度為 145 公里 / 小時，運轉整備重量為 138 噸。東風 4DJ 型機車的車體結構及設備布置與東風 4D 型機車大致相同，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，車體由左右側壁、底架、車頂、內部隔牆、兩端司機室等部分焊接在一起，車體主要骨架採用 16Mn 低合金鋼材。車體長度為 20,200 毫米，車鉤中心線間距為 21,100 毫米，車體寬度為為 3,309 毫米，車體高度為 4,532 毫米。車體兩端設有同等功能的司機室，可雙向操縱機車。車體底架兩端裝有 13 號下作用車鉤和牽引緩衝裝置。車體底架下部兩台轉向架之間吊掛著一個燃油箱，燃油箱容量為 9,000 升。燃油箱兩側設有鉛酸蓄電池組，燃油箱前後端各裝有一個總風缸。

機車從前到後分別為第一司機室、電氣室、動力室、冷卻室、輔助室、第二司機室六個部分，除司機室外其餘各室頂部均設計成活動頂蓋，以便拆裝車內部件。司機室內機車運轉方向的左側設有包含一系列儀表和按鈕的司機操縱台（與東風 4D 型機車相比，東風 4DJ 型機車的司機操縱台還增加了牽引力指示表和微機顯示屏。）、空氣制動機的自動制動閥和單獨制動閥等，右側設有副司機座席、控制開關及電爐等，司機室還設有空調和電暖裝置。電氣室內設有電氣控制櫃、牽引變流器櫃、制動電阻櫃、微機控制裝置、行車安全裝置等電氣設備，以及由啟動變速箱驅動的起動發電機、前轉向架牽引電動機通風機等輔助設備。位於機車中部的動力室內安裝了一套柴油發電機組，並設有空氣濾清器、燃油濾清器、燃油輸送泵、機油濾清器、機油熱交換器、膨脹水箱等輔助設備。動力室頂棚兩側設有車體通風機，將柴油機運轉時產生的燃氣和熱風抽出。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。

冷卻室內設有冷卻水系統和散熱裝置，冷卻室頂部裝有 V 型結構的扁管肋片式散熱器，及以兩個直徑為 1,600 毫米的軸流式冷卻風扇，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加壓封閉循環高溫冷卻水系統（12 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）。散熱器下方設有靜液壓變速箱、後轉向架牽引電動機通風機、空氣壓縮機等，柴油機自由端通過傳動軸與靜液壓變速箱相連，並通過尼龍繩傳動軸帶動後轉向架牽引電動機通風機。冷卻室左右兩側側壁各設有六個通風百葉窗口。輔助室內取消了東風 4D 型機車上配備的預熱鍋爐，代之以一台 50 千瓦的里卡多 6105 型輔助柴油發電機組，額定輸出電壓為 400 伏特 50 赫茲三相交流電，它既可以獨立運轉也可和主柴油機同時運轉，在寒冷季節主要作為柴油機起動預熱能源，在主柴油機停機時則可向空調、照明、取暖、蓄電池供電。空氣制動裝置採用 JZ-7 型空氣制動機，並採用兩台 NPT5 型空氣壓縮機與之配合，制動機可以單獨制動機車或同時制動機車和列車。停放制動採用彈簧停車制動器。

柴油機

東風 4DJ 型機車的動力裝置與東風 4D 型機車相同，裝用一台由大連機車車輛工廠製造的 16V240ZJD 型柴油機，該型柴油機是在 16V240ZJB 型和 16V240ZJC 型柴油機的基礎上，通過與英國里卡多公司的技術合作對柴油機結構作出改良，於 1986 年開發完成的大功率柴油機，為 240/275 系列柴油機產品之一。16V240ZJD 型柴油機是一款 16 氣缸、四衝程、V 型結構、直接噴射、廢氣渦輪增壓、增壓空氣中間冷卻的中速柴油機。氣缸內徑為 240 毫米，活塞行程為 275 毫米，氣缸 V 形夾角為 50°，額定轉速為每分鐘 1000 轉，最低空載轉速為每分鐘 430 轉，平均有效壓力為 1.774 兆帕，UIC 標定功率為 4,400 馬力（3,240 千瓦），裝車功率為 4,000 馬力（2,940 千瓦），額定滿功率運轉時的燃油消耗量為 152 克 / 有效馬力・小時（207 克 / 有效千瓦・小時），設計使用壽命為 25000 小時。

傳動系統

東風 4DJ 型機車採用架控模式的交 — 直 — 交流電傳動裝置，主傳動裝置包括 JF216 型無刷勵磁同步牽引發電機、西門子公司提供的牽引變流裝置和 1TB2630 型交流異步牽引電動機。柴油機曲軸通過法蘭盤驅動一台設有兩個電、磁隔離繞組的交流同步發電機，兩個繞組發出的三相交流電分別供給兩組相互獨立的整流裝置，轉換成直流電後再供給兩組牽引逆變器，將直流電轉換成頻率、電壓可調節的三相交流電，分別向每台轉向架上的三台並聯連接的異步牽引電動機供電，通過傳動齒輪驅動輪對。

牽引發電機

牽引發電機採用由永濟電機廠根據西門子公司的技術要求而設計製造的 JF216 型交流同步發電機。該型發電機是無刷勵磁的三相凸極式同步發電機。發電機轉子設有主發電機的勵磁繞組和勵磁機的三相電樞繞組，而勵磁機的勵磁繞組則設在主發電機定子上，勵磁機的勵磁電流經微機控制系統（TPU）控制，由 110 伏特直流電經斬波器調節後供給。主發電機定子為中性點相聯的雙星形繞組，向牽引變流系統輸出兩路三相交流電。牽引發電機的額定容量為 3,000 千伏安，額定電壓為 2,030 伏特，額定電流為 854 安培，額定轉速為每分鐘 1,000 轉，定子及轉子絕緣等級均為 H 級，冷卻方式為徑向自通風式。

牽引變流器

牽引變流器櫃具有兩個獨立支路，每個支路包含一個三相全波整流橋、一個直流聯接電路和一個脈寬調製逆變器。牽引發電機輸出的三相交流電經過三相全波整流後變為穩定的中間直流電壓，中間直流電壓隨著柴油機轉速按線性關係變化，中間直流電壓範圍為 1,200~2,600 伏特。該直流電壓再經過牽引逆變器轉換成三相交流電，牽引逆變器採用水冷式大功率 IGBT 元件（2,080V／825A），逆變器的輸出電壓和頻率範圍分別為 0~2,030 伏特和 0~126 赫茲。牽引變流器櫃內設有獨立的冷卻水循環和風扇冷卻系統。

牽引電動機

東風 4DJ 型機車採用西門子 1TB2630 型四極三相異步電動機，該型牽引電動機同樣被應用於西門子和易安迪合作研製的 SD60MAC 型、SD70MAC 型柴油機車。由於該牽引電動機的最高轉速高達每分鐘 3,310 轉，其驅動端軸承已經超過了潤滑脂的適用範圍，因而採用了與牽引齒輪共用一個油池的潤滑方式。1TB2630 型牽引電動機的額定功率為 418 千瓦，額定電壓為 2,030 伏，最大電流為 300 安培，額定轉速為每分鐘 370 轉，最高轉速為每分鐘 3,310 轉，冷卻方式為強迫通風。

電阻制動裝置

東風 4DJ 型機車設有電阻制動裝置。在電阻制動工況時由於異步電動機的四象限特性，減速狀態的牽引電動機相當於交流發電機，而變流裝置的電流方向與牽引工況時相反，牽引逆變器作為整流器工作，制動電阻櫃連接在牽引傳動系統的直流聯接電路上，將電能通過電阻器轉化為熱能消耗掉。當機車速度大於 36.64 公里 / 小時，最大電阻制動功率為 2×1,900 馬力（1,425 千瓦）；當機車速度為 5~36.64 公里 / 小時，電阻制動可保持恆定的 280 千牛制動力。

控制系統

東風 4DJ 型機車設有兩套微機控制系統，分別為大連機車車輛廠開發的 DLC 型微機控制系統，以及西門子公司開發的 SIBAS 32 微機控制系統。DLC 系統用於控制柴油機調速、輔助發電機電壓調整及各種保護裝置，並負責向 SIBAS 32 系統下達牽引或制動指令，柴油機轉速控制採用 16 位有檔無段調速。SIBAS 32 車載微機系統是一套以 32 位元的英特爾 80386 微處理器為核心的牽引控制單元（TCU），具有逆變器變頻控制、牽引功率控制、電阻制動控制、牽引傳動電路保護等功能。此外，司機操縱台上並設有一台彩色液晶顯示屏，通過列車通訊網絡（TCN）的多功能車輛匯流排（MVB）與 TCU 連接，直接顯示機車運轉狀態和故障診斷信息。

轉向架

機車走行部與東風 4D 型提速客運機車大致相同，機車軸式為 Co-Co，採用兩台可互換的三軸半懸吊轉向架，軸距為 2×1,800 毫米。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、兩根橫梁、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、制動座、制動缸座及砂箱座等。

輪對軸箱內裝有圓柱滾子軸承，軸箱定位裝置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的旁承裝置，車體全部重量通過八個旁承由兩台轉向架支承。此外，轉向架側梁與車體底架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。彈簧懸吊裝置分為一系懸吊和二系懸吊兩部分。一系懸吊為軸箱與構架之間的軸箱螺旋彈簧和橡膠墊，並在 1、3、4、6 軸裝有並列的垂向液壓減震器；二系懸吊為轉向架構架與車體之間的金屬夾層旁承橡膠堆，並設有橫向和抗蛇行液壓減震器。一系懸吊靜撓度為 131 毫米，二系懸吊靜撓度為 15 毫米，總靜撓度為 146 毫米。牽引力和制動力通過低位平行四桿牽引杆機構傳遞，牽引點高度距離軌面 725 毫米。

牽引電動機驅動方式繼承了東風 4D 型提速客運機車的滾動軸承抱軸半懸吊結構。牽引電動機的一側通過滾動軸承剛性地支承在車軸上，另一側通過彈性元件（橡膠墊）和吊杆懸吊在轉向架構架。牽引電動機採用順置方式，即電動機都放在車軸的同一側，有利於減少軸重轉移。牽引齒輪傳動比為 4.27（77：18），最高運轉速度為 145 公里 / 小時。基礎制動方式為帶閘瓦間隙自動調節器和彈簧停車制動裝置的單元制動裝置，採用單側單閘瓦制動和粉末冶金合成閘瓦。



車輛保存


* 東風 4DJ 型 0001 號機車，由大連機車車輛工廠於 2000 年製造，曾配屬於北京鐵路局豐臺機務段，自 2005 年 8 月起封存於豐臺機務段豐臺運用車間，至 2010 年 6 月移交給中國鐵道博物館作靜態展示。



參看


* 東風 6 型柴油機車

* 東風 4D 型柴油機車

* 東風 4DF 型柴油機車

* 東風 8BJ 型柴油機車

* 東風 8CJ 型柴油機車

* NJ1 型柴油機車

* AC4000 型電力機車



參考文獻



外部連結


* （簡體中文）中國北車股份有限公司：東風 4DJ 型交流傳動內燃機車

* （英文）Siemens: Locomotives Reference list