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240/275系列柴油机是由中国大连机车车辆厂(今中车大连机车车辆)开发研制的四冲程中速柴油机产品系列,气缸直径为240毫米,活塞行程为275毫米,单缸排量为12.44升,气缸排列形式有直立式和50°夹角V型两种,输出功率可达1,000马力~5,000马力。

240/275系列
概览
制造商 大连机车车辆厂
资阳内燃机车厂
生产时期 1966年至今
技术资料
冲程数 四冲程
缸数及排列 直列4缸、6缸、8缸
V型(50°夹角)12缸、16缸
排气量 12.44升(单缸)
气缸内径 240毫米
活塞冲程 275毫米
涡轮增压器 废气涡轮增压
燃料系统 直接喷射
燃料类型 柴油
冷却系统 水冷式
性能参数
最大輸出功率 1,000马力~5,000马力
最高轉速 每分钟1000转

1964年,为了满足铁路运输对大功率柴油机车的需要,大连机车车辆厂、大连热力机车研究所铁道科学研究院大同机车厂北京铁道学院开始研制新一代的240/275系列大功率高增压中速柴油机,1966年底试制出第一台16V240ZJ型柴油机,并于1969年装用于第一台东风4型柴油机车,至1974年东风4型机车开始投入批量生产。但在实际运用过程中,逐步发现该型柴油机存在严重的设计和质量问题,导致大量机车故障待修。从1975年起,大连机车车辆厂与大连内燃机车研究所等相关机构合作,对16V240ZJ型柴油机进行重新设计及反复技术试验。1977年,经过重大改良的16V240ZJB型柴油机初步定型,并于随后数年以更严格的条件和更长的时间完成了柴油机性能和耐久性试验。1984年,16V240ZJB型柴油机与东风4B型柴油机车正式投入批量生产[1]

1984年至1985年,大连机车车辆厂在16V240ZJB型柴油机的基础上,先后开发了8240ZJ、12V240ZJ、16V240ZJC型柴油机。1986年,大连机车车辆厂与英国里卡多公司合作研制具有高强化度的16V240ZJD型柴油机试制成功。1993年,大连机车车辆厂成功试制首台采用电子燃油喷射的16V240ZJE型柴油机,UIC标定功率达到5000马力,这是与英国里卡多公司第三期技术合作的产品 ,也是240/275系列柴油机中功率最大的型号。随着240/275系列柴油机产品型谱的不断发展,其应用范围已不仅限于铁路牵引动力,还可应用在固定发电设备、船用动力装置和核电站应急发电机等领域。

目录

16V240ZJ编辑

 
保存的东风4型0001号机车

1950年代,中国开始踏上铁路牵引动力内燃化和发展国产內燃机车的道路。1956年8月,由中国铁道科学研究院编制的中国首个铁路科技发展规划——《 1956年—1967年铁道科学技术发展远景规划》在全国铁道科学工作会议上讨论通过,指出“技术政策的中心环节是牵引动力改革,要迅速地、有步骤地由蒸汽机车转到电力机车内燃机车上去”,从此确定了牵引动力改革的方向。1956年至1958年,第一机械工业部机车车辆研究所、铁道部铁道科学研究院展开一系列的课题研究,通过技术人员的培养和技术资料的研究,初步掌握了内燃机车的工作原理、设计方法和试验方法,完成了发展内燃机车的前期准备工作。

1958年起在大跃进运动形势的推动下,铁道部各主要机车制造和修理工厂纷纷掀起“争取生产内燃机车”的热潮,大连机车车辆厂参照苏联TE3型柴油机车,成功试制了两台巨龙型柴油机车。中国第一代电传动柴油机车经过数年试验改进后,于1965年定型为ND型柴油机车(1966年8月改称为东风型柴油机车),并正式投入批量生产。与此同时,大连机车车辆厂立即开始第二代大功率柴油机车的研制工作,首先重点是研制柴油机车的动力来源——新型大功率中速柴油机。实际上,机车用大功率柴油机的早期研究早于1960年已经开始,当时由铁道部铁道科学研究院机辆所和长辛店机车车辆工厂牵头,计划研制缸径240毫米、行程270毫米的16V24/27型柴油机,于1962年完成双缸试验机的设计,1964年9月研制出双缸机样机,并完成了初步的台架试验和改进试验。但由于当时试验经费和技术条件的限制,而且新中速柴油机的研制工作正式开始,因此长辛店工厂的16V24/27型柴油机未有继续发展,但其研制经验为后来的新中速柴油机打下了基础[2]

1965年初,大连机车车辆厂、大连热力机车研究所、铁道科学研究院等机构联合组成新中速柴油机设计组。当时同类型柴油机的设计参考资料十分缺乏,设计组只能从国内外杂志文献中寻找相关资讯,将国外同类型柴油机及机车的数据、图片以及使用中情况等作为设计参考,例如苏联哈尔科夫运输机械制造厂的Д70系列、法国阿尔萨斯机械制造公司的AGO 240系列、瑞士苏尔寿公司的LVA系列等。1965年7月,铁道部内燃机车会战指挥小组在青岛召开会议,批准下达新中速柴油机设计任务书,主要技术指标为缸径240毫米、行程275毫米、小时功率4000马力、额定功率3600马力、额定转速为每分钟1100转、四冲程、16缸、涡轮增压。1966年初,大连机车车辆厂试制成双缸机并调试成功,并于同年8月完成试制首台16缸样机。

正当柴油机样机依试验程序进行调试和设计改进时,突如其来的文化大革命在全国范围内爆发,各地科研机构首当其冲的遭到巨大的冲击,研制工作只能在断断续续的情况下进行。1969年,大连机车车辆厂为庆祝中华人民共和国二十周年国庆,将第一台16缸柴油机样机安装在原型车上,试制出首台东风4型2001号柴油机车。但由于这台机车为“国庆献礼”草率上马,其零部件未经必要的试验考核和改进,柴油机和电气部分以及机车其它一些装置都未达到设计要求,导致整台机车的性能和质量未能过关。从1971年到1974年间,除了于1966年试制的首台16缸样机之外,工厂又生产了另外四台柴油机进行试验考核,这五台柴油机进行总计2400小时的各种试验,基本解决了柴油机功率不足、燃烧不良、排气温度高、机油稀释和柴油机振动等几大关键问题。

在16V240ZJ型柴油机改进过程取得进展的情况下,大连机车车辆厂分别于1973年和1974年试制了东风4型2002号和0001号机车,连同首台原型车进行了20万公里的线路运行试验、动力学试验和环形铁道上的牵引热工试验。1974年下半年,为了满足中国铁路对大功率柴油机车的急切需求,装用16V240ZJ型柴油机的东风4型柴油机车正式投入批量生产[1]

16V240ZJA编辑

 
首批装用16V240ZJA型柴油机的东风4型柴油机车

然而,从1975年开始随着机车走行里程的增加,柴油机的可靠性问题不断暴露出来,相继出现如连杆螺栓断裂、连杆瓦盖断裂、连杆结合齿断裂、配气齿轮打牙、凸轮轴剥离、滑油泵断轴等故障,仅在1975年就有22台柴油机连杆螺栓折断,可以说柴油机上的主要零部件都出现了大大小小的质量问题。为此,大连机车车辆厂对零部件出现的问题进行了详细的分析研究后,制定了一系列结构改良方案并再进行疲劳试验验证,同时派出技术人员到各机务段现场进行维修。在改进过程中,工厂首先针对较广泛的连杆螺栓和连杆盖断裂故障,改为采用了全纤维辗制滚压螺栓和加厚对称连杆盖,以提高连杆零部件的疲劳强度和刚度;此外,将原来左、右两列气缸并联工作的两根排气总管,分别接到两端的增压器上的结构,改成两列气缸共用一根排气总管,从其两端接到柴油机两端的涡轮增压器上,并在柴油机顶部加设排气稳压箱,这样既可以改善增压系统的稳定性,又可以降低柴油机低工况时的燃油消耗率[3]。为了区别原有的16V240ZJ型柴油机,经过上述两项改进的柴油机被定型为16V240ZJA型。第一台装用A型柴油机的东风4型0109号机车于1976年6月出厂,并于同年下半年开始批量生产。

16V240ZJB编辑

 
东风4B型柴油机车

从1976年开始,柴油机又发现了更严重的机体裂纹事故,到1978年末已有多达143台柴油机出现机体裂纹,占当时已出厂东风4型机车总数的41.6%,造成大量机车无法运用趴窝待修。设计部门通过大量试验研究查明,柴油机各种故障的根源在于机体强度和刚度不足,以及柴油机轴系动力性能欠佳所致,因此对柴油机机体等二十多个零部件进行了修改设计,还大胆采用了先进的薄壁球铁活塞和簧片式弹性联轴节,如曲轴氮化、连杆螺栓滚丝、连杆牙齿成型磨加工、缸套激光淬火、蠕虫状铸铁等新技术都相继实施。

新结构机体将原来机座高度减少250毫米,并在加高主轴承座以增加机体的高度,各主轴承盖都加设了水平的两个横拉螺钉以及加厚侧板等等,使机体纵向和横向刚度分别提高了60%和77%。为了提高曲轴的强度,将平衡块由原来只占平衡回转质量的15%,增加到平衡回转质量的50%左右,并将主轴颈直径由原来的220毫米增加到225毫米。为改善柴油机轴系的动力性能,大连机车车辆厂得到上海船用柴油机研究所(今中船重工第七一一研究所)的协助,于1976年12月成功研制出专为机车柴油机设计的簧片式弹性联轴节,这种联轴节的应用使柴油机由连续发火改为间断发火,并使曲轴可以按需要增加平衡重,达到降低机体和曲轴应力、减少轴承负荷的效果。此外,又将原来的锻铝活塞改为整体薄壁球铁活塞,以改善活塞工作的可靠性和使用寿命,亦可降低柴油机工作时的机油消耗率。供油系统和配气机构方面,将原来对称的圆弧切线配气凸轮改成函数凸轮,并加大了喷油泵的圆弧凹面凸轮的最小曲率半径[3]

1977年11月,经过上述改良的0255号柴油机完成了500小时台架耐久试验,结果显示柴油机性能和部件状态良好,脱胎换骨的16V240ZJB型柴油机从此诞生。1978年3月,铁道部在大连召开技术鉴定会,批准16V240ZJB型柴油机初步定型并投入小批量生产。16V240ZJB型柴油机得到铁道部肯定后,为了使柴油机更加可靠,大连机车车辆厂决定参照国外柴油机的试验规范,对柴油机再进行2000小时耐久试验。1979年7月至1980年6月,大连内燃机车研究所对0503号柴油机进行了2000小时耐久试验。随后,设计部门先后在单缸机和三台16缸柴油机上进行了三种标定转速的对比试验,最终决定在保持装车功率3300马力不变的情况下,将标定转速由原来每分钟1100转降为每分钟1000转,空转转速由原来每分钟500转降到每分钟430转,以降低柴油机零部件的机械负荷装车功率。1984年底,正式定型的16V240ZJB型柴油机投入批量生产,同时推出装用该型柴油机的东风4B型柴油机车。从1986年起,资阳内燃机车工厂亦投产东风4B型柴油机车和16V240ZJB型柴油机,并在原设计的基础上改用锻钢曲轴和球墨铸铁机体。

16V240ZJC编辑

 
大连机车车辆厂制造的东风4C型柴油机车

1980年代初,为了进一步提高机车柴油机的性能和可靠性,大连机车车辆厂根据“生产一代产品、试制一代产品、研究一代产品”的方针,在试制试验16V240ZJB型柴油机的同时,已经开始着手研究开发下一代的16V240ZJC型柴油机。1982年11月,中国技术进出口总公司英国里卡多公司签订了第一期技术合作合同,邀请里卡多公司为大连机车车辆厂的16V240ZJB型柴油机提供评价,总费用13.5万英镑,评价目标是将B型柴油机的装车功率由2430千瓦提高至2650千瓦以上。评价结论认为16V240ZJB型柴油机的结构有很大潜力,经济性处于中等水平,可靠性有待提高。大连机车车辆厂采用里卡多公司提供的评价数据和改进建议,于1984年9月完成试制作为第一期技术合作成果的首台16V240ZJC型柴油机,并于1985年9月通过热工性能试验、扭振试验和UIC 100小时性能试验。1985年10月,装用16V240ZJC型柴油机的东风4C型柴油机车由大连机车车辆厂研制成功,并于1989年投入批量生产。资阳内燃机车厂和青岛四方机车车辆厂也分别从1996年和1998年起生产东风4C型机车。大连厂生产的16V240ZJC型柴油机采用铸焊组合结构机体和球墨铸铁曲轴,而资阳厂和四方厂则采用整体铸造机体和合金钢锻制曲轴,四方厂还采用了盖斯林格减振器和盖斯林格联轴节英语Geislinger coupling[4]

16V240ZJC型柴油机安装了经改进的曲轴、连杆、气缸套、机油泵、水泵等部件,通过将平均有效压力提高到1.77MPa,使其装车功率提高到3600马力。为了改善主轴瓦的工作条件,对曲柄臂嵌装了锻制的平衡重块,使平衡块占平衡回转质量的比值达到89.2%。涡轮增压器采用江津增压器厂引进瑞士ABB技术生产的VTC254-13型增压器,或天津机车车辆机械厂制造的ZN290型增压器(基于VTC254型增压器)。其他改进措施还包括取消气缸套螺旋筋,并增加气缸壁厚度以提高强度;简化调控传动装置,由凸轮轴通过弹性联轴节直接驱动;改良配气齿轮中双联齿轮和轴承结构;采用新型机油泵和高效水泵等。

16V240ZJD编辑

其他型号编辑

  • 8240ZJ
  • 12V240ZJ
  • 6240ZJ
  • 4240ZJ
  • 8V240ZJ
  • 16V240ZJE

参考文献编辑

  1. ^ 1.0 1.1 李炳华. 东风4系列机车的研制与发展. 《内燃机车》 (大连: 大连机车研究所). 1995年3月, 253: 4–17. ISSN 1003-1820. 
  2. ^ 《当代北京工业丛书》编辑部. 《当代北京工业丛书》. 北京: 北京日报出版社. 1989. ISBN 9787805023441. OCLC 31081916. 
  3. ^ 3.0 3.1 李人宪. 车用柴油机 2版. 北京: 中国铁道出版社. 2010. ISBN 9787113109271. OCLC 678873283. 
  4. ^ 张庆林. 《铁路机车车辆科技手册/第一卷/铁道机车》. 北京: 中国铁道出版社. 2000: 193–194. ISBN 9787113039820. 

外部链接编辑