【內燃機車科普】至今仍然是內燃機車的速度記錄保持者——TEP80型
文章作者：西瓜昌真濕基（B站和百度暱稱：寧柳跨越）
提示
- 交—直流電傳動：指內燃機車柴油機通過聯軸器直接驅動一臺三相交流同步牽引發電機，經硅整流裝置轉換成直流電後，供給數臺並聯的直流牽引電動機。本文提及的蘇聯TEP80型內燃機車為交—直流電傳動形式。
- 直—直流電傳動：指內燃機車柴油機通過聯軸器直接驅動一臺三相直流牽引發電機，輸出直流電並供給數臺並聯的直流牽引電動機。蘇聯TE7型內燃機車為直—直流電傳動形式。
- 俄羅斯聯邦科洛姆納工廠簡稱「科廠」。
概述
TEP80型內燃機車⑴是蘇聯鐵路的大功率準高速幹線客運內燃機車車型之一，由科廠於1988年研製成功，僅試製了兩臺並未投入批量生產。TEP80型內燃機車是單節八軸的6000馬力幹線客運內燃機車，設計用於牽引大編組旅客列車，走行部為兩臺四軸轉向架，動力裝置為一臺1D49型四衝程柴油機，傳動方式為交—直流電力傳動。1993年10月5日，TEP80-0002號機車在莫斯科-聖彼得堡鐵路上創造了271公里/小時的速度紀錄，至今仍然是內燃機車的速度記錄保持者。
研製背景
1970年代初期，為了滿足蘇聯鐵路客運的發展需要，科廠按照蘇聯交通部的要求，先後開發研製了TEP70、TEP75型快速客運內燃機車。其中TEP70型機車是蘇聯第一種單機功率達到4000馬力並投入批量生產的內燃機車，而TEP75型機車也是蘇聯第一種單機功率6000馬力的客運內燃機車。
由於同時要研製功率等級分別為4000馬力和6000馬力、持續牽引力分別為167千牛和176千牛、構造速度均為160公里/小時的兩種六軸客運內燃機車，兩者在結構上均具有最大程度的統一化。然而，由於TEP75型機車裝用一臺20氣缸的1D49型柴油機，軸重達到24.5噸，高速運行時輪軌作用力過大，因而未批准投入批量生產。
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研製過程
至1980年代，蘇聯鐵路旅客運輸量持續快速增長，僅在第十一個五年計劃（1981年—1985年）期間鐵路客運量增長已達到9.3%。為了提高鐵路的通過能力，蘇聯鐵道部決定在主要幹線上採取擴大旅客列車編組的措施，逐步將旅客列車的車廂數量提高到22～24輛，並計劃將進一步提高到30～32輛。
1985年，蘇聯鐵路有180趟旅客列車擴編為20～24輛，並於1986年在莫斯科往克里米亞、高加索地區方向的鐵路上進行32輛大編組客車的試運行。為此，蘇聯鐵路需要研製一種持續牽引力達到24000公斤、構造速度為160公里/小時、軸重不大於22.5噸、功率等級為6000馬力的快速客運內燃機車。
由於當時世界上還未曾出現過這種類型的大功率客運機車，所以這是一項全新的課題。1980年代中期，科廠在總工程師Yu·V·赫列勃尼科夫的領導下，開始研製新一代的TEP80型內燃機車。
研製TEP80型內燃機車的最大挑戰，是使其軸重不得大於22.5噸。科廠因此決定採用八軸的走行部，並開發了一種新穎的均衡梁式四軸轉向架，以將車體重量平均分配在八根車軸上。這種轉向架不論是高速運行於直線區段還是曲線區段，均能保證具有優良的運行品質和動力學性能。TEP80型機車也大量應用了TEP70、TEP75型機車在設計、運用、試驗及改進過程中獲得的經驗和成果。機車的動力裝置為一臺1D49型四衝程柴油機，並採用了交—直流電力傳動系統、大功率電阻制動裝置及微機控制系統。
測試情況
1988年至1989年間，科廠先後製成了兩臺TEP80型內燃機車。1989年，兩臺機車被送往全蘇鐵道運輸科學研究院位於莫斯科州謝爾賓卡的環形鐵道試驗基地開始進行性能試驗，其中TEP80-0001號機車並在環形鐵道舉行的1989年國際鐵路運輸展覽會上首次對外展出。
1990年秋季，TEP80型機車在北高加索鐵路局管內別洛列琴斯克至邁科普之間的高速試驗區段，進行了對線路及道岔動力作用在內的綜合動力學試驗，同時並和TEP70型機車進行了對比試驗，最高試驗速度達到196公里/小時。試驗結果顯示，TEP80型機車能完全滿足運行時速160公里/小時的動力性能技術條件，而且對線路及道岔的作用力比較小。
然而在不久之後，隨著突如其來的蘇聯解體，獨聯體國家的鐵路運輸生產均面臨嚴重滑坡，亦對鐵路科研工作造成很大困難。儘管如此，由於俄羅斯當時正籌備興建國內第一條高速鐵路客運專線——聖彼得堡—莫斯科高速鐵路，TEP80型內燃機車的命運遠較其他大功率貨運內燃機車幸運，並沒有像TE136、2TE126型貨運內燃機車那樣被廢棄，而是繼續用於進行關於高速鐵路機車車輛的技術研究。
1993年，在全俄鐵道運輸科學研究院的組織下，TEP80型機車在十月鐵路局進行了高速動力學試驗。試驗區段選定在莫斯科-聖彼得堡鐵路的什柳茲站至多羅希哈站之間，區段全長42公里。負責進行試驗的TEP80-0002號機車在科廠接受改造，將牽引齒輪傳動比由3.12改為2.03，使機車構造速度由160公里/小時大幅提高到250公里/小時。
試驗分為三個階段，第一、二階段試驗是機車車輪分別在無磨耗及2毫米磨耗的情況下，進行時速160～260公里/小時的運行試驗，第三階段試驗是機車轉向架加裝橫向減振器後進行時速260公里/小時的運行試驗。1993年10月5日，TEP80-0002號機車的最高試驗速度達到了271公里/小時，打破了由英國鐵路43型內燃機車⑵在1987年所創造的紀錄（238公里/小時），成為世界上速度最高的內燃機車並保持至今。
存留情況
相比於前作TEP75型機車以及TE136型、2TE126型等同時期研製的大功率貨運內燃機車，這兩臺TEP80型機車還是幸運的——TEP80-0002號機車於2007年送往聖彼得堡俄羅斯鐵路博物館靜態展示；而TEP80-0001號機車於2009年5月送往新西伯利亞鐵路科技博物館靜態展示。
技術特點
TEP80型內燃機車適用於1520毫米寬軌軌距的鐵路，軸式為（Bo-Bo）-（Bo-Bo），輪徑為1220毫米，軸重為22.5噸，整備重量為180噸；長度為24500毫米。機車最高運行速度為160公里/小時，持續運行速度為50公里/小時，牽引功率為3300千瓦（6000馬力），持續牽引力為176千牛。
總體結構
TEP80型機車採用了斜桿桁架式側壁承載結構的輕量化車體，是一個由車架、側牆、司機室、上弦梁、下弦梁等部件焊接成一個完整的箱形結構。為了儘可能降低車體重量，車體底架及骨架受力元件廣泛採用低合金鋼焊接結構，並採用了大容量承載式燃油箱，車體側壁蒙皮用鋁合金板製造，車頂的可拆式頂蓋全部採用鋁合金型材和板材製造。TEP80型機車的車體長度為24500毫米，比TEP70型機車（21700毫米）延長了2800毫米；車體鋼結構重量達到24597公斤，比TEP70型機車增加了5287公斤；但由於TEP80型機車的功率比TEP70型機車提高了50%，單位馬力車體鋼結構重量反而從4.83公斤/馬力下降到4.1公斤/馬力。
車體上部由前至後分別為第一司機室、冷卻室、動力室、電氣室及第二司機室。動力室內安裝了一臺柴油發電機組，以及柴油機空氣濾清器、增壓空氣冷卻器、排氣消音器、起動發電機、勵磁機等輔助設備。電氣室內設有高壓電器櫃、制動電阻櫃、空氣壓縮機、空氣濾清器、軸流式通風機等設備。冷卻室內設有散熱器、風扇、預熱鍋爐、滅火器等設備。車體下部兩臺轉向架之間設有承載式燃油箱，其兩側設有蓄電池箱，前後分別設有兩個總風缸。
冷卻系統
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。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柴油機增壓空氣而設的冷卻水系統。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，冷卻室頂部設有兩臺採用靜液壓驅動的軸流式風扇，由靜液壓泵、液壓馬達帶動風扇運轉，能根據水和油的溫度自動調節轉速。
而其他設備的通風冷卻方面，TEP80型機車繼續沿用了TEP70型機車所採用的中央通風冷卻系統，採用一臺由牽引發電機輸出法蘭驅動的軸流式通風機，通過頂蓋百葉窗及空氣濾清裝置抽入冷風，經過通風支路向牽引發電機、牽引電動機、整流裝置集中送風冷卻，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。
柴油機
TEP80型機車裝用一臺2-10DG型柴油發電機組，包括一臺1D49型大功率柴油機及一臺GS-519U2型牽引發電機組。1D49型柴油機（蘇聯國家標準GOST型號為20ChN26/26）由科廠設計製造，是D49型柴油機的系列產品之一。該型柴油機是20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1100轉，裝車功率為6000馬力（4,416千瓦），單位燃料消耗量為158～166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，每級增壓器均設有增壓空氣中間冷卻器（中冷器）。柴油機具有兩條廢氣排放管，分別對應兩排氣缸。柴油機整體凈重22,600公斤。
傳動系統
機車傳動裝置採用交—直流電傳動，柴油機通過盤式聯軸器直接驅動一臺三相交流同步牽引發電機，經硅整流裝置轉換成直流電後，供給八臺牽引電動機。機車採用由哈爾科夫重型電機廠設計製造的GS-519U2型牽引發電機，為凸極式三相交流他勵同步發電機，定子為兩組星形接法的三相繞組，額定功率為4060千瓦，額定頻率為133赫茲。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兩組V-TPPD-4K-1000型硅整流裝置轉換成直流電，整流裝置分為牽引整流及列車供電整流兩個單元，其中牽引整流部分設有二組並聯的三相橋式整流電路，而列車供電整流部分則輸出3000伏直流電，為旅客列車提供取暖電源。
牽引電動機採用ED-121VUKhL1型四極串勵直流牽引電動機，由哈爾科夫重型電機廠設計製造，額定功率為411千瓦，短時功率可達610千瓦，額定電壓為515伏，最高工作電壓為750伏，額定轉速為每分鐘645轉，最高轉速為每分鐘2320轉，單臺電機重量為2950公斤。此外，TEP80型機車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，制動功率為4000千瓦。
轉向架
機車走行部採用兩臺四軸轉向架，TEP80型內燃機車既沒有採用TEM7、ChME5型調車機車的中間構架式四軸轉向架，也沒有沿用TE136、2TE126型貨運機車的下縱向牽引梁式四軸轉向架，而是採用了新穎的均衡梁式四軸轉向架⑶。每臺四軸轉向架均以兩臺二軸轉向架為基礎，車輪直徑為1220毫米。
在每臺二軸轉向架中，兩個輪對採用帶球面軸箱軸承的縱向均衡梁聯結，兩軸距離為1.85米，均衡梁的中部通過彈簧支柱與四軸側架相連，從而取消了二軸轉向架構架。來自車體的垂直載荷直接傳到均衡樑上，側向負荷是經過彈簧支柱傳遞。兩臺無構架式二軸轉向架採用帶彈簧支柱的大型側架連接起來，從而構成一臺四軸轉向架。在這種結構中，輪對實際上只能沿轉向架的縱軸相對於轉向架側架垂向移動，轉向架固定軸距達到6.2米，二軸轉向架的均衡梁連接可以使機車通過曲線時所產生的橫向作用力進行重新分配，同時也使各個輪對之間的垂直載荷作均衡分配，以減少軸重轉移。
轉向架的一系懸掛裝置採用由螺旋彈簧及橡膠墊的獨立懸掛結構，均衡梁及側架之間並裝有垂向油壓減震器，一系懸掛的靜撓度為70.5毫米；而二系懸掛裝置為轉向架側架上每側五個的高柔度螺旋圓彈簧，靜撓度為113毫米，車體和轉向架之間亦設有垂向油壓減振器。為了滿足機車高速運行時動力學性能要求，機車採用了輪對空心軸式牽引電動機全懸掛，將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單側牽引齒輪、彈性橡膠元件、空心軸套等部件，從而驅動輪對，常規的牽引齒輪傳動比為3.12。基礎制動裝置採用雙側閘瓦踏面制動。
由於TEP80型內燃機車的均衡梁式四軸轉向架動力學性能優異，不僅在直線區段上高速運行時具有較高的穩定性，在曲線上亦能大大減少對鋼軌的橫向作用力，因此這種轉向架結構後來也被EP200型電力機車所沿用。
注釋
⑴俄語：ТЭП80。
⑵英語：British Rail Class 43 (HST)。本型機車是英國鐵路系統廣泛使用的一款內燃機車，用於牽引125型高速城際列車系列，由英國國鐵下屬英國鐵路工程公司製造，其生產期從1976年持續到1982年，共生產了197輛。本型機車最高時速可達每小時238公里，正常營運時的速度為每小時約200公，這也是城際列車125名稱的由來。
⑶蘇聯專利證書號：СССР N 1664634, кл. 61 F 5/00, 1991.
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