内燃机车

第二章 内燃机车 第二章 内燃机车 铁路车辆一般是没有动力的，因此需要机车来牵引运行。铁路机车按动力的不同，主要有蒸汽机车、内燃机车和电力机车。蒸汽机车己淘汰，所以内燃机车和电力机车将是我们介绍的重点。 内燃机车是以燃油的内燃机（一般是柴油机）为动力的牵引设备。因柴油机不能直接用于牵引，因此，内燃机车由柴油机、传动装置、走行部三个主要部分以及车体、车钩缓冲装置及制动装置等组成。 由于工作性能的不同，可分为：客运机车，货运机车，调车机车三类。 内燃机车按传动方式的不同，可分为：电传动内燃机车，液力传动内燃机车。 内燃机车的轴式，是内燃机车型式的一种表示，一般采用数字或字母表示，字母A、B、C、……分别表示1、2、3……个动轴数，每个动轴若是单独驱动的，则在动轴下加一注脚“0”。如东风4B型内燃机车的轴式为“C0—C0”。双节机车如东风4E型内燃机车的轴式为“2（C0—C0）” 图2—1为东风4型内燃机车总体示意图。 第一节 总体综述 一、我国内燃机车的发展 60年代，我国内燃机车的发展处于起步阶段，当时的指导思想是：“内燃机车与电力机车同时并举，电力传动与液力传动同时并举，高速柴油机与中速柴油机同时并举”。在三个并举方针指导下，曾经规划过我国内燃机车的开发及制造工作，建设了具有相当规模的内燃机车生产基地，为我国内燃机车的发展奠定了基础，推动了我国铁路牵引动力现代化。 70年代，通过对老厂的改造及建设新厂，形成了大连、四方、二七、资阳、戚墅堰五大工厂各自开发及生产一种主要产品的格局。当时生产的内燃机车为我国第一代内燃机车，主要有：电传动的东风型系列机车、东风4型机车，以及液力传动的东方红系列机车及北京型机车。 回顾这一段发展历史，可以看出，我国对铁路牵引动力现代化的决心很大，但对于如何形成中国铁路牵引动力现代化的特色，同时追踪国外的先进技术，还处于摸索阶段。从发展的总体来讲，存在以下几个问题： （1）电力牵引及内燃牵引发展不平衡 由于片面强调了铁路电气化对备战的不适应，形成了牵引动力改革向内燃化一边倒的格局，这与大多数发达国家铁路牵引动力现代化的发展趋势不符； （2）没有以电传动为骨干 液力传动内燃机车的生产工厂及计划生产能力远远超过电传动内燃机车，这与国外大型干线内燃机车不再采用液力传动的发展趋势不符； （3）没有以中速柴油机为骨干 高速柴油机与中速柴油机平分秋色，与国外大型内燃机车越来越多采用中速柴油机的趋势不符； （4）重主机，轻配件 重视主机厂的发展，追求大而全，忽视了配件厂的建设，难以形成专业化生产及提高产品质量； （5）重制造，轻运用 不是以用户需要为主，而是制造厂造什么车，机务部门就必须用什么车。 当时，面对我国内燃机车发展总体方针中存在的问题，我国内燃机车界经历了电力传动与液力传动、高速柴油机与中速柴油机的激烈争论，最后决定不再生产用于铁路干线的液力传动机车及高速柴油机。在1989年和1991年以后，分别停止了东方红（3）型和北京型两种干线客运液力传动内燃机车的生产。经过重大调整，到80年代后期已形成了新的生产格局。表6－l为我国目前生产的第二代内燃机车的主要技术参数。所有这些机车都是采用中速柴油机的电传动机车。 这里特别要介绍一下东风4型系列机车的情况。 我国早期生产的东风型机车，是直一直流电力传动机车，柴油机功率也较小。由于大功率16V240ZJ型柴油机和交直流电力传动的技术的开发成功，1969年研制成第一台2430kW（3300马力）的东风4型交直流电力传动干线货运机车，并于1974年开始投入批量生产。此后，东风4系列机车便成为我国铁路的主型机车。 1978年，在对16V240ZJ型柴油机长期运用经验的基础上，对原柴油机作了改进，研制成功了更可靠、更省油的I6V240ZJB型柴油机，并于1982年研制成功了装用这种柴油机的东风4B型机车。在保持柴油机装车功率 2 430 kW不变的条件下，柴油机标定转速由 1100r／min降为1000r／min，最低工作转速由550 r／min降为430 r／min。机车轮周效率由32.73％提高至33.7～33.9％。 1985年东风4B型机车开始投人批量生产，是目前内燃牵引的主型机车。该机车已于1998年起停止生产。 1984年在16V240ZJB型柴油机的基础上，又研制成功了功率更高的16V240ZJC型柴油机，其 UIC功率达 2 940 kW（4 000马力）。1985年利用这种柴油机研制成功了东风4C型机车，柴油机装车功率为2650kw（3600马力）。1989年东风4C型机车开始批量生产，是当前产量最多的内燃机车，将成为我国内燃牵引的主型机车。 为了满足京沪线开行5000t货物列车的需要，在东风4B型机车的基础上，四方厂成功地开发了东风4B双机重联的东风4E型机车，总功率为2×2430kw（2×3300马力）。 以上介绍的都属于东风4型系列机车，是我国当前生产和运用的主要机车。 1986年研制成12缸的12V240ZJ柴油机，1990年试制成双节连挂的、采用该柴油机的八轴东风10A型内燃机车，轴式为 2（B0－B0），柴油机装车总功率为 2 ×1 985 kw（2 × 2 700马力）。 为了进一步提高我国内燃机车的技术水平，有关机车厂分别与国外进行合作和引进先进技术。从1983年起，大连厂与英国里卡多（Ricardo）咨询公司合作，对16 V240ZJB型柴油机加以改进，研制成新型的 16V240ZJD型柴油机，1989年装用于新型机车东风6型机车上。东风6型机车采用了引进的美国GE公司的电力传动装置和微机控制设备。微机控制系统的功能和技术现范是大连厂与GE公司共同制订的。 东风6型机车是我国典型的第三代内燃机车，是我国当前技术水平最高的货运内燃机车。柴油机装车功率为2940kW（4000马力）。经定置试验台试验测定，机车轮周效率达35.05％、35.44％。机车的技术水平已达到80年代世界同类产品的先进水平。 1989年研制成两台东风6型机车的样机，1991年后又研制两台完全国产化的东风6型机车。上述四台机车都在大连机务段运用。 我国开发成功的第三代内燃机车除东风6型机车外还有东风4D和东风11型机车，如表6－2所示。 戚墅堰机车车辆厂于1979年研制成第一台大功率16V280ZJ柴油机，1984年研制成第一台用该柴油机的东风8型货运内燃机车，轴式C0—C0柴油机装车功率 3 310 kW（4 500马力）。 为了适应繁忙干线货物列车重载提速的需要，1997年研制成功了25 t轴重的东风8B型内燃机车。柴油机型号为 16V280ZJA，装车功率 3 680 kW（5 000马力）。这是我国当前单节功率最大的货运内燃机车。 为了满足广深准高速线及繁忙干线旅客列车提速的需要，戚墅堰机车车辆厂在1990年开发了最大运用速度为140 km / h的东风9型客运内燃机车。机车装用16V280ZJA型柴油机，装车功率为3610kW(4910马力），机车轴式为C0—C0 ，牵引电动机为架悬式，轮对空心轴驱动。东风9型机车只造了两台，现在广深线牵引准高速列车，最大运用速度达160 km／h。 戚墅堰机车车辆厂在东风9型机车的基础上，又作了一些改进，于1992年底研制成功了最大运用速度 160 km／h的东风11客运机车。东风11型机车仍装用 16V280ZJA型柴油机，牵引发电机和牵引电动机在东风9的基础上作了些改进，并装用了微机控制系统。机车的悬挂装置也作了改进。目前东风11型机车已投人批量生产，用来满足广深准高速线和繁忙干线客运提速的需要。 我国调车内燃机车的开发近些年来也取得了很大的成功。1984年四方机车车辆工厂开始批量生产东风5型调车机车。该机车装用直列8缸的8240ZJ型柴油机、装车功率1210kW（1650马力），机车轴式C0—C0。这是我国铁路需要量较大的中等功率的调车机车。 为了满足大型编组站的调车作业的需要，二七机车厂开发了1470kw（2000马力）的东风7型调车机车，1985年投人批量生产。该机车装用北京型机车的12V240ZJ型柴油机的变型——12V240ZJ－2型柴油机，其装车功率从 1990 kw（2 700马力）降为1470 kW（2 000马力）。这是当时功率等级最大的调车机车。1990年开发了2 500马力的东风7B型机调车机车。1991年开发了东风7C型调车机车，该机车装用了12V2400／275型柴油机，与东风4的柴油机缸径和行程相同。提高了柴油机零配件的通用互换性。东风7C型机车从1992年起已投入小批量生产。 现在我国还有数百台东风型机车在运用，这些60、70年代生产的我国第一代内燃机车，普遍已经老化，大部分已接近报废。为了替代东风型机车，缓解某些铁路区段运输的急需，二七机车厂开发了东风7D型机车。该机车与原东风7调车机车的主要主区别在于车体采用车厢式向走廊结构＼单端司机室，动力装置采用行程为275mm的12V240ZJ6A型柴油机，装车功率1840 kw（2 500马力）。1995年已制成东风7D型机车的样机，配属在机务段进行运用考核。 为了与5 000 t级重载列车配套，资阳内燃机车厂于 1997年研制了东风12型重型调车机车，C0—C0，轴重 23t－25 t，装用 16V240ZJB型柴油机，装车功率 2430 kW（3 300马力）。 我国铁路干线内燃机车装用240型柴油机及280型柴油机。240型柴油机已经形成了8缸、12 缸、16 缸组成的系列，16 缸柴油机的结构改进已从原设计的A型发展为B型、C型、D型及E型。16缸机的装车功率由2430kW（3300马力）增至2650kW（3600马力）、2940kW（4000马力）、3310kW（4500马力）。 大连厂与英国里卡多（Ricardo）工程咨询公司合作开发的16V240ZJE型柴油机，已于1995年 9月通过了长达 1000小时的耐久性试验。与 16V240ZJD型柴油机相比，在燃油消耗率保持207g / kwh不变的前提下，装车功率可由D型机的2 940 kW（4 000马力）增为3 310 kW（4 500马力）。 试验结果表明，16V240ZJE型柴油机的主要技术性能指标已达到世界90年代先进水平。该柴油机所采用的一些先进技术，也可应用于现有的柴油机，从而可望大大提高现有柴油机的可靠性、耐久性和经济性。 为了适应铁路运输“重载、提速”的需要，功率较大的280柴油机的改进已提到日程上来了。 16V280ZJ型柴油机装用于东风8型机车的装车功率为 3 310 kw（4 500马力）；装用于东风9和东风11型机车L的 16V280ZJA型柴油机的装车功率为 3 610 kW（4 910马力），用于东风8B型机车上的装车功率为3680Kw（5000马力）。 16V280ZJA型柴油机的超负荷功率为4250kW。 准备与国外合作的改进280柴油机项目的目标是：将16V280ZJ型柴油机的标定功率提高到 4 410 kW（6 000马力），超负荷功率达到 4 850 kW（6 600马力），转速仍保持 1000 r／min。 我国内燃机车的生产和开发，应适应铁路运输“重载、提速”的要求，提供适用的机车，提高质量，同时引进必要的技术，提高机车的技术水平，开发新一代内燃机车。具体目标应着重于下列方面： （1）大力提高当前批量生产的第三代机车（如东风4型系列、东风7型系列和东风8型机车）的质量及生产能力； （2）进一步完善和开发标定功率3680kw－4410kw（5000马力一6000马力）大功率柴油机，以适应开发新型内燃机车的需要；对应的大功率柴油机，设汁研制新的大功率内燃机车。 （3）加速形成第三代机车（如东风6、东风4D、东风8B和东风11型机车）的批量生产能力； （4）开发新的重型调车机车； （5）进一步提高内燃机车运用的可靠性和经济性； （6）开发和推广内燃机车微机控制和故障诊断技术，并实现系统化； （7）加强内燃机车交流传动技术的研究，引进国外的技术，尽快研制交流传动内燃机车； （8）研制装用径向转向架的内燃机车。 车载微机控制及故障诊断、交流传动，这两项技术是当代新一代内燃机车的标志。在这方面我国内燃机车水平与世界水平还存在着较大的差距。应清醒看到并急起直追，在不太长的时间内，使我国的内燃机车水平达到世界先进水平。 表2—2 我国第三代电电传动内燃机车主要技术参数 机车型号 东风6 东风4D 东风8B 东风11 制造厂 首台生产年份 轨距（mm） 装车功率（马力） （kw） 用途 轴式 整备重量（t） 轴重（t） 最高速度（km/ h） 传动方式 柴油机型号 缸径（mm） 行程（mm） 转速（r／min） 微机控制系统 机车轮周效率（％） 大连 1989 1435 4000 2940 货运 C0—C0 138 23 118 交直电 16V240ZJD 240 275 1000 Intel80C186 35.4 大连 1996 1435 4000 2490 客运 C0—C0 138 23 140 交直电 16V240ZJD 240 275 1000 戚墅堰 1997 1435 5000 3680 货运 C0—C0 150 25 100 交直电 16V280ZJA 280 285 1000 微机控制 33.93 戚墅堰 1992 1435 4910 3610 客运 C0—C0 138 23 160 交直电 16V280ZJA 280 285 1000 微机控制 34.3 表2—2 我国目前生产和开发的第二代电电传动内燃机车主要技术参数 机车型号 东风4B 东风4C 东风4E 东风5 东风7 东风7B 东风7B 双 机 东风7C 东风7D 东风8 制造厂 首台生产年份 轨距（mm） 装车功率（马力） （kw） 用途 轴式 整备重量 （t） 轴重（t） 最高速度（km / h） 传动方式 柴油机型号 缸径（mm） 行程（mm） 转速（r / min） 机车轮周效率（％） 大连、 资阳 大同 1984 1435 3300 2426 货／客 C0-C0 138 23 100/120 交直电 16V240ZJB 240 275 1000 33．9 大连 资阳 大同 1985 1435 3600 2647 货运 C0-C0 138 23 100 交直电 16V240ZJC 240 275 1000 32．4 四方 1994 1435 2X3300 2x2430 货运 2 (C0-C0) 2 x 138 23 100 交直电 16V240ZJB 240 275 1000 四方 大连 1985 1435 1650 1213 调车 C0-C0 135 22．5 80 交直电 8240ZJ 240 275 1000 31．0 二七 1982 1435 2000 1470 调车 C0-C0 135 22．5 100 交直电 12V240ZJ－l 240 260 1000 31．5 二七 1990 1435 2500 1840 调车 C0-C0 135 22．5 100 交直电 12V240ZJ7 240 260 1000 二七 1993 1435 2x2500 2xl 840 货运 2（C0-C0） 2 x 138 23 100 交直电 12V240ZJ7 240 260 1000 二七 1991 1435 2000 1470 调车 C0-C0 135 22．5 100 交直电 12V240ZJ6 240 275 1000 二七 1995 1435 2500 1840 货运 C0-C0 138 23 100 交直电 12V240ZJA 240 275 1000 戚墅堰 1984 1435 4500 3309 货运 C0-C0 138 23 100 交直电 16V280ZJ 280 285 1000 二、电传动内燃机车的总体布置： 我们以我国主型机车东风4B型为例来电传动内燃机车的总体布置。 东风4B型内燃车车体共分五个室：司机室I、电气室、动力室、冷却室、司机室II。（图2—1一1）。下部包括前后架向架、燃油箱、蓄电池箱、总风缸等。 前后司机室均设有操纵台，在操纵台上设有司机控制器，空气制动机制动阀、操纵按钮、仪表和信号显示装置等在司机室后壁上还装有手制动手柄．以便在机车长期停放时，制动机车防其溜动，以及当空气制动机失效时．作为应急的辅助，制动机车。 动力室内主要装有16V240ZJB型柴油机和TQFR—3000型三相交流发电机机组、空气滤清器、燃油滤清器、机油滤清器、冷却水管路、预热锅炉、膨胀水箱。在动力室顶部还装有车体通风机、用以排出动力室内的烟气。 电器室内设有电阻制动柜、高压柜、硅整流柜、励磁控制柜、启动发电机、励磁机、前转向架牵引电动机通风机、启动用变速箱等。电器室内还设有通往车顶的人孔和梯子． 冷却室上部呈V型排列着两排散热器，在V形夹角中装有用液压马达驱动的吸风式冷却风扇。冷却空气从车体两侧的百叶窗外吸入，经散热器后从顶部百叶窗排出。在冷却室车架上装有静液压用变速箱、液压油泵、机油热交换器、后转向架牵引电动机通风机、电动空气压缩机、启动机油泵等。 安装在动力室顶部的膨胀水箱，处于冷却水系统的最高位置，并有管路分别与两个冷却以系统相连，随时补充这两个系统因汽化和漏泄而损失掉的水。 东风4B型机车车体采用框架式侧壁承载结构。为便于乘务负和检修人员的乘降，除司机室内门外，在动力室的两侧也开有侧门。在电器室、动力室和冷却室的顶部均有活动顶盖．以便吊装部件。车体外皮是2毫米厚的钢板，内表面喷涂泡沫塑料，用以防振、隔音和隔热。 燃油箱吊挂在机车车底架中部; 燃油箱两侧为蓄电池箱，燃油箱的前后端则安装着总风缸。机车的走行部由两台三轴转向架组成、转向架的各轮对分别由一台ZQDR-410直流串励牵引电动机驱动，轮对产生的牵引力经转向架、车底架传给车钩和后部的车辆。 第二节 柴油机及其辅助系统 柴油机功用是将柴油在气缸内燃烧所产生的热能转变为由曲轴输出的机械能。柴油机内固定部件、运动部件、配气机构及辅助系统组成。 一、四冲程柴油机工作原理 柴油机种类虽多，但工作原理相同。都是由进气、压缩、爆发膨胀及排气四个过程完成一次热能与机械能的转换，即一个工作循环。四种程柴油机的工作原理如图2—2—1所示。 柴油机的气缸体用气缸盖(亦称气缸头)密封，它上面装有进、排气阀和喷油器。进、排气阀及喷油器的开启和关闭是通过凸轮来控制。活塞上、下极端移动距离称为活塞冲程。每个冲程工作情况如下： 1． 进气冲程：图2—2—1(a)是该冲程的一个位置。当活塞在上极端时，进排气阀在阀弹簧作用下全部关闭。曲轴与凸轮的关系如图2—2—2所示。曲轴旋转，活塞自上极端向下移动；于此同时通过曲轴齿轮带动凸轮铀齿轮及凸轮驱使进气阀开放。新鲜空气由进气阀充满气缸。当活塞到达下极端时，进气凸轮的凸出部分已转过，进气阀在阀弹簧作用下关闭。 2． 压缩冲程图2—2—1 (b)是该冲程的一个位置。在曲轴带动下活塞从下极端向上运动，因进、排气阀都处于关闭状态，缸内空气受压缩而提高压力和温度，一直到活塞到达上极端。 3． 燃烧及膨胀冲程：图2—2—1 (c)是该冲程的一个位置。当曲轴旋转带动活塞至上极端时．通过齿轮使装在凸轮铀上的喷油凸轮(图中未画出)的凸出部分顶开喷油轮针阀。将燃油喷入缸内。此时，进、排气阀都在关闭，燃油与压缩而达高温的空气混合则爆发燃烧、膨胀推动活塞，使活塞再次由上极端移了下极端，带动曲轴旋转做功。 4． 排气冲程：图2—2—1 (d)是该冲程的一个位置。在曲轴旋转惯力作用下，活塞由下极端向上运动，通过齿轮系的传动，使排气凸轮的凸出部分顶开排气阀，将工作后的废气排出气缸直至活塞到达上极端。 当活塞到达上极端时排气阀刚好关闭，进气阀再次开放，让新鲜空气进入气缸，又一个工作循环开始。 由上述可知，柴油机完成一个工作循环，活塞经历四个冲程，曲轴旋转720゜角。在这四个冲程中，只有燃烧、膨胀冲才产生动力，推动活塞对外作功其余三个冲程部是为它作准备的。 二、柴油机型号 前面所述为一单缸柴油机，由于用途和功率的需要．柴油机的缸数、一次循环冲程数、进气是否增压以及气缸排列方式都不相同。为便于了解柴油机特点，规定了柴油机型号。 铁路牵引用机车柴油机原来一直沿用铁道部规定表示法编制型号。它是由气缸数目、气缸排列型式、气虹直径、冲程数日及增压与否五个部分组成。由于这一规定与国家规定不一致，因此，铁道部已决定按国家标准规定的规则编制机车柴油机型号。国家标准规定柴油机型号由三部分组成。 1． 首部：为缸数符号(用数字表示气缸数)； 2． 中部为机型系列代号，由冲程符号(以E表示二冲程，不表示则为四冲程)和缸径符号(用气缸直径的毫米数表示)； 3． 尾部变型符号(用数字顺序表示)，与前面符号用“—”隔开。必要时在“—”前 可增加柴油机特征符号(Z——增压，C——船用……)。 例如：16240Z型柴油机——表示16缸，四冲程，缸径为240mm，带增压的柴油机。 又如：10E207型柴油机——表示10缸，二冲程，缸径为207mm的柴油机。 三、柴油机的基本构造 柴油机要完成将柴油燃烧后的热能转变成机械能的任务，必须使其各部件能相互配合，协调动作。 现以16V240ZJB型柴油机为例，根据各部件的作用，把它的组成，分成以下几个部分。如图2—2—2所示。 1、​ 固定件 固定件由机体、主轴承、气缸、气缸盖、油底壳等组成。 （1）机体 16V240ZJB型柴油机机体采用铸焊结构。如图2—2—4所示。 机体是柴油机的基本部件，是柴油机的骨架，在柴油机上的所有零部件都安装在它的内腔和四周，并承受柴油机工作时，各种力的作用。因此，机体不但要有足够的强度而且要有足够的刚度，使柴油机在整个使用过程中不致发生变形。机体内 装有9个主轴承用来安装曲轴，机体下部用螺栓和机座连接。并在最下面用72个螺栓和油底壳连接，以供储存润滑油。 （2）主轴承 主轴承用于支承曲轴，并使曲轴径向和轴向定位。16V240ZJB型柴油机采用滑动轴承。 （3）气缸 气缸对活塞组的往复运动起到导向作用，其内圆面与活塞顶以及气缸盖底部共同构成了柴油机的燃烧室，并向周围的冷却介质传导出部分热量。 机车柴油机普遍采用水冷、湿式、单体式气缸的结构。 气缸由气缸套和水套等组成。一般说来，气缸套的寿命决定柴油机的大修期限。 （4）气缸盖 气缸盖是柴油机上结构复杂的铸件，其上安装有气门机构、喷油器或预燃室等，其内部布置有进、排气道、冷却水腔等。 2、​ 运动件 16V240ZJB型柴油机的运动部件由活塞、连杆、曲轴、減振器和联轴节等组成。 （1）活塞组 活塞组通常由活塞、活塞销、活塞环及活塞销挡圈等组成。 活塞由活塞顶、活塞环槽、活塞裙及活塞销座等构成。16V240ZJB型柴油机采用薄壁球墨铸铁活塞。 活塞顶与气缸盖、气缸套共同组成密封的燃烧室，其顶面直接与1500～2000C左右的炽热燃气相接触，大量热量传入活塞体，其中虽有部分热量经活塞环、活塞裙向气缸散热以及活塞体向机油散热，但活塞顶部的体温仍将达到320C以上（铝活塞）或400C以上（铸铁活塞）。 活塞环槽用来安装活塞环。活塞裙主要起导向作用并承受活塞侧向推力。活塞销座用以安装活塞销．通过活塞销与连杆小头相连，并将活塞承受的气体压力传给连杆。活塞销挡圈用以限制活塞销的轴向窜动。 活塞环分为气环和油环两种。气环用以阻止燃烧室中的空气或燃气漏泄到曲轴箱中去，井将活塞的部分热量传给气缸套。油环为阻止机油窜入燃烧室而设，并能使润滑缸套内表面的机油油膜均布。气环和油环还共同支承活塞，防止活塞直接接触缸壁，以减少拉缸等情况。 16V240ZJB型柴油机在输出功率2427 kw时的爆发压力达1196MPa，作用到活塞顶面上的气体力达到562 6 kN。活塞组在气缸内受到高温燃气周期生地加热，按16V240ZJB型柴油机标定功率2647 kw计的活塞热负荷为0．366 kw／cm2。在标定转速1000 r／min时活塞平均速度为9．167 m/s，最高瞬时速度约为14．76 m/s。 (2) 连杆 连杆的作用是把活塞和曲轴连接起来，将作用在活塞上的气体压力传递给曲轴，使活塞的往复直线运动转变为曲轴的旋转运动。 (2) 曲轴 曲轴是柴油机中工作强度最高的部件也是柴油机中最贵重的部件；它不但要把柴油机全部功率输送出去，而且还要带动柴油机的配气机构、机油泵和水泵等部件工作。因此，对曲轴的材料不但要求有较高的耐磨性。而且要有较高的强度极限和冲击韧性等． 柴油机上两排16个气缸中的活塞连杆安装在曲轴的8个连杆轴颈上，为了使柴油机能均匀地工作，曲轴的8个连杆轴颈分成四对（如图2—2一5），1、8、2、7在一个平面内、3、6、4、5在另一个平面内，两个平面互相垂直，形成对称位置。使各气缸按一定的顺序，间隔一定的时间发火。这样，柴油机各气缸所做的功，就能由曲轴均匀地向外输送出去。 3、​ 配气机构 配气机构是按照柴油机各缸的发火顺序定时地控制进、排气门的启闭，使各缸实现循环换气的机构。它和增压系统共同配合，实现柴油机的空气供给、分配和排气过程。图2—2—4为16V240ZJB型柴油机配气机构的外形。 为了保证柴油机正常、高效的工作，必须设置一些辅助系统。辅助系统有以下几种： 4、​ 进排气系统 进排气系统是向气缸内输送充足的、清洁的、具有一定压力的新鲜空气和排除在气缸燃烧后的废气之用。它主要由空气滤清器、废气涡轮增压器、进气中间冷却器和进、排气管道等组成。如图2—2—7所示。 近30年来，柴油机的主要发展趋势是提高柴油机的功率，又不使柴油机的重量和体积相应有较大的增长，也就是不断提高单位气缸容积所发出的功率（升功率）。柴油机的升功率与平均有效压力Pe和转速n成正比，与柴油机的冲程数成反比。如提高柴油机转速，将会使运动件的惯性力增大，零件加速磨损，柴油机使用寿命缩短，工作可靠性降低；转速过高会使充气效率降低，使缸内工作过程恶化，因而转速的提高有一定的限度。如采用二冲程柴油机来提高功率，假如其转速与四冲程柴油机相同，则由于行程损失及扫气泵等因素，二冲程柴油机的功率并不成倍增加，且其经济性不如四冲程柴油机。提高平均有效压力Pe是大幅度增大柴油机功率的一个有效途径。当然，也可以增加气缸数目或加大缸径来提高柴油机的功率，但这些又受到机车内空间及轴重等因素的限制。 影响Pe的因素很多，它与充入气缸的空气密度ρs、充气效率ηv、指示效率ηi以及机械效率ηm等成正比，与过量空气系数α成反比，其中最有效的途径是大幅度地提高Ps，这样可在α值基本保持不变的情况下加大每一循环的燃油供应量，使柴油机的平均有效压力（指示压力）或有效功率（指示功率）随ρs的提高而大幅度增长。提高ρs的具体方法可将充入气缸的空气在缸外进行预压缩，以提高进气庄力，并对预压缩后的进气加以冷却后送入气缸，这种方法称为柴油机增压。 根据驱动增压器能量的来源，增压的方式可分为机械增压、废气涡轮增压和复合式增压三种。16V240ZJB型柴油机采用废气涡轮增压系统，利用排出气缸的具有一定能量的废气导入涡轮机中膨胀作功，再由涡轮机带动压气机将新鲜空气压缩。空气在压力升高的同时温度也随之升高，为进一步增加气缸的充气量，废气涡轮增压系统中设置有冷却增压空气的冷却器，简称中冷器。增压空气经中冷器冷却后，空气密度得到进一步提高，而压力损失较小。这种增压系统中，增压器与柴油机曲轴之间无机械联系，由于回收利用废气能量，所以增压柴油机降低了燃油消耗率，提高了工作经济性。 废气涡轮增压系统与其它增压系统相比，省去了柴油机对增压器的驱动机构，故结构简单紧凑；又利用了废气能量而提高了柴油机的经济性；并由于进气压力的提高，在换气过程气门重叠期对燃烧室进行扫气，这样既提高充气效率，又降低活塞、气缸盖和气门的热负荷，还降低了涡轮叶片的工作温度，因而得到了广泛的应用。 在废气涡轮增压系统中，根据对废气能量利用方式的不同，又可分为恒压（定压）增压、脉冲增压和脉冲转换增压三种。 废气涡轮增压器是一台单级离心压气机和一台单级涡轮机用一根轴连结而成。而涡轮机是利用柴油机废气能量驱动，把新鲜空气经压气机送入气缸。空气是通过百叶窗经滤清器进入压气机。压气机将空气压缩到一定压力后再送入进气中间冷却器，进行冷却。最后通过进气阀进入气缸。燃烧工作后的废气通过徘气阀、排气管进入废气涡轮，推动涡轮旋转后经烟道排入大气。 柴油机进排气系统加装废气涡轮增压器与进气中间冷却器后，较不增压柴油机可增加功率50％～200％。 二、燃油系统 燃油系统是为保证定时、定量地将雾化良好的燃油送入气缸进行燃烧而设的。燃油系统由燃油箱、燃油粗滤器、燃油输送泵、燃油精滤器等燃油输送装置及喷油泵、高压油管和喷油器等喷射装置组成。如图2—2—8所示。 柴油机启动之前和柴油机工作中燃油系统都要工作。其工作过程是：燃油输送泵将 燃油从燃油箱中吸出，经燃油粗滤器及燃油精滤器送至喷油泵，当喷油凸轮的凸出部分驱动喷油泵内拄塞上升时．燃油经高压油管压送至喷油器，当油压达到喷油器调整弹簧压力(18—26MPa)时，喷油器的针阀开放。如图9—66所示。当油压低于调整弹簧压力时，则针阀关闭停止喷油。喷油泵还可依靠调控系统的作用，通过转动柱塞齿圈改变供油量。 三、调控系统 柴油机转速过低易于熄火停机，转速过高则易损坏机件，为使柴油机在安全转速范围工作，并且使范围内的转速和功率得以调节，设置调控系统。调控系统的主要部件是调速器或联合调节器及最大供油止挡。 调控系统受司机控制器调速手轮的控制。调速手轮每一位置对应柴油机一确定转速。若外负载改变影响柴油机该转速的稳定时，调速器动作，使燃油系统的喷油泵改变供油量，调整柴油机输出扭矩，保持该转速不变。例如司机控制器调速手轮的某一位置柴油机转速为n*，随着外负载的变化柴油机油出扭矩沿图2—2—9的直线n*—c变动．调速手轮在其他位置时转速虽然不同，但扭矩变化也是沿该转速上下变动。由于最大供油止挡限制，调速手轮各位置的最大供油量相同，因此，柴油机最大输出扭矩基本相同。其扭矩曲线如图2—2—9曲线1所示。通常称此曲线为柴油机外特性曲线。 四、机油系统 机油系统是将具有一定压力的机油送入柴油机各个摩擦面润滑，同时清洗磨屑、冷却活塞顶部，并利用曲轴的旋转格润滑连杆轴颈后的机油飞溅到气缸的表面，以润滑活塞与缸壁间的摩擦。用过的机油经管路滤清、冷却后继续使用。机油系统是由机油泵、机油滤清器、机油热交换器及管路组成。如图9—8所示。 机油泵从柴油机油底壳吸出机油，经滤清器滤清后，送至热交换器，将较高温度的机油进行冷却后，送入柴油机主油道，由主油道分送至运动部件、配气机构和涡轮增压器，润滑及冷却后流回油底壳。 五、冷却系统 燃油在气缸内燃烧时燃气的温度很高，将使活塞、气缸等零件过热损坏。为保证柴油机正常工作在规定的温度范围内，借助于空气、水等介质对上述零件进行冷却。冷却系统由膨胀水箱、冷却水泵、散热器、冷却风扇等组成。冷却水循环分成两个单独系统。循环管路如图2一2—10所示。 冷却水充满管路和膨胀水箱。柴油机工作后通过曲轴旋转带动高、低温水泵工作，形成两套独立的冷却水系统。 当高温水泵工作后，冷却水冷却气缸套和缸头后进入散热器，由冷却风扇用空气冷却。高温水冷却后又返回高温水泵。 低温水泵工作后，冷却水首先冷却进入中间冷却器的压缩空气，而后再冷却机油热交换器的机油，最后进入另一组散热器，也由冷却风扇用空气冷却，然后返回低温水泵。 散热器内冷却水与空气的流动情况如图9—96所示。 六、预热系统 为避免柴油机在过低温度下启动而损坏机件或不能启动，而设预热系统。系统内的预热锅炉起加热的作用，以便对机油、冷却水预热到一定温度(一般为20゜C)后再启动柴油机。 第3节​ 电传动装置 一、设传动装置的目的 作为牵引动力的蒸汽机输出的机械能可直接驱动机车动轮；同样作为牵引动力的柴油机(内燃机)则必须通过传动装置后再驱动机车动轮。其主要原因是： (一)机车原动机(柴油机)的最大功率是一定的，然而由于机车工作条件的不同(牵引重量、线路断面)，所需牵引力变化很大。如列车起动或在上坡道上运行，需较大的牵引力；而运行在平直线或下坡道则不需多少牵引力，为在各种不同工作情况下都能发挥原动机的最大功率．则要求原动机的输出特性应是牵引力(或扭矩)与速度(或转速)成反比，如图2—3—1曲线1。从上节已知柴油机最大输出扭矩不随柴油机转速而改变，如图2—3—1曲线2。因此，柴油机输出的机械能直接传给动轮，则不能满足机车所需特性要求。 (二)机车运行的速度范围较况最高运行速度(80—100km／h)与最低运行速度(20 km／h)之比值约为4—5，而柴油机的转速范围很窄，最高转速(1500一1100 r／min)与最低转速(750一450 r／min)之比值约为2—3，因此，直接驱动则不能满足机车运行速度要求。 (三)机车需要前进与后退，而柴油机曲轴旋转方向不能改变；又柴油机不能带负载启动，也不符合机车要求。 基于以上情况，为了使柴油机用于牵引，必需在柴油机与机车动轮间装没传动装置，以改变柴油机的输出特性，满足机车牵引特性要求。 传动装置可以是机械、电力或液力。由于机械传动不适于大功率机电的传动装置，日前只有电传动和液力传动两种类型。 二、电传动装置 牵引发电机(主发电机)电枢轴与柴油机曲轴相连．柴油机工作时带动牵引发电机电枢旋转而发电，将电能通过电路传送给牵引电动机，使装在牵引电动机电枢上的主动齿轮带动动轮轴上的从动齿轮，而使邮车动轮转动。 依照所用的牵引发电机与牵引电动机电流制的不同，电传动装置分为直—直流电传动、交—直流电传动及交—交流电传动三种型式。直—直流电传动是内燃机车最先采用的电传动型式。然而，直流电机用铜多、造价高、可靠性差，当柴油机功率超过3000马力时，作为牵引发电机已不能胜任。大功率半导体整流元件的出现，用交流牵引发电机加整流装置取代直流牵引发电机，而生产了交—直流电传动内燃机车。交—交流电传动是最理想的电传动型式，但是，由于交流牵引电动机在变频调速技术的很多问题才解决不久，在国内也才刚刚生产出几台机车。所以，目前交—直流电传动是大功率电传动内燃机车普遍采用的传动型式。我们还是将东风4B型内燃机车的交—直流电传动原理作为主要的介绍对象。 (一)交—直流电传动组成 1．牵引发电机(F)：为一台他励三相同步交流发电机。 （1）同步牵引发电机的工作原理 同步牵引发电机是根据电磁感应原理，将机械能转变为电能的旋转电机。工业频率的同步电机有两种结构型式，一种是旋转电枢式；另一种是旋转磁极式。绝大多数的同步电机，特别是功率较大的电机，都采用旋转磁极式的结构，如图2—3—3所示。从图中可以看出，同步发电机由定子、转子和空气隙三部分组成。 同步牵引发电机是怎样发出三相交流电的呢？现用一台结构最简单的同步发电机（图13—2）为例加以说明。图2—3—3是一台两极同步发电机，定子上装有三相对称绕组AX、BY和CZ。它们在空间位置上彼此相差120゜，分别代表定子绕组的A、B、C三相。 转子上装有励磁绕组。当直流电通过电刷和滑环送到励磁绕组时，使相邻磁极产生固定不变的N极和S极极性，在气隙中形成主磁场。由于设计时采用特殊形状的极弧表面，所以磁场在气隙中的分布为正弦形状，以便在定子绕组中产生正弦波形的感应电动势。当转子由原动机带动旋转时，主磁场在空间旋转，形成旋转磁场，它与定子绕组导体产生相对运动。根据电磁感应定律，只要导体与磁场之间有相对运动，而且导体切割了磁力线，就会在导体中产生感应电动势，它的方向可用右手定则确定。这里要特别注意，右手定则的运动方向是指电枢绕组的运动方向。在直流电机中，磁场不动，导体在磁场中运动；而在同步发电机中，却是磁场在运动，而导体不动。根据相对运动的原理，可以把磁场运动的反方向作为定于绕组导体运动的方向，以确定感应电势的方向，图2—3—5（b）为转子在不同位置时各相绕组感应电动势的方向。在发电机中，电流与电动势方向相同。根据电工学中的规定，在发电机中，电流为正时，电流从每相绕组的始端（A、B、C）流出，而从每相绕组的尾端（X、Y、Z）流入；电流为负时，则方向相反。因此可得三相交流电动势eA、eB和eC，如图2—3—5a所示。 从图中可以看出．在两极电机中，当转子转过一圈时，定子绕组AX中的感应电动势变化二次、由于三相绕组在定子铁芯中放置的位置不同，当磁极正对着AX绕组的线圈边时，A相电动势达到最大值，而B相绕组需等转子磁极转过三分之一周期（120゜）后，其电动势才达到最大值，也就是说B相的感应电动势在时间上比A相感应电动势滞后120゜。同理（相绕组需再过三分之一周期的时间，其电动势才达到最大值。 由于三相绕组的结构完全相同，又都在同一对磁极的作用下，所以每相绕组中产生的交流电动势的最大值、频率、波形都是相同的。因为三相绕组在空间互差120゜，所以三个感应电动势的相位差互为120゜。 这样就得到了最大值相等、频率相同、彼此间的相位差是120゜的对称的三相电动势。 在实际工作中，把三相电动势各相瞬时值达到最大值的顺序，叫做相序。上图中最初达到最大值的是eA，其次是eB，再次是eC、所以其相序为A—B—C，表示A相超前B相120゜，B相超前C相120゜，C相又比A相超前120゜。 （2）同步牵引发电机的结构特点 同步牵引发电机与直流发电机相比较，在结构上的主要差别是没有换向器。另外它的励磁绕组布置在转子上；形成旋转磁场，而电枢绕组却布置在定子上，刚好与直流电机相反。 图2—3—6是TQFR－3000型同步牵引发电机结构图，它的定子结构和异步电机的定子没有很大的区别，是同步发电机中进行能量转换和能量传递的重要部件。因为定子绕组是产生电动势并且往外输送电能的，所以习惯上把它称为电枢绕组。 因为同步牵引发电机的转速较低，故采用旋转磁极式转子，它的主要功用是产生主磁场。 随着柴油机转速的不同，可以发出不同功率。但是，由于同步交流发电机自然输出特性是，电压不随输出电流而变化．如图2—3—7曲线l。这样．当柴油机转速一定，输出功率一定时，机车由于运行坡道的变化，速度发生改变，则使牵引发电机电流改变，因电压不变，则必然引起柴油机过载或欠载，柴油机功率不能得到充分发挥。为此，采用“励磁调节系统”使牵引发电机具有如图图2—3—7曲线2所示电压UF与电流IF成反比的等功率特性，以保证牵引发电机的输出功率始终与柴油机输出功率平衡。 2． 励磁调节系统包括为牵引发电机提供励磁电流的一台三相同步交流励磁发电机(L)、一台为励磁发电机提供励磁电流的他励直流测速发电机(CF)及柴油机的联合调节器(调速器)。 在柴油机转速不变情况下，当机车速度发生变化时，通过联合调节器的作用，改变测速发电机他励绕组电流，即可改变励磁机、牵引发电机的励磁电流和输出功率，从而保证了柴油机功率的充分发挥。 3． 启动电机(QD)：是一台他励直流电机。当柴油机启动时，作为串励电动机工作；柴油机启动后转为他励发电机，为测速发电机提供励磁电流，供蓄电池充电和机车辅助用电。 以上几个发电机部由柴油机带动旋转。在柴油机曲轴输出端，通过联轴节与牵引发电机电枢轴连结，牵引发电机电枢轴又通过万向轴与启动变速箱连结，经启动变速箱变速后．箱体内三根轴分别带动启动发电机、励磁机、测速发电机转动。其机械联系如图2—3—8所示。 4．牵引电动机(D)；是一台串励直流电机(东风4B型机车六台)。 （1）牵引电动机的工作原理 牵引电动机工作原理图如图2—3—9所示。图上A、B表示电刷，电刷A带正电位、B带负电位。在N极范围内的导体ab中的电流从a流向b，在S极范围内的导体cd中电流从c流向d。根据电磁力定律可知，载流导体在磁场中要受到电磁力的作用，电磁力的方向按左手定则决定。导体ab所受电磁力方向向左，导体cd所受电磁力方向向右。由于磁场是均匀的，导体又流过相同的电流，故ab边与cd边所受电磁力大小相等，整个线圈在ab、cd所受电磁力作用下逆时针方向旋转。当线圈由图示位置转过90゜机械角度的瞬间，线圈中的电流为零，但是由于惯性和其它不在这一位置上线圈的作用，线圈可以继续转动，线圈中继续有电流流过，但电流的方向改变了。导体ab此时转到S极面下，电流从b到a，受力方向向右，导体cd移到N极下，电流方向从d到c，受力方向向左。故整个线圈仍按逆时针方向转动。 一根导体上所受的电磁力乘以转子半径称为电磁转距。由于导体转到不同极性的极面下，其中电流会改变方向，致使导体上的电磁转距方向始终不变（转动切线方向），因而电动机的旋转方向就是一定的。 从上述电动机的工作原理可知，电动机所进行的工作是把电能转换为机械能，但在需要时为直流电动机提供机械能，驱动它转动，它又可以发电，实现由机械能向电能的转换，成为一台发电机，这就是所谓直流电机的可逆性。东风4B型机车正是利用这一原理，在柴油机启动时，将启动辅助发电机QD联接成直流串励电动机，通过前变速箱和牵引发电机转子，带动柴油机曲轴转动。当柴油机启动后，又将QD改接为他励发电机，发出电能为机车照明、控制等提供直流电源。 直流电机的性能与它的励磁方式有很密切的关系，按励磁绕组和电枢绕组联接方式的不同，可分为他励、串励、并励和复励等励磁方式。直流电动机的四种励磁方式如图2—3—10所示。 图2—3—10a为他励直流电动机，励磁绕组和电枢绕组分别由两个独立的外电源供电。 图2—3—10b为串励直流电动机，励磁绕组与电枢绕组串联，在全磁场时，两者电流相等，励磁电流随负载电流变化，东风4B型机车的ZQDR－410型牵引电动机即为串励。 图2—3—10c为并励直流电动机，它的励磁绕组与电枢绕组并联。 图2—3—10d为复励式直流电动机，它既有并励绕组又有串励绕组，如果使两个绕组的磁势相加，则叫加复励式；反之，如果两个绕组的磁势相减，则为差复励式。 （2）ZQDR－410及ZQDR一410C型牵引电动机的结构特点 ZQDR－410型牵引电动机的结构示于图2—3—11中，它由定子、转子和空气隙三部分组成。 1 定子 牵引电动机的定于由机座、主极和换向极、电刷装置等组成。 机座即为电机壳体，其作用主要有两种，其一为用来安装磁极、电刷装置等部件，并通过轴承支撑整个转子；另一个作用就是构成电机磁路的一部分。 由机座等组成的电机主极磁路由图2—3－12表示。其磁路由磁轭（机座中通过磁通的部分）、磁极铁芯、极下空气隙、电枢铁芯的齿槽部分和电枢铁芯轭等组成。 ZQDR－410型牵引电动机机座用ZG25铸钢制成八角形，为了充分利用电机内的空间，四个主极按装在机座的水平与垂直位置上，四个换向极则按装在机座对角线方向的位置上。 机座顶部（靠换向器端）开有方形通风孔，与机车通风道相通。冷却空气从通风孔进人电机后分成两路；一路经换向器、磁极与电枢表面；另一路经换向器套筒、电枢铁芯通风孔，把电机内部的热量从驱动端端盖的铁丝网口排出。在机座的换向器端有三个观察孔，用以检查电动机内部零件和更换电刷。机座上还铸有吊装电机的吊耳和悬挂装置用的吊挂鼻。 主极由主极铁芯和主极绕组组成，用来产生主磁场。用15 mm厚的 B3钢板冲片迭压而成，通过三个螺钉固定在机座上。为了改善主磁场的波形和减少电枢反应，主极采取不均匀气隙。 换向极由权向极铁芯和换向极绕组组成，用来改善电机的换向性能。换向极铁芯用BS钢整体锻成。换向极气隙为7 mm，为了改善换向，在换向极铁芯与机座之间垫有l mm厚的非磁性垫片，构成换向极的第二气隙。 ZQDR－410型牵引电动机的电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷架圈等组成。 电动机转矩特性 电动机的转矩随负载电流而变化的特性，叫做转矩特性，一般表达式为M=f（I）。前面已经讨论过电机的电磁转矩公式为 M=CmφI 当电流增加时，不仅电枢电流加大，电动机的磁场也在加强。从上式可以看出，由于电流I和磁通φ都在加大，所以这时转矩M就要近似按电流的平方关系增加。图 2—3—13就是ZQDR－410 型牵引电动机的转矩特性曲线。 从图2—3—13曲线可以看出，随着负载电流的增大，转矩迅速加大，相应于机车的牵引力也越大。所以串励直流电动机能很好的满足机车起动和上坡时需要较大牵引力的要求。 (2)牵引电动机的调速方法 对东风4B型机车的调速,实质上就是对牵引电动机调速,由串励直流电机的速率公式 分析可知，改变nD的第一个方法就是改变加于牵引电动机电枢上的端电压UD。由于东风4B型机车上六台牵引电动机并联由牵引发电机通过主整流柜供电，因此可以认为UD（直流侧）等于UF，从图2—2—3中可知 UF =f（IF）是按双曲线规律变化的，那么，在机车加速过程中 UD也按与 UF相同的变化规律上升。 当东风4B型机车速度上升至 38～43 km／h（货运）或 51～57 km / h（客运）时，UD（或 UF）已十分接近该功率（额定装车功率）下的限压区，为使一定功率的牵引电动机能适应较大的机车速度范围，避免牵引发电机最高电压对机车继续升速的限制，此时就可采取第二个调速方法：对牵引电动机进行磁场削弱，即根据速率公式减小牵引电动机的磁通φ。励磁电流减少、磁通φ减弱，由上式可知转速升高了。这种削弱实质是在牵引电动机功率不变情况下改变UD与ID的比值，使电压UD由A点退至B点，解除UD (或UF)的限制。如图2—3—14所示。当机车速度继续上升至某一数值(v＝50～60km／h)时 ，牵引电动机电压又上升至限制电压，此时，二级分流电路接通，再一次削弱磁场，解除电压限制，以适应机车运行速度范围。 根据电工学中磁化曲线φ= f（F）的关系可知，在磁路未饱和时，欲减小磁通φ，只要减小其磁势F即可。已知磁势F等于励磁安匝数AW（或ILW），这样磁场削弱就有两种方法，即短路匝数法和分路电流法。东风4B型机车的磁场削弱采取了分路电流法，即在励磁绕组上并接分路电阻。其磁场削弱原理图如图2—3—10所示。图中XC1、XC2为一、二级磁场削弱接触器主触头；RX1、RX2为一二级磁场削弱分路电阻。在削弱之前XC1、XC2都不闭合，这时ID=IDL，为全磁场工况。当机车升速到一级磁场削弱所规定的速度（东风4B型货运机车 38～43 km / h，客运机车 51～57 km / h）时，在自动过渡控制装置的作用下，XCI闭合，磁场削弱分流电阻Rd对励磁电流起了分流作用，机车进入一级磁场削弱下的运行工况。当机车速度继续升高至二级磁场削弱所规定的速度（东风4B型机车 49～55 km／h，客运机车 65～73 km／h）时，在XC1闭合的同时，XC2闭合，于是电阻RX1和RX2对励磁电流同时起了分流作用，机车进入二级磁场削弱下的运行工况。 磁场削弱的程度，即磁场削弱的深度，以磁场削弱系数β来度量，β含义是； 式中ID——牵引电动的电枢电流； IDL——牵引电动机励磁电流。 显然，在磁场削弱时，流经电枢绕组中的电流为； ID=IDL+IR β一般用百分数表示，东风4B型客运机车一级磁场削弱系数β1=58％，二级磁场削弱系数β2=42％，东风4B型货运机车的一级磁场削弱系数β1=60％，二级磁场削弱系数β2=43％，这表示仅有43％的电枢电流流过励磁绕组。很显然，磁场削弱系数越小，则电动机磁场削弱程度越深，最深磁场削弱系数以βmin表示。βmin越小，表示机车的调速范围越广，但过小的βmin能显著影响电枢反应的结果，导致换向恶化，极易产生环火。 5．司机控制器： 司机控制器是司机控制机车的手动电器，主要由主手柄（控制手柄）与换向手柄组成，在东风4A型机车上司机控制器主手柄为有级调速式，做成轮式的主手柄有0～16（共十七个）工作位；而东风4B型机车的主手柄为无级调速式，其上设有零位、1位、升位、保位和降位五个工作位置。在牵引工况下，变换主手柄的位置，可以控制柴油机的功率、转速以及有关的电路，从而控制机车的牵引力和速度；在电阻制动工况下，变换主手柄位置可以控制电阻制动的制动功率和制动力。换向手柄设有前制、前进、0．后退、后制共五个位置，通过它可以获得前进、后退、前制、后制、中立等五种工况。当换向手柄在0位时，可以从控制器上取下来，这时换向手柄起钥匙作用，没有它就不能启动柴油机和机车。