韶山5型電力機車

韶山5型電力機車，是中國鐵路的第一種快速客運電力機車，由株洲電力機車廠和株洲電力機車研究所在消化吸收進口8K型電力機車先進技術的基礎上設計、製造，於1990年研製成功。韶山5型電力機車屬於實驗性車型，採用了兩段相控整流橋電路、空心軸全懸掛牽引電機、輕量化車體、再生制動、功率因數補償等大量新技術、新結構，是當時中國國內技術最先進的國產電力機車。然而由於其粘著效能存在較大問題，未能投入批次生產，僅試製二臺。韶山5型機車的研製、試驗為後來韶山8型準高速電力機車的設計和生產累積了經驗。發展歷史.背景.隨著中國實行改革開放，國民經濟的高速發展對鐵路旅客運輸帶來大量需求，同時也對旅行速度提出了新的要求。為解決鐵路客運嚴重超員的問題，中華人民共和國鐵道部於1980年代中期，提出在中國第七個五年計劃間實現以北京為中心、1500公里為半徑的繁忙幹線上，開行編組20節、最高速度140公里/小時、執行時間不超過15小時的“朝發夕至”或“夕發朝至”特快旅客列車，在地理上相當於北京到上海、哈爾濱、西安、長沙的距離，以增加繁忙幹線的客運能力。1986年，中國鐵道部下達了“七五”期間中國鐵路科技發展規劃，要求實現機車車輛產品升級換代，牽引動力進入以電力、內燃機車為主的時代，認真消化吸收引進技術，使機車車輛產品的水平達到1980年代的國際水平。同時，國家科委、國家計委、鐵道部將新型快速客運電力機車的研製列入了“七五”國家重點科技攻關專案。研製.經過可行性技術論證分析，鐵道部於1987年正式向株洲電力機車廠、株洲電力機車研究所下達了研製韶山5型快速客運電力機車的設計任務書。根據任務書要求，新型機車能夠牽引20節客車，編組重量1100噸，最高執行速度達到140公里/小時，所規定的各項效能指標也參照了8K、6K、8G等幾種進口電力機車的技術引數。韶山5型電力機車是中國鐵路第一種快速客運電力機車，設計上需要滿足客運列車擴大編組的要求，也要考慮到起動加速平穩、制動可靠有效、輪軌作用力小的需要。在研製過程中，以成熟技術為主，在消化吸收進口電力機車先進技術的基礎上，結合國產電力機車設計、製造、運用的經驗。中國在1985年向歐洲五十赫茲集團訂購8K型電力機車的同時，也簽訂了技術轉讓合同，中國共引進了30個技術專案，包括機車車體、轉向架、牽引電動機、主變壓器、閘流體、電子控制裝置、輔助變流器等機車零部件。這些先進技術的引進和國產化，對後來中國國產電力機車造成重要影響。韶山5型機車成為在這樣的背景之下透過借鑑8K型電力機車先進技術設計而成的國產電力機車，其機車主電路、主變壓器、特性控制技術、功率因數補償、電子控制裝置、車體結構、中央電器櫃以及通風機等方面均有不同程度的模仿和應用。1990年6月，韶山5型電力機車通過了部級設計審查，同年12月完成了全部設計。試驗.1990年9月和10月，株機廠分別完成0001、0002號兩臺韶山5型電力機車，同年11月13日舉行了竣工儀式並透過驗收，時任鐵道部部長李森茂併為機車剪綵。1990年12月至1991年1月，兩臺韶山5型機車赴鐵道部科學研究院北京環形鐵道進行初步效能試驗；隨後交付鄭州鐵路局西安機務段試用，在隴海鐵路西安至寶雞間進行30萬公里的執行考核。在試驗期間很快就發現韶山5型機車存在粘著效能不良、輪對空轉嚴重等問題，尤其在起動及低速執行工況下粘著係數偏低，影響了機車牽引效能的正常發揮。主要原因在於其電機空心軸全懸掛傳動裝置，其特點是空心電樞軸透過齒形聯結器將扭矩傳給扭軸，再透過彈性聯軸節將扭矩傳給傳動齒輪，從而驅動輪對。但其軸傳動裝置的彈性系統和軸箱定位、齒輪箱定位剛度引數匹配不良，使粘著牽引力無法正常發揮，容易產生粘滑振動。此外，防空轉裝置的效能對機車粘著效能也有很大的影響，在執行過程中防空轉裝置頻繁運作，加劇了粘滑振動現象。由於粘著效能的缺陷，韶山5型電力機車無法投入批次生產，但其製造經驗與試驗結果，為自1994年起製造的韶山8型電力機車提供了技術基礎。在吸取韶山5型經驗教訓基礎上，韶山8型電力機車參照了東風9型柴油機車所採用的輪對空心軸牽引電機全懸掛、六連桿萬向軸兩級彈性驅動裝置，成功解決了韶山5型機車粘滑振動引起結構共振等現象。運用.兩臺韶山5型機車完成執行考核後配屬西安機務段，主要擔當西安至寶雞之間的短交路旅客列車。1997年，兩臺機車轉配屬至鄭州機務段作為段備機車，主要用於牽引鄭州至信陽、漯河的管內旅客列車。2002年正式報廢並封存於鄭州機務段。技術特點.總體佈置.韶山5型電力機車是四軸快速客運電力機車，適用於供電制式為25千伏工頻單相交流電的電氣化鐵路，機車軸式Bo-Bo，持續功率3,200千瓦，最高速度140公里/小時。機車採用雙邊內走廊，設兩端司機室；車頂兩端各裝一臺單臂式受電弓；車頂中部裝一臺空氣斷路器。主要電器裝置以機車最重裝置主變壓器為中央，變壓器設計借鑑了8K型機車的技術，採用一體化結構，與平波電抗器、濾波電抗器共用油箱和冷卻系統。機車並採用低合金鋼焊接的整體承載結構輕量化車體，設計過程中應用了有限元分析法，使車體的重量減小2噸。車體結構和製造工藝均吸收了8K型機車的技術，採用了大頂蓋結構、預佈線 、預布管工藝，有效縮短機車生產週期。機車主電路.韶山5型電力機車是交—直流電傳動的單相工頻交流電力機車。機車主電路主要是由受電弓、主斷路器、高壓電流互感器、主變壓器、矽整流裝置、牽引電機、高壓電器櫃、平波電抗器及電路保護裝置等組成，是產生機車牽引力和制動力的主體電路。接觸網導線上的25千伏單相工頻交流電電流，經受電弓進入機車後經過主斷路器再進入主變壓器，交流電從主變壓器的牽引繞組經過閘流體整流後，向四臺分兩組並聯的牽引電動機集中供應直流電，使牽引電動機產生轉矩，將電能轉變為機械能，經過齒輪的傳遞驅動輪對。韶山5型電力機車採用交—直流電傳動方式，機車主電路沿用8K型機車的閘流體兩段串聯相控整流橋調壓方式，由一段半控整流橋和一段全控整流橋組成，而使用再生制動時全控撟變為逆變裝置，半控橋作為勵磁電源裝置。此外，韶山5型電力機車也是首次在國產機車上採用閘流體無級磁場削弱，從而機車在80～135公里/小時的恆功調速範圍內可以實現無級平滑調速，避免了有級磁場削弱調速時牽引力突變造成的衝擊。在引進8K型電力機車的同時，株洲電力機車研究所也從美國西屋電氣公司引進大功率半導體制造技術，被應用於韶山5型電力機車的閘流體元件。此外，機車功率因數補償裝置也借鑑了8K型機車的設計，透過在主電路中投入或切除電容器來提高機車的功率因數，機車在50～100%功率範圍內功率因數均可大於0.9，以提高電氣化鐵路的總效率、減少對無線通訊的干擾。轉向架.機車走行部為兩臺相同的二軸轉向架，採用由低合金箱型焊接而成的“日”字型構架，一系懸掛採用軸箱螺旋彈簧與彈性連桿的獨立懸掛結構；轉向架構架和車體之間設有二系懸掛，兩臺機車分別採用兩種方案以作比較，0001、0002號機車分別採用高撓橡膠彈簧和高撓圓柱彈簧。機車牽引力與制動力透過中心銷傳遞。轉向架中的車軸均為動軸，每臺轉向架裝有兩臺ZD107型六極串勵直流牽引電動機，持續功率800千瓦，轉子及定子雙H級絕緣，並借鑑了6K型機車牽引電機的半疊片機座技術。電機恆功速比達1.68，保證機車高速時實現額定功率的寬恆功特性。為減小簧下部分重量、提高機車執行品質，韶山5型電力機車是中國首次採用電機空心軸彈性傳動，電機採用架懸式懸掛，配合21.5噸的軸重，減小機車對鋼軌的動力作用。控制系統.韶山5型電力機車的電子控制系統採用了瑞士勃朗-包維利公司的技術，設有兩套互相獨立的電子控制系統，均安裝於標準電子控制櫃，其中一套主要負責機車牽引控制、防空轉裝置、功率因數補償裝置，另一套主要負責閘流體控制。機車採用特性控制，兼備了恆速和準恆速的優點，機車起動時以恆流起動，保證機車平穩起動；在進入準恆速執行後，可按司機控制器級位規定的速度執行。而防空轉防滑行裝置則借鑑了8K型、6K型、ND5型等進口機車的國外技術，當檢測到機車空轉、滑行時自動撒砂、減載，使機車恢復再粘著。