8K型電力機車

8K型電力機車，是中華人民共和國鐵道部於1980年代透過國際招標、按照“技貿結合”方式向歐洲五十赫茲集團訂購引進的電力機車車型，投入豐沙鐵路、京包鐵路使用，擔當晉煤外運煤炭列車的牽引任務。8K型機車共計150臺，其中由法國整車進口148臺，其餘2臺由五十赫茲集團透過技術轉讓、由株洲電力機車廠試製。在消化吸收8K型電力機車大量先進技術的基礎上，不但使中國國產電力機車的技術水平及質量大為提高，並且促進了國產機車設計思想、專案管理和配套技術的發展，對後來韶山4型、韶山5型、韶山6型等國產電力機車的研製和改進產生積極影響。發展歷史.背景.1978年，中國開始實行改革開放，將全國的建設重心轉到了經濟發展上，中華人民共和國鐵道部提出了“內電並舉，以電為主”的發展戰略，要求以8年時間，讓電力、內燃機車牽引承擔的鐵路貨運量達到65%以上，其中電力機車務必達到35%以上。但相比其他發達國家，當時中國的電力機車技術水平相對落後；至1980年，第一代採用調壓開關調壓的韶山1型電力機車才開始投入大批次生產，第二代採用級間相控調壓的韶山3型電力機車剛剛試製成功，第三代採用相控無級調壓的韶山4型電力機車仍處於計劃階段，而同期國外的相控電力機車已經發展成熟，並正在向交流傳動技術發展。為了提高鐵路機車產能和產品技術水平，從1980年代起，鐵道部開始利用世界銀行和其他國家貸款引進鐵路裝置和技術。1982年，世界銀行鐵路專案負責人到訪株洲電力機車工廠瞭解貸款專案，當時中方的意見是，提高中國自身的機車生產能力，將比長期使用貸款購買外國機車對中國更有利。根據對株洲電力機車工廠貸款的需要，世界銀行並邀請中國派員出國考察；為此，鐵道部於1983年10月至12月期間派出了電力機車技術考察組赴歐洲進行技術考察。根據世界銀行的建議和安排，此行前往英國、瑞士、瑞典、法國四個電氣化鐵路比較先進的歐洲國家，瞭解這些國家的電力機車技術、生產、運用和維修等方面的狀況，並對多種當時主流的電力機車車型作比較，包括英國鐵路的87型電力機車、瑞典國鐵的Rc系列電力機車、法國國鐵的BB 15000、BB 22200型電力機車、以及瑞士聯邦鐵路的Re 4/4IV、Re 6/6型電力機車等。透過對工廠和鐵路的實地考察，中國認識到要在短期內全面提高國產電力機車水平，很有必要引進國外的先進技術。與此同時，進入1980年代以後，由於煤炭產量和貨物運輸量增加，中國交通運輸滯後的矛盾顯得越來越突出。在當時鐵路運輸能力有限，公路交通不發達的情況下，山西省出省通道透過能力小，造成山西出產煤炭大量積壓，僅1983年山西全省積壓待運煤多達3,000餘萬噸，不少煤礦積煤出現自燃和被洪水沖走，另一方面也無法滿足全國各地對煤炭的迫切需求。為了提高晉煤外運能力，豐沙大鐵路電氣化改造工程於1981年動工；1982年完成了石太鐵路的電氣化改造；1983年，為增加晉煤外運通道，中國國務院正式批准修建大秦鐵路。引進.在國產電力機車在數量、質量均未能滿足的情況下，鐵道部決定從國外購買電力機車，一方面以解決當時晉煤外運運力不足、滿足電氣化鐵路增長的需求，另一方面引進國外先進技術，儘快縮短中國與世界先進水平間的差距。為此，中國鐵道部於1985年初啟動了中國鐵路第一個技術和貿易結合的大型採購專案，透過國際招標、按“技貿合作”方式引進一批大功率電力機車。對於機車選型，主要考慮是要滿足近期鐵路貨運的牽引要求、質量上可靠耐用，並對國產電力機車有借鑑作用。這也是中國鐵路第一種按照中國鐵道部招標書要求、透過國際招標引進的鐵路機車，鐵道部透過中國機械進出口總公司向世界著名的機車製造公司發出招標書，參加招標的公司包括以法國阿爾斯通公司為首的歐洲五十赫茲集團、瑞典通用電機、美國通用電氣、捷克斯洛伐克斯柯達、西德西門子、由三菱、日立、東芝組成的日本財團、羅馬尼亞克拉約瓦電力機車裝置、南斯拉夫康查爾電氣等共7個國家的9家機車製造商。經過談判和評標後，中國機械進出口總公司正式向歐洲五十赫茲集團購買150臺8K型電力機車，交易總額達15億元人民幣、時任國務院副總理李鵬、經貿部長鄭柘彬、鐵道部長陳璞如等出席了簽字儀式。在機車型號中，“8”代表八軸，“K”代表可控矽整流。根據合同，阿爾斯通公司於1987年初開始交付首臺機車，並於1987年11月交付完畢，其中2臺機車由五十赫茲集團與株洲電力機車廠合作完成。8K型電力機車是由五十赫茲集團專門為中國鐵路設計製造的，株洲電力機車廠和株洲電力機車研究所也派出人員參與機車的設計。8K型電力機車大量繼承了法國電力機車的傳統設計和技術，例如車體整體承載方式、走廊通風系統、高度整合化中央電器櫃、轉向架結構、兩段相控整流橋電路等方面均沿襲了與BB 15000型電力機車相似的設計，並採用了與6G型、ND4型機車類似的系列化司機室。此外，8K型電力機車也集結了五十赫茲集團內各家公司的技術產品，包括瑞士勃朗-包維利公司的電子控制系統和GTO輔助逆變器、法國電氣牽引裝置公司的轉向架、AEG的傳動齒輪箱、西門子的主變壓器、牽引電動機和輔助電機等。交付.8K型機車由阿爾斯通公司的貝爾福工廠進行組裝；1986年7月9日，首臺機車在貝爾福出廠，隨即在貝爾福至米盧斯的鐵路上進行試驗。1987年1月至9月間，共有63臺8K型機車從法國馬賽港裝船付運，送抵天津新港，配屬北京鐵路局豐臺西電力機務段，148臺進口8K機車於1989年初交付完畢。運用.8K型機車投入豐沙大鐵路運用之後，大幅提高了線路運輸能力，上行、下行牽引定數分別提高到4000噸和3500噸。1988年，豐沙鐵路沙城至張家口段完成了上行重車方向8124萬噸的貨運密度，其中晉煤完成6700萬噸，創造了當時中國客貨混運鐵路貨運量的歷史最高紀錄。1988年11月，大秦鐵路一期工程大同至大石莊試驗開行單機牽引6000噸和雙機牽引10000噸的過載單元列車。1995年，大秦鐵路實驗性開行8K型機車單機牽引的6000噸級列車每天20列，雙機牽引10000噸級列車每月開行一列，但由於萬噸過載列車技術尚未成熟，並曾經發生斷鉤事故，因此當時並未廣泛採用。2005年3月，中國鐵道部撤銷全路所有鐵路分局，北京鐵路局下轄的太原鐵路分局與大同鐵路分局合併成立新的太原鐵路局，隨後原大同機務段。經過生產力佈局調整後，所有8K型電力機車均分別配屬北京鐵路局豐臺機務段和太原鐵路局湖東電力機務段，於豐沙大鐵路、大秦鐵路和北同蒲鐵路運用。2007年起，隨著大秦鐵路開始引進HXD1、HXD2型大功率交流傳動電力機車，原配屬湖東電力機務段湖東運用車間的8K型機車陸續向大西運用車間調出，主力擔當北同蒲鐵路的貨物列車和少量旅客列車的牽引任務，同時也向豐臺機務段調出部分8K型機車。2010年起，由於8K型機車經過長年運用開始老化，且零件短缺對機車維護造成困難，豐臺機務段的部分8K型機車開始有計劃地報廢。在2015年年底，豐臺機務段配屬的8K型機車將全部退役。另外，春運期間北京站有部分臨客為8K型機車牽引。技術轉讓.在簽訂8K型機車貿易合同之後，中國機械進出口總公司與歐洲五十赫茲集團於1985年5月又簽訂了兩臺8K型電力機車的合作生產合同。五十赫茲集團負責無償轉讓產品的全套圖紙資料、機車零部件、製造工藝和檢驗方法，並負責培訓機車試製驗證和派遣專家來華指導，由株洲電力機車工廠承擔機車生產工作，而株機廠及株機所同時派遺人員到歐洲多家工廠接受培訓，作為驗證技術轉讓的成效。1989年9月26日，最後兩臺8K型電力機車在株洲電力機車廠落成。在1980年代中國從國外引進的8K、6K、8G型三種電力機車車型之中，8K型機車是引進時間較早，也是技術最先進的車型；根據中國要求，三種機車均採用Bo二軸轉向架為基礎、單軸功率800千瓦、最高速度100公里/小時、以發揮牽引力為主的交—直流電傳動電力機車。在8K型電力機車的技術轉讓過程中，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，不但使國產機車的技術水平及質量穩定性大為提高，並且促進了國產機車設計思想、專案管理和配套技術的發展。1990年，在消化吸收8K型電力機車技術的基礎上，株洲電力機車廠成功試製了韶山5型快速客運電力機車和韶山6型客貨兩用電力機車。兩種機車均大量採用了8K型電力機車的技術，例如在車體結構、大功率閘流體與整流管、電子控制裝置、中央電器櫃、功率因數補償裝置、主變壓器設計以及通風機等方面均有不同程度的模仿和應用。此外，株機廠透過模仿8K、6K型機車的微機控制系統，為韶山4型0038號機車進行了實驗性加裝微機控制的技術改造，其研製和使用經驗後來成為了韶山8型電力機車微機控制系統的基礎和改進方向。1993年，株機廠針對早期韶山4型電力機車的主要問題，從韶山4型0159號機車開始進行重大改進，研製了韶山4改進型機車，其轉向架構架結構、推輓式中間單斜牽引拉桿、三次諧波濾波器、車體頂蓋等均借鑑自8K型機車。技術特點.總體結構.8K型電力機車是雙節重聯的八軸幹線貨運用大功率電力機車，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2×。每組機車由兩節完全相同的四軸機車透過中間車鉤和橡膠聯掛風擋連線而成，每節車為一個完整系統，設有一個司機室，可由司機在任何一端司機室對機車進行控制，兩節機車也可以分離作為兩臺四軸機車獨立執行。兩節機車之間設有內部電氣重聯控制電纜和空氣制動系統的重聯控制風管，並有中間走廊連通，車頂設有25千伏高壓連線線。機車持續功率為6400千瓦，最高速度100公里/小時。每節機車車體包括了司機室、中央室、車頂和連線通道四個主要部分，司機室後中央機械室為貫通式雙走廊，車體採用側牆與底架聯合承載的非對稱框架式結構。中央室內靠近司機室部分設有蓄電池櫃、牽引電動機通風機、自動訊號裝置等裝置；中央部分設有高度整合化的中央電器櫃，機車主整流器、高壓和低壓電器裝置、控制邏輯裝置、冷卻系統均集中在電器櫃內；而機車尾部設有牽引電動機通風機、空氣壓縮機等裝置。每節機車司機室之後車頂裝一臺單臂受電弓；機車內最重的主變壓器被安裝在車體底架下面而不是在車體裡面，以降低機車的總重心並縮短了與中央電器櫃之間的線纜長度。轉向架.每節機車的走行部為兩臺二軸轉向架，採用由碳鋼板焊接而成的H型構架轉向架，以方便更換牽引電動機。一系懸掛採用軸箱螺旋彈簧與彈性連桿的獨立懸掛結構；二系懸掛採用免維護的橡膠堆支承。機車牽引力與制動力透過中央低位斜拉桿推輓式牽引裝置傳遞，機車牽引點在軌道平面上，具有動力學穩定性好、粘著利用率高的優點。轉向架中的車軸均為動軸，每臺轉向架裝有兩臺TAO649D型牽引電動機，為六極串勵脈流電動機，持續功率1000千瓦，實際使用功率被限制在800千瓦。牽引電機沿用與法國國鐵BB 15000型機車相同的滾動軸承抱軸懸掛結構、單邊直齒傳動，牽引齒輪傳動比為69：17，但由於中國與法國鐵路鋼軌連線方式不同，牽引電機在機車執行時承受較大的振動，導致抱軸箱體較常出現疲勞裂損。電路系統.8K型電力機車採用交—直流電傳動方式，機車主電路沿用法國相控電力機車傳統的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，並採用閘流體調節的牽引電機無級磁場削弱電路，具有電路簡單、矽元件數量少的優點。牽引時向轉向架上兩臺牽引電動機串聯供電，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；但牽引電機串聯供電卻有粘著能力較差的缺點，發生空轉後粘著再恢復能力較低，因此8K型機車設有先進的防空轉防滑行系統，透過檢測輪周速度差異進行電機減載來校正牽引力。相比調壓開關調壓電力機車，閘流體相控電力機車的功率因數相對較低，因此8K型電力機車設有大容量3、5次諧波濾波器的功率因數補償裝置，機車在50～100%功率範圍內功率因數均可大於0.9，以提高電氣化線路的總效率。機車輔助電路採用瑞士勃朗-包維利公司提供的GTO輔助逆變器，取代了旋轉式劈相機向機車輔助機械供電，功率容量為50kVA。然而該套系統可靠性較差，自8K型電力機車投入運營以來其GTO輔助逆變器機組幾乎每天有燒損故障發生，嚴重影響列車的安全可靠執行。因此，研製8K型機車用IGBT輔助逆變器替代GTO輔助逆變器的課題於1997年初被列為中國鐵道部科研計劃專案，由北京交通大學電氣工程學院負責研製。IGBT輔助逆變器於1996年10月初開始裝車試執行，後因故障多未推廣使用，而是由本段科技開發科自行研製的IPM逆變器1998年5月裝車試執行，後擴大推廣至成功使用。。控制系統.8K型機車採用了瑞士勃朗-包維利公司的電子控制系統，對每一個轉向架獨立供電的相控整流橋進行獨立控制，並設有故障自動檢測裝置，具有較高可靠性。在150臺8K型電力機車之中，有兩臺機車微機控制系統，採用了微機來控制機車的牽引、制動、防空轉及故障保護等功能。微機系統採用一個16位英特爾80186中央處理器計算機車控制特性，一個16位8097微控制器控制閘流體觸發，另一個8位8031微控制器負責管理前兩者之間的通訊，均為當時國際上最新型的處理器和微控制器產品。然而為了保證與其他8K型機車的裝置互換性，這兩臺機車的微機控制功能及輸入、輸出訊號都要與模擬控制相同，導致微機控制的優勢未能充分發揮，並未具備更重要的故障診斷、記憶和顯示功能。與同期日本進口6K型機車的微機系統相比，8K型機車MICAS系統雖然硬體上較先進，但功能上並不比6K型機車全面，因此MICAS系統較適合用於既有機車的改造，取代模擬控制。1991年，株洲電力機車廠在MICAS系統系統基礎上，為韶山4型電力機車設計了微機控制系統並進行了試驗，成為國產電力機車微機系統的開端。