6K型電力機車

6K型電力機車是中華人民共和國鐵道部於1980年代為滿足隴海鐵路鄭州至寶雞段電氣化鐵路需要、透過國際招標方式向日本川崎重工業、三菱電機訂購的電力機車車型，共計85臺，全部配屬鄭州鐵路局洛陽機務段使用。6K型電力機車為六軸相控交—直流傳動電力機車，採用Bo-Bo-Bo軸式、三段不等分半控橋調壓電路、復勵牽引電動機、微機控制系統。發展歷史.背景.1970年代，隨著中日關係正常化，為了加強中日之間經濟交流與合作，時任日本首相大平正芳於1979年12月訪華期間，正式提出對華提供日元貸款，支援中國現代化，從此開啟了對華政府開發援助的大門。從1980年開始，中華人民共和國鐵道部開始利用日元貸款，大規模投資鐵路建設、裝置改造，以擴大鐵路運輸能力。1984年10月26日，中日兩國政府在東京簽訂第二批日元貸款第一年度貸款項下的採購指南及貸款協議有關規定進行，在絕大多數情況下要求採用國際競爭性招標方式。引進.為採購用於隴海鐵路鄭寶段電氣化鐵路的電力機車，中國鐵道部於1986年展開了電力機車的國際招標專案，成為繼8K型電力機車之後第二種按照中國鐵道部招標書要求、透過國際招標引進的中國鐵路機車；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。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瑞典、日本、瑞士等國家的機車製造商。經過談判和評標後，中國正式向日本三菱電機和川崎重工業訂購85臺6K型電力機車，交易總額達240億日元。在機車型號中，“6”代表六軸，“K”代表可控矽整流。6K型電力機車由川崎重工業、三菱電機聯合設計製造，三菱電機伊丹製作所提供電氣部件，川崎重工業兵庫工廠提供機械部分並進行總組裝，此外住友金屬工業也負責提供車軸，川崎重工業內部代號為K6，意為川崎重工業公司第六款出口機車。機車設計圖紙經中方審定後，由中方派出人員赴工廠執行監造工作，對機車部件的加工工藝、生產流程、整機組裝等進行質量管理。6K型電力機車為六軸相控交流電力機車，為適應隴海鐵路鄭寶段部分割槽段小半徑曲線多、坡度大的執行條件，6K型機車選用了Bo-Bo-Bo的機車軸式，有別於中國國產電力機車傳統的Co-Co軸式。6K型機車基本繼承了日本電力機車的傳統設計和技術，其中電氣部分參考了日本國鐵的ED75型500番臺、ED77型電力機車的多段橋相控整流電路；機車車體和轉向架等機械部分參考了EF66型、EF81型電力機車的設計。運用.首臺6K型機車於1987年7月底運抵中國，並於同年11月至1988年3月期間對機車進行整車效能的型式試驗，這項試驗由日方委託鐵道部科學研究院，在北京環形鐵道進行。經驗收試驗後，發現6K型機車有五項部件未能符合合同規定的質量要求，經交涉後日方承認責任並負擔賠償，總賠償額超過41億日元；其中最顯著的問題為牽引電動機故障，首批6K型電力機車投入執行不久，就出現許多牽引電機環火、換向器異常等故障，嚴重影響了機車的正常執行，最終三菱電機承認了電機結構上存在的缺陷，同意賠償並更換了所有機車的牽引電機。80臺6K型電力機車於1987年至1988年間分批運抵中國，全部配屬鄭州鐵路局洛陽機務段，擔負隴海鐵路鄭州至襄樊北間的貨物列車，大部分6K型機車從隴海鐵路調至焦柳鐵路使用。2013年下半年，由於機車經過長時間運用而老化嚴重，洛陽機務段開始批次報廢6K型電力機車。2014年3月21日，隨著嘉峰至洛陽的6918/6919次旅客列車到達洛陽站，亦標誌著6K型電力機車完成最後一次牽引任務。6K型電力機車在中國鐵路服役的27年間，平均每臺機車走行396萬餘公里。6K型電力機車停運報廢后，焦柳線貨物列車均改由韶山4型電力機車擔當，嘉峰至洛陽的普通旅客列車亦改由HXD3型電力機車牽引。影響.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，6K型機車是技術較先進的車型之一；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。6K型電力機車的Bo-Bo-Bo軸式轉向架、C級絕緣復勵牽引電動機、多處理器微機控制系統等先進技術對當時中國國產電力機車而言均為國內首見。這些先進技術的引進和國產化，對後來中國國產電力機車發展造成重要影響。1992年，透過消化吸收6K、8K型電力機車技術，大同機車廠與株洲電力機車研究所成功試製了韶山7型電力機車。韶山7型機車大量採用了6K型電力機車的技術，其Bo-Bo-Bo軸式轉向架、復勵牽引電動機、Z型低位拉桿牽引裝置等均直接借鑑自6K型機車；大同廠並在韶山7型基礎上，先後研製了韶山7B型、韶山7C型、韶山7D型等一系列電力機車，以及ZD111、ZD120A型等復勵牽引電動機。而株洲電力機車廠透過學習6K型電力機車的主電路系統，將不等分三段橋閘流體相控調壓技術廣泛應用於韶山3型4000系、韶山4改型、韶山4B型、韶山6B型、韶山8型等國產電力機車。此外，6K型電力機車使用的法維萊LV-2600型受電弓，由於重量輕、特性穩定、故障率低，因此也成為國產化的物件，被廣泛用於中國“韶山”系列電力機車。技術特點.總體佈置.6K型電力機車是六軸幹線客貨運通用電力機車，採用近似Z字型內走廊，設兩端司機室，車內主要裝置以模組化集中安置；主要電器裝置以機車最重裝置主變壓器為中央；車頂兩端各裝一臺法國法維萊公司的LV2600型單臂式受電弓；車頂中部裝有真空斷路器、電壓互感器、避雷器等高壓電氣裝置。機車總體裝置佈置採用平面不對稱佈置，有別於中國國產電力機車傳統的平面斜對稱佈置方式，不對稱方式雖然令機車整體結構緊湊、節省空間，但必然帶來重量分配不均衡的問題，為此6K型機車在兩端司機室底部均裝有壓鐵，以均衡軸重。6K型機車設有空氣制動機，基礎制動採用雙側閘瓦踏面制動，電制動採用加饋電阻制動。6K型機車採用獨立通風冷卻系統和獨立專用風道，進風口設定在車頂上透過專用通道直接送向主變壓器、整流櫃、牽引電動機等裝置，令機械間不會出現負氣壓。通風系統設有慣性過濾器，並有自動排塵裝置，具有較高的空氣淨化能力，減少電氣部件積塵，這對位於黃土高原的隴海鐵路鄭寶段尤其重要。機車持續功率4800千瓦，最高時速為100公里。電路系統.6K型電力機車是交—直流電傳動的單相工頻交流電力機車。機車主電路採用閘流體三段不等分半控橋的調壓方式。與四段經濟半控橋相比，其優點是無開關衝擊並簡化了電路；與兩段半控橋相比，其優點是功率因數較高，在四分之一額定功率以上的平均功率因數比兩段半控橋高3%，二分之一額定功率以上的平均功率因數比兩段橋高5.5%。變壓器次級的每組兩個繞組分為三段，其電壓分別為600伏特、300伏特、300伏特，調壓時首先開放600伏特的半控橋，然後再依序開放第二段半控橋。通常第三段用於恆壓控制，即其開放的程度取決於網壓的高低，且受牽引電動機額定電壓的限制。6K型電力機車雖然擁有三組轉向架，但在主電路中只有兩組，中間轉向架上的兩臺牽引電動機分屬前後兩組，機車牽引時向兩組各三臺牽引電動機並聯供電，有利於充分發揮粘著、防止發生空轉。每臺轉向架裝有兩臺三菱電機設計製造的MB-530-AVR型復勵直流牽引電動機，為六極中電壓脈流電動機，持續功率800千瓦，設有無級磁場削弱，也是中國鐵路機車使用的第一種C級絕緣、復勵牽引電動機。復勵電動機具有他勵繞組，牽引工況下空轉時，不會失去他勵磁場，因此再粘著特性較好。但由於復勵電動機的磁通是由並勵和串勵兩個勵磁繞組共同產生，以磁場倒向方式改變轉子旋轉方向就比較複雜，因此6K型電力機車執行方向的轉換是依靠轉換電動機電樞引出端來完成。為提高相控電力機車的功率因數，6K型機車主電路還設有四組功率因數補償裝置，採用LCR三次諧波濾波器，每兩組由一臺微機進行控制，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。機車輔助電路採用兩臺旋轉式劈相機，向空氣壓縮機、通風機、冷卻油泵、司機室空調和輔助發動機供電。其中輔助發動機用於向機車控制電路獨立供電，這種特殊的隔離供電方式能夠減少由電網造成干擾，提高機車微機控制系統的穩定性。轉向架.機車走行部為三臺二軸DT129轉向架，所有車軸均為動軸，機車軸式Bo-Bo-Bo。機車固定軸距較短，曲線透過效能好。6K型機車轉向架是由日本國鐵EF81型電力機車的DT138、DT139型轉向架改進而成，為無兩端橫樑的H形構架、旁承彈簧承受車體載荷的無搖枕轉向架。中間轉向架有其特殊性，相對於車體有多達230毫米的橫向偏移量，以便透過小半徑曲線，並採用了與兩端轉向架不同的滾動軸承摩擦式拉桿搖枕的支承結構與車體聯接，因此無法與兩端轉向架互換使用。機車並採用了日本3Bo機車傳統的Z型低牽引拉桿傳動方式，車體上有六個牽引拉桿座，透過六根牽引拉桿分別與三臺轉向架呈“Z”形聯接，兩端轉向架牽引點交於軌面，有利於透過曲線和減少軸重轉移，輔之以電氣軸重轉移補償，能獲得較高的粘著效能。一系懸掛採用軸箱螺旋彈簧與彈性連桿的獨立懸掛結構；二系懸掛採用螺旋彈簧系統、橡膠元件和油壓減震器的組合，中間轉向架並設有摩擦式滾動搖枕。牽引電動機採用滾動軸承抱軸懸掛結構、單邊直齒傳動。控制系統.6K型電力機車是中國鐵路第一種實現全微機控制的電力機車，機車控制與保護系統全部採用了微機控制。每臺6K型機車設有兩套PHAI-16微機控制裝置，“PHAI”四個字母分別代表高功率因數。兩套微機控制裝置分別控制前後兩組各三臺牽引電動機，每套微機裝置設有四個中央處理器執行不同的任務，其中兩個為16位英特爾8086中央處理器，分別用於計算機車控制特性和閘流體觸發；另外兩個為8位英特爾8085中央處理器，分別用於記錄和傳輸故障資訊。與同期法國進口8K型電力機車的MICAS微機系統相比，6K型機車的PHAI-16微機系統雖然在硬體上落後了一代，但功能上比MICAS系統更為全面，具有恆速控制、恆壓控制、功率因數補償控制、高粘著控制、過無電區控制、故障顯示與記憶、自我診斷等功能，當機車某部分發生故障時能夠透過司機控制檯上的故障指示器顯示故障的元件。技術問題.6K型電力機車最顯著的問題是牽引座裂紋，從1993年開始發現且逐年遞增，隨著牽引定數的增加，發現的裂紋從2000年代起急劇增加。6K型機車車體上有六個牽引拉桿座，透過六根牽引拉桿與轉向架連線，用於傳遞牽引力和制動力。由於牽引座自身結構缺陷、各牽引座受力不均衡、且機車長期處於超負荷執行狀態，導致牽引座與車體之間的焊縫受到最大的應力，非常容易出現疲勞裂紋。洛陽機務段一直對6K型機車牽引座進行結構加強，控制裂紋的出現，但仍無法根治問題。6K型機車投入運用初期，因列車折角塞門被關閉而機車又不能及時地使用電阻制動，導致在1989年和1992年先後兩次在三門峽的長大下坡道發生列車執行失控、顛覆的重大事故，顛覆車輛89輛，機車報廢一臺、小破兩臺，直接經濟損失達1500萬元人民幣。在列車執行途中，司機一旦發現列車折角塞門被關閉，往往採取緊急措施迫使列車停車，按照6K型機車原設計的控制電路，當使用緊急制動時將同時切除機車的牽引和電阻制動電路，導致無法使用電阻制動，列車面臨失控的危險。為消除此安全隱患，洛陽機務段自1995年起對6K型機車控制電路進行改進，確保機車實施緊急制動時仍然能使用電阻制動抑制車速。6K型機車以油迴圈強迫風冷方式進行冷卻，變壓器油溫過高是該型機車的常見問題之一。透過改善檢測形式及加強清理積塵等，使因變壓器油溫過高而導致的機破問題得以避免。