和諧3型電力機車

和諧3型電力機車，是中國鐵路的電力機車車型之一，由中國北車集團大連機車車輛有限公司和日本東芝公司聯合開發研製。該型機車是為滿足中國鐵路過載貨運需要而研發的大功率交流傳動幹線貨運用六軸電力機車，採用交—直—交流電傳動，持續功率為7200千瓦，最高執行速度為120公里/小時。發展歷史.SSJ3型電力機車.背景.隨著中國經濟持續增長，鐵路貨運需求也隨之增加。由1997年至2001年，中國鐵路已成功地實施了4次大提速，但由於主要幹線仍然存在“客貨混跑”的局面，在提高旅客列車速度的同時還必須兼顧貨物列車的速度、密度和重量等因素，而貨物列車的執行速度已經成為客運提速的制約因素之一，因此在客運專線網路成型、客貨分流獲得實現之前，開行過載貨物列車的同時還必須提高貨物列車的速度，以緩解貨運列車和客運列車爭奪線路運輸能力的矛盾。中國鐵道部的《鐵路機車車輛工業科技發展「十五」計劃綱要》中明確提出，第十個五年計劃期間中國要研製最高速度120公里/小時的貨運電力機車，並採用國外流行的交流傳動技術，提升國產機車的設計製造水平。為了研製一種能夠滿足中國鐵路貨運需要的新型電力機車，大連機車車輛廠就機車採用直流或交流傳動、六軸或八軸、以及功率和軸重等級等技術議題進行了論證和分析，最終決定以發展大功率交流傳動貨運電力機車的方向，開發目標為Co-Co軸式、單軸功率1200千瓦、最高速度為120公里/小時的六軸電力機車，設計牽引定數5000噸。早於1999年，大連機車車輛廠已經開始與日本東芝公司進行技術合作，首先在大連快軌車輛專案上取得了成功，首次引進了東芝的交流傳動牽引系統。在大連快軌車輛專案合作初期，大連機車車輛廠與東芝公司商定，將幹線電力機車的交流傳動技術作為大連快軌車輛專案的一個不可分割的部分，為引進東芝公司在交流傳動技術和機車生產工藝方面的先進技術作好準備，以提高大連機車車輛廠大功率交流傳動機車的技術水平。大連機車車輛廠於2001年開始為交流傳動貨運電力機車的開發研製進行了大量的前期研究和論證，確定了同東芝公司合作的發展戰略。2001年6月，大連機車車輛廠正式向中國鐵道部提出申報開發專案，隨即得到鐵道部科技司獲准立項。2001年12月，經過12次的雙方技術會談後，大連機車車輛廠與東芝公司正式簽訂了關於共同開發六軸交流傳動貨運電力機車的合作協議書。研製.根據協議，新機車由大連機車車輛廠擔當機車總體設計，生產車體、轉向架、制動系統，並負責機車的組裝和除錯；而東芝公司負責設計和提供主變流器、輔助變流器和微機控制系統。按照中國鐵道部對鐵路機車「標準化、系列化、模組化、資訊化」的要求，新機車採用了整合化、模組化的設計，整臺機車三維設計由Pro/ENGINEER設計軟體完成。車體採用框架式整體承載結構和標準化司機室，車體外觀是在韶山7E型電力機車基礎上對車頭線形進行了部分調整，前窗採用一整體玻璃以改善嘹望視角。機車採用交—直—交流電傳動，使用由東芝提供的水冷IGBT牽引變流器、1250千瓦非同步牽引電動機、機車控制監視系統，並且在中國鐵路機車首次採用軸控技術，而非架控技術。架控方式即是當轉向架中有一臺牽引電動機出現故障時，機車只能關閉整個轉向架上的所有牽引電動機，並損失一半牽引力，但採用軸控技術的機車在同樣情況下就可以單單關閉故障電動機，其它未故障的兩臺電動機仍可繼續運轉，機車牽引力僅損失六分之一。2002年9月，大連機車車輛公司和東芝公司共同出資，在大連保稅區成立了大連東芝機車電氣裝置有限公司。2002年10月，開始機車技術設計，並由大連機輛公司技術開發部副部長劉會巖擔任專案總體主管設計師；2003年5月，開始進行施工設計；2003年10月，進入試製階段；2003年12月31日，首臺機車在大連機輛公司落成。2004年4月，經鐵道部批准，該臺機車被定型為SSJ3型，其中“SS”代表“韶山”系列電力機車、“J”代表交流傳動。由此，韶山交流3型電力機車，成為最後一款“韶山”系列電力機車，亦是“韶山”系列中唯一採用交流電傳動的機車。而東芝公司則將此型機車定型為EL72型，當中「EL」指出口型電力機車，「72」指牽引功率為7200千瓦。試驗.2004年4月26日，經過一段時間的廠內除錯後，SSJ3型0001號機車在大連機輛公司下線，隨即赴中國鐵道科學研究院北京環形鐵道試驗基地。2004年4月27日至7月4日，機車進行了歷時二個多月的型式試驗，包括制動試驗、接地迴流、受電弓靜態特性、動力學除錯、牽引效能試驗等專案；期間，機車於2004年5月下旬在北同蒲鐵路大西至原平間，完成了23、25噸軸重狀態下動力學效能試驗，機車最高試驗速度達到139公里/小時。2004年7月30日，SSJ3型電力機車在瀋陽鐵路局金州機務段投入運用考核，在沈大鐵路蘇家屯至金州區間擔當5000噸過載貨物列車的牽引任務。在此期間，為配合準備中國鐵路第六次大提速的需要，SSJ3型電力機車於2005年5月17日至6月6日前往重慶市境內的遂渝鐵路，參與鐵道部組織的“遂渝線200公里/小時提速綜合試驗”；試驗區段為合川至北碚北站，試驗專案包括驗證120公里/小時貨物列車、120公里/小時雙層集裝箱列車對地面線路和橋樑裝置的影響、單線隧道的空氣動力學效能、弓網受流效能、制動效能等。試驗過程中，當SSJ3型電力機車牽引3100噸空重混編貨物列車時，最高時速達到136公里/小時，創造了中國鐵路貨運列車的最高時速；當機車牽引2100噸的雙層集裝箱列車時，最高時速達131公里/小時。2005年10月18日，SSJ3型電力機車完成了在瀋陽鐵路局進行的20萬公里運用考核。2005年11月，鐵道部安排對SSJ3型電力機車各主要部件拆解檢查、試驗。2006年1月，SSJ3型電力機車再次被送往北京環形鐵道，參與鐵道部科技司、運輸局裝備部組織的“提速貨車120公里/小時環行線第二階段可靠性試驗”，擔當牽引提速試驗貨物列車，以進行提速貨車的動力學試驗研究。至2007年10月完成了全部試驗，機車共計走行18萬公里，每天執行154圈共計1309公里。2008年，SSJ3型機車返回大連機輛公司進行首次中修，至2009年初完成中修後正式配屬瀋陽鐵路局蘇家屯機務段。HXD3型電力機車.背景.自2003年劉志軍出任中華人民共和國鐵道部部長後，提出並實施鐵路“跨越式發展”，以儘快縮小在鐵路機車車輛裝備上與國際先進水平的差距。2003年11月，中國鐵道部與中國南車、北車集團及其重點企業共同制定了《加快鐵路機車車輛裝備現代化實施綱要》，並選擇了6家機車製造企業作為引進先進技術和自主創新依託的主體。2004年1月，中國國務院常務會議通過了《中長期鐵路網規劃》；2004年4月，國務院常務會議研究透過的鐵路機車車輛裝備現代化實施方案明確指出，“加快我國鐵路運輸裝備現代化，要按照引進先進技術、聯合設計生產、打造中國品牌的總體要求，力爭在較短時間內，使我國機車車輛生產能力達到世界先進水平”。根據國務院確立的上述方針，中國國家發改委與鐵道部於2004年7月聯合下達了《大功率交流傳動電力機車技術引進與國產化實施方案》，正式開始了新型交流傳動電力機車的採購過程。2004年6月18日，由中國鐵道部委託中國技術進出口總公司承辦進行“大功率交流傳動電力機車採購和技術引進專案”正式展開招標。同年10月27日，大連機車車輛公司、東芝公司和中國鐵道部在北京簽訂了《大功率交流傳動電力機車採購和技術引進專案》全部合同，共同獲得了60臺交流傳動貨運電力機車的訂單，合同總金額達12.5億元人民幣。同時，永濟電機廠並與東芝公司簽訂《大功率交流傳動電力機車採購和技術引進專案電機技術轉讓合同》，負責承擔牽引電動機的技術引進和國產化工作。研製.根據合同規定，這批機車由大連機輛公司和東芝公司聯合設計，其中首4臺機車為國產化生產階段，透過技術轉讓由大連機輛公司、永濟電機廠生產主要電氣部件，國產化率可達到85%。經鐵道部批准，新機車初期被定型為DJ3型，其中“D”代表電力機車、“J”代表交流傳動。DJ3型電力機車是以SSJ3型電力機車及日本貨物鐵道EH500型電力機車作為技術平臺，為滿足中國鐵路過載貨運需要而研發的大功率交流傳動幹線貨運用六軸電力機車，機車總體結構與SSJ3型機車大致相同，採用交—直—交流電傳動，水冷IGBT牽引變流器、1250千瓦非同步牽引電動機、機車控制監視系統，持續功率為7200千瓦，最高執行速度為120公里/小時。2005年，DJ3型電力機車專案進入執行階段，由東芝公司委託大連機輛公司提供首4臺機車的車體、轉向架開始投入生產。2005年5月6日，大連機輛公司再獲鐵道部的180臺DJ3型電力機車採購合同，其中60臺機車由北京二七機車廠分包生產。2005年12月，首臺機車的車體、轉向架發運往日本。2006年6月，首4臺整車進口的DJ3型電力機車由日本運抵大連。0001號機車隨後被送往北京環形鐵道，進行25噸軸重狀態下的型式試驗。按鐵道部安排，該臺機車於2006年8月赴鄭州鐵路局新鄉機務段，在京廣鐵路新鄉至安陽間和太焦鐵路、新月鐵路新鄉至晉城北間進行23、25噸軸重狀態下動力學效能試驗，機車在京廣線上的最高試驗速度達到132公里/小時。2006年10月，首臺由大連機輛公司生產的國產化機車；同年11月下旬至12月上旬，神龍1型0017號機車在鄭州鐵路局、武漢鐵路局管內京廣鐵路、太焦鐵路完成了動力學效能試驗。2006年12月8日，首批國產化機車下線出廠並交付使用；同時中國鐵道部正式批准將新型大功率交流傳動電力機車系列統一命名為“和諧型”，神龍1型電力機車更名為HXD3型，其中“HX”是“和諧”的漢語拼音首字母縮寫、“D”代表電力機車、“3”為大連機車車輛公司的生產廠商代號，通稱為“和諧”3型電力機車。2006年12月28日，首臺由北京二七機車廠在大連機輛公司協助下試製的HXD3型電力機車的車體鋼結構大部件由二七廠自制；從第4批機車為批次生產車。運用.2006年12月起，首兩批共240臺HXD3型電力機車至鄭州北、孟寶鐵路漯河至平頂山東間的6000噸貨物列車牽引任務，部分機車更於2008年春運期間開始擔當牽引旅客列車；首批240臺機車於2008年初交付完畢。2008年2月18日，中國鐵道部與大連機車車輛公司簽訂第三批HXD3型電力機車的銷購合同，共計400臺機車擔當補機任務。由於大連機輛公司需要同時應付HXN3型內燃機車和HXD3B型電力機車的研製和生產，生產能力緊張，而此時大同電力機車公司已於2008年12月完成了HXD2型電力機車的生產任務，正處於HXD2B型電力機車投產前的生產空檔期。因此，根據中國北車集團的統一部署，從2009年初開始將部分HXD3型機車的生產任務交給同車公司負責，但機車驅動裝置、主變壓器等配套部件仍然由大連機輛公司提供。2009年6月，首臺由大同電力機車公司生產的HXD3型電力機車下線，隨後在北京環形鐵道進行稱重、限界、受電弓靜態動態受流、基礎制動裝置效能等型式試驗專案；同年7月23至26日，該臺機車在太焦鐵路新鄉至晉城北間、京廣鐵路新鄉至安陽間進行了動力學動應力試驗。2009年10月22日，中國鐵道部與中國北車集團代表又簽訂了第四批HXD3型電力機車的銷購合同，共計400臺機車，其中大連機車車輛公司250臺、大同電力機車公司150臺，合同總金額57.1億元人民幣，這批機車已於2010年底交付完畢。2010年6月，鐵道部向大連機輛公司採購390臺7200千瓦電力機車，總值58.5元人民幣；按鐵道部要求，其中350臺機車為具有列車供電裝置的HXD3C型客貨運通用電力機車，其餘40臺機車仍為HXD3型貨運電力機車，並分包給二七公司生產。根據機車在批次生產和運用過程中發現問題，大連機輛公司對從0891號開始的HXD3型電力機車的電氣系統作出了改進，包括改善了無人警惕裝置、制動系統控制等，並與東芝公司合作對機車微機網路系統的硬體介面定義及軟體控制邏輯進行了升級。2010年，HXD3型電力機車獲得2010年度國家科學技術進步一等獎，申報專案名稱為“六軸7200kW大功率交流傳動電力機車的研發及應用”。截至2012年1月，大連公司、二七公司、同車公司已經累計生產了1080臺HXD3型電力機車，配屬到上海、鄭州、西安、濟南、北京、蘭州、南昌、瀋陽等10個鐵路局共17個機務段。而俗稱「中華第一車」、經蒙古往來北京及莫斯科的K3/4次列車，在豐沙鐵路、京包鐵路及張集鐵路上使用本型機車或衍生型HXD3C牽引。技術特點.總體佈置.HXD3型電力機車是六軸大功率幹線貨運用電力機車，車體採用框架式整體承載結構及模組化設計，兩端各設有一個司機室，司機可在任何一端司機室對機車進行控制；車內裝置佈置以兩側屏櫃化、平面斜對稱佈置，並設寬700毫米的中央通道，通道左右兩側設有主變流裝置、通風機、空氣壓縮機等裝置，車上併為司機提供了冰箱、微波爐、衛生間等生活設施。每臺機車車頂設有兩臺DSA-200型單臂式受電弓，其他車頂外接裝置包括高壓隔離開關、高壓電壓互感器、真空斷路器、避雷器、接地開關等高壓電器；在中央頂蓋上設有檢修升降口，由此上車頂進行檢修和維修作業。牽引變壓器採用臥式懸掛結構，吊裝於車底中部。機車冷卻系統主要包括主變壓器系統冷卻、主變流裝置系統冷卻、牽引電動機冷卻、輔助電源裝置冷卻、空氣壓縮機的冷卻及包括衛生間通風及車內換氣等，機車採用車體獨立通風方式，從側牆上部進風百葉窗吸入冷風，透過獨立冷卻風道向發熱部件冷卻後從車底排出，並維持機械間呈微正壓，改善機車防塵效果及防寒效能。機車軸式為Co-Co，持續功率為7200千瓦；機車標準軸重為23噸，並可以透過增加壓鐵提高到25噸。空氣制動系統採用克諾爾公司的“CCB II”微機控制電空制動系統；機車單機以120公里/小時的速度在平直道上施行緊急空氣制動時，最大制動距離 小於800米。電氣系統.主電路.HXD3型電力機車是交—直—交流電傳動的單相工頻交流電力機車，機車主電路由主變壓器、牽引變流器、牽引電動機三大部分構成。每臺機車設有6套完全獨立而又相同的牽引變流單元，分別安裝在2個牽引變流櫃內，分別為2臺轉向架上的6臺牽引電動機供電。接觸網導線上的25千伏工頻單相交流電電流，經受電弓、主斷路器進入機車後再輸入主變壓器，交流電經過主變壓器的6個牽引繞組降壓後向牽引變流單元供電；單相交流電經過6組四象限脈衝整流器整流為直流電，然後向電壓為2800伏特的中間直流回路供電，再由6組牽引逆變器轉換成三相交流電輸出，每組逆變器向一臺非同步牽引電動機供電，實現機車的軸控驅動，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。如果其中一組牽引變流單元發生故障，機車可自動切除故障單元，其餘單元仍正常工作，機車仍可保持六分之五的牽引動力。主變壓器型號為JQFP2-9006/25(DL)，為一體化多繞組的高壓端子產品，在低壓套管出線裝置中採用了新型合成樹脂的出線裝置，具有安裝拆卸方便，可靠及使用壽命長的特點。每臺機車裝有兩臺牽引變流櫃，每臺牽引變流櫃內含有三組牽引變流器單元和一組輔助變流器；每組變流器單元由一個四象限脈衝整流器、一箇中間直流環節、一個兩點式電壓型PWM逆變器組成，透過高次諧波整流和錯開各組控制載波的相位，從而降低高次諧波和提高功率因數；功率控制模組採用水冷IEGT，中間直流電壓為2800伏特。主變流器採用亞乙基二醇純水溶液作為冷卻液，確保在零下40℃時不凍結。主變流器水冷和主變壓器油冷採用FL220型複合冷卻器，水、油冷卻器採用複合型全鋁合金板翅式高效迴圈冷卻結構，依靠複合冷卻器風機進行強制風冷。HXD3型機車採用YJ-85A型牽引電動機，由永濟電機公司引進日本東芝公司的技術生產，其為四極鼠籠式三相非同步牽引電動機，電動機採用全疊片結構，額定功率為1250千瓦，額定電壓為2150伏特，冷卻方式為強迫通風，採用向量控制方式實現電動機的轉矩控制。輔助電路.HXD3型機車設有兩個IGBT輔助變流器，向兩臺複合冷卻器風機和六臺牽引通風機電動機等裝置供電。當某一套輔助變流器發生故障時，另一套輔助變流器可以承擔機車全部的輔助電動機負載，此時該輔助變流器按照CVCF方式工作，確保機車輔助供電系統的可靠性。控制系統.HXD3型電力機車採用機車控制監視系統。轉向架.機車走行部為兩臺完全相同的TT-78型三軸轉向架，轉向架構架採用鋼板焊成箱形結構的“目”字型構架，輪對軸箱採用單拉桿定位，車輪為德國進口整體輾鋼車輪。一系懸掛採用螺旋彈簧及橡膠墊，配合軸箱拉桿及垂向油壓減震器；二系懸掛為高圓螺旋彈簧，配合垂向油壓減震器和抗蛇行油壓減振器。牽引力或制動力透過低位推輓式水平牽引拉桿傳遞。HXD3型電力機車所採用的SET-553型驅動裝置由德國福伊特公司設計、大連機車車輛公司實現國產化生產，中國鐵道部於2006年向福伊特公司批出總值1,450萬歐元的合同，訂購1,440組驅動裝置，供首240臺HXD3型機車使用，其中驅動裝置的從動及主動齒輪已先後於2007年及2008年實現國產化。驅動裝置主要包括鑄造齒輪箱、抱軸箱體、主從動齒輪等部件，牽引電動機採用滾動軸承抱軸式半懸掛、單邊單級剛性斜齒輪傳動。基礎制動裝置為輪盤制動，車輪安裝有克諾爾公司的鑄鐵摩擦盤，每個車輪安裝一套獨立的單元制動器，其中每個轉向架有兩套單元制動器具有彈簧停車儲能停放制動功能。轉向架並設有輪緣潤滑裝置和踏面清掃裝置。機車具有良好的曲線透過效能，機車能以時速5公里的速度安全透過半徑為125米的曲線，並應能在半徑250米的曲線上進行正常摘掛作業。技術問題.在首批HXD3型機車投入服務初期，有部份機車曾出現蓄電池充電電壓過低的問題，其原因包括電池由出廠到裝車之間的庫存期過長、充電時間不足等引致的。另外，機車執行環境的溫度也會對其蓄電池容量有影響。除此之外，在首57臺投入運用的機車中，有10臺機車曾發生牽引電動機電流及電壓過高的問題，其原因為在機車製造期間，廠方未正確選擇機車速度感測器的介面電路板，使機車在執行期間，其控制板不能測量當前執行速度，使牽引逆變器的輸入電流及電壓出現錯誤，導致牽引電動機有機會過壓過流；透過改用與感測器匹配的介面電路板，其問題也得以解決。