日本國鐵EF80型電力機車

EF80型電力機車是日本國有鐵道的雙電流制電力機車車型之一，適用於供電制式為1500伏直流電和20千伏50赫茲的工頻單相交流電的電氣化鐵路。發展歷史.開發背景.1959年，日本國有鐵道開始對常磐線取手以北實施交流電氣化改造，並在取手至藤代之間設定一個交直流分相區，使交直流兩用的鐵路車輛能夠以車上切換方式，在列車執行時無需停車就能完成電流制的轉換。同年，日立製作所在ED71型電力機車的基礎上，試製了首臺交直流兩用的ED46型電力機車，同時適用於1500伏直流電和20千伏50赫茲單相交流電氣化鐵路。1962年，日立製作所根據ED46型電力機車的試驗結果和運用經驗，研製了新一代的EF80型電力機車。EF80型電力機車是客貨運通用的雙電流制六軸電力機車，機車軸式為B-B-B。最初日本國鐵曾經打算分別研製四軸客運機車和六軸貨運機車，但考慮到未來旅客列車逐漸改用電力動車組擔當後，剩餘的四軸電力機車將難以改為貨運用途，因此最終決定開發客貨運通用的六軸電力機車，並且分為帶有列車供電裝置的客運型，以及沒有搭載列車供電裝置的貨運型。EF80型電力機車裝有油冷式主變壓器和矽二極體整流器，調速控制採用電阻調壓、串並聯換接和磁場削弱方式，並採用了單電機轉向架和輪對空心軸架懸式驅動裝置。機車整備重量為96噸，最高運轉速度為105公里/小時，在交流及直流區段的小時功率均為1950千瓦，可以滿足單機牽引1200噸貨物列車在10‰長大坡道上起動的需要，而在平直道上單機牽引600噸旅客列車的最大平衡速度可達105公里/小時。生產批次.1962年至1963年間，日立製作所、三菱電機、三菱重工業共製造了首批50臺EF80型電力機車，當中包括30臺客運型機車和20臺貨運型機車。這批早期型機車的特點是採用了心盤牽引的DT127、DT128型轉向架，裝用MT53型牽引電動機和埋入式前照燈。其中，EF80 37號機車採用了與車體弧度配合的曲面前窗玻璃，明顯與其他機車不同。1966年至1967年間，日立製作所、三菱電機、三菱重工業、東芝公司又製造了第二批13臺EF80型電力機車作為列車供電裝置。運用歷史.自從在1962年投入運用起，所有EF80型電力機車均以水戶鐵道管理局管內為主要使用範圍。1962年至1963年間，50臺早期型機車陸續配屬到。1962年10月1日，常磐線勝田至高萩區段完成交流電氣化，日本國鐵實施列車執行圖調整，EF80型電力機車主要擔當上野至水戶間普通旅客列車的牽引任務，替代了原本使用的C62型蒸汽機車，而水戶以北路段則仍然使用蒸汽機車牽引。1963年5月1日，常磐線高萩至平區段完成交流電氣化，EF80型電力機車的牽引區段延長至平，廣泛運用於牽引包括“夕鶴號”臥鋪特急、“十和田號”夜行急行在內的各種旅客列車及貨物列車。此外，EF80型電力機車亦曾經在東北本線運用，擔當上野至黑磯間的臨時旅客列車，或至郡山間直通貨物列車的牽引任務。1962年至1965年間，田端機關區所屬的部分EF80型電力機車入助。1966年至1967年初，13臺改良型機車陸續配屬到勝田電車區。1967年，隨著與常磐線連線的及水戶線全面完成電氣化，EF80型電力機車亦開始投入該兩線運用，主要擔當水戶線小山至友部、新金貨物線至佐倉、金町的貨物列車牽引任務。同年8月，常磐線全線的電氣化改造工程全部完成，勝田電車區所屬的13臺改良型機車全部轉配屬內鄉機關區，至此所有EF80型電力機車均集中配屬到規模較大的田端機關區及內鄉機關區。此時，EF80型電力機車的運用區段仍然保持在平以南，常磐線平以北則使用ED75型電力機車。1968年7月，與總武本線接續的外房線千葉至蘇我區段完成電氣化改造，自此外房線亦開始出現EF80型電力機車的蹤影。1968年，為了提高寢臺旅客列車進行了相應改造。改造內容包括加裝機車電空制動機及KE72型電氣聯結器，並加裝總風管以滿足20系客車空氣彈簧的用風需要。由於常磐線的最高速度限制為95公里/小時，因此機車無需加裝電空制動機和列車乘務員有線電話等裝置。1973年，隨著田端機關區開始配屬EF81型電力機車，該區所屬的EF80型電力機車不再投入東北本線方面運用，並開始向內鄉機關區轉出EF80型電力機車。至1974年10月，田端機關區和內鄉機關區分別配屬有36臺和27臺EF80型電力機車。1978年10月，內鄉機關區所屬的EF80 24、25、26號機車轉配屬福島機關區，但不久之後就再度轉配屬到田端機關區。1980年起，為了淘汰日漸老化的EF80型電力機車，部分原本配屬和的EF81型電力機車，開始轉配屬到田端機關區並投入常磐線運用，而運用時間最長的第一批EF80型電力機車則開始逐步報廢。與此同時，內鄉機關區的所有EF80型電力機車分批轉移到田端機關區，直至和內鄉機關區於1985年被撤銷，當時田端機關區尚未報廢的EF80型電力機車僅餘下20臺。1986年，EF80型電力機車全部除籍和報廢。技術特點.總體結構.裝置佈置.EF80型電力機車是客貨運通用的雙電流制電力機車，適用於供電制式為1500伏直流電和20千伏50赫茲的工頻單相交流電的電氣化鐵路。EF80型電力機車可分為客運型和貨運型，差異僅在於客運型搭載了列車電氣供暖用的電動發電機，而貨運型則加裝壓鐵配重以保證整備重量與客運型一致。車體兩端各設有一個司機室，司機室內機車執行方向的左側設有司機操縱檯，司機室兩側設有供乘務員乘降的側門，司機室上方車頂裝有兩盞式前照燈。車體中部是設有各種機械及電氣裝置的機械室，並設有貫通式雙側內走廊連線兩端司機室。車頂安裝有兩臺PS19型雙臂式受電弓、交直流切換器、高速斷路器、避雷器等高壓電氣裝置。車體下方除了設有三臺轉向架外，還吊裝著輔助電阻器、平波電抗器和蓄電池。通風系統.機械室內裝置採用車體通風、集中冷卻的降溫方式。車身兩側各設有七個通風百葉窗和採光玻璃窗，是車內裝置通風冷卻的主要進風視窗。車內前、中、後分別設有三臺電動通風機，第一通風機用於冷卻第一臺牽引電動機和主變壓器，第二通風機用於冷卻第二臺牽引電動機和整流器，第三通風機用於冷卻第三臺牽引電動機和平波電抗器。而主電阻器則採用獨立的通風冷卻系統。車體結構.EF80型電力機車採用整體承載式全鋼焊接結構箱型車體，車體全長16,700毫米，全寬2,800毫米。由於單電機轉向架的牽引電動機安裝位置相對較高，因此車體底架採用了無中梁的框架式承載結構，底架由側梁、橫樑、端梁、枕梁組成。車體鋼結構使用鋼板擠壓而成的型鋼材料製成，車體薄板蒙皮採用組焊工藝，車體裝配作業廣泛應用模組化結構以提高生產效率。車體兩端安裝有柴田式上作用自動車鉤及LI-7B型緩衝器。電氣系統.機車主電路.EF80型電力機車是交—直流電傳動的整流器式電力機車，機車主電路由空氣斷路器、交直流切換器、主變壓器、整流器、牽引電動機、主電阻器、電路保護裝置等部分組成。在交流電模式時，機車從架空接觸網獲取高壓交流電，首先由主變壓器降低電壓，再透過矽整流器轉換成脈流電，經過電阻調壓後供電給牽引電動機。在直流電模式時，機車從架空接觸網獲取直流電，經過電阻調壓後直接向牽引電動機供電。EF80型電力機車採用車上切換方式來過渡到另一種電流制式，可以在執行時無需停車就完成交直流切換過程。當機車透過交直流分相區之前，透過主斷路器的電控氣動操作，斷開網側電源和機車主電路的連線；而交直流切換器完成轉換並透過分相區後，又再自動閉合主斷路器，這一過程中受電弓無需降弓。當機車由直流區段過渡到交流區段後，前端受電弓會在下一停靠車站降弓，以減少對架空接觸網造成不必要的磨耗。EF80型電力機車的調速控制方式和直流電力機車一樣，採用電阻調壓、牽引電動機的串—並聯換接、以及磁場削弱控制來達到調速的目的。調速控制器共有34個調壓級位，其中弱磁起動位1級、串聯位17級、並聯位13級、磁場削弱位3級。主變壓器.機車裝用一臺TM7A型芯式單相主變壓器。原邊輸入電壓為20千伏，冬季額定容量為2670千伏安。矽整流器.整流裝置採用RS9型矽整流器。整流器使用日立製作所研製的DJ15L型矽二極體，整流裝置由四個橋臂組成單相橋式全波整流電路，每一橋臂由七個並聯支路組成，每個支路有九個串聯連線的二極體，每臺機車共使用252個二極體元件。整流器額定功率為2200千瓦，額定整流電壓為1500伏特，額定電流為1463安倍，採用強迫通風冷卻。牽引電動機.每臺轉向架安裝一臺MT53型牽引電動機，是在ED46型電力機車所使用的MT913型牽引電動機的基礎上改良而成。MT53型電動機是帶有補償繞組的四極串勵直流電動機，定子繞組採用環氧樹脂浸漬絕緣，以提高絕緣及耐熱效能。小時功率為650千瓦，持續功率為600千瓦，額定電壓為1500伏特，額定轉速為每分鐘845轉，採用強迫通風冷卻。為擴大機車的恆功調速範圍，還可以對牽引電動機使用三級磁場削弱，削弱率最深可達35%。電氣供暖.客運型電力機車設有列車供電系統，能夠在冬季為旅客列車的電熱取暖裝置直接供電。在交流區段時，由主變壓器的供電繞組向列車輸出1500伏特單相交流電，司機室側門旁邊並裝有一盞供電狀態指示燈。而在直流區間時則由一臺大容量電動發電機供電，將1500伏特直流電轉換成1440伏特單相交流電，額定容量為320千伏安。列車供電系統還可以根據環境溫度對輸出電壓作三檔調節。機車兩端設有KE3型供電插座，透過供電線與列車連線。1968年，隨著半導體技術的快速發展，日立在EF80 63號機車上進行了安裝閘流體逆變器的試驗，取代了效率較低的電動發電機。該逆變器額定容量同樣為320千伏安，採用單相橋式逆變電路，並設定了大容量直流濾波器來減少輸入電源的脈動。這種閘流體逆變器在EF80 63號機車上取得良好的效果，並在同年投產的EF81型電力機車上開始推廣使用。輔助電路.EF80型電力機車的輔助電路系統主要採用直流電傳動。機械室內三臺電動通風機、主電阻器電動通風機、電動空氣壓縮機、輔助空氣壓縮機均採用直流電動機驅動，輸入電壓為1500伏特直流電，在直流區段由架空接觸網直接饋電，在交流區段則由整流器供電。主變壓器油泵則採用單相非同步電動機驅動，由主變壓器輔助繞組直接供電。另外，還設有一臺小型電動發電機，將1500伏特直流電轉換成100伏特直流電，供控制電路、照明電路、蓄電池充電之用。轉向架.主要結構.機車走行部為三臺二軸轉向架，早期型機車採用DT127型兩端轉向架和DT128型中間轉向架，改良型機車採用DT135型兩端轉向架和DT136型中間轉向架。構架採用“日”字形的鋼板焊接結構，軸箱採用導框式定位結構，轉向架固定軸距為2212毫米。轉向架採用全旁承支重結構，車體全部重量透過六組旁承彈簧坐落在三臺轉向架上。一系懸掛為軸箱頂端螺旋彈簧，二系旁承懸掛為每側兩個並聯的螺旋圓彈簧組，並配有垂向油壓減震器。中間轉向架和車體之間還設有橫向滾動裝置以便透過曲線。基礎制動裝置為單側閘瓦制動，轉向架左右各設有一個制動缸，並設有制動橫樑以保證兩側閘瓦同步作用，另外還設定了閘瓦間隙調整器。驅動裝置.EF80型電力機車也是繼ED46、EF30型電力機車之後，第三種採用單電機轉向架的國鐵電力機車，每個轉向架安裝一臺大功率牽引電動機併成組驅動兩個輪對。EF80型電力機車採用QD9型驅動裝置，牽引電動機採用架懸式安裝方式，將牽引電動機橫向固定在轉向架構架中梁，即兩個輪對之間；從牽引電動機軸端齒輪輸出的轉矩，透過前後兩個中間齒輪分別傳動兩個輪對的大齒輪。驅動裝置採用輪對空心軸傳動方式，大齒輪由滾動軸承安裝在空心軸套上，轉矩由大齒輪透過橡膠連桿機構傳給空心軸，空心軸的另一端亦使用橡膠連桿機構與車輪相連。牽引齒輪傳動比為3.6。1965年，日本企業聯合體向印度國家鐵路出口的45臺WAG2型電力機車，亦採用了相似結構的單電機轉向架和輪對空心軸傳動裝置。牽引裝置.早期型和改良型機車轉向架的差異只在於牽引裝置。早期型機車使用心盤來傳遞牽引力和制動力，兩端轉向架各設有一個心盤牽引裝置，中間轉向架則設有兩個心盤牽引裝置，分別佈置在牽引電動機兩側。心盤牽引的缺點的牽引高度較高，牽引點高度距離軌面約1080毫米。為了充分利用機車粘著重量及減少軸重轉移，改良型機車的兩端轉向架改為採用雙側平行牽引拉桿，而中間轉向架仍然採用心盤牽引。