日本國鐵ED76型電力機車

ED76型電力機車的工頻單相交流電的電氣化鐵路。形式區分.九州形式.1960年代初，日本國有鐵道開始對鹿兒島本線實施交流電氣化改造，並專門為九州地區研製了ED72型電力機車和ED73型電力機車，前者由於具有供暖蒸汽鍋爐因而以擔當客運牽引任務為主，而後者以擔當貨運牽引任務為主。這兩種電力機車均裝用引燃管整流器，透過變壓器高壓側調壓和整流器相位控制來調節速度。但隨著電力電子技術的快速發展，引燃管很快就被效能可靠且維護方便的矽整流器所取代。1963年，日本國鐵成功研製了ED75型電力機車，使用變壓器低壓側調壓、磁放大器相位控制、矽整流器全波整流，成為新一代國鐵標準型交流電力機車。隨著鹿兒島本線的交流電氣化的逐步推進，電氣化區段將按計劃於1965年10月延伸至熊本。為了滿足鹿兒島本線的列車牽引需要，日本國鐵決定以ED75型電力機車為基礎，開發研製九州地區使用的新型交流電力機車，作為ED72、ED73型電力機車的後繼增備機車。因此，日本國鐵不僅研製了貨運用的ED75型300番臺電力機車，用於接替ED73型電力機車；同時又研製了客運用的ED76型基本番臺電力機車，用於接替ED72型電力機車。ED76型電力機車可被視為增加了蒸汽鍋爐的ED75型電力機車。機車上的大多數裝置都儘可能與ED75型300番臺機車保持一致，例如TM11B型主變壓器、MA1A型磁放大器、RS21A型矽整流器、LTC-3型調壓開關和MT52型牽引電動機，調速方式亦同樣採用變壓器低壓側調壓、磁放大器相位控制和牽引電動機磁場削弱。由於機車搭載了為旅客列車供暖的蒸汽鍋爐以及水箱和油箱等配套裝置，因此車體長度和整備重量也相應增加，並且和ED72型電力機車一樣採用了Bo-2-Bo軸式，增加了一臺無動力的可變軸重中間轉向架以分擔重量。基本番臺.1965年至1976年間，三菱電機、三菱重工業、日立製作所、東芝公司共生產了94臺基本番臺機車，其中可按細節特點分為五個批次的車輛。1000番臺.1968年，為了提高臥鋪旅客列車的旅行速度，日本國鐵對所有20系客車進行制動系統改造，透過對原本的AS空氣制動機加裝電空閥、中繼閥等電控裝置改造為AREB電空制動機，實現列車制動系統的電控化，使列車最高執行速度由95公里/小時提高至110公里/小時。為了滿足九州地區的20系臥鋪旅客列車和10000系高速貨物列車的牽引需要，1968年至1976年間共生產了23臺ED76型1000番臺電力機車，作為ED73型1000番臺、ED75型300番臺電力機車的後繼增備車輛。這批機車設有的高速運轉對應裝置與ED75型1000番臺電力機車相同，包括對應20系客車的電空制動裝置和列車制動增壓裝置，以及與20系客車乘務員室相連的有線電話，機車兩端加裝KE72H保持相同。北海道形式.500番臺.1966年9月，因應北海道函館本線交流電氣化的需要，三菱電機及三菱重工業試製了首臺ED75型500番臺電力機車。這臺機車和ED93型電力機車一樣，採用了閘流體四段半控橋式整流電路，透過相位控制直接進行無級調壓。雖然閘流體相控調壓能有效提高電力機車的牽引效能，但ED75 501號電力機車投入試驗後，發現相控整流電路所產生的高次諧波電流，會對鐵路沿線的通訊訊號系統產生明顯的電磁干擾。1968年，日本國鐵在ED76型基本番臺電力機車的基礎上，吸取ED75 501號電力機車的研製經驗，為北海道地區開發了ED76型500番臺電力機車。該型機車的主要特點是採用級間閘流體相控平滑調壓的控制方式，保留了ED76型基本番臺的低壓側調壓開關，並以閘流體橋式整流電路取代原來的磁放大器，以提高閘流體相控電力機車的功率因數及減少諧波干擾。考慮到牽引過載貨物列車的需要，ED76型500番臺機車增加了重聯控制系統，車端排障器上增加KE70HD型重聯插座，機車兩端司機室增設貫通門，空氣制動系統並設有單機制動增壓裝置，以縮短貨物列車的制動距離。此外，因為北海道冬季寒冷的使用環境，ED76型500番臺機車還特別加強了防寒防雪效能，除受電弓以外的車頂高壓裝置，包括空氣斷路器和避雷器等均改為安裝在車體內部；主要控制電器、空氣制動系統以及制動閘瓦亦加裝了電加熱器；車體通風系統參考了ED77型電力機車的設計，夏季時經側牆通風百葉窗吸入冷風后經車頂通風口排出熱風，而冬季時則關閉車頂通風口並改為室內迴圈方式，以改善室內保溫效能和減少車外冷風吸入量。機車採用帶有防雪制動裝置的DT129R、DT129S型兩端轉向架，以及具有基礎制動裝置的TR103F型中間轉向架。ED76型500番臺機車因採用了防寒防雪構造，加上設有為旅客列車供暖的蒸汽鍋爐，因此運轉整備重量達到了90.5噸，比較基本番臺機車增加3.5噸。由於函館本線小樽至旭川間在電氣化的同時也進行了線路強化改造，所以ED76型500番臺機車仍可以在該區段按16噸軸重執行，而中間轉向架則用於當牽引列車起動時或根據蒸汽鍋爐油水消耗量而作出軸重調整。1968年，為配合函館本線小樽至瀧川間電氣化開業，製造了第一批9臺ED76型500番臺電力機車，生產預算由昭和43年度第4次債務承擔，全部配屬巖見澤第二機關區。與第一批機車相比，第二批機車改為使用經改良的LTC-4A型低壓側調壓開關；以高強度鑄鋼取代低錳鋼作為車鉤的主要材料；追加ATS警報持續裝置和ATS電源中斷警報裝置；改為裝用MH3057-FK91B型牽引電動機通風機。1978年以後，由於50系51型客車投入普通旅客列車運用，ED76型500番臺機車亦加裝了列車開車響鈴開關。550番臺.1988年，連線本州和北海道的青函隧道建成通車，開行了來往青森至函館的“”快速列車。1986年至1987年間，日本國鐵已經將21臺ED75型700番臺機車改造成ED79型基本番臺機車，並於1988年投入青函隧道區間運用。但隨著青函隧道區間旅客列車數量增加，為了緩解機車運用緊張的情況，JR北海道將函館本線普通列車削減後剩餘的ED76 514號機車，改造成青函隧道專用的ED76型550番臺電力機車，機車編號變更為ED76 551號，作為ED79型電力機車的增備車輛。實際上JR北海道原本打算改造六臺該型機車，但後來決定向JR貨物租借ED79型50番臺電力機車來應付需求，因此最終只有一臺機車完成了改造。ED76型550番臺機車的調壓控制方式與ED79型基本番臺機車相同，採用主變壓器低壓側級間相控平滑調壓，並因應青函隧道的長大坡道增加了再生制動功能。這臺機車繼續沿用了原本的TM16型主變壓器，但改為採用和ED79型基本番臺相同的低壓側調壓開關和閘流體變流器，還增加了勵磁變壓器、高速斷路器、牽引及制動工況轉換開關等配套裝置。另一方面，機車改為使用電氣供暖取代蒸汽供暖，並拆除了車上的蒸汽鍋爐及油水箱；由於ED76型電力機車的主變壓器沒有列車供電繞組，因此增設了一個輔助變壓器，為旅客列車供應1500伏特單相交流電。此外，ED76型550番臺機車亦搭載了青函隧道專用的ATC-L安全防護裝置。車體塗裝也和一般的ED76型電力機車有所區別，車體上半及下半部分別採用紅色和灰色，之間有一圈圍繞車身的白色帶。運用歷史.國鐵時代.九州地區.1965年9月，鹿兒島本線久留米至熊本間電氣化開業，首批8臺ED76型基本番臺電力機車配屬門司機關區，並與ED72型電力機車投入共同運用，擔當門司至熊本間北九州地區的列車牽引任務。由於ED76型電力機車搭載有自動蒸汽鍋爐，因此主要用於牽引旅客列車和行包列車。1967年，日豐本線小倉至幸崎間電氣化開業，第二批18臺ED76型電力機車配屬大分運轉所。1969年至1970年間，由於鹿兒島本線電氣化改造的逐步推進，及滿足日豐本線列車增發的需要，又先後製造了四批共28臺ED76型基本番臺電力機車，配屬於鹿兒島機關區和大分機關區，運用範圍亦擴充套件至九州全境。1970年，設有高速運轉對應裝置的ED76型1000番臺電力機車投入運用，全部配屬於鹿兒島機關區，主要用於牽引鹿兒島本線的臥鋪特急列車和高速貨物列車。1973年至1975年間，隨著日豐本線、長崎本線和佐世保線的電氣化，又先後製造了四批共40臺ED76型基本番臺電力機車，配屬於鹿兒島機關區和大分機關區。1970年代後期起，隨著臥鋪特急列車逐步換型為14系、24系客車，ED76型1000番臺機車不再是臥鋪特急列車的專用機車，加上ED72、ED73型電力機車陸續被淘汰，因此ED76型電力機車基本上已經成為九州地區的標準型電力機車，廣泛擔當貨物列車和旅客列車的牽引任務。1980年代初，日本國鐵為了改善持續虧損的經營狀況，大量削減貨物列車和行包列車的開行數量，同時南九州地區的普通旅客列車亦逐步改為使用電力動車組。由於九州地區的ED76型電力機車的運用逐漸減少，部分基本番臺機車儘管只有約十五年車齡，但仍然無法逃避被封存或報廢的命運。北海道地區.1968年10月，為配合函館本線小樽至瀧川間電氣化開業，首批9臺ED76型500番臺電力機車配屬巖見澤第二機關區，連同ED75 501號機車和711系電力動車組開始投入函館本線運用。1969年，為配合函館本線瀧川至旭川間電氣化開業，第二批13臺ED76型500番臺電力機車配屬巖見澤第二機關區。由於ED76型電力機車搭載有自動蒸汽鍋爐，因此主要擔當函館本線小樽至旭川間的旅客列車牽引任務，包括“二世谷號”、“大雪號”、“狩勝號”、“利尻號”等優等列車。1980年，千歳線和室蘭本線完成電氣化後，ED76型500番臺電力機車亦曾經牽引該兩線的團體臨時列車。民營化後.在1987年4月1日國鐵分割民營化之前，日本國鐵已經報廢了近半數的ED76型電力機車。國鐵民營化後尚存的77臺ED76型電力機車，被新成立的九州旅客鐵道。JR北海道.1987年，JR北海道繼承的16臺ED76型500番臺機車，全部配屬於空知運轉所，繼續擔當函館本線旅客列車的牽引任務。從1988年開始，隨著新一代的721系電力動車組投入快速列車運用，同時急行列車逐步改為使用柴油動車組，取代了原來使用的14系和50系客車，使ED76型500番臺機車的使用範圍逐漸縮小。由於JR貨物計劃採用DD51、DF200型柴油機車實現函館本線和根室本線、宗谷本線等非電氣化線路的直通運轉交路，因此並沒有打算利用ED76型500番臺機車擔當貨運牽引任務。至1994年10月，函館本線小樽至巖見澤間的普通列車換型為721系電力動車組後，ED76型500番臺全部停運報廢，空知運轉所亦同時被撤銷。1991年，JR北海道利用閒置的ED76 514號機車，將其改造成青函隧道專用的ED76 551號機車，配屬到青函運轉所，作為ED79型電力機車的增備車輛，共同擔當津輕海峽線之“海峽號”快速列車的牽引任務。由於ED76 551號機車的車體長度比ED79型電力機車更長，因此進站停車位置也有別於ED79型電力機車。這臺機車主要牽引“黃昏特快號”臥鋪特急列車，擔當機車交路為青森至五稜郭間，至2001年停運報廢。JR九州.1987年，JR九州繼承的36臺ED76型基本番臺機車，全部配屬於大分車輛中心，主要牽引九州往本州方向的藍色列車，以及其他JR客運公司的團體臨時列車。JR九州的ED76型電力機車均採用“赤2號”紅色塗裝，並且都增設了司機室空調裝置，以改善乘務人員的夏季工作環境。其中，ED76 78號機車被指定為“”歡樂列車的牽引機車，至1994年連同該歡樂列車同時停運報廢。1990年代起，由於臥鋪特急列車載客率的減少，九州的臥鋪特急列車逐步停運或合併執行，JR九州的ED76型電力機車亦相應減少運用並陸續報廢。2003年，JR九州將剩餘的ED76 81、83號機車轉售予JR貨物。2009年3月14日，隨著“隼號”和“富士號”列車正式停運，結束了ED76型電力機車牽引定期旅客列車的歷史。2012年11月中旬，JR九州的最後三臺ED76型電力機車報廢。JR貨物.1987年，JR貨物繼承了25臺ED76型電力機車，集中配屬於門司機關區，擔當九州境內的貨物列車牽引任務。同年，部分ED76型電力機車披上了JR貨物的試驗色塗裝，車身上半和下半部分別採用深藍色和淺藍色，之間則圍繞著一圈白色帶，但在1992年後又取消了這種試驗色塗裝，所有機車恢復原本的“赤2號”紅色塗裝。1995年起，JR貨物為了延長ED76型電力機車的使用壽命，陸續對裝備真空斷路器的後期型車輛進行了更新改造工程。改造內容包括更換和翻新車內各類裝置及管線，對車體鋼結構進行徹底修補，改為使用MT52C型牽引電動機，牽引電動機抱軸承改為使用滾柱軸承，司機室側門改為使用不鏽鋼材質等。完成改造後的機車在車身兩側下部增加了兩道白色帶以示區別。2003年，為了填補部分機車報廢后的空缺，JR貨物從JR九州購入了ED76 81、83號機車，並拆除了機車上的蒸汽鍋爐和油水箱，並代之以壓鐵配重。截至2023年4月，JR貨物仍然擁有21臺ED76型電力機車，包括6臺基本番臺機車，主要擔當鹿兒島本線至鹿兒島、長崎本線至鍋島、日豐本線北九州貨物中心至南延岡的貨運牽引任務。技術特點.以下技術特點內容除特別註明外，皆以基本番臺機車為描述物件。總體結構.ED76型電力機車是客貨運通用的交流電力機車，適用於供電制式為20千伏50赫茲的工頻單相交流電氣化鐵路。車體採用整體承載式全鋼焊接的箱型結構，由於機車增加了供暖蒸汽鍋爐和中間轉向架，因此車體長度從ED75型電力機車的13500毫米延長至16600毫米。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，右側設有副司機座席及手制動手柄，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。基本番臺和1000番臺機車的兩端採用非貫通形式，並裝有大面積前窗玻璃以改善司機的瞭望視野；500番臺和550番臺機車為了方便重聯運用而採用貫通型結構，司機室前端中央設有貫通門，以便乘務人員透過到另一臺機車。車體中部是設有各種機械及電氣裝置的機械室，除了增加一個列車供暖用SG3B型蒸汽鍋爐外，裝置佈置方式與ED75型電力機車大致相同。主變壓器、調壓開關及磁放大器位於中央位置，一端方向設有牽引電動機通風機、蒸汽鍋爐、旋轉式劈相機、控制電器等裝置，二端方向設有矽整流器、電動空氣壓縮機、勵磁電阻器等裝置，機械室內設有貫通式雙側內走廊連線兩端司機室。基本番臺機車的車頂安裝有兩臺氣壓升弓的PS100A型雙臂式受電弓，並且還裝有空氣斷路器、避雷器等高壓電氣裝置。北海道使用的500番臺機車為了提高機車的防雪防寒效能，車頂上除受電弓以外的高壓電氣裝置均改為安裝在車體內部，並且改為使用與711系電力動車組通用的PS102A型下框架交叉式雙臂受電弓。車體下方除了有三臺轉向架之外，還吊掛著總風缸和蒸汽鍋爐之水箱及油箱。電氣系統.ED76型電力機車是交—直流電傳動的整流器式電力機車，基本番臺的電氣系統與ED75型電力機車大致相同。機車主電路由空氣斷路器、主變壓器、磁放大器、整流器、平波電抗器、牽引電動機、電路保護裝置等部分組成。機車從架空接觸網獲取高壓交流電，首先由主變壓器和磁放大器降低和調節電壓，再透過矽整流器轉換成脈流電，然後供電給四臺並聯的牽引電動機。ED76型基本番臺電力機車採用了級間磁放大器相控調壓的控制方式，即是利用變壓器低壓側調壓配合磁放大器相位控制，來實現牽引電動機端電壓的平滑調節。透過改變主變壓器次邊繞組的匝數構成13個大調壓級，並在每個大調壓級內利用兩個磁放大器的相位控制平滑控制輸出電壓。牽引系統的電器裝置與ED75型300番臺電力機車相同。機車裝用一臺TM11B型殼式單相主變壓器，額定容量為2350千伏安，冷卻方式為強迫油迴圈導向風冷卻。此外，還採用了MA1A型磁放大器、RS21A型矽整流器、LTC-3型無電弧調壓開關切換器、MT52型串勵直流牽引電動機。輔助電路系統主要採用三相交流傳動。牽引電動機通風機、平波電抗器通風機、電動空氣壓縮機等均採用三相鼠籠式非同步電動機驅動。輔助電路系統由主變壓器輔助繞組供電，並由一臺旋轉式劈相機將單相交流電轉換成三相交流電，額定電壓為400伏特50赫茲。轉向架.機車走行部為三臺二軸轉向架，包括兩臺DT129系列兩端轉向架和一臺無動力的TR103系列中間轉向架。兩端轉向架與ED75型電力機車的轉向架基本相同。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2500毫米。牽引電動機採用軸懸式驅動方式，牽引電動機輸出的轉矩透過一級減速齒輪傳動輪對，齒輪傳動比為4.44。基礎制動裝置為雙側閘瓦制動，每個輪對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。轉向架採用無搖枕的全旁承支重結構，透過四組旁承彈簧支承車體重量。一系懸掛為軸箱頂端螺旋彈簧，二系懸掛為構架外側的旁承彈簧，旁承彈簧採用每側兩個並聯的螺旋圓彈簧組，並配有垂向油壓減震器。牽引力和制動力透過“Z”字形低位斜牽引杆裝置來傳遞。牽引杆和牽引拉桿座呈對角斜對稱佈置，與連線於構架下的三角形迴轉支承和橫向連桿組成牽引杆系統，使牽引杆的牽引點交於軌面，理論上轉向架內無軸重轉移，以充分利用機車粘著重量。ED76型電力機車採用了與ED77、ED78型電力機車相似的可變軸重中間轉向架，轉向架構架採用“U”形側梁的鋼板焊接結構，固定軸距為1600毫米。中間轉向架亦採用旁承承載，中央懸掛裝置為空氣彈簧。中間轉向架和車體之間還設有橫向滾動裝置，以便機車透過曲線。中間轉向架可以根據線路條件或鍋爐油水消耗情況，透過調節中央空氣彈簧的內部壓力，改變兩端和中間轉向架的軸重分配，使動輪軸重可以根據需要而設定為14、15、16或16.8噸。此外，中間轉向架還設有用來檢測空轉的測速發電機。