日本國鐵EF64型電力機車

EF64型電力機車是日本國有鐵道的直流電力機車車型之一，適用於供電制式為1500伏直流電的電氣化鐵路。發展歷史.開發背景.1958年，日本國有鐵道開發了ED60、ED61型電力機車，開創了日本“直流新型電力機車”的先河，此後又在此基礎上研製了一系列六軸直流電力機車。1960年至1961年間，用於東海道本線、山陽本線的EF60型幹線貨運電力機車及EF61型幹線客運電力機車研製成功。1962年，針對信越本線橫川至輕井澤之間最大坡度達到66.7‰的碓冰嶺區間，又專門開發了EF62、EF63型電力機車。1960年代初，隨著奧羽本線福島至米澤區段的運輸量不斷增長，自1951年開始使用的EF16型電力機車已經不能滿足需要，有必要在該區段引入效能更好的電力機車，以提高列車牽引定數和線路運輸能力；同時，考慮到中央本線電氣化改造的逐步推進，也將需要投入更多數量的直流電力機車。為此，日本國鐵決定開發研製一種對應中等坡度線路且設有電阻制動的六軸電力機車，以滿足奧羽本線的牽引需要。1964年，日本國鐵成功研製了EF64型電力機車。該型電力機車是客貨運通用的六軸直流電力機車，也是在EF60、EF62型電力機車基礎上發展而成的系列化車型。機車上部結構及電氣裝置與EF62型電力機車基本相同，包括電動凸輪軸式電阻控制器、軸重轉移電氣補償、電阻制動裝置、列車供電系統、輔助機電裝置等成熟技術均被繼續沿用；但在EF62型電力機車上部分對應碓冰嶺特大坡度區間的裝置，例如低頻無線通訊裝置、架空接觸網停電時電阻制動等，都沒有在EF64型電力機車上應用。而機車走行部則採用了與EF60型電力機車相同的Bo-Bo-Bo軸式，而非EF62型電力機車的Co-Co軸式，以提高車輛的小半徑曲線透過能力；此外，EF64型電力機車也採用了比較小的齒輪傳動比，以提高機車的高速運轉效能。首兩臺原型車於1964年11月落成。* EF64 1號機車由東芝公司負責製造，EF64 2號機車由川崎車輛及川崎電機製造製造。* 採用CS22型主電阻控制器、CS23型副電阻控制器、CS24型勵磁控制器、MT52型牽引電動機。1965年7月至9月間製造了第一次量產車。* 主電阻控制器由CS22型改為CS22A型。* 副電阻控制器由CS23型改為CS23A型。* 強化車體鋼結構。* 司機操縱檯採用全新的結構。1966年3月至6月間製造了第二次量產車。* 由於作為貨運機車使用，因此取消了電氣供暖用的電動發電機，並代之以壓鐵配重。1968年9月製造了第三次量產車。* 改用強化電樞繞組絕緣的MT52A型牽引電動機。* 避雷器由LA15型改為LA15B型。* 電氣供暖用的電動發電機改用滾子軸承，型號變更為MH107B-DM69B型。* 司機室地板由木地板改為亞麻油氈地板。1970年1月至4月間製造了第四次量產車。* 主電阻控制器由CS22A型改為CS22B型。* 副電阻控制器由CS23A型改為CS23B型。* 勵磁控制器由CS24型改為CS24A型。* 牽引電動機通風機改用靜音型渦輪風扇，型號變更為MH91I-FK102型。* 車內照明燈具由白熾燈改為熒光燈。* 增設列車緊急停止裝置。* 取消前窗玻璃上方的防護欄。1971年3月至5月間製造了第四次量產車。* 主電阻控制器由CS22B型改為CS22C型。* 副電阻控制器由CS23B型改為CS23C型。* 勵磁控制器由CS24A型改為CS24B型。* 接觸器開關由SR114、SR117型改為SR124、SR125型。* 改變了前端貫通門的外形。* 取消了前窗玻璃的除霜器，改用帶有發熱線的玻璃。* 取消了車軸測速發電機，改用電樞電流檢測空轉。1971年9月製造了第六次量產車，與第五次量產車完全相同。1973年3月至7月間製造了第七次量產車。* 主電阻控制器由CS22C型改為CS22D型。* 副電阻控制器由CS23C型改為CS23D型。* 勵磁控制器由CS24B型改為CS24C型。* 避雷器由LA15B型改為LA15A型，並改為安裝在受電弓之後。* 變更了列車供電狀態指示燈的外形* 司機室的換氣改用電動通風機，取消了前端的自然通風口，通風機安裝在司機室頂部。* 為了提高高速執行時鑄鐵閘瓦的制動效能，增設了單機制動增壓裝置，可以提高1.66倍的制動壓力。1976年1月製造了第八次量產車。* 空氣濾清器部分改用玻璃鋼一體成型結構。1976年11月製造了第六次量產車，與第五次量產車完全相同。1000番臺.1980年代初，為了淘汰上越線、高崎線使用的EF58、EF15、EF16型電力機車，日本國鐵採購了一批EF64型1000番臺電力機車，也是國鐵分割民營化前製造的最後一批國鐵直流電力機車。1000番臺和基本番臺機車具有大致相同的效能指標，但是1000番臺機車對多項機械及電器裝置都作出了改進，因此實質上已經和基本番臺機車有很大變化。考慮到上越線所在地區的冬季常有暴雪天氣，因此EF64型1000番臺電力機車也特別重視防雪措施，並對車內裝置佈置作出了大幅度變更。調速控制裝置採用了與基本番臺後期車輛相同的CS22D主電阻控制器、CS23D型副電阻控制器、CS24C型勵磁控制器。針對基本番臺機車在電阻制動工況時MR74型電阻器容量不足的缺點，1000番臺機車採用了新設計的MR146型電阻器。輔助電路系統改為採用三相非同步電動機驅動，並由閘流體逆變器和DM104型電動發電機供電。列車供電系統改為由SC14型閘流體逆變器供電。此外，1000番臺機車還採用了經過改良的MT52B型牽引電動機、PS22B型受電弓，以及無搖枕結構的DT138A、DT139A型轉向架。原則上基本番臺和1000番臺機車是可以重聯運轉，但部分制動功能會受到一定限制，因此除了短期試驗外並不會使這兩種機車重聯運用。運用歷史.國鐵時代.1964年至1965年間，最初落成的首批12臺EF64型電力機車配屬福島機關區，投入到奧羽本線福島至米澤間的板谷嶺區段運用，以替換原本使用的EF16型電力機車。從1966年起，新造的EF64型基本番臺電力機車陸續大量配屬甲府機關區、長野運轉所、篠之井機關區、稻澤第二機關區，主要投入到中央本線和篠之井線運用。1968年，隨著奧羽本線完成交流電氣化改造，原配屬福島機關區的所有EF64型電力機車，均改配屬稻澤第二機關區。1980年，EF64型1000番臺電力機車投入上越線、高崎線之前，其中5臺基本番臺機車轉配屬長岡運轉所，作為乘務人員的教學用車。1980年至1982年間，新造的53臺EF64型1000番臺電力機車陸續配屬長岡運轉所，成為上越線旅客列車和貨物列車的主力牽引機車，包括“”急行旅客列車和“北陸號”臥鋪旅客列車。隨著1000番臺機車配屬完畢，早前配屬的5臺基本番臺亦恢復原配屬。後來，部分1000番臺機車轉配屬高崎第二機關區，但仍然在上越線運用。同樣在1980年，由於中國地方的伯備線完成電氣化改造，部分基本番臺機車轉配屬岡山機關區；至1987年，配屬長岡運轉所的部分1000番臺機車亦轉配屬岡山機關區。1984年，為了替代老舊的ED16型電力機車、擔當青梅線、南武線的貨物列車牽引任務，部分基本番臺和1000番臺機車轉配屬八王子機關區。技術特點.總體佈置.EF64型電力機車是客貨運通用的直流電力機車，適用於1500伏直流電氣化鐵路，其車體結構和總體佈置與EF62型電力機車基本相同。車體採用整體承載式全鋼焊接結構，車體底架採用無中梁的框架式承載結構。機車的兩端各有一個司機室，司機室內機車執行方向的左側設有司機操縱檯，部分機車的前窗玻璃中央位置還設有除霜器，司機室兩側設有供乘務員乘降的車門，司機室上方車頂裝有兩盞式前照燈。考慮到與補助機車重聯運用的需要，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，內設有貫通式雙側內走廊連線兩端司機室。車頂安裝有兩臺雙臂式受電弓、高速斷路器、避雷器等高壓電氣裝置。EF64型電力機車採用車體通風系統，出於電阻器及其他電器裝置的散熱需要，基本番臺的車身兩側各設有六個大面積通風百葉窗。對於1000番臺機車，機械室部分被重新劃分為第一、第二、第三機械室，其中主電阻器通風機和牽引電動機通風機等需要冷卻空氣的機電裝置集中安置在第二機械室，主電阻器通風機排風口亦設有過濾器，防止雨雪經由排風口迴流到冷卻風道，第二機械室部分的車體兩側各設有三個通風百葉窗。而第一和第三機械室則主要設定發熱量較小的裝置，並透過牽引電動機通風機的供風來維持機械間呈微正壓，以改善機車防塵效果及防寒效能，車體兩側只有採光玻璃窗而沒有通風百葉窗。電氣系統.調速控制.EF64型電力機車是直—直流電傳動的直流電力機車，機車主電路結構與EF62型電力機車基本相同。機車透過超多段電阻調壓、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。電阻調壓系統包含了主電阻器及副電阻器，首先利用主電阻器實現多個大調壓級，再於每個大調壓級內利用副電阻器實現若干小調壓級，降低了每個級位之間的電壓變化，從而獲得了相對平滑的調速效能。EF64型電力機車使用帶有電動凸輪軸控制器的CS22型主電阻控制器。除了電阻調壓外，亦可以透過改變牽引電動機迴路連線方式來調節磁場削弱工況時的勵磁電流，取代了EF62型電力機車所使用的電磁式接觸器控制方式。牽引電動機.每臺機車裝用六臺MT52型四極串勵直流牽引電動機，這是日本國鐵直流和交流電力機車通用的標準型牽引電動機，小時功率為425千瓦，額定電壓為750伏特，額定電流為615安倍，額定轉速為每分鐘860轉，冷卻方式為強迫通風。軸重補償.當機車牽引列車起動時，由於輪周牽引力與車鉤處作用的列車阻力不在同一水平面，使前後轉向架各軸載荷發生變化，稱之為牽引力作用下的軸重轉移。和EF62型電力機車一樣，EF64型電力機車亦具有軸重轉移電氣補償功能，以提高機車黏著重量利用率。電氣補償是根據各軸粘著重量的比例，透過CS24型勵磁控制器的調節，對各軸牽引電動機實施不同程度的磁場削弱，從而使各軸的輪周牽引力趨於一致。電阻制動.為了充分利用列車下坡時的勢能，EF64型電力機車並設有電阻制動功能。當機車使用電阻制動時，首先切斷牽引電動機與牽引電路的連線，再將牽引電動機電樞與大容量制動電阻接成迴路，使牽引電動機變為他勵直流發電機運轉，發出的電能透過電阻器轉化為熱能消耗掉。電阻制動的控制方式和EF62型電力機車大致相同，採用各軸牽引電動機的獨立電路控制形式，以提高防空轉防滑行的能力；但EF62型電力機車擁有的一些特殊功能，例如電源切斷時的牽引電動機勵磁和電阻制動功能，則沒有在EF64型電力機車上繼續應用。輔助電路.EF64型基本番臺機車採用直流電傳動的輔助電路系統，主要輔助機械裝置均採用直流電動機驅動，輸入電壓為1500伏特。主電阻器通風機採用一臺MH110A-FK77型電動通風機，牽引電動機通風機使用兩臺MH91A-FK34A型電動通風機，空氣壓縮機使用一臺MH92B-C3000型電動壓縮機，額定功率為15千瓦。隨著電力電子技術的發展，EF64型1000番臺機車全面改為採用三相交流傳動的輔助電路系統，輔助機械裝置均採用三相鼠籠式非同步電動機驅動，輸入電壓440伏特60赫茲。主電阻器通風機採用一臺MH3085-FK145型電動通風機，牽引電動機通風機使用兩臺MH3084-FK144型電動通風機。空氣壓縮機亦改為使用MH3064A-C3000型電動壓縮機，與EF66型基本番臺第二次量產車相同。輔助電路系統由閘流體逆變器和無換向器的DM104型電動發電機供電。網側的1500伏特直流電透過閘流體逆變器轉換成1500伏特三相交流電，再由電動發電機轉換成440伏特三相交流電。DM104型電動發電機與201系、205系、211系電力動車組所使用的DM106型電動發電機屬於同系列產品，由三相同步電動機和發電機組成，並帶有旋轉整流器作為交流勵磁機，額定容量為120千伏安。控制電路.EF64型電力機車在照明和控制電路系統方面，與以往的國鐵直流電力機車有較大分別。EF62、EF63型電力機車都是利用一臺直流電動發電機，向控制電路、照明電路和蓄電池供應100伏特直流電。但考慮到控制電路的無觸點化和低壓交流照明燈具的使用，EF64型電力機車改為裝用一臺MH81B-DM44B型二相交流電動發電機，能夠與同時期的新型電力動車組互換通用，該電動發電機用於將直流電轉換成交流電，額定容量為5千伏安，額定頻率為60赫茲，直接為照明電路提供24伏特、50伏特、100伏特交流電，並可以透過整流器為控制電路和蓄電池為提供100伏特直流電。電氣供暖.EF64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供電。基本番臺機車的供電系統包括一臺MH107A-DM69A型交流電動發電機及配套的電氣連線線路。交流電動發電機由同軸的MH107A型直流電動機和DM69A型交流發電機組成，用來將1500伏特直流電轉換成1440伏特單相交流電，額定轉速為每分鐘1800轉，供電容量為420千伏安。機車兩端設有供電插座，透過供電線與列車連線。1000番臺機車改為使用SC14型閘流體逆變器為列車供電，取代了效率較低的電動發電機。轉向架.DT120A/121A.機車走行部為三臺二軸轉向架。基本番臺機車使用DT120A型兩端轉向架和DT121A型中間轉向架，是在EF70型電力機車所使用的DT120、DT121型轉向架的基礎上改良而成。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2800毫米。轉向架採用帶有搖枕機構的全旁承支重結構，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。兩端和中間轉向架的二系旁承懸掛各有不同，兩端轉向架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，而中間轉向架則採用每側一個螺旋圓彈簧。牽引力和制動力透過下心盤低位牽引裝置傳遞。中間轉向架和車體之間透過搖枕吊杆作用，可實現一定程度的橫向位移以便透過曲線。牽引電動機懸掛裝置採用軸懸式，牽引電動機的一側透過抱軸承剛性地支承在車軸上，另一側透過吊杆懸掛在轉向架構架上，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3.83。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。DT138A/139A.1000番臺機車則採用了無搖枕結構的DT138A型兩端轉向架和DT139A型中間轉向架，是在EF81型電力機車所使用的DT138、DT139型轉向架的基礎上改良而成。構架採用無端梁的“H”字形鋼板焊接結構，軸箱採用兩個圓筒型橡膠裝置定位結構。一系懸掛為軸箱頂端兩個並列的螺旋彈簧組，二系旁承懸掛亦採用每側兩個並聯的螺旋圓彈簧組，一系及二系彈簧每個均由內、外圈彈簧組成，而兩端轉向架並設有垂向油壓減震器。牽引力和制動力仍然透過下心盤低位牽引裝置傳遞。中間轉向架的二系彈簧和車體之間設有滾柱軸承摩擦式滾動裝置，可實現一定程度的橫向位移以便透過曲線。軸懸式驅動裝置、雙側閘瓦制動裝置仍然和基本番臺機車相同，但追加了保障在坡道上停車安全的制動缸鎖定裝置。