8K型电力机车

背景

1978年，中国开始实行改革开放，将全国的建设重心转到了经济发展上，中华人民共和国铁道部提出了“内电并举，以电为主”的发展战略，要求以8年时间，让电力、内燃机车牵引承担的铁路货运量达到65%以上，其中电力机车务必达到35%以上。但相比其他发达国家，当时中国的电力机车技术水平相对落后；至1980年，第一代采用调压开关调压的韶山1型电力机车才开始投入大批量生产，第二代采用级间相控调压的韶山3型电力机车刚刚试制成功，第三代采用相控无级调压的韶山4型电力机车仍处于计划阶段，而同期国外的相控电力机车已经发展成熟，并正在向交流传动技术发展。
为了提高铁路机车产能和产品技术水平，从1980年代起，铁道部开始利用世界银行和其他国家贷款引进铁路设备和技术。1982年，世界银行铁路项目负责人到访株洲电力机车工厂了解贷款项目，当时中方的意见是，提高中国自身的机车生产能力，将比长期使用贷款购买外国机车对中国更有利。根据对株洲电力机车工厂贷款的需要，世界银行并邀请中国派员出国考察；为此，铁道部于1983年10月至12月期间派出了电力机车技术考察组赴欧洲进行技术考察。根据世界银行的建议和安排，此行前往英国、瑞士、瑞典、法国四个电气化铁路比较先进的欧洲国家，了解这些国家的电力机车技术、生产、运用和维修等方面的状况，并对多种当时主流的电力机车车型作比较，包括英国铁路的87型电力机车、瑞典国铁的Rc系列电力机车、法国国铁的BB 15000、BB 22200型电力机车、以及瑞士联邦铁路的Re 4/4IV、Re 6/6型电力机车等。通过对工厂和铁路的实地考察，中国认识到要在短期内全面提高国产电力机车水平，很有必要引进国外的先进技术。
与此同时，进入1980年代以后，由于煤炭产量和货物运输量增加，中国交通运输滞后的矛盾显得越来越突出。在当时铁路运输能力有限，公路交通不发达的情况下，山西省出省通道通过能力小，造成山西出产煤炭大量积压，仅1983年山西全省积压待运煤多达3,000余万吨，不少煤矿积煤出现自燃和被洪水冲走，另一方面也无法满足全国各地对煤炭的迫切需求。为了提高晋煤外运能力，丰沙大铁路（丰沙铁路与京包铁路大同至沙城段的合称）电气化改造工程于1981年动工；1982年完成了石太铁路的电气化改造；1983年，为增加晋煤外运通道，中国国务院正式批准修建大秦铁路。

交付

8K型机车由阿尔斯通公司的贝尔福工厂进行组装；1986年7月9日，首台机车在贝尔福出厂，随即在贝尔福至米卢斯的铁路上进行试验。1987年1月至9月间，共有63台8K型机车从法国马赛港装船付运，送抵天津新港，配属北京铁路局丰台西电力机务段（京局台段），由阿尔斯通公司售后服务组与机务段共同对已到段机车进行试验，并随即投入丰沙大铁路运用；同年，原配属丰台西机务段的韶山1型电力机车全部调出。然而，由于受到合同规定交货时间限制，8K型电力机车从签订合同之日起到交付第一台机车仅用了21个月，在没有试制样车和充足试验时间的情况下立即投入批量生产，8K型机车投入运用初期质量问题和故障事件较多，被迫放缓了交货进度，1988年初恢复交付机车和验收工作，分别配属丰台西电力机务段和大同西电力机务段（京局大段），148台进口8K机车于1989年初交付完毕。

运用

8K型机车投入丰沙大铁路运用之后，大幅提高了线路运输能力，上行、下行牵引定数分别提高到4000吨和3500吨。1988年，丰沙铁路沙城至张家口段完成了上行重车方向8124万吨的货运密度，其中晋煤完成6700万吨，创造了当时中国客货混运铁路货运量的历史最高纪录。1988年11月，大秦铁路一期工程大同至大石庄（大秦线西段）建成通车，湖东电力机务段随之成立，并开始配属韶山3型电力机车和8K型电力机车。1990年，铁道部为验证开行万吨级重载列车的可行性，于同年5月至6月在大秦铁路举行了大规模的重载列车综合试验，其中成功采用8K型电力机车和C63型专用敞车（装用旋转式车钩、ABDW型制动机和大容量缓冲器）试验开行单机牵引6000吨和双机牵引10000吨的重载单元列车。1995年，大秦铁路实验性开行8K型机车单机牵引的6000吨级列车每天20列，双机牵引10000吨级列车每月开行一列，但由于万吨重载列车技术尚未成熟，并曾经发生断钩事故，因此当时并未广泛采用。
2005年3月，中国铁道部撤销全路所有铁路分局，北京铁路局下辖的太原铁路分局与大同铁路分局合并成立新的太原铁路局，随后原大同机务段（太局同段）合并到大同西电力机务段（太局大段），不久原大同西电力机务段又与湖东电力机务段合并，组建成新的湖东电力机务段（太局湖段）。与此同时，原丰台西电力机务段、原天津北机务段、原保定运用段和邯郸机务段在2005年12月整合组成了新的丰台机务段（京局丰段）。经过生产力布局调整后，所有8K型电力机车均分别配属北京铁路局丰台机务段和太原铁路局湖东电力机务段，于丰沙大铁路、大秦铁路和北同蒲铁路运用。2007年起，随着大秦铁路开始引进HXD1、HXD2型大功率交流传动电力机车，原配属湖东电力机务段湖东运用车间的8K型机车陆续向大西运用车间调出，主力担当北同蒲铁路的货物列车和少量旅客列车的牵引任务，同时也向丰台机务段调出部分8K型机车。
2010年起，由于8K型机车经过长年运用开始老化，且零件短缺对机车维护造成困难，丰台机务段的部分8K型机车开始有计划地报废。在2015年年底，丰台机务段配属的8K型机车将全部退役。
另外，春运期间北京站有部分临客为8K型机车牵引。

技术转让

在签订8K型机车贸易合同之后，中国机械进出口总公司与欧洲五十赫兹集团于1985年5月又签订了两台8K型电力机车的合作生产合同。五十赫兹集团负责无偿转让产品的全套图纸资料、机车零部件、制造工艺和检验方法，并负责培训机车试制验证和派遣专家来华指导，由株洲电力机车工厂承担机车生产工作，而株机厂及株机所同时派遗人员到欧洲多家工厂接受培训，作为验证技术转让的成效。1989年9月26日，最后两台8K型电力机车（149、150）在株洲电力机车厂落成。
在1980年代中国从国外引进的8K、6K、8G型三种电力机车车型之中，8K型机车是引进时间较早，也是技术最先进的车型；根据中国要求，三种机车均采用Bo二轴转向架为基础、单轴功率800千瓦、最高速度100公里/小时、以发挥牵引力为主的交—直流电传动电力机车。在8K型电力机车的技术转让过程中，中国共引进了30个技术项目，包括机车车体、转向架、牵引电动机、主变压器、晶闸管、电子控制装置、辅助变流器等机车零部件。这些先进技术的引进和国产化，对后来中国国产电力机车造成重要影响，不但使国产机车的技术水平及质量稳定性大为提高，并且促进了国产机车设计思想、项目管理和配套技术的发展。
1990年，在消化吸收8K型电力机车技术的基础上，株洲电力机车厂成功试制了韶山5型快速客运电力机车和韶山6型客货两用电力机车。两种机车均大量采用了8K型电力机车的技术，例如在车体结构、大功率晶闸管与整流管、电子控制装置、中央电器柜、功率因数补偿装置、主变压器设计以及通风机等方面均有不同程度的模仿和应用。此外，株机厂通过模仿8K、6K型机车的微机控制系统，为韶山4型0038号机车进行了实验性加装微机控制的技术改造，其研制和使用经验后来成为了韶山8型电力机车微机控制系统的基础和改进方向。1993年，株机厂针对早期韶山4型电力机车的主要问题，从韶山4型0159号机车开始进行重大改进，研制了韶山4改进型机车，其转向架构架结构、推挽式中间单斜牵引拉杆、三次谐波滤波器、车体顶盖等均借鉴自8K型机车。

总体结构

8K型电力机车是双节重联的八轴干线货运用大功率电力机车，适用于供电制式为25千伏工频单相交流电的电气化铁路，机车轴式2×（Bo-Bo）。每组机车由两节完全相同的四轴机车通过中间车钩和橡胶联挂风挡连接而成，每节车为一个完整系统，设有一个司机室，可由司机在任何一端司机室对机车进行控制，两节机车也可以分离作为两台四轴机车独立运行。两节机车之间设有内部电气重联控制电缆和空气制动系统的重联控制风管，并有中间走廊连通，车顶设有25千伏高压连接线。机车持续功率为6400千瓦，最高速度100公里/小时。
每节机车车体包括了司机室、中央室、车顶和连接通道四个主要部分，司机室后中央机械室为贯通式双走廊，车体采用侧墙与底架联合承载的非对称框架式结构。中央室内靠近司机室部分设有蓄电池柜、牵引电动机通风机、自动信号装置等设备；中央部分设有高度集成化的中央电器柜，机车主整流器、高压和低压电器装置、控制逻辑装置、冷却系统均集中在电器柜内；而机车尾部设有牵引电动机通风机、空气压缩机等设备。每节机车司机室之后车顶装一台单臂受电弓；机车内最重的主变压器被安装在车体底架下面而不是在车体里面，以降低机车的总重心并缩短了与中央电器柜之间的线缆长度。

转向架

每节机车的走行部为两台二轴转向架，采用由碳钢板焊接而成的H型构架转向架，以方便更换牵引电动机。一系悬挂采用轴箱螺旋弹簧与弹性连杆的独立悬挂结构；二系悬挂采用免维护的橡胶堆支承。机车牵引力与制动力通过中央低位斜拉杆推挽式牵引装置传递，机车牵引点在轨道平面上，具有动力学稳定性好、粘着利用率高的优点。
转向架中的车轴均为动轴，每台转向架装有两台TAO649D型牵引电动机，为六极串励脉流电动机，持续功率1000千瓦，实际使用功率被限制在800千瓦。牵引电机沿用与法国国铁BB 15000型机车相同的滚动轴承抱轴悬挂结构、单边直齿传动，牵引齿轮传动比为69：17，但由于中国与法国铁路钢轨连接方式不同，牵引电机在机车运行时承受较大的振动，导致抱轴箱体较常出现疲劳裂损。

电路系统

8K型电力机车采用交—直流电传动方式，机车主电路沿用法国相控电力机车传统的两段串联相控整流桥调压方式，由一段半控整流桥和一段全控整流桥组成，并采用晶闸管调节的牵引电机无级磁场削弱电路，具有电路简单、硅元件数量少的优点。牵引时向转向架上两台牵引电动机串联供电，而使用再生制动时全控挢变为逆变装置，半控桥作为励磁电源装置；但牵引电机串联供电却有粘着能力较差的缺点，发生空转后粘着再恢复能力较低，因此8K型机车设有先进的防空转防滑行系统，通过检测轮周速度差异进行电机减载来校正牵引力。相比调压开关调压电力机车，晶闸管相控电力机车的功率因数相对较低，因此8K型电力机车设有大容量3、5次谐波滤波器的功率因数补偿装置，机车在50～100%功率范围内功率因数均可大于0.9，以提高电气化线路的总效率。
机车辅助电路采用瑞士勃朗-包维利公司（BBC）提供的GTO辅助逆变器，取代了旋转式劈相机向机车辅助机械供电，功率容量为50kVA。然而该套系统可靠性较差，自8K型电力机车投入运营以来其GTO辅助逆变器机组几乎每天有烧损故障发生，严重影响列车的安全可靠运行。因此，研制8K型机车用IGBT辅助逆变器替代GTO辅助逆变器的课题于1997年初被列为中国铁道部科研计划项目，由北京交通大学电气工程学院负责研制。IGBT辅助逆变器于1996年10月初开始装车试运行，后因故障多未推广使用，而是由本段科技开发科自行研制的IPM逆变器1998年5月装车试运行，后扩大推广至成功使用。。

控制系统

8K型机车采用了瑞士勃朗-包维利公司（BBC）的电子控制系统，对每一个转向架独立供电的相控整流桥进行独立控制，并设有故障自动检测装置，具有较高可靠性。
在150台8K型电力机车之中，有两台机车（135、136）试验安装了BBC公司的MICAS（Micro-Computer Automation System）微机控制系统，采用了微机来控制机车的牵引、制动、防空转及故障保护等功能。微机系统采用一个16位英特尔80186中央处理器计算机车控制特性，一个16位8097微控制器控制晶闸管触发，另一个8位8031微控制器负责管理前两者之间的通讯，均为当时国际上最新型的处理器和微控制器产品。然而为了保证与其他8K型机车的设备互换性，这两台机车的微机控制功能及输入、输出信号都要与模拟控制相同，导致微机控制的优势未能充分发挥，并未具备更重要的故障诊断、记忆和显示功能。与同期日本进口6K型机车的微机系统相比，8K型机车MICAS系统虽然硬件上较先进，但功能上并不比6K型机车全面，因此MICAS系统较适合用于既有机车的改造，取代模拟控制。1991年，株洲电力机车厂在MICAS系统系统基础上，为韶山4型电力机车设计了微机控制系统并进行了试验，成为国产电力机车微机系统的开端。