韶山4型電力機車

背景

韶山4型电力机车的研制始于1980年代初。中国实行改革开放政策之后，铁路运输负荷十分沉重，在一些主要干线上由于列车牵引吨数和货车轴重受到多年来形成的设备方面的限制，运输能力严重不足。从1980年代初开始，中国正式开始铁路重载运输的研究和实践。1983年2月11日，国家经贸委下达了中国铁路重点科技攻关项目——“铁路重载列车成套技术的研究”，并相继列入“六五”期间的国家重大攻关及国家重大装备项目。1983年5月14日，中华人民共和国铁道部发布了中国铁路第一部《铁路主要技术政策》，提出“逐步提高列车重量”的目标。

研制

1981年，铁道部下达《韶山4型电力机车设计任务书》，由铁道部株洲电力机车工厂及株洲电力机车研究所承担研制工作，并于1983年被列入“铁路重载列车成套技术的研究”中分项之一，同年5月铁道部在株洲电力机车厂召开了韶山4型电力机车设计审查会议，通过了机车的设计方案。1985年9月第一台韶山4型电力机车（SS4-0001）落成，是当时中国国内功率最大的货运电力机车。首台机车在株洲电力机车工厂试验线进行了初步调整后，于1986年初赴北京，在铁道科学研究院环形铁道试验基地进行全面试验考核，其中包括机车称重、牵引试验、动力学试验等项目，试验中发现的故障和问题为同年年底生产的第二、第三台机车的改进设计提供了依据。1987年初，铁道部组织了对韶山4型电力机车的鉴定试验，韶山4型0001号机车在北京铁路局管内京包铁路投入10万公里运用考核，担当大同至张家口的电气化区段货运任务；0002、0003号机车则进行了整机鉴定试验及十大主要部件的型式试验考核。1988年6月15日，韶山4型电力机车通过了国家级产品鉴定，鉴定会议认为，韶山4型机车性能指标达到了1980年代初期国际上直流相控电力机车先进水平。
完成技术鉴定后，韶山4型机车于1989年开始投入批量生产，并于同年获国家科技进步一等奖。韶山4型采用经济四段半控桥晶闸管相控平滑调压，具有两级电阻制动和恒速、恒励磁控制，使用800千瓦直流牵引电动机、双轴转向架、水平牵引拉杆等技术。但由于从研制到大批量生产的过程时间较短，初期生产的机车存在较多质量问题。经过调整生产工艺后，自1990年代生产的韶山4型机车质量大为提高。

改进

在研制韶山4型的过程中，中国也于1980年代中期分别从欧洲、日本、苏联购买了8K、6K、8G型电力机车，均为当时世界上技术最先进的直流相控电力机车系列。在购买8K、6K型机车的同时，中国同时引进了相关技术，应用于后来研制的一系列国产电力机车。
1991年，株机厂通过模仿8K型、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，成为中国铁路第一台采用微机控制的国产电力机车。这台机车于1992年初在宝成铁路投入运行，虽然微机系统的用户界面、抗干扰能力仍有不足之处，但控制性能已达到设计要求，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，株洲电力机车厂、株洲电力机车研究所针对早期韶山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（SS4G），同年开始批量生产，但规范的机车型号仍统一为韶山4型电力机车。韶山4改型吸收了8K、6K型机车的电气技术，其质量、可靠性比韶山4型有较大提高，机车改为采用不等分三段桥相控调压，机车控制为恒流恒速特性控制，采用中央低位斜杆牵引装置，增加功率补偿、加馈电阻制动等。
1997年，株机厂根据《铁道部SS4型电力机车合同书》的技术规范要求，从韶山4型0480号机车开始进行另一次改进。主要改进为更换新型号的主断路器、交流接触器、速度传感器等，并按照铁道部的指示，在每节机车安装一套完整的安全设备，由地面感应器、数字化通用式机车信号机、信号配线盒、机车信号显示器、监控记录装置（LKJ）和监控显示器等部件组成。两套设备完全独立，机车正常运用时仅需要使用其中一套。
2004年，由株机所和大连机车车辆厂共同研制了韶山4改型网络重联货运机车。韶山4改型网络重联机车是继韶山3B型电力机车之后另一次以网络技术改造传统机车。原来的韶山4改型机车的重联采用硬连线方式，控制系统为模拟控制。网络重联机车采用微机控制系统，除内重联外还实现了机车的外重联，即通过网络将2台韶山4型机车重联，组合成16轴重载货运重联机车车组。两台机车车内所有的智能设备，如智能显示器、微机控制装置、机车逻辑控制单元（LCU）、机车综合信息处理装置、中央控制单元（CCU）、列车运行监控装置等均可以通过车辆总线连接。韶山4改型网络重联货运机车在同年年底于大秦铁路投入运用。2004年12月12日，大秦铁路首次进行2万吨重载组合列车试验取得成功，重载试验货运列车由4台韶山4型机车牵引4组5000吨列车组成。
根据铁道部统一安排，株洲厂向国内其他机车厂转让了韶山4改型图纸和生产技术。株洲电力机车厂在1993年至2006年共生产韶山4（改）型机车946台（SS4-0159～1104）；大同机车厂在1994年至2006年生产了168台（SS4-6001～6168）；资阳机车厂于2001年试制了2台（SS4-3001～3002）；大连机车车辆厂在2001年至2006年生产了233台（SS4-7001～7110、SS4-7121～7243）。截至2006年，四家工厂累计生产了1347台韶山4改型电力机车。
此外，早期生产的首批158台韶山4型电力机车于返厂大修时均陆续将内部电路系统改为韶山4改型的不等分三段顺控半控桥式电路，但转向架仍然保留采用水平牵引拉杆。

衍生型

1995年，株洲电力机车厂、株洲电力机车研究所在韶山4改型机车的基础上，研制成功韶山4B型电力机车。韶山4B型机车消化吸收了8K、6K型机车的先进技术，并采用与韶山6B型电力机车相同的牵引电动机、悬挂系统、微机控制等。1997年，株洲厂、株机所又研制了韶山4C型电力机车，为25吨轴重实验性电力机车。

技术特性

韶山4型电力机车是双机重联的8轴大功率干线货运用电力机车，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，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，车顶并设有25kV高压连接线，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。机车持续功率6400千瓦，轴式为2×（Bo-Bo），机车两端并设有重联装置，可以与另外一台八轴电力机车连接，进行重联运行，以提高总牵引力进行长大列车重载牵引。机车的主传动系统采用交—直流电传动方式，使用串励式直流牵引电动机。初期型主电路采用四段半控桥式；后期的韶山4改型采用不等分三段半控桥式。

总体布置

韶山4型电力机车的布置继承了韶山系列电力机车的传统特点，采用双侧纵向内走廊、斜对称布置；机车车体中部设变压器室。每节机车司机室之后车顶装一台单臂受电弓、中部变压器室车顶装一台主断路器。机车并采用了一些新型技术和设备，如司机室采用双针电表、发光二极管故障显示屏，主电路、辅助电路、控制电路分束隔开布线。韶山4改型机车又进一步采用电气线路预布线和制动管路预布置新工艺以提高组装功效。

车体

机车车体为整体承载式结构，采用低合金高强度钢板全焊接结构。两节车体用车钩连接，并设有防脱钩安全装置，车钩上方为连接风挡和通道。前窗为导电膜电热玻璃；两侧活动窗采用轻合金成型拉窗。为减轻重量，机车车体除承载结构普遍采用高强度低合金外，非承载结构使用了铝合金材料，并大量采用压型件。韶山4改型机车车体借鉴了8K型电力机车的设计，采用了大顶盖和高台架结构。

转向架

机车行走部机构为四台两轴转向架。悬挂系统与韶山3型电力机车基本相同，一系悬挂为圆弹簧，二系悬挂为橡胶叠层簧。韶山4型机车采用平行牵引杆，粘着重量利用系数仅为0.9且不便于维修，韶山4改型机车采用推挽式中间单斜拉杆结构，以充分利用粘着重量，结构较简单，且粘着重量系数可达0.925。机车采用双侧刚性斜齿传动、电机抱轴式半悬挂。基础制动采用单元制动器、低倍率高磨合成闸瓦。韶山4型与韶山4改型的转向架因车体接口不同而不能通用。

机车主电路

韶山4型电力机车主电路采用大功率晶闸管多段桥相控整流方式，对机车进行无级平滑调速控制。其中韶山4型初期型采用经济四段半控桥式整流调压电路，使用恒压或恒流控制，电阻制动工况采用两级制动（恒励磁、准恒速控制）；后期改进型采用不等分三段半控桥式整流调压电路，牵引特性为恒流、准恒速特性控制；电阻制动为准恒速限流加馈电阻控制，具有与再生制动相当的优良低速制动，缺点是耗能较大。韶山4改型还采用了三次谐波滤波器以改善机车功率因数，缺点是增加了系统的复杂性。两种机车都具有轴重转移的电器补偿控制环节和防空转、滑行保护装置，以改善机车的粘着利用。

机车辅助电路

韶山4型电力机车辅助电路都采用传统劈相机及电容分相起动通风机后备的双馈单—三相变流系统。每节机车只设一台劈相机，当该机因故障切除后，可用电容对第一台牵引风机电动机直接分相起动，然后该电机兼作劈相机，在接触网电压达22kV以上时，可逐一起动其他辅助机组，避免机破事故。辅助电机的保护形式有两种，一部分韶山4型机车采用三相自动开关，具有过载、短路复合脱扣保护功能，并可直接切除故障电路；另一部分机车采用了电子保护，具有过载与短路保护功能，其缺点是不能直接切除故障电路而需借助于机车辅机接触器切除或主断路器保护性断电。

机车通风系统

机车通风系统采用传统的车体通风方式，进风口为车体侧墙大面积立式百叶窗。初期型的各通风支路均为并联方式，具有相对的独立性，但是通风机数量较多；改进型改为硅整流柜与牵引电机风路串联，从而减少了风机数量也提高了可靠性。

空气制动系统

机车空气制动系统采用DK-1型电空制动机，加设了必要的重联装置。韶山4改型机车还具有空电联合制动功能，适用于长大坡道的重载长编列车牵引。每节车设有每分钟排气量三立方米的空气压缩机一台，总风缸两个，全车总风缸容量为1800升，是普通六轴机车的1.5倍。每节车设有空气干燥器一台，改善了空气系统风源质量，特别是极寒地区的工作条件。