韶山3型電力機車

背景

隨著中國半導體工業的發展，株洲電力機車研究所於1970年代初成功試製200安／800伏的大功率可控矽元件（晶閘管），並應用這種新元件對韶山2型電力機車進行技術改造，將原牽引電路中的橋式矽整流機組改裝成為採用可控矽的半控橋式整流機組，從而取消了原來的有級調壓的高壓調壓開關系統，成為中國第一台實現相控無級調壓調速、恆流恆速控制的電力機車。對於應將晶閘管調壓技術用於韶山1型電力機車的技術改造還是用來研製新型晶閘管相控調壓八軸電力機車的問題，經過鐵道部門的考慮，認為既要考慮技術的進步，也要考慮鐵路運輸的急需，建議先將韶山1型機車改為晶閘管級間平滑調壓（即後來的韶山3型電力機車），隨後再開展八軸晶閘管相控調壓電力機車的研製（即後來的韶山4型電力機車）。

研製

1977年11月，根據中華人民共和國鐵道部下達的設計任務書，田心機車車輛工廠和株洲電力機車研究所在學習法國進口6G型電力機車先進技術、總結韶山1型、韶山2型電力機車成熟經驗的基礎上，開始研製韶山3型電力機車。
韶山3型機車是中國鐵路第二代電力機車，採用橋式全波整流、低壓側調壓開關與晶閘管相控相結合的調壓方式，實現了調壓開關8級級間晶閘管相控平滑調壓。這種調壓方式實際上是調壓開關調壓向全相控調壓兩個發展階段之間的過渡方案，由於中國當時大功率晶閘管的製造技術水平相對落後，採用級間相控調壓能夠降低晶閘管容量，從而避免直接上馬相控電力機車帶來的技術風險。在研製過程中，田心機廠和株機所曾經以韶山1型031號機車作為技術驗證車，將原來的全波二極體整流、低壓側調壓開關改造為級間相控平滑調壓，試驗結果顯示機車性能有較大改善，與原來有級調壓相比，機車起動牽引力提高了13%～18%，坡停起動時機車發揮功率提高了2～4倍。

試驗

1978年12月30日，首台韶山3型機車（0001）在田心機車車輛廠順利落車，1979年3月試製完成出廠，隨後在鐵道部鐵道科學研究院北京環形鐵道進行了第一期性能試驗，試驗中發現機車存在一些較大的技術問題，決定回廠改進。經過對主變壓器、調壓開關、恆流控制環節、空轉保護環節、懸掛系統等方面的調整和改進，韶山3型0001號機車於1980年3月再次赴北京進行第二期性能試驗，經過近兩個月的試驗，證明機車各項主要性能指標均已經達到設計要求；在此期間， 時任中國鐵道部部長郭維城、副部長劉建章曾於1980年4月30日來到環形鐵道視察韶山3型電力機車。1980年7月至1982年11月，這台機車配屬成都鐵路局馬角壩電力機務段，在寶成鐵路投入運行考核，期間總運行里程超過21萬公里；後來經返廠解體檢查，情況基本良好。1982年12月29日，鐵道部在株洲廠召開
技術鑑定會，韶山3型電力機車通過部級技術鑑定。
完成技術鑑定後，株洲電力機車廠開始小批量生產韶山3型機車；至1989年，第一批42台機車進入成都鐵路局六盤水機務段服役。到1992年共生產677台（0001～0677）。1990年起，大同機車廠開始轉產電力機車，大同廠按照株洲廠的圖紙試製的第一台韶山3型電力機車於1990年9月15日竣工，到1992年共生產了95台（6001～6095）。韶山3型電力機車曾獲國家科技進步二等獎、國家優質產品獎。
此外，韶山3型電力機車也曾經先後三次參與中國鐵路的兩次重載試驗。1983年11月25日，為配合大秦鐵路的建設，北京環形鐵道進行了中國鐵路首次萬噸重載試驗，韶山1型、韶山3型電力機車雙機牽引重載貨物列車，總重10081噸，列車全長1748米，編組共102節。1988年，大秦鐵路二期工程完成並開通運營，1990年在大秦線上進行了萬噸重載列車運行試驗。1990年6月10日，韶山3型電力機車雙機重聯牽引萬噸重載列車運行試驗獲得成功，列車全長1.7公里，牽引總重為10698噸，其緊急制動距離不到800米。

改進

韶山3型電力機車是在1970年代末設計定型的產品，經過長時間的試驗、生產和運用，其固有缺點開始凸顯出來，主要是粘著利用係數不高；而隨著中國的晶閘管相控調壓技術在電力機車上的應用日趨成熟，原本採用調壓開關和晶閘管結合級間平滑調壓的韶山3型機車也完成了其過渡角色。1991年，株洲電力機車研究所、成都鐵路局和株洲電力機車工廠聯合按照「標準化」、「系列化」要求對韶山3型電力機車進行技術改造，選定了馬角壩機務段的韶山3型0123號機車進行試驗，主要改進包括，以晶閘管相控平滑調壓代替原調壓開關級間調壓，並採用兩台轉向架分別供電的主電路結構，更新電子控制系統並新增防空轉保護，改用加饋電阻制動以擴大電制動範圍；採用平行牽引拉杆降低牽引點高度、減少軸重轉移。經過改造後的韶山3型0123號機車於1991年7月投入運行考核，試驗證明其粘著利用比改造之前提高了10%，且牽引電動機和電子系統故障率大大降低。改造後的韶山3型機車更加適應山區鐵路曲線小、坡度長、載重大的特性，越來越多地運用在寶成、成昆、成渝、川黔等線路，為西部大開發增添了新的動力。
經過改進後的韶山3型電力機車稱為韶山3型4000系，自1992年開始批量生產。株洲電力機車廠累計生產251台（4001～4008；4085～4104；5029～5251）。根據鐵道部統一安排，韶山3型4000系的設計圖紙轉交其他機車製造廠共同生產。自1993年至2006年，大同機車廠生產了525台（4009～4084；4108～4556）；自2000年至2002年，資陽機車廠生產了57台（8001～8057）；1994年，太原機車車輛廠試製了3台（4105～4107），這也是該廠生產的第一種電力機車。到2006年，韶山3型4000系列合計產量達到836台。而1993年之前生產的韶山3型電力機車，其中大部分在後來大修時均按照4000系改進型的標準進行了技術改造，主要由寶雞機車檢修廠、大同電力機車公司、南車洛陽機車公司、太原軌道交通裝備公司等機車檢修單位負責。目前使用韶山3型電力機車的鐵路局包括廣州鐵路集團、成都鐵路局、昆明鐵路局、南昌鐵路局、蘭州鐵路局和呼和浩特鐵路局等中國鐵路總公司轄下單位；鄭州鐵路局亦曾使用本型機車，擔當中港貨櫃列車在內地段的本務機。此外，廣西沿海鐵路有限公司於2015年從南寧鐵路局購置50台本型機車，用於牽引柳州南站到防城港站區間的貨運列車。
韶山3型4000系機車早期曾被稱為「韶山3B型」，但未獲鐵道部批准採用新型號，官方規範的命名仍沿用韶山3型，而正式的韶山3B型是由2002年開始生產的韶山3B型雙機重聯電力機車。中國的鐵路愛好者對前者用「小3B」，後者用「大3B」的稱呼以示區別。

停產與退役

2006年起，韶山3型機車停產。從2009年中國鐵路調圖後，韶山3型機車陸續退出服務；目前配屬成都鐵路局的韶山3隻剩下269台，而且還在陸續報廢。

總體布置

韶山3型電力機車是六軸幹線客貨運通用電力機車，採用雙邊內走廊，設兩端司機室；主要電器設備以機車最重設備主變壓器為中央，分平面斜對稱布置為主，有利於重量平衡；車頂兩端各裝一台單臂式受電弓；車頂中部裝一台主斷路器。為了方便車體減輕自重、滿足輕量化要求，同時又增加結構的剛度和強度，傳統的底架承載結構型式已不能滿足要求，而代之以框架式整體承載結構形式。通風系統採用車體通風方式，側牆百葉窗是車內設備通風冷卻的進風窗口，百葉窗採用豎式結構，過濾除塵效果較好，外形美觀大方。
機車最大速度100公里/小時，軸式Co-Co，小時功率為4900千瓦，持續功率為4320千瓦，比韶山1型機車提高14.3%，因此機車具有較大的牽引力。機車輪周電阻制動功率達4000千瓦，比韶山1型機車電阻制動功率提高25%，兩級電阻制動改善了機車低速工況下的制動能力，韶山3型4000系電氣制動採用加饋電阻制動。

機車主電路

韶山3型電力機車是交—直流電傳動的單相工頻交流電力機車。機車主電路主要是由受電弓、主斷路器、高壓電流互感器、主變壓器、矽整流裝置、牽引電機、高壓電器櫃、平波電抗器、制動電阻櫃及電路保護裝置等組成，是產生機車牽引力和制動力的主體電路。接觸網導線上的25千伏單相工頻交流電電流，經受電弓進入機車後經過主斷路器再進入主變壓器，交流電從主變壓器的牽引繞組經過矽機組整流後，向六台分兩組並聯的牽引電動機集中供應直流電，使牽引電動機產生轉矩，將電能轉變為機械能，經過齒輪的傳遞驅動輪對。
韶山3型電力機車採用雙拍全波橋式整流、低壓側調壓開關與晶閘管相控相結合的調壓方式，利用低壓側調壓開關實現8個大調壓級和在每級內利用晶閘管相控無級調壓，實現了調壓開關8級級間晶閘管相控平滑調壓，獲得了相當於8段相控無級調壓特性。這種調壓方式既保留了調壓開關功率因數較高、諧波分量和通信干擾較小的特點，又具有平滑無級調壓充分利用機車粘著重量的特點。由於採用級間平滑調壓加上恆流限制控制，使機車具有較好的加速特性。
隨著中國的大功率晶閘管制造技術日趨成熟，且級間平滑調壓仍然採用調壓開關級間轉換，主電路系統相對複雜，因此韶山3型4000系機車改為全相控調壓方式，採用晶閘管不等分三段半控橋式相控無級調壓。

轉向架

機車走行部為兩台完全相同的三軸轉向架。首台韶山3型電力機車出廠時曾經裝用均衡梁組合式轉向架，與韶山1型電力機車轉向架基本相同，但在運用考核中發現均衡梁容易失穩從而引起軸重分配不均，且使用中均衡梁作用不靈活、空轉現象嚴重。為此，株洲電力機車廠於1983年決定在不改變轉向架原本技術參數和機車其他部件的前提下，參考ND4型、東風4型柴油機車轉向架的長處，簡化韶山3型機車轉向架結構，取消均衡梁改為獨立懸掛，一系懸掛採用軸箱螺旋鋼彈簧與彈性定位拉杆懸掛結構，增大一系懸掛軸箱拉杆的總橫向剛度，以減少磨耗件和減輕簧下重量；轉向架二系懸掛由雙中央支承體牽引改成橡膠堆全旁承承載加橫向油壓減振器，改善轉向架受力情況；牽引力和制動力通過牽引中心銷傳遞。軸箱軸承採用能承受軸向和徑向的滾動軸承。但由於其中心銷式牽引裝置因電機懸掛妨礙了中心銷位置下移，因此其牽引位置較高，不利於機車的粘著利用。韶山3型4000系電力機車的牽引裝置改為採用平行拉杆牽引裝置結構，將牽引點高度由距軌面750毫米降至460毫米，減少轉向架的軸重轉移，有效提高機車最大粘著率的發揮。
每台轉向架裝用三台帶有補償繞組、四極、高電壓的ZQ800-1型串勵脈流牽引電動機，小時功率為800千瓦，持續功率720千瓦，額定電壓為1550伏。牽引電機採取抱軸式懸掛、雙側剛性斜齒傳動方式。基礎制動採用單元制動器。