日本國鐵EF80型電力機車

開發背景

1959年，日本國有鐵道開始對常磐線取手以北實施交流電氣化改造，並在取手至藤代之間設置一個交直流中性區，使交直流兩用的鐵路車輛能夠以車上切換方式，在列車運行時無需停車就能完成電流制的轉換。同年，日立製作所在ED71型電力機車的基礎上，試製了首台交直流兩用的ED46型電力機車（後來改稱為ED92型電力機車），同時適用於1500伏直流電和20千伏50赫茲單相交流電氣化鐵路。
1962年，日立製作所根據ED46型電力機車的試驗結果和運用經驗，研製了新一代的EF80型電力機車。EF80型電力機車是客貨運通用的雙電流制六軸電力機車，機車軸式為B-B-B。最初日本國鐵曾經打算分別研製四軸客運機車和六軸貨運機車，但考慮到未來旅客列車逐漸改用電聯車擔當後，剩餘的四軸電力機車將難以改為貨運用途，因此最終決定開發客貨運通用的六軸電力機車，並且分為帶有列車供電裝置的客運型，以及沒有搭載列車供電裝置的貨運型。
EF80型電力機車裝有油冷式主變壓器和矽二極體整流器，調速控制採用電阻調壓、串並聯換接和磁場削弱方式，並採用了單馬達轉向架和輪對空心軸架懸式驅動裝置。機車整備重量為96噸，最高運轉速度為105公里/小時，在交流及直流區段的小時功率均為1950千瓦，可以滿足單機牽引1200噸貨物列車（遠期1300噸）在10‰長大坡道上起動的需要，而在平直道上單機牽引600噸旅客列車的最大平衡速度可達105公里/小時。

運用歷史

自從在1962年投入運用起，所有EF80型電力機車均以水戶鐵道管理局（今東日本旅客鐵道水戶支社）管內為主要使用範圍。1962年至1963年間，50台早期型機車陸續配屬到田端機關區。1962年10月1日，常磐線勝田至高萩區段完成交流電氣化，日本國鐵實施列車運行圖調整，EF80型電力機車主要擔當上野至水戶間普通旅客列車的牽引任務，替代了原本使用的C62型蒸汽機車，而水戶以北路段則仍然使用蒸汽機車牽引。1963年5月1日，常磐線高萩至平區段完成交流電氣化，EF80型電力機車的牽引區段延長至平，廣泛運用於牽引包括「夕鶴號」臥鋪特急、「十和田號」夜行急行在內的各種旅客列車及貨物列車。此外，EF80型電力機車亦曾經在東北本線運用，擔當上野至黑磯間的臨時旅客列車，或田端至郡山間直通貨物列車的牽引任務。
1962年至1965年間，田端機關區所屬的部分EF80型電力機車入助勝田電車區。1966年至1967年初，13台改良型機車陸續配屬到勝田電車區。1967年，隨著與常磐線連接的新金貨運線及水戶線全面完成電氣化，EF80型電力機車亦開始投入該兩線運用，主要擔當水戶線小山至友部、新金貨物線（總武本線貨運支線）新小岩至佐倉、金町的貨物列車牽引任務。同年8月，常磐線全線的電氣化改造工程全部完成，勝田電車區所屬的13台改良型機車全部轉配屬內鄉機關區，至此所有EF80型電力機車均集中配屬到規模較大的田端機關區及內鄉機關區。此時，EF80型電力機車的運用區段仍然保持在平以南，常磐線平以北則使用ED75型電力機車。1968年7月，與總武本線接續的外房線千葉至蘇我區段完成電氣化改造，自此外房線亦開始出現EF80型電力機車的蹤影。
1968年，為了提高寢台旅客列車（藍色列車）的旅行速度，日本國鐵對所有20系客車進行制軔系統改造，通過對原本的AS空氣軔機加裝電空閥、中繼閥等電控裝置改造為AREB電空軔機，實現列車制軔系統的電控化，使列車最高運行速度由95公里/小時提高至110公里/小時。為配合「夕鶴號」特急列車的牽引需要，12台EF80型電力機車（1～12）進行了相應改造。改造內容包括加裝機車電空軔機及KE72型電氣連接器，並加裝總風管以滿足20系客車空氣彈簧的用風需要。由於常磐線的最高速度限制為95公里/小時，因此機車無需加裝電空軔機和列車乘務員有線電話等設備。
1973年，隨著田端機關區開始配屬EF81型電力機車，該區所屬的EF80型電力機車不再投入東北本線方面運用，並開始向內鄉機關區轉出EF80型電力機車。至1974年10月，田端機關區和內鄉機關區分別配屬有36台和27台EF80型電力機車。1978年10月，內鄉機關區所屬的EF80 24、25、26號機車轉配屬福島機關區（今福島綜合運輸區），但不久之後就再度轉配屬到田端機關區。
1980年起，為了淘汰日漸老化的EF80型電力機車，部分原本配屬富山機關區和酒田機關區的EF81型電力機車，開始轉配屬到田端機關區並投入常磐線運用，而運用時間最長的第一批EF80型電力機車則開始逐步報廢。與此同時，內鄉機關區的所有EF80型電力機車分批轉移到田端機關區，直至磐城貨運站和內鄉機關區於1985年被撤銷，當時田端機關區尚未報廢的EF80型電力機車僅餘下20台。1986年，EF80型電力機車全部除籍和報廢。

設備布置

EF80型電力機車是客貨運通用的雙電流制電力機車，適用於供電制式為1500伏直流電和20千伏50赫茲的工頻單相交流電的電氣化鐵路。EF80型電力機車可分為客運型和貨運型，差異僅在於客運型搭載了列車電氣供暖用的電動發電機（MG），而貨運型則加裝壓鐵配重以保證整備重量與客運型一致。
車體兩端各設有一個司機室，司機室內機車運行方向的左側設有司機操縱台，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密封光束燈式前照燈。車體中部是設有各種機械及電氣裝置的機械室，並設有貫通式雙側內走廊連接兩端司機室。車頂安裝有兩台PS19型雙臂式集電弓、交直流切換器、高速斷路器、避雷器等高壓電氣設備。車體下方除了設有三台轉向架外，還吊裝著輔助電阻器、平波電抗器和蓄電池。

通風系統

機械室內設備採用車體通風、集中冷卻的降溫方式。車身兩側各設有七個通風百葉窗和採光玻璃窗，是車內設備通風冷卻的主要進風窗口。車內前、中、後分別設有三台電動通風機，第一通風機用於冷卻第一台牽引馬達和主變壓器，第二通風機用於冷卻第二台牽引馬達和整流器，第三通風機用於冷卻第三台牽引馬達和平波電抗器。而主電阻器則採用獨立的通風冷卻系統。

車體結構

EF80型電力機車採用整體承載式全鋼焊接結構箱型車體，車體全長16,700毫米，全寬2,800毫米。由於單馬達轉向架的牽引馬達安裝位置相對較高，因此車體底架採用了無中梁的框架式承載結構，底架由側梁、橫樑、端梁、枕梁組成。車體鋼結構使用鋼板擠壓而成的型鋼材料製成，車體薄板蒙皮採用組焊工藝，車體裝配作業廣泛應用模組化結構以提高生產效率。車體兩端安裝有柴田式上作用自動車鉤及LI-7B型緩衝器。

機車主電路

EF80型電力機車是交—直流電傳動的整流器式電力機車，機車主電路由空氣斷路器、交直流切換器、主變壓器、整流器、牽引馬達、主電阻器、電路保護裝置等部分組成。在交流電模式時，機車從架空電車線獲取高壓交流電，首先由主變壓器降低電壓，再通過矽整流器轉換成脈流電（即方向不變而只有電壓變化的直流電），經過電阻調壓後供電給牽引馬達。在直流電模式時，機車從架空電車線獲取直流電，經過電阻調壓後直接向牽引馬達供電。
EF80型電力機車採用車上切換方式來過渡到另一種電流制式，可以在運行時無需停車就完成交直流切換過程。當機車通過交直流中性區之前，通過主斷路器的電控氣動操作，斷開網側電源和機車主電路的連接；而交直流切換器完成轉換並通過中性區後，又再自動閉合主斷路器，這一過程中集電弓無需降弓。當機車由直流區段過渡到交流區段後，（機車運行方向）前端集電弓會在下一停靠車站降弓，以減少對架空電車線造成不必要的磨耗。
EF80型電力機車的調速控制方式和直流電力機車一樣，採用電阻調壓、牽引馬達的串—並聯換接、以及磁場削弱控制來達到調速的目的。調速控制器共有34個調壓級位，其中弱磁起動位1級、串聯位17級、並聯位13級、磁場削弱位3級。

主變壓器

機車裝用一台TM7A型芯式單相主變壓器。原邊輸入電壓為20千伏，冬季額定容量為2670千伏安（開啟列車供電），夏季額定容量為2280千伏安（關閉列車供電），冷卻方式為強迫油循環導向風冷卻。變壓器次邊有三個線圈，包括一個向整流器供電的牽引線圈（額定電壓為2077伏特，額定容量為2274千伏安）、一個向輔助系統供電的輔助線圈（額定電壓為218伏特，額定容量為6千伏安）及一個向旅客列車供電的供電線圈（額定電壓為1500伏特，額定容量為390千伏安）。

矽整流器

整流裝置採用RS9型矽整流器。整流器使用日立製作所研製的DJ15L型矽二極體（最大反向電壓為1000伏特，最大反向脈衝電壓為1300伏特，平均整流電流為100安倍），整流裝置由四個橋臂組成單相橋式全波整流電路，每一橋臂由七個並聯支路組成，每個支路有九個串聯連接的二極體，每台機車共使用252個二極體元件。整流器額定功率為2200千瓦，額定整流電壓為1500伏特，額定電流為1463安倍，採用強迫通風冷卻。

牽引馬達

每台轉向架安裝一台MT53型牽引馬達（改良型機車使用MT53A型），是在ED46型電力機車所使用的MT913型牽引馬達的基礎上改良而成。MT53型馬達是帶有補償線圈的四極串勵直流馬達，定子線圈採用環氧樹脂浸漬絕緣，以提高絕緣及耐熱性能。小時功率為650千瓦，持續功率為600千瓦，額定電壓為1500伏特，額定轉速為每分鐘845轉，採用強迫通風冷卻。為擴大機車的恆功調速範圍，還可以對牽引馬達使用三級磁場削弱，削弱率最深可達35%。

電氣供暖

客運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直接供電。在交流區段時，由主變壓器的供電線圈向列車輸出1500伏特單相交流電，司機室側門旁邊並裝有一盞供電狀態指示燈。而在直流區間時則由一台大容量電動發電機供電，將1500伏特直流電轉換成1440伏特單相交流電，額定容量為320千伏安。列車供電系統還可以根據環境溫度對輸出電壓作三檔調節（100%、75%、50%）。機車兩端設有KE3型供電插座，通過供電線與列車連接。
1968年，隨著半導體技術的快速發展，日立在EF80 63號機車上進行了安裝閘流體逆變器（靜止式變流器）的試驗，取代了效率較低的電動發電機。該逆變器額定容量同樣為320千伏安，採用單相橋式逆變電路，並設置了大容量直流濾波器來減少輸入電源的脈動。這種閘流體逆變器在EF80 63號機車上取得良好的效果，並在同年投產的EF81型電力機車上開始推廣使用。

輔助電路

EF80型電力機車的輔助電路系統主要採用直流電傳動。機械室內三台電動通風機、主電阻器電動通風機、電動空氣壓縮機、輔助空氣壓縮機均採用直流馬達驅動，輸入電壓為1500伏特直流電，在直流區段由架空電車線直接饋電，在交流區段則由整流器供電。主變壓器油泵則採用單相異步馬達驅動，由主變壓器輔助線圈直接供電。另外，還設有一台小型電動發電機，將1500伏特直流電轉換成100伏特直流電，供控制電路、照明電路、蓄電池充電之用。

主要結構

機車走行部為三台二軸轉向架，早期型機車採用DT127型兩端轉向架和DT128型中間轉向架，改良型機車採用DT135型兩端轉向架和DT136型中間轉向架。
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2212毫米。轉向架採用全旁承支重結構，車體全部重量通過六組旁承彈簧坐落在三台轉向架上。一系懸掛為軸箱頂端螺旋彈簧，二系旁承懸掛為每側兩個並聯的螺旋圓彈簧組，並配有垂向油壓減震器。中間轉向架和車體之間還設有橫向滾動裝置以便通過曲線。基礎制軔裝置為單側閘瓦制軔，轉向架左右各設有一個制軔缸，並設有制軔橫樑以保證兩側閘瓦同步作用，另外還設置了閘瓦間隙調整器。

驅動裝置

EF80型電力機車也是繼ED46、EF30型電力機車之後，第三種採用單馬達轉向架的國鐵電力機車，每個轉向架安裝一台大功率牽引馬達並成組驅動兩個輪對。
EF80型電力機車採用QD9型驅動裝置，牽引馬達採用架懸式安裝方式，將牽引馬達橫向固定在轉向架構架中梁，即兩個輪對之間；從牽引馬達軸端齒輪輸出的轉矩，通過前後兩個中間齒輪分別傳動兩個輪對的大齒輪。驅動裝置採用輪對空心軸傳動方式，大齒輪由滾動軸承安裝在空心軸套上，轉矩由大齒輪通過橡膠連杆機構傳給空心軸，空心軸的另一端亦使用橡膠連杆機構與車輪相連。牽引齒輪傳動比為3.6（20：72）。
1965年，日本企業聯合體（日立、三菱、東芝）向印度國家鐵路出口的45台WAG2型電力機車，亦採用了相似結構的單馬達轉向架和輪對空心軸傳動裝置。

牽引裝置

早期型和改良型機車轉向架的差異只在於牽引裝置。早期型機車使用心盤來傳遞牽引力和制軔力，兩端轉向架各設有一個心盤牽引裝置，中間轉向架則設有兩個心盤牽引裝置，分別布置在牽引馬達兩側。心盤牽引的缺點的牽引高度較高，牽引點高度距離軌面約1080毫米。為了充分利用機車粘著重量及減少軸重轉移，改良型機車的兩端轉向架改為採用雙側平行牽引拉杆，而中間轉向架仍然採用心盤牽引。