和谐3B型电力机车

背景

2004年，中華人民共和國國務院常務會議通過了《中長期鐵路網規劃》，並對研究通過的鐵路機車車輛裝備現代化實施方案明確指出，「加快我國鐵路運輸裝備現代化，要按照引進先進技術、聯合設計生產、打造中國品牌的總體要求」。根據國務院確立的上述方針，國家發改委與中華人民共和國鐵道部於2004年7月聯合下達了《大功率交流傳動電力機車技術引進與國產化實施方案》，正式開始了新型交流傳動電力機車的採購過程。2004年至2005年期間，株洲電力機車公司、大同電力機車公司、大連機車車輛公司分別與西門子、阿爾斯通、東芝公司合作，引進了420台大功率交流傳動電力機車。
為解決中國鐵路運輸運能問題、實現中國鐵路幹線貨運重載、快捷運輸的目標，中國鐵道部於2006年6月又制定了六軸9600千瓦大功率交流傳動電力機車的技術方案並確定了項目執行模式，中國技術進出口總公司啟動了由鐵道部委託承辦的大功率交流傳動9600千瓦六軸貨運電力機車招標採購項目，並與鐵道部指定的中國北車集團大連機車車輛有限公司及其合作夥伴德國龐巴迪運輸集團進行商務和技術談判。2007年2月11日，經過連續半年的技術談判，中國鐵道部、中國技術進出口總公司與大連機車車輛有限公司、龐巴迪運輸集團在北京簽訂了500台和諧型大功率交流傳動六軸9600千瓦貨運電力機車的採購合約，其中並包括部件採購合約和驅動裝置製造技術轉讓協議，合約總值11億歐元（113億元人民幣），其中龐巴迪的份額約3.7億歐元，時任中國鐵道部副總工程師兼運輸局局長張曙光、龐巴迪公司執行副總裁那瓦利（André Navarri） 以及相關各方代表均出席了簽約儀式。

研製

新機車被定型為HXD3B型，其中「HX」是「和諧」的漢語拼音首字母縮寫、「D」代表電力機車、「3」為代表大連機車車輛公司的生產廠商代號，通稱為「和諧」3B型電力機車。根據合約規定，HXD3B型電力機車由大連機輛公司負責進行整車主要設計，並由龐巴迪公司幫助設計校核；而牽引系統及控制設備的技術設計及支援由龐巴迪公司提供，首數套牽引系統及控制設備將在龐巴迪公司位於歐洲的工廠生產，隨後的生產將由龐巴迪在中國的合資公司——江蘇常牽龐巴迪牽引系統有限公司，及大連機輛公司共同生產。
HXD3B型電力機車是在HXD3型電力機車設計製造技術平台的基礎上，借鑑龐巴迪公司為瑞典盧基礦業公司（LKAB）設計製造的IORE型電力機車，為滿足中國鐵路重載貨運需要而研發的大功率交流傳動幹線貨運用六軸電力機車。機車軸式Co-Co，軸重25噸，牽引系統採用交—直—交流電傳動、水冷IGBT牽引逆變器、變頻異步牽引電動機、「MITRAC」微機控制系統、單軸控制技術、輪盤制軔技術，單軸功率1600千瓦，額定總功率為9600千瓦，能夠在平原地區單機牽引5500～6500噸貨物列車，最高運行速度為120公里/小時。
2007年6月底，大連機輛公司已經完成IORE型電力機車的圖紙接收及整理工作。2008年上半年，大連機輛公司完成了三次設計評審和三次設計聯絡會，並通過了轉向架、車體、牽引系統、微機控制系統、主變壓器等的部級設計評審。2008年9月，第四次設計聯絡會在北京進行，HXD3B型電力機車進入生產、試製階段，開始投料試製車體、構架等主要部件；主變壓器完成了例行試驗後，於2008年10月通過國家變壓器質量監督檢驗中心瀋陽變壓器研究所的型式試驗。2008年11月底，首台機車開始進入總組裝流水線。2008年12月29日，首台HXD3B型電力機車在大連下線。

試驗

2009年2月初，HXD3B型0001號機車完成了為時一個多月的廠內調試。2009年2月7日，機車在瀋大鐵路大連至瓦房店區間進行了首次正線重載牽引試驗；2月14日，機車被送往中國鐵道科學研究院北京環形鐵道試驗基地進行型式試驗和綜合性能試驗。2009年4月6日至9日，HXD3B型0001號機車赴廣州鐵路集團公司管內進行牽引試驗，先後在京廣鐵路株洲至衡陽區間、滬昆鐵路株洲至婁底區間試運行；4月16日至17日，機車又在太原鐵路局管內北同蒲鐵路湖東至原平區段進行動力學及動應力試驗。經過首台機車的運用考核和生產工藝結構改進，HXD3B型電力機車於2009年9月投入批量生產；2012年2月20日，大連機輛公司完成了500台機車的生產任務
。

運用

2009年10月，首二台HXD3B型電力機車（0001、0002）配屬上海鐵路局南京東機務段投入京滬鐵路試運行，初期主要擔當南京東至常州的貨物列車牽引任務。根據當時鐵道部原定的機車配屬計劃，首批HXD3B型電力機車原計劃大批量配屬南京東機務段，替換原有的HXD3型電力機車，但由於京九鐵路北線電氣化改造工程（北京西至樂化段）將提早於2009年12月完成，需要較大數量的電力機車來滿足京九線的貨運需要，因此鐵道部決定先將HXD3B型電力機車改為投放到京九線使用，而南京東機務段在較後時間配屬HXD2B型電力機車。2009年11月，北京鐵路局豐臺機務段豐臺車間、天津北車間開始配屬HXD3B型機車，而南京東機務段的0001、0002號機車改由阜陽機務段臨時支配，用於司機教學，後來亦改配屬豐臺機務段。2009年12月29日，京九鐵路電氣化竣工開通，HXD3B型機車開始擔當南倉、豐臺西至阜陽北間的貨物列車牽引任務。
2010年2月起，瀋陽鐵路局的蘇家屯機務段、大連機務段、錦州機務段也開始大批量配屬HXD3B型電力機車，投入京哈鐵路、瀋大鐵路、瀋山鐵路、津山鐵路運用，擔當大連金州至哈爾濱、蘇家屯至營口鮁魚圈、南倉至瀋陽西的貨物列車牽引任務。2010年7月，由於邢貢聯絡線建成通車，北京鐵路局石家莊電力機務段開始支配運用HXD3B型機車，擔當石家莊至南倉、北塘西間貨物列車牽引任務。而在大鄭鐵路2018年4月完成電氣化後，瀋局HXD3B交路亦延伸至霍林河，與通遼機務段的HXD2混合使用。
2014年7月1日起，北京鐵路局豐臺機務段HXD3B機車開始擔當北京西至安慶間K1071/1072次客運列車牽引任務，交路為北京西至阜陽。其中部分時段由毛澤東號機車HXD3B1893負責牽引。同年12月，毛澤東號機車更換為HXD3D型客運電力機車。

總體布置

HXD3B型電力機車是六軸大功率幹線貨運電力機車，車體採用整體承載結構及模組化設計，兩端各設有一個司機室，司機可在任何一端司機室對機車進行控制；車內設備布置以兩側屏櫃化、平面斜對稱布置，並設寬600毫米的中央通道，通道左右兩側設有主變流裝置、通風機、空氣壓縮機等設備，車上並為司機提供了冰箱、微波爐、衛生間等生活設施。每台機車車頂設有兩台TSG15型單臂式集電弓，而真空斷路器、接地開關、高壓隔離開關、避雷器、高壓電壓互感器、高壓電流傳感器等高壓電器集成在機械間內的高壓櫃中，提高機車雨霧等天氣抗污閃能力；車頂中央頂蓋上設有檢修升降口，由此上車頂進行檢修和維修作業。牽引變壓器採用臥式懸掛結構，吊裝於車底中部。
機車冷卻系統主要包括油水冷卻塔通風系統、機械間輔助通風系統、牽引通風機通風系統、空調通風系統等，機車採用獨立通風方式，從側牆上部進風百葉窗吸入冷風，通過獨立冷卻風道向發熱部件冷卻後從車底排出，並維持機械間呈微正壓，改善機車防塵效果及防寒性能。機車軸式為Co-Co，持續功率為9600千瓦；機車軸重為25噸。空氣制軔系統採用克諾爾公司的「CCB II」微機控制電空制軔系統；機車單機以120公里/小時的速度在平直道上施行緊急空氣制軔時，最大制軔距離小於1100米。

電氣系統

HXD3B型電力機車是交—直—交流電傳動的單相工頻交流電力機車，機車主電路由主變壓器、牽引變流器、牽引電動機三大部分構成。架空電車線導線上的25千伏工頻單相交流電電流，經集電弓、主斷路器進入機車後再輸入主變壓器，交流電經過主變壓器的六個牽引繞組降壓後向牽引變流單元供電；單相交流電經過六組四象限脈衝整流器整流為直流電，每二組四象限整流器向一個中間直流迴路供電，一個中間直流迴路向二組牽引逆變器供電，六組逆變器將直流電轉換成三相交流電輸出，每組逆變器向一台異步牽引電動機供電，實現機車的軸控驅動，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。
機車主變壓器為一體化多繞組（全去耦）變壓器，具有高阻抗、重量輕等特點，並包含了三台諧振電抗器，變壓器採用下懸式安裝、強迫導向油循環風冷卻。每台機車設有3個主變流器櫃，每台主變流器櫃由二個四象限脈衝整流器、一個中間直流環節、二個兩點式電壓型PWM逆變器和一個輔助變流器組成；功率控制模組採用水冷IGBT變流模組（4500V/600A），中間直流電壓為2800伏特。HXD3B型機車採用龐巴迪MITRAC TM-3800N型牽引電動機，該型電動機為六極鼠籠式三相異步牽引電動機，電動機採用全疊片結構，額定功率為1632千瓦，額定電壓為2183伏特，冷卻方式為強迫通風，採用直接磁通控制方式（DFC），來實現電動機轉矩的控制。
HXD3B型機車設有三個IGBT輔助變流器，由主變流器中間直流環節供電，將直流電逆變為三相交流電。 正常情況下三個變流器的其中一個為恆頻恆壓變流器（CVCF），為水泵、油泵、空調、空氣壓縮機、蓄電池充電機等設備供電；二個為變頻變壓變流器（VVVF），向兩台複合冷卻塔風機和六台牽引通風機電。當機車通過分相區時，輔助變流器改由再生制軔產生的電能供電。

控制系統

HXD3B型電力機車採用龐巴迪公司的「MITRAC」微機控制系統，以國際標準的列車通信網絡（TCN）和乙太網作為通信網絡。網絡控制系統為分布式計算機體系，採用32位元微處理器，按功能可劃分為列車控制級、機車控制級以及驅動控制級，包括了機車控制單元、牽引控制單元、司機顯示單元、制軔控制單元、乙太網交換單元、網關等設備。TCN採用二層匯流排結構，分別為多功能車輛匯流排（MVB）和絞線式列車匯流排（WTB），其中MVB負責單節機車內部各單元的數據交換，而WTB負責機車與機車之間的重聯通信，最多可實現三台機車重聯。控制系統具有機車順序邏輯控制、牽引和制軔控制、無人警惕控制、機車主輔電路保護控制、機車重聯控制、機車狀態監控、故障信息記錄和顯示等功能。

轉向架

機車走行部為兩台完全相同的三軸轉向架，其結構與IORE型電力機車大致相同。轉向架構架採用鋼板焊成箱形結構的「目」字型構架，輪對軸箱採用單側拉杆定位，車輪為整體輾鋼車輪。一系懸掛採用螺旋彈簧配合軸箱拉杆及垂向油壓減震器；二系懸掛為高圓螺旋彈簧配合垂向油壓減震器。牽引力或制軔力通過內側低位斜牽引拉杆傳遞。驅動裝置主要包括牽引電動機、鑄造齒輪箱、抱軸箱體、主從動齒輪等部件，牽引電動機採用滾動軸承抱軸式半懸掛、單邊單級剛性斜齒輪傳動。基礎制軔裝置為輪盤制軔，每個車輪安裝一套獨立的單元制軔器，其中每個轉向架有兩套單元制軔器具有彈簧停車儲能停放制軔功能。轉向架並設有輪緣潤滑裝置。

機車命名

2010年，北京鐵路局豐臺機務段向鐵道部提出了「毛澤東號」機車換型申請；2010年10月，鐵道部批示新一代「毛澤東號」機車採用大連機車車輛有限公司生產的HXD3B型電力機車。2010年12月20日，「毛澤東號」機車第四次換型，以毛澤東誕辰年份為車號的HXD3B型1893號電力機車成為第五代「毛澤東號」機車，替換了上一代的東風4D型1893號柴油機車。2014年7月1日，該機車開始牽引北京西至安慶的K1071/1072次列車，直至同年12月「毛澤東號」機車再次更換為和諧3D型1893號電力機車。