和谐3型电力机车

背景

隨著中國經濟持續增長，鐵路貨運需求也隨之增加。由1997年至2001年，中國鐵路已成功地實施了4次大提速，但由於主要幹線仍然存在「客貨混跑」的局面，在提高旅客列車速度的同時還必須兼顧貨物列車的速度、密度和重量等因素，而貨物列車的運行速度已經成為客運提速的制約因素之一，因此在客運專線網絡成型、客貨分流獲得實現之前，開行重載貨物列車的同時還必須提高貨物列車的速度，以緩解貨運列車和客運列車爭奪線路運輸能力的矛盾。中國鐵道部的《鐵路機車車輛工業科技發展「十五」計劃綱要》中明確提出，第十個五年計劃期間中國要研製最高速度120公里/小時的貨運電力機車，並採用國外流行的交流傳動技術，提升國產機車的設計製造水平。為了研製一種能夠滿足中國鐵路貨運需要的新型電力機車，大連機車車輛廠就機車採用直流或交流傳動、六軸或八軸、以及功率和軸重等級等技術議題進行了論證和分析，最終決定以發展大功率交流傳動貨運電力機車的方向，開發目標為Co-Co軸式、單軸功率1200千瓦、最高速度為120公里/小時的六軸電力機車，設計牽引定數5000噸。
早於1999年，大連機車車輛廠已經開始與日本東芝公司進行技術合作，首先在大連快軌車輛項目上取得了成功，首次引進了東芝的交流傳動牽引系統。在大連快軌車輛項目合作初期，大連機車車輛廠與東芝公司商定，將幹線電力機車的交流傳動技術作為大連快軌車輛項目的一個不可分割的部分，為引進東芝公司在交流傳動技術和機車生產工藝方面的先進技術作好準備，以提高大連機車車輛廠大功率交流傳動機車的技術水平。大連機車車輛廠於2001年開始為交流傳動貨運電力機車的開發研製進行了大量的前期研究和論證，確定了同東芝公司合作的發展戰略。2001年6月，大連機車車輛廠正式向中國鐵道部提出申報開發項目，隨即得到鐵道部科技司獲准立項。2001年12月，經過12次的雙方技術會談後，大連機車車輛廠與東芝公司正式簽訂了關於共同開發六軸交流傳動貨運電力機車的合作協議書。

研製

根據協議，新機車由大連機車車輛廠擔當機車總體設計，生產車體、轉向架、制軔系統，並負責機車的組裝和調試；而東芝公司負責設計和提供主變流器、輔助變流器和微機控制系統。按照中國鐵道部對鐵路機車「標準化、系列化、模組化、信息化」的要求，新機車採用了集合化、模組化的設計，整台機車三維設計由Pro/ENGINEER設計軟體完成。車體採用框架式整體承載結構和標準化司機室，車體外觀是在韶山7E型電力機車基礎上對車頭線形進行了部分調整，前窗採用一整體玻璃以改善嘹望視角。機車採用交—直—交流電傳動，使用由東芝提供的水冷IGBT牽引變流器、1250千瓦異步牽引電動機、機車控制監視系統（TCMS），並且在中國鐵路機車首次採用軸控技術，而非架控技術。架控方式即是當轉向架中有一台牽引電動機出現故障時，機車只能關閉整個轉向架上的所有牽引電動機，並損失一半牽引力，但採用軸控技術的機車在同樣情況下就可以單單關閉故障電動機，其它未故障的兩台電動機仍可繼續運轉，機車牽引力僅損失六分之一。
2002年9月，大連機車車輛公司和東芝公司共同出資，在大連保稅區成立了大連東芝機車電氣設備有限公司。2002年10月，開始機車技術設計，並由大連機輛公司技術開發部副部長劉會岩擔任項目總體主管設計師；2003年5月，開始進行施工設計；2003年10月，進入試製階段；2003年12月31日，首台機車在大連機輛公司落成。2004年4月，經鐵道部批准，該台機車被定型為SSJ3型，其中「SS」代表「韶山」系列電力機車、「J」代表交流傳動。由此，韶山交流3型電力機車，成為最後一款「韶山」系列電力機車，亦是「韶山」系列中唯一採用交流電傳動的機車。而東芝公司則將此型機車定型為EL72型，當中「EL」指出口型電力機車，「72」指牽引功率為7200千瓦。

試驗

2004年4月26日，經過一段時間的廠內調試後，SSJ3型0001號機車在大連機輛公司下線，隨即赴中國鐵道科學研究院北京環形鐵道試驗基地。2004年4月27日至7月4日，機車進行了歷時二個多月的型式試驗，包括制軔試驗、接地回流、集電弓靜態特性、動力學調試、牽引性能試驗等項目；期間，機車於2004年5月下旬在北同蒲鐵路大西至原平間，完成了23、25噸軸重狀態下動力學性能試驗，機車最高試驗速度達到139公里/小時。
2004年7月30日，SSJ3型電力機車在瀋陽鐵路局金州機務段投入運用考核，在瀋大鐵路蘇家屯至金州區間擔當5000噸重載貨物列車的牽引任務。在此期間，為配合準備中國鐵路第六次大提速的需要，SSJ3型電力機車於2005年5月17日至6月6日前往重慶市境內的遂渝鐵路，參與鐵道部組織的「遂渝線200公里/小時提速綜合試驗」；試驗區段為合川至北碚北站，試驗項目包括驗證120公里/小時貨物列車、120公里/小時雙層貨櫃列車對地面線路和橋樑設備的影響、單線隧道的空氣動力學性能、弓網受流性能、制軔性能等。試驗過程中，當SSJ3型電力機車牽引3100噸空重混編貨物列車時，最高時速達到136公里/小時，創造了中國鐵路貨運列車的最高時速；當機車牽引2100噸的雙層貨櫃列車時，最高時速達131公里/小時。2005年10月18日，SSJ3型電力機車完成了在瀋陽鐵路局進行的20萬公里運用考核。2005年11月，鐵道部安排對SSJ3型電力機車各主要部件拆解檢查、試驗。
2006年1月，SSJ3型電力機車再次被送往北京環形鐵道，參與鐵道部科技司、運輸局裝備部組織的「提速貨車120公里/小時環行線第二階段可靠性試驗」，擔當牽引提速試驗貨物列車，以進行提速貨車的動力學試驗研究。至2007年10月完成了全部試驗，機車共計走行18萬公里，每天運行154圈共計1309公里。2008年，SSJ3型機車返回大連機輛公司進行首次中修，至2009年初完成中修後正式配屬瀋陽鐵路局蘇家屯機務段。

背景

自2003年劉志軍出任中華人民共和國鐵道部部長後，提出並實施鐵路「跨越式發展」，以儘快縮小在鐵路機車車輛裝備上與國際先進水平的差距。2003年11月，中國鐵道部與中國南車、北車集團及其重點企業共同制定了《加快鐵路機車車輛裝備現代化實施綱要》，並選擇了6家機車製造企業作為引進先進技術和自主創新依託的主體。2004年1月，中國國務院常務會議通過了《中長期鐵路網規劃》；2004年4月，國務院常務會議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，力爭在較短時間內，使我國機車車輛生產能力達到世界先進水平」。根據國務院確立的上述方針，中國國家發改委與鐵道部於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6月18日，由中國鐵道部委託中國技術進出口總公司承辦進行「大功率交流傳動電力機車採購和技術引進項目」正式展開招標。同年10月27日，大連機車車輛公司、東芝公司和中國鐵道部在北京簽訂了《大功率交流傳動電力機車採購和技術引進項目》全部合約，共同獲得了60台交流傳動貨運電力機車的訂單，合約總金額達12.5億元人民幣。同時，永濟電機廠並與東芝公司簽訂《大功率交流傳動電力機車採購和技術引進項目電機技術轉讓合約》，負責承擔牽引電動機的技術引進和國產化工作。

研製

根據合約規定，這批機車由大連機輛公司和東芝公司聯合設計，其中首4台機車（0001～0004）由東芝公司總裝，大連機輛公司提供車體、轉向架等結構部件，並整車進口中國；另外12台機車（0005～0016）為進口散件國內組裝，東芝提供變流器、牽引電動機等原裝電氣設備部件，由大連機輛公司組裝；最後44台（0017～0060）為國產化生產階段，通過技術轉讓由大連機輛公司、永濟電機廠生產主要電氣部件，國產化率可達到85%。
經鐵道部批准，新機車初期被定型為DJ3型，其中「D」代表電力機車、「J」代表交流傳動。DJ3型電力機車是以SSJ3型電力機車及日本貨物鐵道EH500型電力機車作為技術平台，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，機車總體結構與SSJ3型機車大致相同，採用交—直—交流電傳動，水冷IGBT牽引變流器、1250千瓦異步牽引電動機、機車控制監視系統（TCMS），持續功率為7200千瓦，最高運行速度為120公里/小時。
2005年，DJ3型電力機車項目進入執行階段，由東芝公司委託大連機輛公司提供首4台機車的車體、轉向架開始投入生產。2005年5月6日，大連機輛公司再獲鐵道部的180台DJ3型電力機車採購合約，其中60台機車由北京二七機車廠分包生產。2005年12月，首台機車的車體、轉向架發運往日本。2006年6月，首4台整車進口的DJ3型電力機車由日本運抵大連。0001號機車隨後被送往北京環形鐵道，進行25噸軸重狀態下的型式試驗。按鐵道部安排，該台機車於2006年8月赴鄭州鐵路局新鄉機務段，在京廣鐵路新鄉至安陽間和太焦鐵路、新月鐵路新鄉至晉城北間進行23、25噸軸重狀態下動力學性能試驗，機車在京廣線上的最高試驗速度達到132公里/小時。
2006年10月，首台由大連機輛公司生產的國產化機車（0017）落成，同時車型由DJ3型更名為「神龍1型」（SL1）；同年11月下旬至12月上旬，神龍1型0017號機車在鄭州鐵路局、武漢鐵路局管內京廣鐵路、太焦鐵路完成了動力學性能試驗。2006年12月8日，首批國產化機車下線出廠並交付使用；同時中國鐵道部正式批准將新型大功率交流傳動電力機車系列統一命名為「和諧型」，神龍1型電力機車更名為HXD3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」為大連機車車輛公司的生產廠商代號，通稱為「和諧」3型電力機車。
2006年12月28日，首台由北京二七機車廠在大連機輛公司協助下試製的HXD3型電力機車（0061）下線。根據二七廠的生產計劃，第一批5台機車（0061～0065）由大連機輛公司協助組裝並參與組裝、調試培訓；第二批2台機車（0066～0067）的大部件從大連購買，並在二七廠的流水線上組裝；第三批3台機車（0068～0070）的車體鋼結構大部件由二七廠自製；從第4批機車為批量生產車。

總體布置

HXD3型電力機車是六軸大功率幹線貨運用電力機車，車體採用框架式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700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DSA-200型單臂式集電弓，其他車頂外置設備包括高壓隔離開關、高壓電壓互感器、真空斷路器、避雷器、接地開關等高壓電器；在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（在名為韶山交流3型的原型機車右側，另設有排氣口；其後的所有和諧3型，則將通風口與升降口合二為一）。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主變壓器系統冷卻、主變流裝置系統冷卻、牽引電動機冷卻、輔助電源裝置冷卻、空氣壓縮機的冷卻及包括衛生間通風及車內換氣等，機車採用車體獨立通風方式，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7200千瓦；機車標準軸重為23噸，並可以通過增加壓鐵提高到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800米（23噸軸重）或900米（25噸軸重）。

主電路

HXD3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。每台機車設有6套完全獨立而又相同的牽引變流單元，分別安裝在2個牽引變流櫃內，分別為2台轉向架上的6台牽引電動機供電。接觸網導線上的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6個牽引繞組降壓後向牽引變流單元供電；單相交流電經過6組四象限脈衝整流器整流為直流電，然後向電壓為2800伏特的中間直流迴路供電，再由6組牽引逆變器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。如果其中一組牽引變流單元發生故障，機車可自動切除故障單元，其餘單元仍正常工作，機車仍可保持六分之五的牽引動力。
主變壓器型號為JQFP2-9006/25(DL)，為一體化多繞組（全去耦）變壓器，具有高阻抗、重量輕等特點，採用下懸式安裝、強迫導向油循環風冷卻，絕緣介質為普通礦物油；高壓引線採用法國耐克森公司（Nexans）的高壓端子產品，在低壓套管出線裝置中採用了新型合成樹脂的出線裝置，具有安裝拆卸方便，可靠及使用壽命長的特點。
每台機車裝有兩台牽引變流櫃，每台牽引變流櫃內含有三組牽引變流器單元和一組輔助變流器；每組變流器單元由一個四象限脈衝整流器、一個中間直流環節、一個兩點式電壓型PWM逆變器組成，通過高次諧波整流和錯開各組控制載波的相位，從而降低高次諧波和提高功率因數；功率控制模組採用水冷IEGT（高耐壓IGBT系列電力電子器件）變流模組（4500V/900A），中間直流電壓為2800伏特。主變流器採用亞乙基二醇純水溶液作為冷卻液，確保在零下40℃時不凍結。主變流器水冷和主變壓器油冷採用FL220型複合冷卻器，水、油冷卻器採用複合型全鋁合金板翅式高效循環冷卻結構，依靠複合冷卻器風機進行強制風冷。
HXD3型機車採用YJ85A型牽引電動機，由永濟電機公司引進日本東芝公司的技術生產（東芝公司原型號為SEA-107），該型電動機為四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1250千瓦，額定電壓為2150伏特，冷卻方式為強迫通風，採用矢量控制方式，來實現電動機轉矩的控制。

輔助電路

HXD3型機車設有兩個IGBT輔助變流器（APU），輔助供電電路由主變壓器二次側輔助繞組供電。輔助變流器通過使用PWM整流器單元把從主變壓器供電的單相交流電轉換為恆定電壓的直流電，再供通過逆變器單元轉換為三相交流電。 正常情況下兩個變流器基本上以50%的額定容量工作，其中一個為恆頻恆壓變流器（CVCF），為機車輔助電動機供電；另一個為變頻變壓變流器（VVVF），向兩台複合冷卻器風機和六台牽引通風機電動機等設備供電。當某一套輔助變流器發生故障時，另一套輔助變流器可以承擔機車全部的輔助電動機負載，此時該輔助變流器按照CVCF方式工作，確保機車輔助供電系統的可靠性。

控制系統

HXD3型電力機車採用機車控制監視系統（TCMS），該網絡控制系統以日本成熟的列車通信網絡技術為基礎，結合國際標準的列車通信網絡（TCN）開發研製而成。網絡控制系統為分布式計算機體系，按功能可劃分為列車控制級、車輛控制級和傳動控制級。機車控制系統以TCMS為核心，採用32位元微處理器，分別與顯示單元、主變流器、輔變流器通過RS-485串行總線進行通信，機車與機車之間的重聯通信採用半雙工總線式10Mbps乙太網進行傳輸。TCMS具有機車順序邏輯綜合控制、機車牽引力和制軔力控制、機車空電聯合制軔控制、機車主輔電路保護控制、機車防空轉防滑行保護控制、機車重聯控制、機車軸重轉移補償控制、機車定速控制、系統實時監測診斷、故障信息記錄和顯示等眾多功能。系統採用冗餘設計，設有兩套控制環節，一套為主控制環節（Master），一套為熱備控制環節（Slave）。

轉向架

機車走行部為兩台完全相同的TT-78型三軸轉向架，轉向架構架採用鋼板焊成箱形結構的「目」字型構架，輪對軸箱採用單拉杆定位，車輪為德國進口整體輾鋼車輪。一系懸掛採用螺旋彈簧及橡膠墊，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和抗蛇行油壓減振器。牽引力或制軔力通過低位推挽式水平牽引拉杆傳遞。HXD3型電力機車所採用的SET-553型驅動裝置由德國福伊特公司設計、大連機車車輛公司實現國產化生產，中國鐵道部於2006年向福伊特公司批出總值1,450萬歐元的合約，訂購1,440組驅動裝置，供首240台HXD3型機車使用，其中驅動裝置的從動及主動齒輪已先後於2007年及2008年實現國產化。驅動裝置主要包括鑄造齒輪箱、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，車輪安裝有克諾爾公司的鑄鐵摩擦盤，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和踏面清掃裝置。機車具有良好的曲線通過性能，機車能以時速5公里的速度安全通過半徑為125米的曲線，並應能在半徑250米的曲線上進行正常摘掛作業。

技術問題

在首批HXD3型機車投入服務初期，有部份機車曾出現蓄電池充電電壓過低的問題，其原因包括電池由出廠到裝車之間的庫存期過長、充電時間不足等引致的。另外，機車運行環境的溫度也會對其蓄電池容量有影響。除此之外，在首57台投入運用的機車中，有10台機車曾發生牽引電動機電流及電壓過高的問題，其原因為在機車製造期間，廠方未正確選擇機車速度傳感器的接口電路板，使機車在運行期間，其控制板不能測量當前運行速度，使牽引逆變器的輸入電流及電壓出現錯誤，導致牽引電動機有機會過壓過流；通過改用與傳感器匹配的接口電路板，其問題也得以解決。