和谐2型电力机车

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，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。

引進

在此期間，大同電力機車有限公司於2003年被中國鐵道部列為鐵路裝備行業技術引進重點扶持的六強企業之一，從2003年5月底開始，大同電力機車公司開始與在軌道交通領域著名的法國阿爾斯通公司進行廣泛接觸和交流，在先進技術轉讓、合作生產等方面達成共識，形成了合作意向。2004年1月，中華人民共和國主席胡錦濤訪問法國，和法國總統席哈克在巴黎簽署了《中法聯合聲明》，決定建立中法全面戰略夥伴關係，並加強雙邊經貿往來和合作，為配合夥伴關係發展進行的不同方面的技術轉讓。2004年6月11日，中華人民共和國國務院副總理曾培炎出訪法國，會見了法國總理拉法蘭，在巴黎總理府簽署了9項經濟合作協議，其中包括了大同電力機車公司與阿爾斯通公司簽署的《大功率交流傳動電力機車技術轉讓及合作生產意向書》。
2004年10月，中國鐵道部為煤運專線大秦鐵路招標採購大功率電力機車，大同電力機車公司作為主投標方，與轉讓先進技術並提供相關支持的阿爾斯通公司，共取得180台大功率交流傳動貨運電力機車訂單。2005年2月25日，大同電力機車公司和阿爾斯通公司在北京與鐵道部正式簽定大功率交流傳動電力機車採購和技術引進項目合約，合約總價值為72.5億元人民幣，其中中方為35億元人民幣，法方約為3.8億歐元。

研製

根據合約規定，這批機車由阿爾斯通公司與大同電力機車公司合作研發，在2006年11月至2008年9月期間交付使用；其中，首批12台機車（0001～0012）由阿爾斯通公司位於貝爾福的工廠製造，並整車進口；阿爾斯通公司向中方進行相關的技術轉讓，而位於勒克勒佐、奧蘭斯、塔布、沙勒羅瓦的其它工廠將參與提供轉向架和牽引電器設備等部件。第二批36台機車（0013～0048）為進口散件國內組裝，由大同電力機車公司負責總體組裝；其餘132台（0049～0180）均為國產化機車。新機車是在阿爾斯通「Prima」機車技術平台上，以法國國鐵BB 27000型電力機車為原型車，開發研製的幹線貨運用八軸大功率交流傳動電力機車。機車由兩節完全相同四軸機車連掛而成，採用交—直—交流電傳動、「ONIX」IGBT水冷軸控牽引變流器、「Agate」微機網絡控制系統，額定功率為9600千瓦，最高運行速度為120公里/小時，並設有「Locotrol」遠程重聯控制系統，適合於多機分布式重載單元列車牽引。機車軸重按25噸設計，可通過卸除車內配重壓鐵實現軸重23噸的轉換。
合約簽訂後，大同電力機車公司於2005年3月組成工藝代表團，赴法國阿爾斯通公司進行考察，並借鑑國外先進的製造技術，制訂了技術改造方案。2005年5月至6月，阿爾斯通公司對大同電力機車公司進行了兩次全面的工業化評估。2006年4月1日，中國北車集團批覆了大同電力機車公司的大功率機車技術改造可行性研究報告。2006年8月，在貝爾福工廠舉行的中法第三次聯合設計會議通過了機車所有設計圖樣和技術文件，完成了機車的全部設計工作，開始進入試製階段。
2006年，鐵道部批准將新機車被定型為DJ4型，編號為6001起排序；此外，由株洲電力機車及德國西門子合作研發9600千瓦八軸貨運電力機車同樣被定型為DJ4型，編號為0001起排序。同年12月底，鐵道部決定新型大功率交流傳動電力機車系列均命名為「和諧型」，阿爾斯通和大同電力機車生產的DJ4型6000系電力機車更名為HXD2型，其中「HX」是「和諧」的漢語拼音首字母縮寫、「D」代表電力機車、「2」代表大同電力機車的生產廠商代號，通稱為「和諧」2型電力機車；而西門子和株洲電力機車生產的DJ4型電力機車則更名為HXD1型。
2006年9月，首台HXD2型電力機車在法國貝爾福工廠完成組裝，同年11月底完成機車例行試驗；2006年12月18日，該台機車裝船離開法國；於2007年1月21日運抵中國天津港。2007年2月起，首台HXD2型機車在中國鐵道科學研究院北京環形鐵道試驗基地進行了型式試驗，此後又先後在大秦鐵路、北同蒲鐵路進行了綜合性能試驗和重載列車牽引試驗。2007年5月18日，首台國內組裝HXD2型機車在大同電力機車下線。至2008年12月，全部180台HXD2型機車交付完畢。
由於HXD2製造許可證已於2019年5月12日到期，而國家鐵路局亦已否決許可證延期的申請，故此型機車已於同年停產。

運用

2007年12月4日，HXD2型機車開始投入大秦鐵路運用，機車配屬太原鐵路局湖東機務段（太局湖段），初期主要用於單機牽引1萬噸煤炭列車。2008年1月，為了驗證HXD2型機車在大秦線牽引2萬噸組合列車的運行安全性，鐵道部與太原鐵路局於2007年1月8日至15日，進行了HXD2型電力機車牽引2萬噸重載組合列車靜態試驗；同年16日又完成了2萬噸重載組合列車牽引試驗，包括牽引性能測試、制軔性能測試、機車動應力測試、牽引供電監測等項目。截至2007年1月16日，已有42台HXD2型機車交付太原鐵路局，其中36台已上線運行。
在和諧型大功率電力機車投入使用以前，大秦線2萬噸煤炭組合列車使用4台韶山4型電力機車牽引，採用「1+2+1」的方式運行，4台機車採用基於GSM-R的「Locotrol」機車同步操控系統實現同步操縱。HXD1、HXD2型大功率交流傳動電力機車投入到大秦線作為2萬噸重載列車的牽引動力後，只需2台就可以滿足一列2萬噸組合列車的牽引要求，採用「1+1」的方式運行。HXD1、HXD2型電力機車投入大秦線運用初期，由於不同機型的控制系統不同，每一列2萬噸組合列車只能由兩台同一種型號的機車進行牽引，對列車編組造成較大的局限性。為了提高大秦線的機車運用靈活性和運輸效率，太原鐵路局其後對HXD1、HXD2型機車進行了互聯互通模式的改進，實現多種機型混合牽引，方便行車調度指揮。2009年10月，HXD1、HXD2型機車混合牽引的2萬噸和1.5萬噸組合列車試驗成功；2010年1月，兩種機型混合牽引的2萬噸組合列車在大秦線開行。然而，鐵路部門通過試驗和實際使用發現，當HXD2型機車作為位於2萬噸組合列車中部的從控機車時，部分安全指標有機會超出規定要求，尤其車鉤偏轉角和輪軸橫向力均超出控制限度，並數次發生列車運行時中部從控機車出軌的事故，主要原因是HXD2型機車車鉤承受縱向制軔壓力時傾倒失穩。因此，在車鉤穩鉤性能問題獲得完全解決前，在HXD1、HXD2型電力機車混合牽引的2萬噸組合列車中，HXD2型機車目前不作為從控機車。
2009年5月，京包鐵路大同至包頭區段完成電氣化改造工程，湖東機務段HXD1、HXD2型電力機車交路也延伸至包頭，單機擔當包頭西至湖東間的1萬噸、5000噸煤炭列車的牽引任務，由太原鐵路局、呼和浩特鐵路局機車乘務員實行跨局輪乘，其中萬噸級組合列車在呼和浩特西至集寧南間需要加掛一台包頭西機務段的韶山4型電力機車作為補機。
而在主要用作貨運的通霍鐵路在2016年11月完成電氣化工程後，瀋陽鐵路局亦在2017年引進本型機車，配屬通遼機務段，與HXD3B同時負責牽引煤炭等重載列車在此線上運行，編號為1365-1424、1445-1466及6015-6092，合共160輛，屬深度國產化機車（當中6000系由大連機車車輛代工生產）。自大鄭鐵路2018年4月實施電氣化後，由於電力機車可以一機直達進出通遼，通遼機務段的HXD2開始與瀋局既有的HXD3B混合使用。
2017年，蘭州局集團及西安局集團亦分別引入10輛HXD2機車，編號分別為1425-1434及1435-1444。

神華集團機車

主營煤炭開採、運輸的中國中央企業神華集團擁有包神鐵路、神朔鐵路、朔黃鐵路（含黃萬鐵路）、大准鐵路、寧東鐵路五條自營煤運鐵路，鐵路運營里程約1600公里。在劉志軍任中國鐵道部部長時期，因神華集團所投資的自營鐵路並非由中國鐵道部控股，劉志軍不滿神華集團打破了鐵路「全路一盤棋」的局面，因此神華集團在機車車輛採購上一直受到來自鐵道部的種種限制，引進大功率交流傳動電力機車的計劃遲遲未能實現，而僅被批准採購韶山4B型直流傳動電力機車。2011年初，盛光祖接替被免職的劉志軍出任鐵道部部長後，擬加快轉換鐵路經營機制，開始將設備採購、招投標的權力下放給了企業。隨著神華集團與鐵道部之間的溝通獲得改善，神華集團開始大力投資鐵路業務。2011年初，大同電力機車公司與神華集團簽訂了《神朔鐵路設備和諧2型電力機車採購合約》。2012年2月7日，中國北車集團與神華集團又簽署了戰略合作框架協議，中國北車集團將根據神華集團的需要，共同研製大功率交流傳動機車和大軸重貨車。
在HXD2型電力機車技術平台的基礎上，大同電力機車公司為神華集團研製了新型9600千瓦的雙節八軸電力機車，機車編號由7001起排序。新機車改為採用龐巴迪牽引變流系統（由江蘇常牽龐巴迪公司提供）、「MITRAC」微機控制系統和DK-2型制軔系統，而牽引功率略低於國鐵使用的HXD2。首台神華集團HXD2型電力機車（7001）於2011年12月底完成落車。2012年5月27日，大同電力機車公司向神華集團交付了首2台機車；同年6月26日在神朔鐵路開始投入試運行。

白俄羅斯鐵路機車

本型機車以神華能源使用的同型機車為基礎，採用近乎一致的動力系統及技術標準，只是在軌距和採用的制軔系統有所不同。所有機車已在2012-2013年於白俄羅斯鐵路投入服務。

深度國產化機車

根據鐵道部的要求，大同電力機車有限公司在HXD2型電力機車基礎上，研製了「深度國產化」的HXD2型電力機車，機車編號由1001起排序。機車採用中國北車集團自主開發的牽引傳動系統和微機控制系統，替代了過往使用的國外進口產品，有效降低了機車生產成本；司機室外觀也有所改變，並能夠滿足機車在長交路運營中實行雙司機同時值乘的需要。首台深度國產化HXD2型電力機車於2012年8月27日在大同下線。2012年9月27日至11月27日，HXD2-1001號機車在中國鐵道科學研究院的環形鐵道試驗基地完成為期兩個月的整車型式試驗。同年12月，該台機車在呼和浩特鐵路局包頭西機務段開始10萬公里運用考核。在運用考核中，機車在大包鐵路線往返牽引重載列車運行，經受住了連續的長大坡道及沙塵、強降雪、凍雨等惡劣氣候的考驗。2013年6月5日，深度國產化HXD2型電力機車通過中國鐵路總公司技術審查。

總體布置

HXD2型電力機車是雙節重聯的八軸大功率幹線貨運用電力機車，由兩節完全相同的單端司機室四軸機車通過內重聯環節連掛成八軸機車，成為一完整系統。司機可在任何一端司機室對兩節機車進行控制，兩節機車之間並設有中間走廊連通，車頂設有25千伏高壓連接線。機車車體採用框架式整體承載全鋼箱型殼體焊接結構，車體側牆採用波紋鋼板，並設有寬度為787毫米的維修門。司機室採用框架式焊接鋼結構，前窗採用一整體電熱玻璃，為司乘人員提供了良好的視角，並滿足機車在寒冷季節使用的需要。車內設備採用模組化結構、兩側屏櫃化布置，設中間貫通走廊。每節機車後部均設置一個生活間，設有微波爐、冰箱、床、飲水設備、水沖式整體衛生間等生活設施。每節機車車頂設有一台DSA-200型集電弓；其他車頂外置設備包括真空斷路器、接地開關、避雷器、高壓連接器等高壓設備。機車採用獨立通風方式，從側牆過濾窗和車頂百葉窗吸入冷風，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2×（Bo-Bo），最大功率為10000千瓦；機車標準軸重為23噸，並可以通過增加壓鐵提高到25噸。空氣制軔系統採用法維萊公司（Faiveley）的「Eurotrol」微機控制電空制軔機，具有空電聯合制軔、階段緩解、斷鉤保護、備用制軔等功能。

電氣系統

HXD2型電力機車是交—直—交流電傳動的單相工頻交流電力機車，每節四軸機車的主電路由主變壓器、牽引變流器、牽引電動機三大部分構成。架空電纜導線上的25千伏單相工頻交流電電流，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4個牽引繞組降壓後，分別向4組相同而獨立的主變流器供電，每組主變流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。
主變壓器採用了瑞士ABB公司的技術，為臥式懸掛結構單相變壓器，吊裝於車底中部。主變流器是基於阿爾斯通公司「Prima」機車技術平台的「ONIX」高週波VVVF，每組主變流器由一個四象限脈衝整流器、一個中間直流環節、一個PWM逆變器組成，功率控制模組採用水冷IGBT變流模組（3300V/1200A），中間直流電壓為1800伏特。牽引電動機採用由永濟電機公司國產化的YJ90A型牽引電動機（阿爾斯通公司原型號為6 FRA 4567 B型），該型電動機為六極三相鼠籠式異步牽引電動機，定子採用全疊片無機殼結構以減輕重量和改善散熱，額定功率為1275千瓦，冷卻方式為強迫通風，採用磁場定向直接轉矩控制。

控制系統

HXD2型電力機車採用了阿爾斯通公司開發的「Agate」微機網絡控制系統，該系統是基於WorldFIP網絡通信匯流排，網絡架構分為FIP車輛網絡（FIPV）和FIP列車網絡（FIPT）兩級，其中FIPV負責每節機車內部各設備的信息交換，而FIPT用於兩節機車之間或兩組重聯機車之間的通信；控制系統具有全面的機車控制、監測、傳輸、故障診斷、顯示和存儲功能。

轉向架

每節機車裝用兩台二軸轉向架，是在「Prima」系列貨運電力機車的轉向架基礎上改進設計。轉向架構架採用鋼板焊接結構的「日」字型構架，輪對軸箱採用拉杆定位。一系懸掛採用軸箱兩側螺旋彈簧配垂向油壓減震器；二系懸掛為高撓螺旋圓彈簧配垂向、橫向油壓減振器。牽引力或制軔力通過中間低位推挽式斜拉杆牽引裝置傳遞。牽引電動機採用滾動軸承抱軸式半懸掛、單邊剛性直齒傳動。基礎制軔裝置為單側雙閘瓦踏面制軔單元，並帶有閘瓦間隙調節器；其中一組制軔單元具有停放制軔功能。