韶山4型電力機車

背景

韶山4型電力機車的研製始於1980年代初。中國實行改革開放政策之後，鐵路運輸負荷十分沉重，在一些主要幹線上由於列車牽引噸數和貨車軸重受到多年來形成的設備方面的限制，運輸能力嚴重不足。從1980年代初開始，中國正式開始鐵路重載運輸的研究和實踐。1983年2月11日，國家經貿委下達了中國鐵路重點科技攻關項目——「鐵路重載列車成套技術的研究」，並相繼列入「六五」期間的國家重大攻關及國家重大裝備項目。1983年5月14日，中華人民共和國鐵道部發布了中國鐵路第一部《鐵路主要技術政策》，提出「逐步提高列車重量」的目標。

研製

1981年，鐵道部下達《韶山4型電力機車設計任務書》，由鐵道部株洲電力機車工廠及株洲電力機車研究所承擔研製工作，並於1983年被列入「鐵路重載列車成套技術的研究」中分項之一，同年5月鐵道部在株洲電力機車廠召開了韶山4型電力機車設計審查會議，通過了機車的設計方案。1985年9月第一台韶山4型電力機車（SS4-0001）落成，是當時中國國內功率最大的貨運電力機車。首台機車在株洲電力機車工廠試驗線進行了初步調整後，於1986年初赴北京，在鐵道科學研究院環形鐵道試驗基地進行全面試驗考核，其中包括機車稱重、牽引試驗、動力學試驗等項目，試驗中發現的故障和問題為同年年底生產的第二、第三台機車的改進設計提供了依據。1987年初，鐵道部組織了對韶山4型電力機車的鑑定試驗，韶山4型0001號機車在北京鐵路局管內京包鐵路投入10萬公里運用考核，擔當大同至張家口的電氣化區段貨運任務；0002、0003號機車則進行了整機鑑定試驗及十大主要部件的型式試驗考核。1988年6月15日，韶山4型電力機車通過了國家級產品鑑定，鑑定會議認為，韶山4型機車性能指標達到了1980年代初期國際上直流相控電力機車先進水平。
完成技術鑑定後，韶山4型機車於1989年開始投入批量生產，並於同年獲國家科技進步一等獎。韶山4型採用經濟四段半控橋閘流體相控平滑調壓，具有兩級電阻制軔和恆速、恆勵磁控制，使用800千瓦直流牽引電動機、雙軸轉向架、水平牽引拉杆等技術。但由於從研製到大批量生產的過程時間較短，初期生產的機車存在較多質量問題。經過調整生產工藝後，自1990年代生產的韶山4型機車質量大為提高。

改進

在研製韶山4型的過程中，中國也於1980年代中期分別從歐洲、日本、蘇聯購買了8K、6K、8G型電力機車，均為當時世界上技術最先進的直流相控電力機車系列。在購買8K、6K型機車的同時，中國同時引進了相關技術，應用於後來研製的一系列國產電力機車。
1991年，株機廠通過模仿8K型、6K型機車的微機控制系統，為韶山4型0038號機車進行了實驗性加裝微機控制的技術改造，成為中國鐵路第一台採用微機控制的國產電力機車。這台機車於1992年初在寶成鐵路投入運行，雖然微機系統的用戶界面、抗干擾能力仍有不足之處，但控制性能已達到設計要求，其研製和使用經驗後來成為了韶山8型電力機車微機控制系統的基礎和改進方向。
1993年，株洲電力機車廠、株洲電力機車研究所針對早期韶山4型電力機車的主要問題，從韶山4型0159號機車開始進行重大改進，研製了韶山4改進型機車（SS4G），同年開始批量生產，但規範的機車型號仍統一為韶山4型電力機車。韶山4改型吸收了8K、6K型機車的電氣技術，其質量、可靠性比韶山4型有較大提高，機車改為採用不等分三段橋相控調壓，機車控制為恆流恆速特性控制，採用中央低位斜杆牽引裝置，增加功率補償、加饋電阻制軔等。
1997年，株機廠根據《鐵道部SS4型電力機車合約書》的技術規範要求，從韶山4型0480號機車開始進行另一次改進。主要改進為更換新型號的主斷路器、交流接觸器、速度傳感器等，並按照鐵道部的指示，在每節機車安裝一套完整的安全設備，由地面感應器、數位化通用式機車信號機、信號配線盒、機車信號顯示器、監控記錄裝置（LKJ）和監控顯示器等部件組成。兩套設備完全獨立，機車正常運用時僅需要使用其中一套。
2004年，由株機所和大連機車車輛廠共同研製了韶山4改型網絡重聯貨運機車。韶山4改型網絡重聯機車是繼韶山3B型電力機車之後另一次以網絡技術改造傳統機車。原來的韶山4改型機車的重聯採用硬連線方式，控制系統為模擬控制。網絡重聯機車採用微機控制系統，除內重聯外還實現了機車的外重聯，即通過網絡將2台韶山4型機車重聯，組合成16軸重載貨運重聯機車車組。兩台機車車內所有的智慧設備，如智慧顯示器、微機控制裝置、機車邏輯控制單元（LCU）、機車綜合信息處理裝置、中央控制單元（CCU）、列車運行監控裝置等均可以通過車輛匯流排連接。韶山4改型網絡重聯貨運機車在同年年底於大秦鐵路投入運用。2004年12月12日，大秦鐵路首次進行2萬噸重載組合列車試驗取得成功，重載試驗貨運列車由4台韶山4型機車牽引4組5000噸列車組成。
根據鐵道部統一安排，株洲廠向國內其他機車廠轉讓了韶山4改型圖紙和生產技術。株洲電力機車廠在1993年至2006年共生產韶山4（改）型機車946台（SS4-0159～1104）；大同機車廠在1994年至2006年生產了168台（SS4-6001～6168）；資陽機車廠於2001年試製了2台（SS4-3001～3002）；大連機車車輛廠在2001年至2006年生產了233台（SS4-7001～7110、SS4-7121～7243）。截至2006年，四家工廠累計生產了1347台韶山4改型電力機車。
此外，早期生產的首批158台韶山4型電力機車於返廠大修時均陸續將內部電路系統改為韶山4改型的不等分三段順控半控橋式電路，但轉向架仍然保留採用水平牽引拉杆。

衍生型

1995年，株洲電力機車廠、株洲電力機車研究所在韶山4改型機車的基礎上，研製成功韶山4B型電力機車。韶山4B型機車消化吸收了8K、6K型機車的先進技術，並採用與韶山6B型電力機車相同的牽引電動機、懸掛系統、微機控制等。1997年，株洲廠、株機所又研製了韶山4C型電力機車，為25噸軸重實驗性電力機車。

技術特性

韶山4型電力機車是雙機重聯的8軸大功率幹線貨運用電力機車，由兩節完全相同的四軸機車通過中間車鉤和橡膠聯掛風擋連接而成，之間設有內部電氣重聯控制電纜和空氣制軔系統的重聯控制風管，車頂並設有25kV高壓連接線，可由司機在任何一端司機室對機車進行控制，兩節機車也可以分離作為兩台四軸機車獨立運行。機車持續功率6400千瓦，軸式為2×（Bo-Bo），機車兩端並設有重聯裝置，可以與另外一台八軸電力機車連接，進行重聯運行，以提高總牽引力進行長大列車重載牽引。機車的主傳動系統採用交—直流電傳動方式，使用串勵式直流牽引電動機。初期型主電路採用四段半控橋式；後期的韶山4改型採用不等分三段半控橋式。

總體布置

韶山4型電力機車的布置繼承了韶山系列電力機車的傳統特點，採用雙側縱向內走廊、斜對稱布置；機車車體中部設變壓器室。每節機車司機室之後車頂裝一台單臂集電弓、中部變壓器室車頂裝一台主斷路器。機車並採用了一些新型技術和設備，如司機室採用雙針電錶、發光二極體故障顯示器，主電路、輔助電路、控制電路分束隔開布線。韶山4改型機車又進一步採用電氣線路預布線和制軔管路預布置新工藝以提高組裝功效。

車體

機車車體為整體承載式結構，採用低合金高強度鋼板全焊接結構。兩節車體用車鉤連接，並設有防脫鉤安全裝置，車鉤上方為連接風擋和通道。前窗為導電膜電熱玻璃；兩側活動窗採用輕合金成型拉窗。為減輕重量，機車車體除承載結構普遍採用高強度低合金外，非承載結構使用了鋁合金材料，並大量採用壓型件。韶山4改型機車車體借鑑了8K型電力機車的設計，採用了大頂蓋和高台架結構。

轉向架

機車行走部機構為四台兩軸轉向架。懸掛系統與韶山3型電力機車基本相同，一系懸掛為圓彈簧，二系懸掛為橡膠疊層簧。韶山4型機車採用平行牽引杆，黏著重量利用係數僅為0.9且不便於維修，韶山4改型機車採用推挽式中間單斜拉杆結構，以充分利用黏著重量，結構較簡單，且黏著重量係數可達0.925。機車採用雙側剛性斜齒傳動、電機抱軸式半懸掛。基礎制軔採用單元制軔器、低倍率高磨合成閘瓦。韶山4型與韶山4改型的轉向架因車體接口不同而不能通用。

機車主電路

韶山4型電力機車主電路採用大功率閘流體多段橋相控整流方式，對機車進行無級平滑調速控制。其中韶山4型初期型採用經濟四段半控橋式整流調壓電路，使用恆壓或恆流控制，電阻制軔工況採用兩級制軔（恆勵磁、准恆速控制）；後期改進型採用不等分三段半控橋式整流調壓電路，牽引特性為恆流、准恆速特性控制；電阻制軔為準恆速限流加饋電阻控制，具有與再生制軔相當的優良低速制軔，缺點是耗能較大。韶山4改型還採用了三次諧波濾波器以改善機車功率因數，缺點是增加了系統的複雜性。兩種機車都具有軸重轉移的電器補償控制環節和防空轉、滑行保護裝置，以改善機車的黏著利用。

機車輔助電路

韶山4型電力機車輔助電路都採用傳統劈相機及電容分相起動通風機後備的雙饋單—三相變流系統。每節機車只設一台劈相機，當該機因故障切除後，可用電容對第一台牽引風機電動機直接分相起動，然後該電機兼作劈相機，在接觸網電壓達22kV以上時，可逐一起動其他輔助機組，避免機破事故。輔助電機的保護形式有兩種，一部分韶山4型機車採用三相自動開關，具有過載、短路複合脫扣保護功能，並可直接切除故障電路；另一部分機車採用了電子保護，具有過載與短路保護功能，其缺點是不能直接切除故障電路而需藉助於機車輔機接觸器切除或主斷路器保護性斷電。

機車通風系統

機車通風系統採用傳統的車體通風方式，進風口為車體側牆大面積立式百葉窗。初期型的各通風支路均為並聯方式，具有相對的獨立性，但是通風機數量較多；改進型改為矽整流櫃與牽引電機風路串聯，從而減少了風機數量也提高了可靠性。

空氣制軔系統

機車空氣制軔系統採用DK-1型電空制軔機，加設了必要的重聯裝置。韶山4改型機車還具有空電聯合制軔功能，適用於長大坡道的重載長編列車牽引。每節車設有每分鐘排氣量三立方米的空氣壓縮機一台，總風缸兩個，全車總風缸容量為1800升，是普通六軸機車的1.5倍。每節車設有空氣乾燥器一台，改善了空氣系統風源質量，特別是極寒地區的工作條件。