韶山7型电力机车

背景

1980年代末，中國的電氣化鐵路大多為山區鐵路，例如寶成鐵路、成渝鐵路、貴昆鐵路、石太鐵路、鷹廈鐵路等，這些鐵路不僅彎道較多，且曲線半徑小，不少為250～350米半徑的小半徑曲線。當時國產電力機車車型主要為韶山1型、韶山3型電力機車，均採用Co-Co軸式，導致輪緣和鋼軌磨耗嚴重；而Bo-Bo-Bo軸式與Co-Co軸式相比，機車走行部在小半徑多彎道的線路上更具有明顯的優越性。為了研製適用于山區小半徑曲線區段鐵路的電力機車，株洲電力機車研究所於1989年率先設置了Bo-Bo-Bo軸式電力機車走行部的研製課題，對Bo-Bo-Bo軸式電力機車的動力學性能、橫向穩定性能、粘著重量利用性能進行了理論計算和分析。在此基礎上，株洲電力機車研究所隨後向中華人民共和國鐵道部上報有關研製Bo-Bo-Bo軸式電力機車的建議，並得到大力支持。

研製

1990年5月，鐵道部正式下達了韶山7型電力機車設計任務書，由大同機車廠、株洲電力機車研究所、成都機車車輛廠等單位共同研製；同年12月，鐵道部科技司代表國家計委，對韶山7型電力機車的技術設計進行了論證和審查，並列入國家重點企業技術開發項目、中國第八個五年計劃重點科研項目。1991年1月，韶山7型電力機車通過了技術設計審查；同年5月至8月又對牽引電動機、轉向架等部件進行了設計審查。為了令新機車更符合實際需要，鐵道部決定分別試製兩台樣車，在第一台機車的試驗過程中收集運用部門的意見，修改設計後再試製第二台機車。

試驗

首台韶山7型電力機車於1992年12月30日出廠，並於1993年3月至1994年12月間交付成都鐵路局馬角壩機務段，在寶成鐵路廣元至成都區段投入20萬公里運行考核。根據首台機車運用中發現的問題，對設計進行了12項改進後開始製造第二台機車。1994年3月，第二台韶山7型電力機車也在馬角壩機務段投入了10萬公里運用考核試驗。
1994年12月，兩台機車均已完成運行考核。根據鐵道部安排，第一台機車返回大同機車廠，對其進行解體檢查，證明各主要部件狀況良好，並將首台機車按照第二台機車的設計進行了相應的12項改進。而第二台機車於1995年3月轉赴山西省，在北同蒲鐵路大新至寧武區段進行了動力學試驗；後轉往鐵道科學研究院北京環行鐵道進行餘下的型式試驗。1995年9月，韶山7型電力機車正式通過部級技術鑑定，並於1996年起開始批量生產，1997年獲鐵道部科技進步一等獎和國家科技進步二等獎。

總體布置

韶山7型電力機車是六軸幹線客貨運通用電力機車。車體採用了框架式整體承載結構，總體布置沿用了中國「韶山」系列國產電力機車的傳統方式，為雙側走廊、兩端司機室；主要電器設備以機車最重設備主變壓器為中央，其他設備分平面斜對稱布置為主，有利於重量平衡；車頂兩端司機室之後各裝一台TSG3型（仿8K型機車受電弓）或LV-2600III型（仿6K型機車法維萊受電弓）單臂式受電弓；車頂中部裝一台主斷路器。司機室內設有正副司機操縱台及空調機組等設備，而從0095號機車及之後出廠的機車則採用標準化司機室。
車內電氣設備借鑑了8K型機車的布置方式，實現屏櫃化、單元化。由於韶山7型電力機車採用Bo-Bo-Bo軸式轉向架，使主變壓器只能安裝在車體內，為了進一步減少所占空間，因此將平波電抗器、功率因數補償電抗器、高壓電流互感器等全部裝在變壓器內，共用冷卻油箱，組成為組合式變壓器，並臥放在車體中部。通風系統採用車體通風方式，側牆豎式百葉窗是車內設備通風冷卻的進風窗口，經過通風支路向牽引電動機、整流裝置、變壓器、穩定電阻等設備冷卻。

機車主電路

韶山7型電力機車是交—直流電傳動的單相工頻交流電力機車。接觸網導線上的25千伏單相工頻交流電電流，經受電弓進入機車後經過主斷路器再進入主變壓器，交流電從主變壓器的牽引繞組經過晶閘管整流後，向六台分兩組並聯的牽引電動機集中供應直流電，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。
機車主電路沿用8K型機車的晶閘管兩段串聯相控整流橋調壓方式，由一段半控整流橋和一段全控整流橋組成，牽引時實現相控無級調速特性控制，而使用再生制動時全控撟變為逆變裝置，半控橋作為勵磁電源裝置。韶山7型型電力機車雖然擁有三組轉向架，但在主電路中只有兩組，中間轉向架上的兩台牽引電動機分屬前後兩組，機車牽引時向兩組各三台牽引電動機並聯供電，有利於充分發揮粘著、防止發生空轉；此外，每調壓整流電路還有一段勵磁半控橋給三台串聯的電機他勵繞組供電。由於韶山7型機車採用了復勵牽引電機，因此只要平滑減少他勵電流，就能夠實現無級磁場削弱，並實現機車恆功速度範圍達到44～80公里/小時。
機車主電路並帶有功率因數補償裝置，兼作三次諧波濾波器，通過在主電路中投入或切除電容器來提高機車的功率因數，機車在50～100%功率範圍內功率因數均可大於0.9，以提高電氣化鐵路的總效率、減少對無線通信的干擾。韶山7型機車並設有再生制動，制動時可向電網反饋電能，反饋電能約為總消耗電能的3%，輪周制動功率4000千瓦。此外，韶山7型電力機車並預留了向旅客列車供電功能，在主變壓器設置了容量為800kVA、電壓為1500V×2的交流供電繞組，但沒有可供配套使用的鐵路客車，列車供電功能並未開放使用。目前有部分機車取消了列車供電插座。

轉向架

機車走行部為三台二軸轉向架，所有車軸均為動軸，機車軸式Bo-Bo-Bo，機車固定軸距較短，曲線通過性能好。與傳統Co-Co軸式機車相比，在小半徑彎道線路上運行時，導向輪對作用於鋼軌的側向力下降30～60%，輪對作用於構架的橫向力平均減小30%，導向外輪的沖角和輪緣磨耗指數分別減少約20%和40%，脫軌係數約降低30%。轉向架設計借鑑了6K型電力機車，採用旁承彈簧承受車體載荷的無搖枕轉向架。三台轉向架各自獨立，中間轉向架與兩端轉向架的區別在於增加了橫向位移的橫動裝置，相對於車體有多達220毫米的橫向偏移量，取消了停車制動裝置，二系懸掛靜撓度稍大，因此無法與兩端轉向架互換使用。
韶山7型機車並沿用了6K型機車的Z型低牽引拉杆牽引裝置，車體上有六個牽引拉杆座，通過六根牽引拉杆分別與三台轉向架呈「Z」形聯接，兩端轉向架牽引點交於軌面以下10毫米，並能夠靈活調節，有利於通過曲線和減少軸重轉移，輔之以電氣軸重轉移補償，能獲得較高的粘著性能。一系懸掛採用軸箱螺旋彈簧和橡膠墊加油壓減震器的獨立懸掛結構；二系懸掛採用螺旋彈簧系統、橡膠元件和油壓減震器的組合，中間轉向架並設有滾子軸承。基礎制動裝置採用雙側制動獨立單元制動器。轉向架並設有儲能停車制動器、輪緣噴油器等。
每台轉向架裝有兩台由永濟電機製造的ZD111型復勵脈流牽引電動機，為六極、中電壓、帶有補償繞組、全H級絕緣、全疊片機座的脈流電動機，持續功率800千瓦。復勵電機具有他勵繞組，牽引工況下空轉時，不會失去他勵磁場，因此再粘著特性較好。牽引電機採用滾動軸承抱軸懸掛結構、單邊直齒傳動。

控制系統

韶山7型電力機車採用標準電子控制裝置，具有恆流起動及准恆速運行特性控制、粘著特性限制、恆功限壓、軸重轉移電氣補償等功能。在機車起動時按恆流方式起動，待進入特性曲線的斜線段後按調速手輪所指定的速度範圍內准恆速運行；而在制動時機車也具有同樣的限流准恆速控制特性。韶山7型機車並設有微機防空轉系統，以一個16位英特爾8098微控制器為控制核心，通過檢測輪周速度差異進行電機減載、自動撤砂來校正牽引力，防止輪軌擦傷。

技術問題

主變壓器漏油是韶山7型電力機車的常見故障之一，主要原因包括，變壓器油箱、儲油櫃及散熱器等組件焊接質量不良；主變壓器和變風機連接處出現裂紋導致變壓器箱體漏油；以及密封件老化或質量不過關造成變壓器密封失效。韶山7型0017號機車曾經發生主變壓器漏油而導致機車燒毀，事故後由大同機車廠重新製造了一台韶山7型機車作為替代，沿用相同車號。
韶山7型電力機車投入運用初期其整流櫃經常發生故障，矽機組元件擊穿時有發生，由於無法自動切除故障支路或故障整流橋，而造成矽機組大面積燒損，僅2003年5月至10月間便有14台韶山7型機車出現問題。為此大同機車廠修改設計，為所有韶山7型機車矽機組閥側增加了快速熔斷器，以自動隔離擊穿矽元件的整流橋，防止故障擴大。但改造實施後，機車又頻繁發生快速熔斷器爆炸噴弧的情況，甚至在矽元件正常情況下也時有發生，主要原因的快速熔斷器檢測不足。