和谐1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，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12月初，時任德國總理施洛德開始他就任以來的第六次中國之行，並有一個陣容龐大的商業代表團陪同訪華，包括了西門子、大眾汽車、德意志銀行、戴姆勒-克萊斯勒等著名企業在內的近50名德國商界代表。2004年12月6日，中國國務院總理溫家寶在北京人民大會堂與施洛德舉行會談，會談結束後雙方代表簽訂了關於加強兩國中小企業合作的諒解備忘錄，以及在鐵路、航空、財政、金融和化工等領域開展合作的協議文件。在眾多的簽約項目中，西門子公司與中國南車集團株洲電力機車廠從中國鐵道部獲得了一項提供180台雙節八軸重載貨運交流傳動電力機車的訂單，總價值約為73.4億元人民幣，其中西門子公司的份額約為3.5億歐元，而株洲電力機車廠的份額為52.6％，約38.6億元人民幣。

研製

根據合約規定，這批機車的研發和設計由位於德國愛爾蘭根和慕尼黑的西門子交通集團總部完成，並由株洲電力機車廠在湖南株洲進行生產。這批機車的交付時間將從2006年年中開始，到2007年底全部交付完畢。新機車是在西門子「歐洲短跑手」（EuroSprinter）機車平台上，以ES64F4型電力機車為原型車，結合DJ1型電力機車在大秦鐵路的運用經驗而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、水冷IGBT牽引逆變器、變頻異步牽引電動機、「SIBAS 32」微機控制系統、列車通信網絡，額定功率為9600千瓦，最高運行速度為120公里/小時，並裝有「Locotrol」遠程重聯控制系統，適合於多機分布式重載牽引。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。
2005年內，西門子、株洲廠聯合體與中國鐵道部先後進行了4次設計聯絡會，確定了機車的技術方案。2006年2月，機車的技術設計方案通過了鐵道部的技術審查，開始進入投料生產階段。機車的生產分為三個階段，第一階段首48台機車（0001～0048）為進口散件國內組裝階段，由西門子公司提供散件，株洲廠負責車體、轉向架製造和整車組裝；第二階段的22台機車（0049～0070）開始國產化階段，南車株洲電機公司承擔牽引電動機、主變壓器的國產化；第三階段的110台機車（0071～0180）為進一步國產化，西門子公司僅提供牽引逆變器、微機控制系統，株洲廠負責機車整車製造和傳動裝置的國產化。
經過近兩年時間的研製，首台散件進口機車（0001）於2006年11月8日在株洲電力機車有限公司竣工下線，經鐵道部批准，新機車被定型為DJ4型，並被命名為「神龍號」。此外，由大同電力機車及法國阿爾斯通合作研發10000千瓦八軸貨運電力機車同樣被定型為DJ4型，編號為6001起排序。同年12月底，鐵道部批准將新型大功率交流傳動電力機車系列命名為「和諧型」，西門子和株洲電力機車生產的DJ4型電力機車更名為HXD1型，其中「HX」是「和諧」的漢語拼音首字母縮寫、「D」代表電力機車、「1」代表株洲電力機車公司的生產廠商代號，通稱為「和諧」電1型電力機車；而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。
2007年2月初，首2台進口散件組裝的HXD1型電力機車（0001、0002）被送往中國鐵道科學研究院北京環形鐵道試驗基地，至2007年4月完成了型式試驗和綜合性能試驗。2007年5月，南車株洲電機公司完成了國產化牽引變壓器、牽引電動機的製造和試驗，並裝用於0049號機車。2007年8月，首台裝用國產化傳動裝置的HXD1型0071號電力機車竣工。2008年8月，在中國鐵道部和中國鐵道科學研究院組織下，選取了2台HXD1型電力機車（0160、0161）赴北京環形鐵道進行國產化機車型式試驗，鐵道部專家組並分別對HXD1型機車車體、轉向架和傳動裝置的技術轉讓進行了評審並驗收通過。

運用

2007年5月，首批4台HXD1型電力機車（0003～0006）交付太原鐵路局湖東機務段，投入大秦鐵路試驗運用。在HXD1型機車投入使用以前，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。為了驗證HXD1、HXD2型機車在大秦線牽引2萬噸組合列車的運行安全性，中國鐵道部於2007年5月至7月間在大秦線進行了和諧型大功率電力機車加可控列尾裝置方式牽引2萬噸重載組合列車的運行試驗。2007年7月底起，HXD1型電力機車正式開始擔當大秦線2萬噸組合列車的牽引任務，逐步替代了原來的韶山4型電力機車。
2008年6月，鐵道部向南車株洲電力機車有限公司追加了第二筆40台HXD1型電力機車（0181～0220）的訂單；至2008年9月底，首筆訂單中的180台HXD1型電力機車已經全部交付使用，此後仍按鐵道部要求繼續生產第二批40台機車。2008年11月，鐵道部要求暫緩執行原有合約，取消了原定向株洲電力機車有限公司採購40台HXD1型電力機車的計劃；株洲電力機車有限公司並於2008年12月5日起暫停機車生產，經過短暫生產空檔後，株洲電力機車有限公司於2009年初恢復機車生產。2009年11月，中國鐵道部委託中國技術進出口總公司與株洲電力機車有限公司簽署了40台HXD1型電力機車的採購合約，合約總金額約11億元人民幣。
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。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。

深度國產化機車

根據鐵道部的要求，株洲電力機車有限公司在首批HXD1型電力機車基礎上，研製了「深度國產化」的HXD1型電力機車，機車編號由1001起排序，機車採用南車株洲電力機車研究所、株洲南車時代電氣自主開發的牽引逆變器和微機控制系統，替代了原來使用的西門子公司產品，有效降低了機車生產成本；司機室外觀也有所改變。首台深度國產化機車（1001）於2012年3月在株洲下線，同年4月到達北京環形鐵道試驗基地進行各項試驗，同年6月1日，機車完成環鐵試驗，順利通過了特性試驗、溫升試驗、自動過分相等試驗項目。2012年6月16日，HXD1型1001、1002號機車到達武漢鐵路局江岸機務段，開始投入正線運行試驗。2012年7月12日起，1001、1002號機車在京廣線武漢北（武昌南）至株洲北間進行運用考核，擔當行包列車的牽引任務。2012年12月底，南車資陽機車有限公司按照南車株機公司提供的圖紙，試製了深度國產化HXD1型電力機車，機車編號由6001起排序，並赴北京環形鐵道進行試驗。自2013年1月18日起，深度國產化HXD1型電力機車襄渝鐵路正式投入運用，擔當襄陽北至達州間貨物列車牽引任務，牽引定數為4500噸，首批50台機車（1001～1050）將陸續配屬武漢鐵路局襄陽機務段。
此等機車採用全藍色（車窗附近為白色）塗裝，而非進口型HXD1機車的原有塗裝，因此俗稱「藍精靈」。

神華集團機車

主營煤炭開採、運輸的中國國家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9月8日，中國神華能源股份公司與中國南車股份公司在北京簽署戰略合作框架協議，中國南車集團將開發適合神華集團鐵路的機車車輛。株洲電力機車有限公司將與神華集團合作，在深度國產化的HXD1型電力機車基礎上研製2種大功率交流傳動電力機車，分別為9600千瓦的雙節八軸電力機車（機車編號由7001起排序）、14400千瓦的三節十二軸電力機車（俗稱「三節棍」），機車採用國產牽引逆變器、微機控制系統和DK-2型制軔系統（部分機車後來改用DK-3制軔系統）；車頭則較其他和諧1型機車為圓潤，當中部分車輛採用一塊過的車窗，類似ER20型柴油機車；車頭裝有繁體「神華號」字樣。2013年1月15日，神華八軸大功率交流電力機車在朔黃鐵路上線投入試運行。同年2月4日，神華集團訂購的八台「神華號」八軸交流電力機車全部投入使用。

總體布置

HXD1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。機車車體採用全鋼框架結構的中央梁承載方式，司機室呈微流線型外形。車內設備採用模組化結構、兩側屏櫃化布置，並設中間貫通走廊。每節機車後部車頂設有一台由株洲九方電器設備有限公司製造的TSG15型單臂式集電弓，其技術由西門子旗下的MWW公司提供；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。牽引變壓器採用臥式懸掛結構，與蓄電池一同吊裝於車底中部。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，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），持續功率為9600千瓦；機車標準軸重為23噸，並可以通過增加壓鐵提高到25噸。

電氣系統

HXD1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。架空電車線導線上的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個牽引繞組後，分別向4組四象限脈衝整流器供電並整流為直流電，然後經過兩組並聯工作、電壓為1800伏的中間直流迴路，再由2組牽引逆變器轉換成三相交流電輸出，分別向兩台轉向架上的四台異步牽引電動機以架控方式供電，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。
機車採用了西門子公司設計的VVVF牽引變流器，每節機車均有2台牽引變流器，其中四象限整流器和PWM逆變器由相同的功率控制模組組成，採用西門子公司製造的SIBAC 1800 14SP2ST01型水冷IGBT變流模組（3300V/1200A），每組機車使用了32個變流模組。HXD1型電力機車採用西門子公司的1TB2624-0TD02型或國產化的JD160型鼠籠式三相異步牽引電動機，額定功率為1224千瓦，冷卻方式為強迫通風，採用直接轉矩控制（DTC）。
HXD1型機車的變流器採用集成結構，將主變流器和輔助變流器集成在一起。每節機車採用2個IGBT輔助逆變器供應三相交流電源，正常情況下其中1個為恆頻恆壓變流器（CVCF），為牽引電動機通風機和油水冷卻塔風機供電；另一個為變頻變壓變流器（VVVF），向水泵、油泵、蓄電池充電機等設備供電。
順帶一提，原裝HXD1的磁勵音與同屬第三代「歐洲短跑手」機車的ES64U4型電力機車相似，在起動和煞車時會發出類似防空警報的磁勵音；而深度國產化的機車（包括神華機車），磁勵音則較平直，與其他採用中車時代電氣製VVVF鐵路車輛相若。

控制系統

HXD1型電力機車裝載了西門子公司開發的「SIBAS 32」32位元微機控制系統和列車通信網絡（TCN），並安裝了「Locotrol」多機牽引無線同步控制系統和克諾爾公司的「CCB II」微機控制電空制軔系統。「SIBAS 32」系統採用集散控制模式，由中央控制單元（CCU）、牽引控制單元（TCU）、輔助控制單元（ACU）、液晶顯示器（HMI）和外設智慧接口（KLIP）構成，並採用網絡控制系統進行數據通信，由絞線列車匯流排（WTB）和多功能車輛匯流排（MVB）兩級網絡構成，使機車控制系統具有控制、監測、傳輸、故障診斷、顯示和存儲功能；主逆變器由TCU控制，CCU負責對機車進行全面管理，每節機車內所有電子控制裝置、顯示器等都通過MVB相連，兩節機車之間以及重聯機車之間的通訊則通過WTB實現。

轉向架

每節機車裝用兩台二軸轉向架，其結構與DJ1型電力機車的轉向架基本相同。轉向架構架採用鋼板焊成箱形結構的「H」型構架，輪對軸箱採用拉杆定位。一系懸掛採用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、單邊剛性斜齒傳動。基礎制軔裝置為輪盤制軔；停放制軔裝置為蓄能制軔。