和谐3C型电力机车

背景

2004年，中華人民共和國國務院常務會議通過了《中長期鐵路網規劃》，並對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」。根據國務院確立的上述方針，國家發改委與中華人民共和國鐵道部於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，中國北車集團大連機車車輛廠與日本東芝公司合作，引進了HXD3型7200千瓦交流傳動電力機車；2007年，大連機輛公司又與加拿大龐巴迪公司合作，研製了HXD3B型9600千瓦交流傳動電力機車。通過技術引進，大連機輛公司掌握了機車總成、車體、轉向架、主變壓器、牽引變流器、網絡控制系統、牽引電動機、驅動裝置和制軔系統九大核心技術。

研製

隨著中國鐵路大規模普及採用600伏直流電供電制式的25G型直供電客車，為緩解普速客運機車運用緊張局面，中國鐵道部於2009年向大連機車車輛公司下達了六軸7200千瓦交流傳動客貨運通用電力機車的研製任務。新機車被定型為HXD3C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」代表大連機輛公司的生產廠商代號，通稱為「和諧」3C型電力機車。
HXD3C型電力機車是在HXD3型電力機車設計製造技術平台的基礎上，借鑑了HXD3B型電力機車的成熟技術，開發研製而成的交流傳動客貨運通用電力機車。機車牽引系統採用交—直—交流電傳動、水冷IGBT牽引逆變器、變頻異步牽引電動機、分布式網絡控制系統，單軸功率1200千瓦，額定總功率為7200千瓦，最高運行速度為120公里/小時；為滿足牽引直供電旅客列車的需要，HXD3C型電力機車採用了增加供電繞組的主變壓器，並設置了列車供電櫃、供電插座、客貨轉換開關、雙管供風裝置等，使機車具有向旅客列車提供風源及600伏直流電電源的功能。
2010年6月，鐵道部向大連機輛公司採購390台7200千瓦電力機車，總值58.5億元人民幣；其中200台為HXD3C型電力機車，後追加150台共計350台。2010年6月30日，大連機輛公司完成首台HXD3C型電力機車的組裝生產和座輪工序。2010年7月初，首兩台HXD3C型機車在大連相繼下線，其中0001號機車採用23噸軸重，0002號機車採用25噸軸重（試驗結束後恢復23噸軸重）；機車完成廠內調試和列車供電試驗後，於7月24日在瀋大鐵路進行了首次試運行。2010年8月初至10月底，兩台機車在中國鐵道科學研究院北京環形鐵道試驗基地進行型式試驗和綜合性能試驗。

中國國鐵

2010年9月，HXD3C型電力機車開始投入批量生產，同年10月開始率先配屬於瀋陽鐵路局蘇家屯機務段、武漢鐵路局江岸機務段、濟南鐵路局濟南機務段、上海鐵路局南京東機務段、南昌鐵路局向塘機務段、鄭州鐵路局鄭州機務段，此後成都鐵路局重慶機務段、廣州鐵路集團株洲機務段等也相繼配屬；至2010年底已有200台機車交付使用。2011年9月，鐵道部再次向大連機輛公司採購100台HXD3C型機車，後另外追加30台。2012年4月，大連機輛公司又再獲得230台HXD3C型電力機車的訂單，並要求於同年9月底前交付完畢。截至2012年6月，HXD3C型電力機車已經配屬到10個鐵路局，共17個機務段使用，在京哈、京滬、京九、京廣、隴海、滬昆、襄渝、宜萬、焦柳、南昆等幾乎中國國內所有主要鐵路幹線擔當直供電客運列車的牽引任務。
2012年，北京二七軌道交通裝備製造了首批15台不帶列車供電設備的HXD3C型電力機車（6001～6015）並配屬濟南鐵路局濟南西機務段；2013年，又製造了第二批10台不帶列車供電設備的HXD3C型電力機車（6016～6025）並配屬鄭州鐵路局新鄉機務段。2014年1月，為了便於區分帶有列車供電的客運型和不帶列車供電的貨運型機車，無列車供電的貨運型機車車號前增加字母「A」，所以該批機車坊間又被稱為HXD3CA型電力機車。同月，大連機車車輛有限公司與大同地方鐵路公司簽訂了約3.26億元人民幣的HXD3C型電力機車銷售合約，其中5台機車是帶列車供電設備的客運型機車（7001～7005），其餘15台機車是不帶列車供電設備的貨運型機車（7501～7515），並有償配屬太原鐵路局太原機務段，擔當韓原鐵路的客貨運任務。2014年2月，大連機車車輛有限公司生產的50台HXD3CA型電力機車（8001～8050）配屬鄭州鐵路局新鄉機務段。

烏茲別克國鐵

2011年，烏茲別克國鐵（UTY）向北車大連機車車輛訂購11輛HXD3C型機車，並另命名為O'Z EL型電力機車，首批3輛機車於2013年8月23日投用，其餘機車亦已分兩次完成配屬。此等機車軌距改為俄制1,520毫米、增強抗凍性能及改用獨立國協GOST設計標準，而部分硬體改用俄製產品。這次是大連機車車輛首次出口電力機車。

總體布置

HXD3C型電力機車是六軸大功率幹線客貨運通用電力機車，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620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型單臂式集電弓和避雷器，而真空斷路器、接地開關、高壓隔離開關、高壓電壓互感器、高壓電流傳感器等高壓電器集成在機械間內的高壓櫃中，提高機車雨霧等天氣抗污閃能力；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。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，向列車供電時為6400千瓦；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

HXD3C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。
機車主變壓器為一體化多繞組（全去耦）變壓器，具有高阻抗、重量輕等特點，並增設了列車供電繞組，變壓器採用下懸式安裝、強迫導向油循環風冷卻。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；功率控制模塊採用水冷IGBT變流模塊（4500V/900A），中間直流電壓為2800伏。主變流器採用亞乙基二醇純水溶液作為冷卻液。HXD3C型機車採用YJ85A型牽引電動機，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，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。

供電電路

HXD3C型電力機車裝載了兩台由株洲南車時代電氣股份有限公司開發的TGF60型列車供電櫃，由主變壓器的列車供電繞組供電，通過相控整流電路整流為600伏直流電，可向列車提供空調、採暖、照明等電源，額定輸出功率為2×400千瓦。當其中一組機組發生故障時，另一台機組可繼續正常供電。在HXD3CA型電力機車中，並無安裝本型裝置，但車頭仍有一個以金屬板封閉的列車供電插座空位。而烏茲別克使用的HXD3C機車，列車供電輸出電壓為3000伏，容量810kVA。

輔助電路

HXD3C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

HXD3C型電力機車採用東芝公司製機車控制監視系統（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串行匯流排進行通信，機車與機車之間的重聯通信採用半雙工匯流排式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、列車供電控制、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）。而烏茲別克使用的HXD3C機車，則採用俄羅斯標準機車控制系統（非東芝產品），並採用MTZ公司製E.331型制軔系統。

轉向架

機車走行部為兩台完全相同的三軸轉向架，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。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，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。

問題

有火車機車乘務員發表論文指：HXD3C型機車是在2009年機車直供DC600V25G型客車大面積生產應用的背景下應急設計的電力機車，由於時間倉促直接採用了HXD3B型電力機車的車體和HXD3型電力機車的內部系統元件和轉向架，再添加了DC600V機車直接供電設備而設計完成的。而HXD3型機車和HXD3B型機車都是貨運型機車，再加上HXD3C型機車調級手柄只有7級（而一般客運機車需具有8級波段）以及牽引功率大等原因，因此牽引旅客列車啟動、制軔和調速時容易產生過大的衝動，具體表現為突然的頓挫感和較大的震動，對旅客的乘車舒適性有較大影響，特別是影響夜間旅客的休息,在特殊情況下可能導致乘客因打翻開水、摔倒而受傷。
不過亦有機務相關業內人士對於上述說法進行反駁，認為7級提速並不是導致機車衝動的根本原因。根本原因在於司機的操作習慣，以及是否遵守操作規程。該人士舉例，部分韶山型機車採用的是無級調速直接由功率手柄進行控制，但是在運行過程也沒有出現抖動現象。而且，操作HXD3C的司機很多都是從和諧1B、和諧3B等大功率貨運機車的司乘人員中抽調而來，很多時候在操作客機的時候仍保留貨機的習慣（比如急推功率手柄進行加速以及調速器調整過快等），卻忽視客機和貨機之間的差距，導致運行不平穩。