日本國鐵EF71型電力機車

EF71型電力機車（日语：EF71形電気機関車）是日本國有鐵道的交流電力機車車型之一，适用于供电制式为20千伏50赫兹的工频单相交流电的电气化铁路，由东京芝浦电气、三菱电机、三菱重工业制造，在1968年至1973年间共制造了15台。 1960年代中期，随着奧羽本線的运输量不断增长，日本国有铁道研制了带有电阻制动的EF64型电力机车，投入到奥羽本线福岛至米泽间的直流电气化区段运用，以替换自1951年开始使用的EF16型电力机车。1968年，日本国铁对奥羽本线米泽至山形区段实施交流电气化，并将福岛至米泽区段改造为交流电气化铁路。同时，还将设有交流电气化试验段的仙山線全线改造为交流电气化铁路。 奥羽本线翻越奥羽山脉的板谷岭（日语：板谷峠）路段，是在日本国内与碓冰岭和瀬野八（日语：瀬野八）并称的陡坡区间，其中有22公里的33‰连续长大坡道，且存在大量半径约300米左右的小半径曲线。在如此大坡度的线路上，若果列车下坡时频繁使用踏面制动来控制速度，闸瓦与轮箍长时间摩擦不仅造成严重磨耗，甚至容易造成轮箍弛缓的行车事故。因此，适用于奥羽本线的新型交流电力机车必须具有电力制动，保障列车在下坡时的行车安全。 1967年初，日本国铁在ED93型电力机车（后来定型为ED77型电力机车）的基础上，成功研制了首台带有再生制动的ED94型电力机车（后来定型为ED78型电力机车），机车小时功率为1,900千瓦，采用了晶闸管四段全控桥式整流电路，以及可变轴重中间转向架的Bo-2-Bo轴式。為了尽可能提高奥羽本线的货物列车牵引定数，在车钩强度限制下的该线列车最大重量需要提高至650吨，但是即使采用ED78型电力机车双机重联，其牵引力亦不足以牵引列车通过板谷岭。因此，根据双机牵引650吨列车通过33‰上坡道、牵引电动机均衡電流不大于570安培的技术性能要求，日本国铁在ED94型电力机车的基础上又研制了EF71型电力机车。 1968年，三菱电机、三菱重工业、东芝公司生产了首批11台EF71型电力机车（1～11），以满足奥羽本线交流电气化后的牵引需要，生产预算由昭和42年度2次債務承担。机车主电路采用晶闸管六段全控桥式整流电路，在牵引和再生制动时分别以整流和逆变模式工作，通过恒压控制和励磁恒流控制系统调节牵引力或制动力。机车采用Bo-Bo-Bo轴式，小时功率为2900千瓦，运转整备重量为96吨。 1969年，因应奥羽本线团体专用列车增发的需要而制造了EF71 12号机车，生产预算由昭和43年度5次債務承担。这批机车增加了防止列车自动停止装置（ATS）被关闭的警示功能，前窗玻璃改为采用发热线玻璃并取消了除霜器，部分辅助机械和车体下方设备的布置也经过调整。 1970年，因应“曙号”卧铺特急列车的开行而制造了EF71 13号机车，生产预算由昭和44年度3次債務承担。这批机车增加了列车紧急停止装置（日语：紧急列车停止装置）（EB）、列车紧急防护装置（日语：紧急列车防护装置）（TE）；为配合20系客车（日语：国鉄20系客車）的AREB电空制动机，EF71型电力机车亦在车端排障器上方设有KE72H型电气连接器，用于向旅客列车传递电空制动信号。 1973年，由于“曙号”列车增加至每天两对，东芝公司生产了最后两台EF71型电力机车（14～15）。这批机车与之前相比作出了较大变化，机车上增加了4.8吨压铁配重，运转整备重量增加至100.8吨，平均轴重增加至16.8吨，以提高机车的粘着性能。电气设备方面，牵引电动机回路和空转检测回路增加了限流保护控制器，取消车载的谐波滤波器，当机车误入直流区间时保护主电路的熔断器亦被废除。机车外观方面，采用了较小型的尾灯和供电状态指示灯，车体正面的司机室通风口亦被废除，机车编号牌改为采用整块金属板样式。 EF71 1號機車牽引奧羽本線435次普通列車錄音 1987年3月1日，福島—米澤間 播放此文件有问题？请参见媒體幫助。 EF71型电力机车落成后均配属福岛机关区（今福岛综合运输区（日语：福島総合運輸区））并投入奥羽本线运用。1968年9月22日，随着奥羽本线的交流电气化改造工程正式完成，EF71型电力机车亦开始在福岛至米泽间投入运用，至翌日（9月23日）运用区段进一步延长至山形。同年10月1日国铁运行图调整后，ED78型电力机车主要担当福岛至山形间的货物列车和旅客列车牵引任务，而在福岛至米泽间的板谷岭区段则加挂EF71型电力机车作为补机；但也有部分旅客列车通常以EF71型电力机车作为福岛至山形间的本务机车，例如以“津轻号”夜行急行为代表的优等列车。 板谷岭区段是否需要重联牵引或者加挂补机主要视乎列车重量而定。ED78型电力机车的单机牵引定数为300吨（最大330吨），双机牵引定数为540吨。EF71型电力机车的单机牵引定数为430吨（最大450吨），双机牵引定数为650吨。实际上，以EF71型电力机车的牵引性能而言，双机重联时可牵引重达730吨的列车通过33‰上坡道，但为了避免列车在陡坡上因采取紧急制动，而造成纵向冲击太大及车钩损坏的事故，因此将最大牵引定数确定为650吨。 1970年10月，上野至青森的“曙号”卧铺特急列车开行，为配合20系客车所采用的AREB电空制动机，所有EF71型电力机车均加装KE72H型电气连接器，用于向列车传递电空制动信号，同时亦增加了列车紧急停止装置（日语：紧急列车停止装置）（EB）和列车紧急防护装置（日语：紧急列车防护装置）（TE）。1970年以后，EF71型电力机车在福岛至山形间的直通运转交路亦逐渐增多，奥羽本线上本务和补机的分别已经变得模糊。 然而，对于那些无法自力通过板谷岭路段的柴油动车组列车，仍然需要EF71型电力机车作为福岛至米泽之间的补机，例如由Kiha 82系柴油动车组担当的“翼号”特急旅客列车（上野—秋田）。1970年2月，“翼号”列车开始使用新一代的Kiha 181系柴油动车组，但由于列车不仅需要自力通过板谷岭，亦需要在东北本线上野至福岛间高速运行，严酷的运用条件令列车的传动冷却系统频繁发生故障。 针对“翼号”列车的这一问题，除了对Kiha 181系柴油动车组作出相应的改进措施，并且从1972年10月起恢复以往的补机安排，福岛至米泽间仍由EF71型电力机车牵引。直到1975年11月，奥羽本线全线完成电气化改造，“翼号”列车改由485系电力动车组担当以后才不再需要补机。但是若果“翼号”列车因故障或线路积雪而无法自力行驶时，仍然会使用EF71型电力机车牵引。 1986年2月，运用时间最长的EF71 1号机车首先报废。 1987年4月，国铁分割民营化后尚存的14台EF71型电力机车由東日本旅客鐵道（JR东日本）继承，全部配属于福岛运转所（原福岛机关区）。国铁民营化后初期，EF71、ED78型电力机车仍然在奥羽本线运用，但由于夜行旅客列车和货物列车逐渐被削减，EF71型电力机车一般只用于牵引通过板谷岭路段的少数普通旅客列车，这些短编组列车通常由两三节50系客车组成，使用大功率电力机车牵引显然是不经济的。 1990年8月，为配合兴建福岛至山形的“迷你新幹線”，奥羽本线福島至山形間开始进行轨距拓宽工程，将原本的1067毫米窄轨改造成1435毫米標準軌。同年8月31日起，福岛至米泽间暂时改为单线运行，同时该线所有定期夜行列车停运。EF71型电力机车除了用于牵引上述的普通旅客列车外，亦牵引山形至漆山间的货物列车和临时列车，直至1991年8月26日该线列车停运为止。此后，部分EF71型电力机车转往東北本線投入临时运用。1992年7月，山形新幹線开通运营，EF71型电力机车因难以转往其他地区使用而陆续报废，至1993年全部机车除籍報廢。 EF71型电力机车是客货运通用的交流电力机车，适用于供电制式为20千伏50赫兹的工频单相交流电气化铁路，采用轻量化整体承载式全钢焊接结构箱型车体。车体两端各设有一个司机室，司机室内机车运行方向的左侧设有司机操纵台，右侧设有副司机座席及手制动手柄，司机室两侧设有供乘务员乘降的侧门，司机室上方车顶装有两盏密封光束灯（英语：Sealed beam）式前照燈，前窗玻璃上方装有冰柱切割板。因应机车重联运用的需要，机车两端采用贯通型结构，司机室前端中央设有贯通门，以便乘务人员通过到另一台机车。 车体中部是设有各种机械及电气装置的机械室。车顶外置的高压设备只有两台PS101C型双臂式受电弓。车体下方除了有三台转向架之外，还吊装着总风缸和谐波滤波器。车体通风系统与ED77、ED78型电力机车基本相同，车身两侧各设有七个通风百叶窗和采光玻璃窗，主变压器和整流装置等主要电气设备的冷却空气均取自车内，夏季时从机械室内吸入冷风后经车顶通风口排出热风，而冬季时则关闭车顶通风口并改为室内循环方式，以改善室内保温性能和减少车外冷风吸入量。 EF71型电力机车是交—直流电传动的整流器式电力机车，机车主电路由空气断路器、主变压器、整流器、牵引电动机、平波电抗器、电路保护装置等部分组成。机车从架空接触网获取高压交流电，首先由主变压器降低电压，再通过可控硅整流器转换成脉流电（即方向不变而只有电压变化的直流电），然后供电给六台牵引电动机。 和ED78型电力机车一样，EF71型电力机车也采用了经济多段桥的相控整流电路，但桥段数由前者的四段全控桥增加到六段全控桥，以尽量提高功率因数和减少谐波干扰。晶闸管六段全控桥式整流电路能够在四象限运行，当0°<α（控制角）<90°时工作在整流状态，利用六段整流桥顺序移相控制进行无级调压。当90°<α<180°时工作在逆变（再生）状态，牵引电动机变为他励直流发电机运转，输出的直流电经逆变电路转换成交流电，向架空接触网反馈电能。使用再生制动时并在电枢回路接入稳定电阻器，以均匀分配各牵引电动机之间的负载。 为了弥补相控电力机车功率因数较低的弱点，EF71型电力机车和ED78型电力机车一样，均设置了LC五次及七次谐波滤波器，但由于功率因数补偿效果不理想而通常切除不用。1973年以后，奥羽本线和仙山线开始使用牵引变电所固定补偿方式，并拆除了电力机车上装载的谐波滤波器。经过这两种机车的经验教训，此后日本出口的交流电力机车均采用LCR谐波滤波器，例如出口南非的7E1型电力机车（英语：South African Class 7E1）和出口中国的6K型电力机车。 EF71型电力机车的牵引和再生制动控制系统与ED78型电力机车大致相同。牵引控制采用了单闭环恒压控制系统（AVR），它是由司机控制器、给定器、比较器、补偿电路、自动脉冲移相器（APPS）、电压反馈系统等部分组成。而再生制动控制方面采用了恒压控制系统和励磁恒流控制系统，通过改变励磁电流或逆变器电压，来调节所需要的制动电流和制动力。晶闸管励磁调节器由辅助变压器供电，为牵引电动机提供励磁电流。 EF71型电力机车两端均设有两组KE77型电气连接器，可以和另外一台ED78、EF71型电力机车进行重联同步控制。在技术层面而言，当无需使用再生制动的场合，EF71型电力机车亦可以和ED75型500番台、ED77型电力机车实现重联控制。 机车装用一台强迫油循环导向风冷却的单相主变压器，变压器次边有一个向主电路供电的牵引绕组、一个向辅助系统供电的辅助绕组及一个向旅客列车供电的供电绕组。列车供电系统能够在冬季为旅客列车的电热取暖装置直接供电，由主变压器的供电绕组向列车输出1480伏特单相交流电，额定容量为380千伏安，司机室右侧装有一盏供电状态指示灯。整流装置采用可控硅整流器，冷却方式为强迫通风冷却，由反并联连接的晶闸管元件组成，采用标准化的CJ02L型晶闸管（国铁标准型号为CSI 250-10型）。 每台转向架安装两台MT52型四极串励直流牵引电动机，小时功率为450千瓦，额定电压为900伏特。六台牵引电动机采用永久“两串三并”的联接方式，即同一转向架的两台牵引电动机串联连接，三组电动机以并联方式连接，这种方式与全并联联接方式相比，虽然或会削弱了机车的防空转性能，但可以减少晶闸管数量和机车制造成本。牵引电动机回路串接有平波电抗器，以减少整流电流的脉动成分和改善电动机的换向性能。为扩大机车的恒功调速范围，还可以对牵引电动机使用二级磁场削弱。 机车的辅助电路系统主要采用三相交流传动。牵引电动机通风机、电动空气压缩机等均采用三相鼠笼式异步电动机驱动。辅助电路系统由主变压器辅助绕组供电，并由一台旋转式劈相机将单相交流电转换成三相交流电，额定电压为400伏特50赫兹。另外还设有一台小型电动发电机，为控制电路、照明电路、蓄电池充电供应100伏特直流电。 机车走行部为三台二轴转向架，包括两台DT129M、DT129N型两端转向架和一台DT137型中间转向架，其结构与ED75型电力机车的转向架大致相同。构架采用“日”字形的钢板焊接结构，轴箱采用导框式定位结构，转向架固定轴距延长至2800毫米。牵引传动装置采用轴悬式，牵引电动机输出的转矩通过一级减速齿轮传动轮对，齿轮传动比为4.44（16：71）。基础制动装置为双侧闸瓦制动，每个轮对左右各设有一个制动缸，并设有制动横梁以保证两侧闸瓦同步作用，另外还设置了闸瓦间隙调整器。中间转向架和车体之间还设有横向滚动装置，以便机车通过曲线。 转向架采用无摇枕的全旁承支重结构，通过六组旁承弹簧支承车体全部重量。一系悬挂为轴箱顶端螺旋弹簧，二系悬挂为构架外侧的旁承弹簧，旁承弹簧采用每侧两个并联的螺旋圆弹簧组，并配有垂向油压减震器。牵引力和制动力通过“Z”字形低位斜牵引杆装置来传递。牵引杆和牵引拉杆座呈对角斜对称布置，与连接于构架下的三角形回转支承和横向连杆组成牵引杆系统，使牵引杆的牵引点交于轨面，理论上转向架内无轴重转移，以充分利用机车粘着重量。 EF71 1号机车：静态保存于新干线综合车辆中心（日语：新幹線総合車両センター）。 日本铁路主题 奥羽線 板谷峠越え今昔. 鉄道ファン (交友社). 1975年12月, 176.  特集：峠の機関車. 鉄道ファン (交友社). 1980年3月, 215.  交流・交直流電機出生の記録 12. 鉄道ファン (交友社). 1988年4月, 336.  交流・交直流電機出生の記録 13. 鉄道ファン (交友社). 1988年5月, 337.  交流・交直流電機出生の記録 14. 鉄道ファン (交友社). 1988年6月, 338.  交流・交直流電機出生の記録 16. 鉄道ファン (交友社). 1988年8月, 340.  犬山徹夫. 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