EF80型電力機車(日語:EF80形電気機関車)是日本國有鐵道的雙電流制電力機車車型之一,適用於供電制式為1500伏直流電和20千伏50赫茲的工頻單相交流電的電氣化鐵路。
基本介紹
- 中文名:EF80型電力機車
- 外文名:日語:EF80形電気機関車
- 原產國:日本
- 產量:63台
- 生產年份:1962年—1967年
- 主要用戶:日本國有鐵道
- 生產商:日立製作所、東芝
- 生產商:三菱電機、三菱重工業
發展歷史,開發背景,生產批次,運用歷史,技術特點,總體結構,電氣系統,轉向架,車輛保存,
發展歷史
開發背景
1959年,日本國有鐵道開始對常磐線取手以北實施交流電氣化改造,並在取手至藤代(日語:藤代駅)之間設定一個交直流分相區,使交直流兩用的鐵路車輛能夠以車上切換方式,在列車運行時無需停車就能完成電流制的轉換。同年,日立製作所在ED71型電力機車的基礎上,試製了首台交直流兩用的ED46型電力機車(後來改稱為ED92型電力機車),同時適用於1500伏直流電和20千伏50赫茲單相交流電氣化鐵路。
1962年,日立製作所根據ED46型電力機車的試驗結果和運用經驗,研製了新一代的EF80型電力機車。EF80型電力機車是客貨運通用的雙電流制六軸電力機車,機車軸式為B-B-B。最初日本國鐵曾經打算分別研製四軸客運機車和六軸貨運機車,但考慮到未來旅客列車逐漸改用電力動車組擔當後,剩餘的四軸電力機車將難以改為貨運用途,因此最終決定開發客貨運通用的六軸電力機車,並且分為帶有列車供電裝置的客運型,以及沒有搭載列車供電裝置的貨運型。
EF80型電力機車裝有油冷式主變壓器和矽二極體整流器,調速控制採用電阻調壓、串並聯換接和磁場削弱方式,並採用了單電機轉向架和輪對空心軸架懸式驅動裝置。機車整備重量為96噸,最高運轉速度為105公里/小時,在交流及直流區段的小時功率均為1950千瓦,可以滿足單機牽引1200噸貨物列車(遠期1300噸)在10‰長大坡道上起動的需要,而在平直道上單機牽引600噸旅客列車的最大平衡速度可達105公里/小時。
生產批次
生產批次 | 機車編號 | 製造商 | 類型 | 新造配屬 | 製造目的 | 生產預算 |
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早期型 | 1 - 13 | 日立製作所 | 客運 | 田端機關區(日語:田端運転所) | 常磐線勝田至平區段電化開業 | 昭和36年度第2次債務 |
14 - 20 | 三菱電機 三菱重工業 | |||||
21 - 27 | 日立製作所 | 昭和37年度採購 | ||||
28 - 30 | 三菱電機 三菱重工業 | |||||
31 - 40 | 日立製作所 | 貨運 | 昭和37年度第1次債務 | |||
41 - 50 | 昭和37年度第2次債務 | |||||
改良型 | 51?52 | 勝田電車區(日語:勝田車輛中心) | 新金貨運線、水戶線電化開業 | 昭和41年度本予算 | ||
53 - 55 | 東芝 | |||||
56 - 58 | 三菱電機 三菱重工業 | |||||
59 - 63 | 日立製作所 | 客運 |
牽引貨物列車的EF80 63號機車(1985年)
1962年至1963年間,日立製作所、三菱電機、三菱重工業共製造了首批50台EF80型電力機車(1~50),當中包括30台客運型機車和20台貨運型機車。這批早期型機車的特點是採用了心盤牽引的DT127、DT128型轉向架,裝用MT53型牽引電動機和埋入式前照燈。其中,EF80 37號機車採用了與車體弧度配合的曲面前窗玻璃,明顯與其他機車不同。
1966年至1967年間,日立製作所、三菱電機、三菱重工業、東芝公司又製造了第二批13台EF80型電力機車(51~63),當中包括5台客運型機車和18台貨運型機車。這批改良型機車根據早期型機車的運用經驗而作出了改進,例如採用改良了牽引裝置的DT135、DT136型轉向架以改善粘著性能,裝用MT53A型牽引電動機,前照燈改為使用凸出於車體的安裝方式,加大警示燈的尺寸,機械室採光玻璃窗採用H形斷面的橡膠密封條安裝,機車整備重量提高至97.8噸。其中,在最後出廠的EF80 63號機車上首次安裝靜止式變流器(SIV)作為列車供電裝置。
運用歷史
EF80型電力機車牽引“夕鶴號”特急列車(1984年)
1985年國際科學技術博覽會期間,EF80型電力機車牽引“世博夢號”臨時旅客列車
自從在1962年投入運用起,所有EF80型電力機車均以水戶鐵道管理局(今東日本旅客鐵道水戶支社(日語:東日本旅客鉄道水戸支社))管內為主要使用範圍。1962年至1963年間,50台早期型機車陸續配屬到田端機關區(日語:田端機関區)。1962年10月1日,常磐線勝田至高萩(日語:高萩駅)區段完成交流電氣化,日本國鐵實施列車運行圖調整,EF80型電力機車主要擔當上野至水戶間普通旅客列車的牽引任務,替代了原本使用的C62型蒸汽機車,而水戶以北路段則仍然使用蒸汽機車牽引。1963年5月1日,常磐線高萩至平(日語:いわき駅)區段完成交流電氣化,EF80型電力機車的牽引區段延長至平,廣泛運用於牽引包括“夕鶴號”臥鋪特急、“十和田號”夜行急行在內的各種旅客列車及貨物列車。此外,EF80型電力機車亦曾經在東北本線運用,擔當上野至黑磯間的臨時旅客列車,或田端(日語:田端信號場駅)至郡山間直通貨物列車的牽引任務。
1962年至1965年間,田端機關區所屬的部分EF80型電力機車入助勝田電車區(日語:勝田車両センター)。1966年至1967年初,13台改良型機車陸續配屬到勝田電車區。1967年,隨著與常磐線連線的新金貨運線(日語:新金貨物線)及水戶線全面完成電氣化,EF80型電力機車亦開始投入該兩線運用,主要擔當水戶線小山至友部(日語:友部駅)、新金貨物線(總武本線貨運支線)新小岩(日語:新小岩信號場駅)至佐倉(日語:佐倉駅)、金町(日語:金町駅)的貨物列車牽引任務。同年8月,常磐線全線的電氣化改造工程全部完成,勝田電車區所屬的13台改良型機車全部轉配屬內鄉機關區,至此所有EF80型電力機車均集中配屬到規模較大的田端機關區及內鄉機關區。此時,EF80型電力機車的運用區段仍然保持在平以南,常磐線平以北則使用ED75型電力機車。1968年7月,與總武本線接續的外房線千葉至蘇我區段完成電氣化改造,自此外房線亦開始出現EF80型電力機車的蹤影。
1968年,為了提高寢台旅客列車(藍色列車)的旅行速度,日本國鐵對所有20系客車進行制動系統改造,通過對原本的AS空氣制動機加裝電空閥、中繼閥等電控裝置改造為AREB電空制動機,實現列車制動系統的電控化,使列車最高運行速度由95公里/小時提高至110公里/小時。為配合“夕鶴號”特急列車的牽引需要,12台EF80型電力機車(1~12)進行了相應改造。改造內容包括加裝機車電空制動機及KE72型電氣連線器,並加裝總風管以滿足20系客車空氣彈簧的用風需要。由於常磐線的最高速度限制為95公里/小時,因此機車無需加裝電空制動機和列車乘務員有線電話等設備。
1973年,隨著田端機關區開始配屬EF81型電力機車,該區所屬的EF80型電力機車不再投入東北本線方面運用,並開始向內鄉機關區轉出EF80型電力機車。至1974年10月,田端機關區和內鄉機關區分別配屬有36台和27台EF80型電力機車。1978年10月,內鄉機關區所屬的EF80 24、25、26號機車轉配屬福島機關區(今福島綜合運輸區(日語:福島総合運輸區)),但不久之後就再度轉配屬到田端機關區。
1980年起,為了淘汰日漸老化的EF80型電力機車,部分原本配屬富山機關區(日語:富山機関區)和酒田機關區(日語:酒田運輸區)的EF81型電力機車,開始轉配屬到田端機關區並投入常磐線運用,而運用時間最長的第一批EF80型電力機車則開始逐步報廢。與此同時,內鄉機關區的所有EF80型電力機車分批轉移到田端機關區,直至磐城貨運站(日語:いわき貨物駅)和內鄉機關區於1985年被撤銷,當時田端機關區尚未報廢的EF80型電力機車僅餘下20台。1986年,EF80型電力機車全部除籍和報廢。
技術特點
總體結構
設備布置
保存於碓冰嶺鐵道文化村的EF80 63號機車
EF80型電力機車是客貨運通用的雙電流制電力機車,適用於供電制式為1500伏直流電和20千伏50赫茲的工頻單相交流電的電氣化鐵路。EF80型電力機車可分為客運型和貨運型,差異僅在於客運型搭載了列車電氣供暖用的電動發電機(MG),而貨運型則加裝壓鐵配重以保證整備重量與客運型一致。
車體兩端各設有一個司機室,司機室內機車運行方向的左側設有司機操縱台,司機室兩側設有供乘務員乘降的側門,司機室上方車頂裝有兩盞密封光束燈(英語:Sealed beam)式前照燈。車體中部是設有各種機械及電氣裝置的機械室,並設有貫通式雙側內走廊連線兩端司機室。車頂安裝有兩台PS19型雙臂式受電弓、交直流切換器、高速斷路器、避雷器等高壓電氣設備。車體下方除了設有三台轉向架外,還吊裝著輔助電阻器、平波電抗器和蓄電池。
通風系統
機械室內設備採用車體通風、集中冷卻的降溫方式。車身兩側各設有七個通風百葉窗和採光玻璃窗,是車內設備通風冷卻的主要進風視窗。車內前、中、後分別設有三台電動通風機,第一通風機用於冷卻第一台牽引電動機和主變壓器,第二通風機用於冷卻第二台牽引電動機和整流器,第三通風機用於冷卻第三台牽引電動機和平波電抗器。而主電阻器則採用獨立的通風冷卻系統。
車體結構
EF80型電力機車採用整體承載式全鋼焊接結構箱型車體,車體全長16,700毫米,全寬2,800毫米。由於單電機轉向架的牽引電動機安裝位置相對較高,因此車體底架採用了無中梁的框架式承載結構,底架由側梁、橫樑、端梁、枕梁組成。車體鋼結構使用鋼板擠壓而成的型鋼材料製成,車體薄板蒙皮採用組焊工藝,車體裝配作業廣泛套用模組化結構以提高生產效率。車體兩端安裝有柴田式上作用自動車鉤及LI-7B型緩衝器。
電氣系統
機車主電路
EF80型電力機車是交—直流電傳動的整流器式電力機車,機車主電路由空氣斷路器、交直流切換器、主變壓器、整流器、牽引電動機、主電阻器、電路保護裝置等部分組成。在交流電模式時,機車從架空接觸網獲取高壓交流電,首先由主變壓器降低電壓,再通過矽整流器轉換成脈流電(即方向不變而只有電壓變化的直流電),經過電阻調壓後供電給牽引電動機。在直流電模式時,機車從架空接觸網獲取直流電,經過電阻調壓後直接向牽引電動機供電。
EF80型電力機車採用車上切換方式來過渡到另一種電流制式,可以在運行時無需停車就完成交直流切換過程。當機車通過交直流分相區之前,通過主斷路器的電控氣動操作,斷開網側電源和機車主電路的連線;而交直流切換器完成轉換並通過分相區後,又再自動閉合主斷路器,這一過程中受電弓無需降弓。當機車由直流區段過渡到交流區段後,(機車運行方向)前端受電弓會在下一停靠車站降弓,以減少對架空接觸網造成不必要的磨耗。
EF80型電力機車的調速控制方式和直流電力機車一樣,採用電阻調壓、牽引電動機的串—並聯換接、以及磁場削弱控制來達到調速的目的。調速控制器共有34個調壓級位,其中弱磁起動位1級、串聯位17級、並聯位13級、磁場削弱位3級。
主變壓器
機車裝用一台TM7A型芯式單相主變壓器。原邊輸入電壓為20千伏,冬季額定容量為2670千伏安(開啟列車供電),夏季額定容量為2280千伏安(關閉列車供電),冷卻方式為強迫油循環導向風冷卻。變壓器次邊有三個繞組,包括一個向整流器供電的牽引繞組(額定電壓為2077伏特,額定容量為2274千伏安)、一個向輔助系統供電的輔助繞組(額定電壓為218伏特,額定容量為6千伏安)及一個向旅客列車供電的供電繞組(額定電壓為1500伏特,額定容量為390千伏安)。
矽整流器
整流裝置採用RS9型矽整流器。整流器使用日立製作所研製的DJ15L型矽二極體(最大反向電壓為1000伏特,最大反向脈衝電壓為1300伏特,平均整流電流為100安倍),整流裝置由四個橋臂組成單相橋式全波整流電路,每一橋臂由七個並聯支路組成,每個支路有九個串聯連線的二極體,每台機車共使用252個二極體元件。整流器額定功率為2200千瓦,額定整流電壓為1500伏特,額定電流為1463安倍,採用強迫通風冷卻。
牽引電動機
每台轉向架安裝一台MT53型牽引電動機(改良型機車使用MT53A型),是在ED46型電力機車所使用的MT913型牽引電動機的基礎上改良而成。MT53型電動機是帶有補償繞組的四極串勵直流電動機,定子繞組採用環氧樹脂浸漬絕緣,以提高絕緣及耐熱性能。小時功率為650千瓦,持續功率為600千瓦,額定電壓為1500伏特,額定轉速為每分鐘845轉,採用強迫通風冷卻。為擴大機車的恆功調速範圍,還可以對牽引電動機使用三級磁場削弱,削弱率最深可達35%。
電氣供暖
客運型電力機車設有列車供電系統,能夠在冬季為旅客列車的電熱取暖裝置直接供電。在交流區段時,由主變壓器的供電繞組向列車輸出1500伏特單相交流電,司機室側門旁邊並裝有一盞供電狀態指示燈。而在直流區間時則由一台大容量電動發電機供電,將1500伏特直流電轉換成1440伏特單相交流電,額定容量為320千伏安。列車供電系統還可以根據環境溫度對輸出電壓作三檔調節(100%、75%、50%)。機車兩端設有KE3型供電插座,通過供電線與列車連線。
1968年,隨著半導體技術的快速發展,日立在EF80 63號機車上進行了安裝晶閘管逆變器(靜止式變流器)的試驗,取代了效率較低的電動發電機。該逆變器額定容量同樣為320千伏安,採用單相橋式逆變電路,並設定了大容量直流濾波器來減少輸入電源的脈動。這種晶閘管逆變器在EF80 63號機車上取得良好的效果,並在同年投產的EF81型電力機車上開始推廣使用。
輔助電路
EF80型電力機車的輔助電路系統主要採用直流電傳動。機械室內三台電動通風機、主電阻器電動通風機、電動空氣壓縮機、輔助空氣壓縮機均採用直流電動機驅動,輸入電壓為1500伏特直流電,在直流區段由架空接觸網直接饋電,在交流區段則由整流器供電。主變壓器油泵則採用單相異步電動機驅動,由主變壓器輔助繞組直接供電。另外,還設有一台小型電動發電機,將1500伏特直流電轉換成100伏特直流電,供控制電路、照明電路、蓄電池充電之用。
轉向架
主要結構
機車走行部為三台二軸轉向架,早期型機車採用DT127型兩端轉向架和DT128型中間轉向架,改良型機車採用DT135型兩端轉向架和DT136型中間轉向架。
構架採用“日”字形的鋼板焊接結構,軸箱採用導框式定位結構,轉向架固定軸距為2212毫米。轉向架採用全旁承支重結構,車體全部重量通過六組旁承彈簧坐落在三台轉向架上。一系懸掛為軸箱頂端螺旋彈簧,二系旁承懸掛為每側兩個並聯的螺旋圓彈簧組,並配有垂向油壓減震器。中間轉向架和車體之間還設有橫向滾動裝置以便通過曲線。基礎制動裝置為單側閘瓦制動,轉向架左右各設有一個制動缸,並設有制動橫樑以保證兩側閘瓦同步作用,另外還設定了閘瓦間隙調整器。
驅動裝置
EF80型電力機車也是繼ED46、EF30型電力機車之後,第三種採用單電機轉向架的國鐵電力機車,每個轉向架安裝一台大功率牽引電動機並成組驅動兩個輪對。
EF80型電力機車採用QD9型驅動裝置,牽引電動機採用架懸式安裝方式,將牽引電動機橫向固定在轉向架構架中梁,即兩個輪對之間;從牽引電動機軸端齒輪輸出的轉矩,通過前後兩個中間齒輪分別傳動兩個輪對的大齒輪。驅動裝置採用輪對空心軸傳動方式,大齒輪由滾動軸承安裝在空心軸套上,轉矩由大齒輪通過橡膠連桿機構傳給空心軸,空心軸的另一端亦使用橡膠連桿機構與車輪相連。牽引齒輪傳動比為3.6(20:72)。
1965年,日本企業聯合體(日立、三菱、東芝)向印度國家鐵路出口的45台WAG2型電力機車,亦採用了相似結構的單電機轉向架和輪對空心軸傳動裝置。
牽引裝置
早期型和改良型機車轉向架的差異只在於牽引裝置。早期型機車使用心盤來傳遞牽引力和制動力,兩端轉向架各設有一個心盤牽引裝置,中間轉向架則設有兩個心盤牽引裝置,分別布置在牽引電動機兩側。心盤牽引的缺點的牽引高度較高,牽引點高度距離軌面約1080毫米。為了充分利用機車粘著重量及減少軸重轉移,改良型機車的兩端轉向架改為採用雙側平行牽引拉桿,而中間轉向架仍然採用心盤牽引。
技術數據 | |
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UIC軸式 | B'B'B' |
軌距 | 1,067毫米 |
輪徑 | 1,120毫米 |
軸重 | 16.0噸(早期型) 16.3噸(後期型) |
軸距 | 2,212毫米 |
機車長度 | 17,500毫米 |
機車寬度 | 2,805毫米 |
機車高度 | 3,580毫米(軌面至車頂平面) 4,240毫米(降弓狀態) |
整備重量 | 96.0噸(早期型) 97.8噸(後期型) |
受流電壓 | |
傳動方式 | 交—直流電 |
牽引電動機 | MT53 × 3(早期型) MT53A × 3(後期型) |
最高速度 | 105公里/小時 |
持續速度 | 48.3公里/小時 |
牽引功率 | 1,950千瓦(小時) 1,800千瓦(持續) |
牽引力 | 28,500公斤(起動) 14,400公斤(持續) |
制動方式 | EL14AS自動空氣制動機、手制動機 |
安全系統 | ATS-S |