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日本國鐵ED77型電力機車

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ED77(ED93)
保存在新幹線綜合車輛中心的ED77 1號機車
概覽
類型電力機車
原產國 日本
生產商日立製作所東芝
三菱電機三菱重工業
生產年份1965年—1970年
產量16台
主要用戶日本 日本國有鐵道
技術數據
華氏輪式0-4-4-4-0
UIC軸式Bo'2'Bo'
軌距1,067毫米
輪徑1,120毫米
軸距2,500毫米(兩端轉向架)
1,600毫米(中間轉向架)
機車長度15,000毫米(原型車)
15,800毫米(量產車)
機車寬度2,800毫米
機車高度4,260毫米(降弓狀態)
整備重量75.0噸
供電電壓AC 20kV 50Hz
傳動方式交—直流電
牽引電動機MT52 × 4
最高速度100公里/小時
持續速度49.1公里/小時
牽引功率1,900千瓦(小時)
牽引力14,100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

ED77型電力機車(日語:ED77形電気機関車)是日本國有鐵道交流電力機車車型之一,適用於供電制式為20千伏50赫茲的工頻單相交流電電氣化鐵路

發展歷史

原型車

1960年代中期,作為日本國鐵標準型交流電力機車的ED75型電力機車已經投入批量生產,並開始在常磐線東北本線等主要幹線投入運用。因應東北地方部分軸重限制較低的支線鐵路的運輸需要,日本國鐵決定在ED75型電力機車的基礎上,開發研製一種軸重較輕的新型交流電力機車。1965年,日立製作所成功試製了首台原型車,稱之為ED93型電力機車(ED93 1)。

從1960年代起,隨着電力電子技術在牽引傳動領域的快速發展,世界上已經出現了以可控矽整流器取代調壓開關和矽整流器的趨勢,閘流體相控調壓的交—直流電傳動電力機車也漸趨成熟。在此背景之下,ED93型電力機車成為日本第一種閘流體相控電力機車,採用閘流體四段半控橋式整流電路,實現了機車主電路和控制電路的無觸點化,並提高了電力機車的粘着牽引性能。為適應路綫條件較差的支線鐵路,ED93型電力機車還採用了Bo-2-Bo軸配置,無動力的中間轉向架具有可變軸重功能。另外,由於東北地方的冬季嚴寒環境,ED93型電力機車亦特別加強了防寒防雪性能[1]

ED93 1號機車出廠後首先配屬於作並機關區,並在仙山線、東北本線進行性能試驗。1966年1月,開始在仙山線進行牽引試驗,擔當仙台作並間客貨列車的牽引任務。1968年3月30日,該原型車在郡山工廠(今郡山綜合車輛中心日語郡山総合車両センター)按量產車的標準進行了改造,改造內容包括加裝車端貫通門及重聯控制系統等。完成改造後該機車改稱為ED77 901號機車,並與其他量產車共同運用[2]

量產車

ED77型電力機車牽引50系客車(1987年)

1967年,根據ED93 1號機車的試驗結果,正式定型為ED77型電力機車並投入批量生產,當年由日立製作所、三菱電機三菱重工業東芝公司共製造了首批14台機車(1~14)。與原型車相比,量產車的車端中央部分加裝了貫通門,還增設了KE77型電氣連接器和總風管等重聯控制裝置;機車長度由原來的15000毫米延長至15800毫米,並改善了機械室內高壓電器設備的佈置方式[2]

1970年,三菱電機、三菱重工業生產了最後一台ED77型電力機車(15),除了改為使用MT52A型牽引電動機外,亦改進了空氣壓縮機、制動閥和前窗玻璃發熱線的設計[3]

機車編號 製造年份 製造商 新造配屬 製造目的 生產預算
901
(ED93 1)
1968年改造
(1965年新造)
郡山工廠
(日立製作所)
福島機關區
(作並機關區)
支線鐵路用交流電力機車研製 昭和39年度第1次債務
1~7 1967 日立製作所 福島機關區 磐越西線郡山喜多方間電化開業 昭和41年度第1次債務
8~10 東芝
11~14 三菱電機
三菱重工
15 1970 磐越東線・西線直通貨物列車增發 昭和44年度第2次債務

運用歷史

1967年2月,磐越西線郡山至喜多方區段完成交流電氣化,ED77型電力機車亦開始在該線正式投入運用。雖然全部ED77型電力機車均配屬於福島機關區(今福島綜合運輸區日語福島総合運輸区),但通常由會津若松運輸區日語会津若松運輸区支配運用和管理,福島機關區則負責對機車的檢修維護。

當時,日本國鐵還曾經考慮在仙山線和田澤湖線投入ED77型電力機車,但後來仙山線開始使用與奧羽本線直通運行的ED78型電力機車,而田澤湖線的定期貨物列車全部中止營運後,再配屬交流電力機車已無任何意義,因此臨時貨物列車只使用DE10型柴油機車牽引,路綫強化改造後則改用ED75型電力機車。

1986年,901號原型車首先除籍報廢[2]。1987年2月,1~8號機車也正式報廢。1987年4月,國鐵分割民營化後,東日本旅客鐵道(JR東日本)繼承了其餘ED77型電力機車(9~15)。隨着磐越西線對路綫建築進行強化改造,使ED75型電力機車也能夠投入該線運用,最終所有ED77型電力機車於1993年中止營運報廢[2]

技術特點

總體佈置

司機室

ED77型電力機車是客貨運通用的交流電力機車,適用於供電制式為20千伏50赫茲的工頻單相交流電氣化鐵路。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,右側設有副司機座席及手制動手柄,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。原型車的兩端採用非貫通形式,並裝有大面積前窗玻璃以改善司機的瞭望視野。因應機車重聯運用的需要,量產車改為採用貫通型的車端結構,司機室前端中央設有貫通門,以便乘務人員通過到另一台機車[1]

機械室

為了方便司機和檢修人員的操縱和維護工作,ED77型電力機車儘可能採用與ED75型電力機車相同的設備佈置方式。車體中部是設有各種機械及電氣裝置的機械室,其中重量最大的主變壓器安置於中央位置,一端方向設有牽引電動機通風機、旋轉式劈相機、交流濾波器、控制電器等設備,二端方向設有矽控整流器、電動空氣壓縮機、勵磁電阻器等設備,機械室內設有貫通式雙側內走廊連接兩端司機室。車體下方除了有三台轉向架之外,還吊裝着兩個總風缸。為了提高機車的防雪防寒性能,車頂上的高速斷路器避雷器等高壓電氣設備改為安裝在車體內部,外置的高壓設備只有兩台PS101型雙臂式集電弓

此外,ED77型電力機車的通風系統也和ED75型電力機車有所不同,車身兩側各設有五個通風百葉窗和採光玻璃窗,主變壓器和整流裝置等主要電氣設備的冷卻空氣均取自車內,夏季時從機械室內吸入冷風后經車頂通風口排出熱風,而冬季時則關閉車頂通風口並改為室內循環方式,以改善室內保溫性能和減少車外冷風吸入量[1]

車體結構

ED77型電力機車採用輕量化整體承載式全鋼焊接結構箱型車體,車體全長14,200毫米(量產車延長至15,000毫米),全寬2,800毫米。除了車體長度延長及室內循環冷卻外,車體結構與ED75型電力機車基本相同。

電氣系統

主電路

ED77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、主變壓器、整流器、牽引電動機、平波電抗器、電路保護裝置等部分組成。機車從架空電纜獲取高壓交流電,首先由主變壓器降低電壓,再通過矽控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),然後供電給四台並聯的牽引電動機。

ED77型電力機車採用了閘流體相位控制的調壓方式,取代了ED75型電力機車的磁放大器級間相控調壓。考慮到功率因數諧波干擾的因素,採用了閘流體四段半控橋式整流電路,整流器由反並聯連接的閘流體二極管組成整流橋,利用相位控制直接進行無級調壓,不僅提高了電力機車的粘着牽引性能,還可以取消笨重的有觸點式調壓開關[1]

控制系統

為了起動平穩和有效利用粘着重量,機車採用了單閉環恆壓控制系統(AVR),它是由司機控制器、給定器、比較器、自動脈衝移相器(APPS)、電壓反饋系統等部分組成,首先通過對牽引電動機迴路負載電壓的檢測,得到相應的反饋訊號電壓,並與給定器(定時磁放大器)輸出的基準訊號電壓進行比較,如果負載電壓與基準電壓不同則產生一個偏差訊號,使移相器發出一個相位與基準電壓有一定函數關係的脈衝訊號,以此來觸發閘流體和改變控制角大小[1]

主變壓器

機車裝用一台TM916型芯式單相主變壓器,冷卻方式為強迫油循環導向風冷卻,額定容量為2290千伏安,變壓器次邊有三個線圈,包括一個向主電路供電的牽引線圈、一個向輔助系統供電的輔助線圈及一個向旅客列車供電的供電線圈。主變壓器和平波電抗器採用一體化結構,安裝在同一個油箱內並共用一組冷卻系統,減少了電氣裝置的體積和重量[1]

整流裝置

整流裝置採用RS905型矽控整流器,冷卻方式為強迫通風冷卻,額定功率為2400千瓦,額定整流電壓為1200伏特,額定電流為2000安倍;全車共使用256個半導體元件,包括160個DJ16型矽二極管(最大反向電壓為1300伏特,最大反向脈衝電壓為1600伏特,平均整流電流為280安倍)和96個CJ02L型閘流體(最大反向電壓為1200伏特,額定整流電流為250安倍)[1]

牽引電動機

每個兩端轉向架安裝兩台MT52型四極串勵直流牽引電動機(15號機車改為使用經改良的MT52A型),小時功率為475千瓦,持續功率為425千瓦,額定電壓為900伏特,定子線圈採用環氧樹脂浸漬絕緣以提高絕緣及耐熱性能。牽引電動機迴路串接有平波電抗器,以減少整流電流的脈動成分和改善摩打的換向性能。為擴大機車的恆功調速範圍,還可以對牽引電動機使用一級磁場削弱,削弱率可達60%。

電氣供暖

和ED75型電力機車一樣,ED77型電力機車亦設有列車供電系統,能夠在冬季為旅客列車的電熱取暖裝置直接供電,由主變壓器的供電線圈向列車輸出1498伏特單相交流電,額定容量為380千伏安,司機室側門旁邊並裝有一盞供電狀態指示燈。機車兩端設有KE3型供電插座,通過供電線與列車連接。

輔助電路

機車的輔助電路系統主要採用三相交流傳動。牽引電動機通風機、電動空氣壓縮機等均採用三相鼠籠式異步摩打驅動。輔助電路系統由主變壓器輔助線圈供電,並由一台旋轉式劈相機將單相交流電轉換成三相交流電,額定電壓為400伏特50赫茲。另外還設有一台小型電動發電機,為控制電路、照明電路、蓄電池充電供應100伏特直流電。

轉向架

機車走行部為三台二軸轉向架,包括兩台DT129型兩端轉向架和一台無動力的TR103型中間轉向架。

兩端轉向架

兩端轉向架與ED75型電力機車的轉向架完全相同。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2500毫米。牽引電動機懸掛裝置採用軸懸式,牽引電動機的一側通過抱軸承剛性地支承在車軸上,另一側通過橡膠彈性元件懸掛在轉向架構架上,牽引電動機輸出的轉矩通過一級減速齒輪傳動輪對,齒輪傳動比為4.44(16:71)。

轉向架採用無搖枕的全旁承支重結構,車體全部重量通過四組旁承彈簧由兩台轉向架支承。一系懸掛為軸箱頂端捲簧,二系懸掛為構架外側的旁承彈簧,旁承彈簧採用每側兩個並聯的螺旋圓彈簧組,並配有垂向油壓減震器。此外,車體和轉向架之間還設有迴轉限位裝置和抗蛇行減震器。牽引力和制動力通過「Z」字形低位斜牽引杆裝置來傳遞。牽引杆和牽引拉杆座呈對角斜對稱佈置,與連接於構架下的三角形迴轉支承和橫向連杆組成牽引杆系統,使牽引杆的牽引點交於軌面,理論上轉向架內無軸重轉移,以充分利用機車粘着重量及減少軸重轉移[1]

基礎制動裝置為雙側閘瓦制動,每個輪對左右各設有一個軔缸,並設有制動橫樑以保證兩側閘瓦同步作用,另外還設置了閘瓦間隙調整器。

中間轉向架

ED77型電力機車是繼ED72型電力機車之後,第二種採用可變軸重中間轉向架的國鐵電力機車。轉向架構架採用「U」形側梁的鋼板焊接結構,固定軸距為1600毫米。中間轉向架亦採用旁承承載,中央懸掛裝置採用空氣彈簧。中間轉向架和車體之間還設有橫向滾動裝置,以便機車通過曲線。

為適應路綫條件較差的支線鐵路牽引需要,ED77型電力機車具有軸重調整功能,通過調節中央空氣彈簧的內部壓力,改變兩端和中間轉向架的軸重分配,使動輪軸重可以根據路綫條件而設定為14、15、16或16.8噸。該功能不僅擴大了機車的使用範圍,還能在牽引列車起動時採用較大的軸重,以提高粘着性能[1]

車輛保存

參考文獻

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 佐々木昭夫、武井謙二、石塚猛、平野坦. サイリスタ式ED93形交流電気機関車. 《日立評論》 (日立製作所). 1966年4月, 48 (4): 64–69 (日語). 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 2.3 ED77形交流電気機関車. I TRENI~失われし鉄道車両を求めて. [2013-12-17]. (原始內容存檔於2019-01-23). 
  3. ^ ED77 1~15. Kanorail. [2013-12-17]. (原始內容存檔於2020-11-09).