和諧1型電力機(jī)車背景

自2003年劉志軍出任中華人民共和國鐵道部部長后，提出并實(shí)施鐵路“跨越式發(fā)展”，以盡快縮小在鐵路機(jī)車車輛裝備上與國際先進(jìn)水平的差距。2003年11月，中國鐵道部與中國南車、北車集團(tuán)及其重點(diǎn)企業(yè)共同制定了《加快鐵路機(jī)車車輛裝備現(xiàn)代化實(shí)施綱要》，并選擇了6家機(jī)車制造企業(yè)作為引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)和自主創(chuàng)新依托的主體。2004年1月，中國國務(wù)院常務(wù)會議通過了《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》；2004年4月，國務(wù)院常務(wù)會議研究通過的鐵路機(jī)車車輛裝備現(xiàn)代化實(shí)施方案明確指出，“加快我國鐵路運(yùn)輸裝備現(xiàn)代化，要按照引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)、聯(lián)合設(shè)計生產(chǎn)、打造中國品牌的總體要求，力爭在較短時間內(nèi)，使我國機(jī)車車輛生產(chǎn)能力達(dá)到世界先進(jìn)水平”。根據(jù)國務(wù)院確立的上述方針，中國國家發(fā)改委與鐵道部于2004年7月聯(lián)合下達(dá)了《大功率交流傳動電力機(jī)車技術(shù)引進(jìn)與國產(chǎn)化實(shí)施方案》，正式開始了新型交流傳動電力機(jī)車的采購過程。

2004年12月初，時任德國總理施羅德開始他就任以來的第六次中國之行，并有一個陣容龐大的商業(yè)代表團(tuán)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(yè)在內(nèi)的近50名德國商界代表。2004年12月6日，中國國務(wù)院總理溫家寶在北京人民大會堂與施羅德舉行會談，會談結(jié)束后雙方代表簽訂了關(guān)于加強(qiáng)兩國中小企業(yè)合作的諒解備忘錄，以及在鐵路、航空、財政、金融和化工等領(lǐng)域開展合作的協(xié)議文件。在眾多的簽約項目中，西門子公司與中國南車集團(tuán)株洲電力機(jī)車廠從中國鐵道部獲得了一項提供180臺雙節(jié)八軸重載貨運(yùn)交流傳動電力機(jī)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(jī)車廠的份額為52.6%，約38.6億元人民幣。

和諧1型電力機(jī)車研制

根據(jù)合同規(guī)定，這批機(jī)車的研發(fā)和設(shè)計由位于德國愛爾蘭根和慕尼黑的西門子交通集團(tuán)總部完成，并由株洲電力機(jī)車廠在湖南株洲進(jìn)行生產(chǎn)。這批機(jī)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(jī)車是在西門子“歐洲短跑手”（EuroSprinter）機(jī)車平臺上，以ES64F4型電力機(jī)車為原型車，結(jié)合DJ1型電力機(jī)車在大秦鐵路的運(yùn)用經(jīng)驗而開發(fā)研制的干線貨運(yùn)用八軸大功率交流傳動電力機(jī)車。機(jī)車由兩節(jié)完全相同四軸機(jī)車連掛而成，采用交—直—交流電傳動、水冷IGBT牽引逆變器、變頻異步牽引電動機(jī)、“SIBAS 32”微機(jī)控制系統(tǒng)、列車通信網(wǎng)絡(luò)，額定功率為9600千瓦，最高運(yùn)行速度為120公里/小時，并裝有“Locotrol”遠(yuǎn)程重聯(lián)控制系統(tǒng)，適合于多機(jī)分布式重載牽引。機(jī)車軸重按25噸設(shè)計，可通過卸除車內(nèi)配重壓鐵實(shí)現(xiàn)軸重23噸的轉(zhuǎn)換。

2005年內(nèi)，西門子、株洲廠聯(lián)合體與中國鐵道部先后進(jìn)行了4次設(shè)計聯(lián)絡(luò)會，確定了機(jī)車的技術(shù)方案。2006年2月，機(jī)車的技術(shù)設(shè)計方案通過了鐵道部的技術(shù)審查，開始進(jìn)入投料生產(chǎn)階段。機(jī)車的生產(chǎn)分為三個階段，第一階段首48臺機(jī)車（0001～0048）為進(jìn)口散件國內(nèi)組裝階段，由西門子公司提供散件，株洲廠負(fù)責(zé)車體、轉(zhuǎn)向架制造和整車組裝；第二階段的22臺機(jī)車（0049～0070）開始國產(chǎn)化階段，南車株洲電機(jī)公司承擔(dān)牽引電動機(jī)、主變壓器的國產(chǎn)化；第三階段的110臺機(jī)車（0071～0180）為進(jìn)一步國產(chǎn)化，西門子公司僅提供牽引逆變器、微機(jī)控制系統(tǒng)，株洲廠負(fù)責(zé)機(jī)車整車制造和傳動裝置的國產(chǎn)化。

經(jīng)過近兩年時間的研制，首臺散件進(jìn)口機(jī)車（0001）于2006年11月8日在株洲電力機(jī)車有限公司竣工下線，經(jīng)鐵道部批準(zhǔn)，新機(jī)車被定型為DJ4型，并被命名為“神龍?zhí)枴薄４送?，由大同電力機(jī)車及法國阿爾斯通合作研發(fā)10000千瓦八軸貨運(yùn)電力機(jī)車同樣被定型為DJ4型，編號為6001起排序。同年12月底，鐵道部批準(zhǔn)將新型大功率交流傳動電力機(jī)車系列命名為“和諧型”，西門子和株洲電力機(jī)車生產(chǎn)的DJ4型電力機(jī)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(jī)車、“1”代表株洲電力機(jī)車公司的生產(chǎn)廠商代號，通稱為“和諧”電1型電力機(jī)車；而阿爾斯通和大同電力機(jī)車生產(chǎn)的DJ4型6000系電力機(jī)車更名為HXD2型。

2007年2月初，首2臺進(jìn)口散件組裝的HXD1型電力機(jī)車（0001、0002）被送往中國鐵道科學(xué)研究院北京環(huán)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(jī)公司完成了國產(chǎn)化牽引變壓器、牽引電動機(jī)的制造和試驗，并裝用于0049號機(jī)車。2007年8月，首臺裝用國產(chǎn)化傳動裝置的HXD1型0071號電力機(jī)車竣工。2008年8月，在中國鐵道部和中國鐵道科學(xué)研究院組織下，選取了2臺HXD1型電力機(jī)車（0160、0161）赴北京環(huán)形鐵道進(jìn)行國產(chǎn)化機(jī)車型式試驗，鐵道部專家組并分別對HXD1型機(jī)車車體、轉(zhuǎn)向架和傳動裝置的技術(shù)轉(zhuǎn)讓進(jìn)行了評審并驗收通過。

和諧1型電力機(jī)車運(yùn)用

HXD1型機(jī)車牽引萬噸貨列在大秦鐵路

2007年5月，首批4臺HXD1型電力機(jī)車（0003～0006）交付太原鐵路局湖東機(jī)務(wù)段，投入大秦鐵路試驗運(yùn)用。在HXD1型機(jī)車投入使用以前，大秦線2萬噸煤炭組合列車使用4臺韶山4型電力機(jī)車牽引，采用“1 2 1”的方式運(yùn)行，4臺機(jī)車采用基于GSM-R的“Locotrol”機(jī)車同步操控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)同步操縱。HXD1、HXD2型大功率交流傳動電力機(jī)車投入到大秦線作為2萬噸重載列車的牽引動力后，只需2臺就可以滿足一列2萬噸組合列車的牽引要求，采用“1 1”的方式運(yùn)行。為了驗證HXD1、HXD2型機(jī)車在大秦線牽引2萬噸組合列車的運(yùn)行安全性，中國鐵道部于2007年5月至7月間在大秦線進(jìn)行了和諧型大功率電力機(jī)車加可控列尾裝置方式牽引2萬噸重載組合列車的運(yùn)行試驗。2007年7月底起，HXD1型電力機(jī)車正式開始擔(dān)當(dāng)大秦線2萬噸組合列車的牽引任務(wù)，逐步替代了原來的韶山4型電力機(jī)車。

2008年6月，鐵道部向南車株洲電力機(jī)車有限公司追加了第二筆40臺HXD1型電力機(jī)車（0181～0220）的訂單；至2008年9月底，首筆訂單中的180臺HXD1型電力機(jī)車已經(jīng)全部交付使用，此后仍按鐵道部要求繼續(xù)生產(chǎn)第二批40臺機(jī)車。2008年11月，鐵道部要求暫緩執(zhí)行原有合同，取消了原定向株洲電力機(jī)車有限公司采購40臺HXD1型電力機(jī)車的計劃；株洲電力機(jī)車有限公司并于2008年12月5日起暫停機(jī)車生產(chǎn)，經(jīng)過短暫生產(chǎn)空檔后，株洲電力機(jī)車有限公司于2009年初恢復(fù)機(jī)車生產(chǎn)。2009年11月，中國鐵道部委托中國技術(shù)進(jìn)出口總公司與株洲電力機(jī)車有限公司簽署了40臺HXD1型電力機(jī)車的采購合同，合同總金額約11億元人民幣。

HXD1、HXD2型電力機(jī)車投入大秦線運(yùn)用初期，由于不同機(jī)型的控制系統(tǒng)不同，每一列2萬噸組合列車只能由兩臺同一種型號的機(jī)車進(jìn)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(jī)車運(yùn)用靈活性和運(yùn)輸效率，太原鐵路局其后對HXD1、HXD2型機(jī)車進(jìn)行了互聯(lián)互通模式的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)多種機(jī)型混合牽引，方便行車調(diào)度指揮。2009年10月，HXD1、HXD2型機(jī)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(jī)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(qū)段完成電氣化改造工程，湖東機(jī)務(wù)段HXD1、HXD2型電力機(jī)車交路也延伸至包頭，單機(jī)擔(dān)當(dāng)包頭西至湖東間的1萬噸、5000噸煤炭列車的牽引任務(wù)，由太原鐵路局、呼和浩特鐵路局機(jī)車乘務(wù)員實(shí)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臺包頭西機(jī)務(wù)段的韶山4型電力機(jī)車作為補(bǔ)機(jī)。

和諧1型電力機(jī)車改進(jìn)

深度國產(chǎn)化的HXD1型7056號機(jī)車

深度國產(chǎn)化機(jī)車

根據(jù)鐵道部的要求，株洲電力機(jī)車有限公司在首批HXD1型電力機(jī)車基礎(chǔ)上，研制了“深度國產(chǎn)化”的HXD1型電力機(jī)車，機(jī)車編號由1001起排序，機(jī)車采用南車株洲電力機(jī)車研究所、株洲南車時代電氣自主開發(fā)的牽引逆變器和微機(jī)控制系統(tǒng)，替代了原來使用的西門子公司產(chǎn)品，有效降低了機(jī)車生產(chǎn)成本；司機(jī)室外觀也有所改變。首臺深度國產(chǎn)化機(jī)車（1001）于2012年3月在株洲下線，同年4月到達(dá)北京環(huán)形鐵道試驗基地進(jìn)行各項試驗，同年6月1日，機(jī)車完成環(huán)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(jī)車到達(dá)武漢鐵路局江岸機(jī)務(wù)段，開始投入正線運(yùn)行試驗。2012年7月12日起，1001、1002號機(jī)車在京廣線武漢北（武昌南）至株洲北間進(jìn)行運(yùn)用考核，擔(dān)當(dāng)行包列車的牽引任務(wù)。2012年12月底，南車資陽機(jī)車有限公司按照南車株機(jī)公司提供的圖紙，試制了深度國產(chǎn)化HXD1型電力機(jī)車，機(jī)車編號由6001起排序，并赴北京環(huán)形鐵道進(jìn)行試驗。自2013年1月18日起，深度國產(chǎn)化HXD1型電力機(jī)車襄渝鐵路正式投入運(yùn)用，擔(dān)當(dāng)襄陽北至達(dá)州間貨物列車牽引任務(wù)，牽引定數(shù)為4500噸，首批50臺機(jī)車（1001～1050）將陸續(xù)配屬武漢鐵路局襄陽機(jī)務(wù)段。

HXD1型7004號神八電力機(jī)車

神華集團(tuán)機(jī)車

主營煤炭開采、運(yùn)輸?shù)闹袊鴩移髽I(yè)神華集團(tuán)擁有包神鐵路、神朔鐵路、朔黃鐵路（含黃萬鐵路）、大準(zhǔn)鐵路、寧東鐵路五條自營煤運(yùn)鐵路，鐵路運(yùn)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(tuán)所投資的自營鐵路并非由中國鐵道部控股，劉志軍不滿神華集團(tuán)打破了鐵路“全路一盤棋”的局面，因此神華集團(tuán)在機(jī)車車輛采購上一直受到來自鐵道部的種種限制，引進(jìn)大功率交流傳動電力機(jī)車的計劃遲遲未能實(shí)現(xiàn)，而僅被批準(zhǔn)采購韶山4B型直流傳動電力機(jī)車。2011年初，盛光祖接替被免職的劉志軍出任鐵道部部長后，擬加快轉(zhuǎn)換鐵路經(jīng)營機(jī)制，開始將設(shè)備采購、招投標(biāo)的權(quán)力下放給了企業(yè)。隨著神華集團(tuán)與鐵道部之間的溝通獲得改善，神華集團(tuán)開始大力投資鐵路業(yè)務(wù)。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(zhàn)略合作框架協(xié)議，中國南車集團(tuán)將開發(fā)適合神華集團(tuán)鐵路的機(jī)車車輛。株洲電力機(jī)車有限公司將與神華集團(tuán)合作，在深度國產(chǎn)化的HXD1型電力機(jī)車基礎(chǔ)上研制2種大功率交流傳動電力機(jī)車，分別為9600千瓦的雙節(jié)八軸電力機(jī)車（機(jī)車編號由7001起排序）、14400千瓦的三節(jié)十二軸電力機(jī)車，機(jī)車采用國產(chǎn)牽引逆變器、微機(jī)控制系統(tǒng)和DK-2型制動系統(tǒng)。2013年1月15日，神華八軸大功率交流電力機(jī)車在朔黃鐵路上線投入試運(yùn)行。 同年2月4日，神華集團(tuán)訂購的八臺“神華號”八軸交流電力機(jī)車全部投入使用。

和諧1型電力機(jī)車總體布置

HXD1型電力機(jī)車是雙節(jié)重聯(lián)的八軸大功率干線貨運(yùn)用電力機(jī)車，由兩節(jié)完全相同的單端司機(jī)室四軸機(jī)車通過內(nèi)重聯(lián)環(huán)節(jié)連掛成八軸機(jī)車，成為一完整系統(tǒng)。司機(jī)可在任何一端司機(jī)室對兩節(jié)機(jī)車進(jìn)行控制，兩節(jié)機(jī)車之間并設(shè)有中間走廊連通，車頂設(shè)有25千伏高壓連接線。機(jī)車車體采用全鋼框架結(jié)構(gòu)的中央梁承載方式，司機(jī)室呈微流線型外形。車內(nèi)設(shè)備采用模塊化結(jié)構(gòu)、兩側(cè)屏柜化布置，并設(shè)中間貫通走廊。每節(jié)機(jī)車后部車頂設(shè)有一臺由株洲九方電器設(shè)備有限公司制造的TSG15型單臂式受電弓，其技術(shù)由西門子旗下的MWW公司提供；其他車頂外置設(shè)備包括真空斷路器、接地開關(guān)、避雷器、高壓連接器等高壓設(shè)備。牽引變壓器采用臥式懸掛結(jié)構(gòu)，與蓄電池一同吊裝于車底中部。機(jī)車采用車體獨(dú)立通風(fēng)方式，從側(cè)墻上部進(jìn)風(fēng)百葉窗吸入冷風(fēng)，向發(fā)熱部件冷卻后從車底排出，并維持機(jī)械間呈微正壓，改善機(jī)車防塵效果及防寒性能。機(jī)車軸式為2×（Bo-Bo），持續(xù)功率為9600千瓦；機(jī)車標(biāo)準(zhǔn)軸重為23噸，并可以通過增加壓鐵提高到25噸。

和諧1型電力機(jī)車電氣系統(tǒng)

HXD1型電力機(jī)車是交—直—交流電傳動的單相工頻交流電力機(jī)車，每節(jié)四軸機(jī)車的主電路由主變壓器、牽引變流器、牽引電動機(jī)三大部分構(gòu)成。架空接觸網(wǎng)導(dǎo)線上的25千伏單相工頻交流電電流，經(jīng)受電弓、主斷路器進(jìn)入機(jī)車后再輸入主變壓器，交流電經(jīng)過主變壓器的4個牽引繞組后，分別向4組四象限脈沖整流器供電并整流為直流電，然后經(jīng)過兩組并聯(lián)工作、電壓為1800伏的中間直流回路，再由2組牽引逆變器轉(zhuǎn)換成三相交流電輸出，分別向兩臺轉(zhuǎn)向架上的四臺異步牽引電動機(jī)以架控方式供電，使?fàn)恳妱訖C(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，經(jīng)過齒輪的傳遞驅(qū)動輪對。

機(jī)車采用了西門子公司設(shè)計的VVVF牽引變流器，每節(jié)機(jī)車均有2臺牽引變流器，其中四象限整流器和PWM逆變器由相同的功率控制模塊組成，采用西門子公司制造的SIBAC 1800 14SP2ST01型水冷IGBT變流模塊（3300V/1200A），每組機(jī)車使用了32個變流模塊。HXD1型電力機(jī)車采用西門子公司的1TB2624-0TD02型或國產(chǎn)化的JD160型鼠籠式三相異步牽引電動機(jī)，額定功率為1224千瓦，冷卻方式為強(qiáng)迫通風(fēng)，采用直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）。

HXD1型機(jī)車的變流器采用集成結(jié)構(gòu)，將主變流器和輔助變流器集成在一起。每節(jié)機(jī)車采用2個IGBT輔助逆變器供應(yīng)三相交流電源，正常情況下其中1個為恒頻恒壓變流器（CVCF），為牽引電動機(jī)通風(fēng)機(jī)和油水冷卻塔風(fēng)機(jī)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(jī)等設(shè)備供電。

和諧1型電力機(jī)車控制系統(tǒng)

HXD1型電力機(jī)車裝載了西門子公司開發(fā)的“SIBAS 32”32位微機(jī)控制系統(tǒng)和列車通信網(wǎng)絡(luò)（TCN），并安裝了“Locotrol”多機(jī)牽引無線同步控制系統(tǒng)和克諾爾公司的“CCB II”微機(jī)控制電空制動系統(tǒng)?！癝IBAS 32”系統(tǒng)采用集散控制模式，由中央控制單元（CCU）、牽引控制單元（TCU）、輔助控制單元（ACU）、液晶顯示屏（HMI）和外設(shè)智能接口（KLIP）構(gòu)成，并采用網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，由絞線列車總線（WTB）和多功能車輛總線（MVB）兩級網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，使機(jī)車控制系統(tǒng)具有控制、監(jiān)測、傳輸、故障診斷、顯示和存儲功能；主逆變器由TCU控制，CCU負(fù)責(zé)對機(jī)車進(jìn)行全面管理，每節(jié)機(jī)車內(nèi)所有電子控制裝置、顯示器等都通過MVB相連，兩節(jié)機(jī)車之間以及重聯(lián)機(jī)車之間的通訊則通過WTB實(shí)現(xiàn)。

和諧1型電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架

每節(jié)機(jī)車裝用兩臺二軸轉(zhuǎn)向架，其結(jié)構(gòu)與DJ1型電力機(jī)車的轉(zhuǎn)向架基本相同。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架采用鋼板焊成箱形結(jié)構(gòu)的“H”型構(gòu)架，輪對軸箱采用拉桿定位。一系懸掛采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。牽引力或制動力通過中間低位推挽式斜拉桿牽引裝置傳遞。牽引電動機(jī)采用滾動軸承抱軸式半懸掛、單邊剛性斜齒傳動。基礎(chǔ)制動裝置為輪盤制動；停放制動裝置為蓄能制動。