日本國鐵ED14型電力機車技術(shù)特點

ED14型電力機車是客貨運通用的直流電力機車，適用于供電制式為1500伏直流電的電氣化鐵路。機車采用非承載式結(jié)構(gòu)的全金屬箱形車體，車體各項載荷全部由底架承擔(dān)，車體側(cè)墻和頂蓋不參與承載。實際上，除了車鉤安裝位置和轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)的差異之外，ED14型電力機車的車體結(jié)構(gòu)和ED11型電力機車基本相同。ED11型電力機車的車鉤是安裝在車體底架兩端的牽引梁內(nèi)，而ED14型電力機車的車鉤則直接安裝在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的端梁上。機車兩端為露天的通過臺區(qū)域，車體兩端各設(shè)有一個司機室，車體中部為電氣室。司機室前方中央設(shè)有一扇端門，電氣室左右兩側(cè)均開有通風(fēng)百葉窗口，車頂相對兩端司機室上方的位置各裝有一臺雙臂式受電弓。

機車走行部為兩臺二軸轉(zhuǎn)向架，軸箱采用導(dǎo)框式定位機構(gòu)。懸掛裝置由鋼板彈簧、螺旋彈簧和均衡梁組成。轉(zhuǎn)向架采用旁承支重設(shè)計，而牽引力通過轉(zhuǎn)向架構(gòu)架傳遞到車鉤。牽引電動機采用抱軸式懸掛，牽引電動機的一端安裝在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上，而另一端通過抱軸承剛性抱合在車軸上。牽引電動機輸出的扭矩通過一級減速齒輪傳遞給輪對，牽引齒輪傳動比為16:69(1:4.31)。

ED14型電力機車是直-直流電傳動的直流電力機車，通過調(diào)節(jié)起動電阻、牽引電動機的串-并聯(lián)轉(zhuǎn)換和磁場削弱來達到調(diào)速的目的。機車起動和加速時，逐步減少起動電阻的阻值，然后將四臺直流牽引電動機從串聯(lián)轉(zhuǎn)入并聯(lián)連接，從而實現(xiàn)有級調(diào)速。機車還可以對牽引電動機使用磁場削弱，作為恒功區(qū)的輔助調(diào)速手段。

EF30型電力機車是客貨運通用的雙電流制電力機車，適用于供電制式為20千伏60赫茲工頻單相交流電和1500伏直流電的電氣化鐵路。EF30型電力機車采用全鋼焊接結(jié)構(gòu)箱型車體，車體形式和結(jié)構(gòu)近似同時期的ED60、ED71型電力機車。車體兩端各設(shè)有一個司機室，車內(nèi)設(shè)有貫通式雙側(cè)內(nèi)走廊連接兩端司機室，車體中部設(shè)有第一輔助機械室、考慮到機車重聯(lián)運用的需要，EF30型電力機車亦采用了前端貫通型的結(jié)構(gòu)，司機室前端中央設(shè)有貫通門，以便乘務(wù)人員通過到另一臺機車，貫通門上方并設(shè)有一盞前照燈。車頂安裝有兩臺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(shè)備。

EF30型電力機車采用車體通風(fēng)系統(tǒng)，側(cè)墻百葉窗是車內(nèi)設(shè)備通風(fēng)冷卻的主要進風(fēng)窗口。但由于原型車和量產(chǎn)車的車內(nèi)設(shè)備布置不一，車體兩側(cè)的通風(fēng)百葉窗和采光玻璃窗的位置也有差異。原型車的車體兩側(cè)各設(shè)有三扇采光玻璃窗和八個通風(fēng)百葉窗，而量產(chǎn)車的車體兩側(cè)各設(shè)有三扇采光玻璃窗和六個通風(fēng)百葉窗。因應(yīng)機車有重聯(lián)運用的需要，因此在兩端排障器均各設(shè)有四個重聯(lián)插座，插座使用KE57(原型車)或KE58型(量產(chǎn)車)電氣連接器。

由于關(guān)門隧道內(nèi)的海水滲漏會導(dǎo)致鹽害的問題，因此EF30型電力機車和之前的EF10型電力機車一樣，車體外板和頂蓋設(shè)備均采用不銹鋼板，以防止海水對車體造成銹蝕;而其他暴露于車體外的金屬設(shè)備和箱體，亦盡量使用例如黃銅等防腐蝕性能較好的材料。原型車的車體長度為17,860毫米，轉(zhuǎn)向架中心間距為9,400毫米，車體外板采用光滑平面的不銹鋼板。量產(chǎn)車的設(shè)備布置有所改變，車體長度縮短為16,560毫米，轉(zhuǎn)向架中心間距縮短為8,800毫米;此外，量產(chǎn)車減少了車體外板厚度以減輕重量，因此改為采用波紋不銹鋼板來保證車體剛度。雖然不銹鋼車體無需涂裝，但原型車仍在車體兩側(cè)加上兩道紅色色帶，而量產(chǎn)車則完全沒有額外涂裝。

EF30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、主電阻器、電路保護裝置等組成。在交流電模式時，機車從架空接觸網(wǎng)獲取高壓交流電，首先由主變壓器降低電壓，再通過硅整流器轉(zhuǎn)換成脈流電(即方向不變而只有電壓變化的直流電)，經(jīng)過電阻調(diào)壓后供電給牽引電動機。在直流電模式時，機車從架空接觸網(wǎng)獲取直流電，經(jīng)過電阻調(diào)壓后直接向牽引電動機供電。

由于EF30型電力機車運用于下關(guān)至門司之間，其中交流區(qū)段僅限定于門司車站內(nèi)，因此機車只需要較低的功率即可滿足交流區(qū)段的低速運轉(zhuǎn)需要。EF30型電力機車在交流區(qū)段的額定功率只有直流區(qū)段的四分之一，因而減少了主變壓器和整流裝置的體積和重量。EF30型電力機車在直流區(qū)段的額定功率為1800千瓦，最高運行速度為85公里/小時;原型車在交流區(qū)段的短時功率為397.5千瓦(10分鐘)，量產(chǎn)車在交流區(qū)段的小時功率提高為450千瓦，最高運行速度為35公里/小時。

主變壓器

為了減少交流電氣設(shè)備的功率和重量，主變壓器采用了盡可能緊湊的小型化設(shè)計。原型車裝用一臺TM4X型殼式單相主變壓器，小時制額定容量為320千伏安。量產(chǎn)車改為裝用一臺TM4型芯式單相主變壓器，小時制額定容量為310千伏安。主變壓器原邊的額定輸入電壓為20千伏，額定輸出電壓為2×920伏特，冷卻方式為強迫油循環(huán)導(dǎo)向風(fēng)冷卻。

整流器

EF30型電力機車是日本第一種采用硅整流器的電力機車，取代了以往ED46、ED71型電力機車所使用的水銀整流器。整流裝置采用由硅二極管組成的單相全波整流電路，額定功率為450千瓦，額定整流電壓為1500伏特，硅整流器和冷卻通風(fēng)裝置采用單元式設(shè)計。原型車具有兩套相同的整流裝置，使用三菱電機開發(fā)的SR107型硅二極管(最大反向電壓為350伏特，最大反向脈沖電壓為450伏特，平均整流電流為100安倍)，每套整流裝置由四個橋臂組成，每一橋臂由兩個并聯(lián)支路組成，每個支路有十二個串聯(lián)連接的硅二極管，一臺機車共使用196個二極管元件。

隨著電力電子器件制造技術(shù)的快速進步，二極管的性能和可靠性已大大提高(尤其是反向擊穿電壓)，使量產(chǎn)車的整流裝置得以大幅簡化。量產(chǎn)車(2~17)只有一套整流裝置，使用三菱電機制造的SR200F-14型二極管(最大反向電壓為700伏特，最大反向脈沖電壓為800伏特，平均整流電流為200安倍)，整流裝置由四個橋臂組成，每一橋臂由兩個并聯(lián)支路組成，每個支路有十個串聯(lián)連接的二極管，一臺機車只需使用80個二極管元件。最后期生產(chǎn)的量產(chǎn)車(18~22)更使用了功率更大的RS24型二極管，在保證整流器性能保持相同的前提下，使二極管元件數(shù)量大幅減少至24個。

除此之外，硅整流器的體積和重量也變得越來越小。原型車的每套硅整流裝置(含冷卻系統(tǒng))的外形尺寸為800毫米×540毫米×1,750毫米，自重為400公斤。而量產(chǎn)車的硅整流裝置(含冷卻系統(tǒng))的外形尺寸為毫米×1,150毫米×1,750毫米，自重為580公斤，比原型車減輕了280公斤，并且使車體長度得以縮短。

牽引電動機

由于搭載交流電氣設(shè)備使機車重量增大，因此借鑒了此前ED46型電力機車的經(jīng)驗，同樣采用了單電機轉(zhuǎn)向架的設(shè)計，每臺轉(zhuǎn)向架安裝一臺牽引電動機，通過傳動裝置成組驅(qū)動兩個輪對。原型車使用MT102型牽引電動機，而量產(chǎn)車則使用經(jīng)過改良的MT51型牽引電動機。該型電動機是四極串勵直流電動機，小時功率為600千瓦，額定電壓為1500伏特，額定電流為430安倍，額定轉(zhuǎn)速為每分鐘1000轉(zhuǎn)，采用強迫通風(fēng)冷卻。

調(diào)速系統(tǒng)

雖然EF30型電力機車是交直流兩用電力機車，但實際上是以直流區(qū)段的運用為主，因此機車主電路系統(tǒng)是以直流電力機車為基礎(chǔ)，再加上基本的交流電氣設(shè)備來構(gòu)成。EF30型電力機車的調(diào)速控制方式和ED60、ED61型直流電力機車一樣，采用超多段電阻調(diào)壓以及對牽引電動機的串并聯(lián)換接來達到調(diào)速的目的。雖然調(diào)壓級位轉(zhuǎn)換基本上是以電磁式空氣接觸器進行的，但考慮到關(guān)門隧道的惡劣粘著條件(關(guān)門隧道內(nèi)存在海水滲漏的現(xiàn)象，且隧道內(nèi)上坡道方向的坡度達到22‰)和列車坡停起動的可能性，因此EF30型電力機車亦設(shè)有凸輪軸控制器，以提高電力機車的調(diào)速性能和粘著性能。

EF30型電力機車在直流和交流區(qū)段分別有不同的調(diào)速級位。在直流電模式，調(diào)速控制器可使用共19個調(diào)速級位，其中串聯(lián)位11級、并聯(lián)位8級;在交流電模式下，由于比較著重重載貨物列車的起動及牽引性能，因此可使用多達26個調(diào)速級位，其中牽引電動機三個串聯(lián)位11級、牽引電動機兩個串聯(lián)位15級，不設(shè)并聯(lián)位。

輔助電路

EF30型電力機車的輔助電路用于向電動發(fā)電機和各類型通風(fēng)機供電。電動發(fā)電機是由一臺直流電動機和一臺交流發(fā)電機組成，由架空接觸網(wǎng)(直流區(qū)段)或整流器(交流區(qū)段)供電，將1500伏特直流電轉(zhuǎn)換成100伏特60赫茲三相交流電，向機車的控制電路、照明電路、電阻器通風(fēng)機和蓄電池供電，額定容量為5千伏安。牽引電動機通風(fēng)機、電動空氣壓縮機均使用1500伏特直流電動機，供電方式與電動發(fā)電機相同。

機車走行部為三臺二軸單電機轉(zhuǎn)向架，兩端轉(zhuǎn)向架是DT117型轉(zhuǎn)向架，中間轉(zhuǎn)向架是DT118(DT118A)型轉(zhuǎn)向架。轉(zhuǎn)向架采用"日"字形的輕量化鑄鋼構(gòu)架，軸箱采用傳統(tǒng)的導(dǎo)柱式定位方式。轉(zhuǎn)向架采用全旁承支重結(jié)構(gòu)，車體重量通過六個旁承支座坐落在三臺轉(zhuǎn)向架上。由于牽引電動機占用了部分搖枕的空間，因此搖枕的位置顯得較低，而且搖枕形狀和搖枕彈簧的布置也比較特殊，以盡量減少牽引列車起動時的軸重轉(zhuǎn)移。一系懸掛為軸箱兩側(cè)的螺旋彈簧。搖枕彈簧裝置為構(gòu)架外側(cè)懸掛結(jié)構(gòu)，中間轉(zhuǎn)向架采用每側(cè)兩個并聯(lián)的搖枕圓彈簧組，而兩端轉(zhuǎn)向架則采用橡膠彈簧。

同時期的國鐵電力機車大多使用心盤來傳遞牽引力，再經(jīng)由車體底架傳遞到車鉤。但EF30型電力機車的特別之處，是利用轉(zhuǎn)向架之間的中間聯(lián)接裝置直接向車鉤傳遞牽引力。每臺轉(zhuǎn)向架的心盤位于牽引電動機之上，三個心盤之間由牽引拉桿連接，兩端轉(zhuǎn)向架又和車鉤機械地耦合，車體底架基本上并無承擔(dān)傳遞牽引力。此外，為了提高機車的曲線通過能力，中間轉(zhuǎn)向架設(shè)有兩段式連桿機構(gòu)，當(dāng)通過曲線時實現(xiàn)強迫橫向位移，以減少中間轉(zhuǎn)向架對軌道的側(cè)壓力，這項技術(shù)是新三菱重工業(yè)首先發(fā)明。

牽引電動機采用架懸式安裝方式，牽引電動機通過螺栓連接完全固定于構(gòu)架橫梁上，即位于兩個輪對之間、心盤之下，牽引電動機的重量成為簧上重量。驅(qū)動裝置采用WN撓性浮動齒式聯(lián)軸節(jié)驅(qū)動方式，從牽引電動機電樞軸輸出的轉(zhuǎn)矩，經(jīng)撓性浮動齒式聯(lián)軸節(jié)傳遞給主動齒輪(小齒輪)，然后通過兩個中間齒輪分別傳動兩個輪對的從動齒輪(大齒輪)。兩根車軸的所有牽引傳遞齒輪均封裝在同一個密封齒輪箱內(nèi)，齒輪傳動比為1:3.88。

ED56型電力機車是干線客運用的直流電力機車，適用于供電制式為1500伏直流電的電氣化鐵路，機車總體結(jié)構(gòu)與英國向南非鐵路供應(yīng)的1E型電力機車基本相同。機車采用非承載式結(jié)構(gòu)的全金屬箱形車體，車體兩端各設(shè)有一個司機室，車體中部為電氣室。司機室前方中央設(shè)有一扇端門，在司機室內(nèi)機車運行方向的左側(cè)設(shè)有司機操縱臺。電氣室安裝有各種電氣及機械裝置，并設(shè)有單側(cè)內(nèi)走廊連接兩端司機室。車頂相對兩端司機室后部上方的位置各裝有一臺雙臂式受電弓。

機車走行部為兩臺二軸轉(zhuǎn)向架，機車軸式為Bo-Bo。車鉤直接安裝在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的端梁上。兩臺轉(zhuǎn)向架之間設(shè)有彈性聯(lián)接裝置，以提高機車的小半徑曲線通過性能，并用于傳遞牽引力。牽引電動機采用抱軸式懸掛，牽引電動機的一端安裝在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上，而另一端通過抱軸承剛性抱合在車軸上。牽引電動機輸出的扭矩通過一級減速齒輪傳遞給輪對，牽引齒輪傳動比為22:75(1:3.41)。改造后的ED23型電力機車的齒輪傳動比為18:79(1:4.39)。

ED53型電力機車是直-直流電傳動的直流電力機車，通過調(diào)節(jié)起動電阻、牽引電動機的三段式串-并聯(lián)轉(zhuǎn)換和磁場削弱來達到調(diào)速的目的。機車起動和加速時，四臺牽引電動機全部以串聯(lián)連接，并逐步減少起動電阻的阻值;然后將每兩臺并聯(lián)的牽引電動機為一組，兩組牽引電動機以串聯(lián)連接;最后牽引全部電動機并聯(lián)連接，直至達到最高速度。為擴大機車的調(diào)速范圍，在三種連接方式均可以對牽引電動機使用一級磁場削弱。機車采用了MT23型直流串勵牽引電動機，額定功率為230千瓦，額定轉(zhuǎn)速為每分鐘660轉(zhuǎn)，額定電壓為1350伏特?？刂蒲b置采用凸輪軸接觸器及電磁式空氣接觸器實現(xiàn)有級調(diào)壓。