日本國鐵EF71型電力機車

日本的电力机车

EF71型電力機車(日語:EF71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,由東京芝浦電氣三菱電機三菱重工業製造,在1968年至1973年間共製造了15台。

EF71
保存在新幹線綜合車輛中心的EF71 1號機車
概覽
類型電力機車
原產國 日本
生產商東京芝浦電氣
三菱電機三菱重工業
生產年份1968年—1973年
產量15台
主要用戶日本 日本國有鐵道
技術數據
UIC軸式Bo'Bo'Bo'
軌距1,067毫米
輪徑1,120毫米
軸距2,800毫米
機車長度18,500毫米
機車寬度2,800毫米
機車高度4,164毫米(降弓狀態)
整備重量96.0噸(1~13)
100.8噸(14~15)
供電電壓AC 20kV 50Hz
傳動方式交—直流電
牽引馬達MT52 × 6
最高速度100公里/小時
持續速度46.1公里/小時
牽引功率2,700千瓦(小時)
牽引力21,100公斤(持續)
制軔方式再生制軔氣軔
安全系統ATS-S

發展歷史

開發背景

1960年代中期,隨著奧羽本線的運輸量不斷增長,日本國有鐵道研製了帶有電阻制軔EF64型電力機車,投入到奧羽本線福島米澤間的直流電氣化區段運用,以替換自1951年開始使用的EF16型電力機車。1968年,日本國鐵對奧羽本線米澤至山形區段實施交流電氣化,並將福島至米澤區段改造為交流電氣化鐵路。同時,還將設有交流電氣化試驗段的仙山線全線改造為交流電氣化鐵路[1]

奧羽本線翻越奧羽山脈板谷嶺日語板谷峠路段,是在日本國內與碓冰嶺瀬野八日語瀬野八並稱的陡坡區間,其中有22公里的33‰連續長大坡道,且存在大量半徑約300米左右的小半徑曲線。在如此大坡度的路線上,若果列車下坡時頻繁使用踏面制軔來控制速度,閘瓦輪箍長時間摩擦不僅造成嚴重磨耗,甚至容易造成輪箍弛緩的行車事故。因此,適用於奧羽本線的新型交流電力機車必須具有電力制軔,保障列車在下坡時的行車安全。

1967年初,日本國鐵在ED93型電力機車(後來定型為ED77型電力機車)的基礎上,成功研製了首台帶有再生制軔的ED94型電力機車(後來定型為ED78型電力機車),機車小時功率為1,900千瓦,採用了閘流體四段全控橋式整流電路,以及可變軸重中間轉向架的Bo-2-Bo軸配置。為了儘可能提高奧羽本線的貨物列車牽引定數,在連結器強度限制下的該線列車最大重量需要提高至650噸,但是即使採用ED78型電力機車雙機重聯,其牽引力亦不足以牽引列車通過板谷嶺。因此,根據雙機牽引650噸列車通過33‰上坡道、牽引馬達均衡電流不大於570安培的技術性能要求,日本國鐵在ED94型電力機車的基礎上又研製了EF71型電力機車。

生產批次

1968年,三菱電機、三菱重工業、東芝公司生產了首批11台EF71型電力機車(1~11),以滿足奧羽本線交流電氣化後的牽引需要,生產預算由昭和42年度2次債務承擔。機車主電路採用閘流體六段全控橋式整流電路,在牽引和再生制軔時分別以整流和逆變模式工作,通過恆壓控制和勵磁恆流控制系統調節牽引力或制軔力。機車採用Bo-Bo-Bo軸配置,小時功率為2900千瓦,運轉整備重量為96噸[1]

1969年,因應奧羽本線團體專用列車增發的需要而製造了EF71 12號機車,生產預算由昭和43年度5次債務承擔。這批機車增加了防止列車自動停止裝置(ATS)被關閉的警示功能,前窗玻璃改為採用發熱線玻璃並取消了除霜器,部分輔助機械和車體下方設備的布置也經過調整。

1970年,因應「曙號臥鋪特急列車的開行而製造了EF71 13號機車,生產預算由昭和44年度3次債務承擔。這批機車增加了自動警醒裝置日語紧急列车停止装置(EB)、列車緊急防護裝置日語紧急列车防护装置(TE);為配合20系客車日語国鉄20系客車的AREB電氣指令式空氣軔機機,EF71型電力機車亦在車端排障器上方設有KE72H型電氣連接器,用於向旅客列車傳遞電氣指令式空氣軔機號誌。

1973年,由於「曙號」列車增加至每天兩對,東芝公司生產了最後兩台EF71型電力機車(14~15)。這批機車與之前相比作出了較大變化,機車上增加了4.8噸壓鐵配重,運轉整備重量增加至100.8噸,平均軸重增加至16.8噸,以提高機車的粘著性能。電氣設備方面,牽引馬達迴路和空轉檢測迴路增加了限流保護控制器,取消車載的諧波濾波器,當機車誤入直流區間時保護主電路的熔斷器亦被廢除。機車外觀方面,採用了較小型的尾燈和供電狀態指示燈,車體正面的司機室通風口亦被廢除,機車編號牌改為採用整塊金屬板樣式。

運用歷史

國鐵時代

 
EF71、ED78型電力機車重聯牽引「曙號」列車(1987年)

EF71型電力機車落成後均配屬福島機關區(今福島綜合運輸區日語福島総合運輸区)並投入奧羽本線運用。1968年9月22日,隨著奧羽本線的交流電氣化改造工程正式完成,EF71型電力機車亦開始在福島至米澤間投入運用,至翌日(9月23日)運用區段進一步延長至山形。同年10月1日國鐵運行圖調整後,ED78型電力機車主要擔當福島至山形間的貨物列車和旅客列車牽引任務,而在福島至米澤間的板谷嶺區段則加掛EF71型電力機車作為補機;但也有部分旅客列車通常以EF71型電力機車作為福島至山形間的本務機車,例如以「津輕號夜行急行為代表的優等列車

板谷嶺區段是否需要重聯牽引或者加掛補機主要視乎列車重量而定。ED78型電力機車的單機牽引定數為300噸(最大330噸),雙機牽引定數為540噸。EF71型電力機車的單機牽引定數為430噸(最大450噸),雙機牽引定數為650噸。實際上,以EF71型電力機車的牽引性能而言,雙機重聯時可牽引重達730噸的列車通過33‰上坡道,但為了避免列車在陡坡上因採取緊急緊軔,而造成縱向衝擊太大及連結器損壞的事故,因此將最大牽引定數確定為650噸。

1970年10月,上野青森的「曙號」臥鋪特急列車開行,為配合20系客車所採用的AREB電氣指令式空氣軔機機,所有EF71型電力機車均加裝KE72H型電氣連接器,用於向列車傳遞電氣指令式空氣軔機號誌,同時亦增加了自動警醒裝置日語紧急列车停止装置(EB)和列車緊急防護裝置日語紧急列车防护装置(TE)。1970年以後,EF71型電力機車在福島至山形間的直通運轉交路亦逐漸增多,奧羽本線上本務和補機的分別已經變得模糊。

然而,對於那些無法自力通過板谷嶺路段的柴聯車列車,仍然需要EF71型電力機車作為福島至米澤之間的補機,例如由Kiha 82系柴聯車擔當的「翼號」特急旅客列車(上野—秋田)。1970年2月,「翼號」列車開始使用新一代的Kiha 181系柴聯車,但由於列車不僅需要自力通過板谷嶺,亦需要在東北本線上野至福島間高速運轉,嚴酷的運用條件令列車的傳動冷卻系統頻繁發生故障。

針對「翼號」列車的這一問題,除了對Kiha 181系柴聯車作出相應的改進措施,並且從1972年10月起恢復以往的補機安排,福島至米澤間仍由EF71型電力機車牽引。直到1975年11月,奧羽本線全線完成電氣化改造,「翼號」列車改由485系電聯車擔當以後才不再需要補機。但是若果「翼號」列車因故障或路線積雪而無法自力行駛時,仍然會使用EF71型電力機車牽引。

1986年2月,運用時間最長的EF71 1號機車首先報廢。

民營化後

1987年4月,國鐵分割民營化後尚存的14台EF71型電力機車由東日本旅客鐵道(JR東日本)繼承,全部配屬於福島運轉所(原福島機關區)。國鐵民營化後初期,EF71、ED78型電力機車仍然在奧羽本線運用,但由於夜行旅客列車和貨物列車逐漸被削減,EF71型電力機車一般只用於牽引通過板谷嶺路段的少數普通旅客列車,這些短編組列車通常由兩三節50系客車組成,使用大功率電力機車牽引顯然是不經濟的。

1990年8月,為配合興建福島至山形的「迷你新幹線」,奧羽本線福島至山形間開始進行軌距拓寬工程,將原本的1067毫米窄軌改造成1435毫米標準軌。同年8月31日起,福島至米澤間暫時改為單線運轉,同時該線所有定期夜行列車中止營運。EF71型電力機車除了用於牽引上述的普通旅客列車外,亦牽引山形至漆山間的貨物列車和臨時列車,直至1991年8月26日該線列車中止營運為止。此後,部分EF71型電力機車轉往東北本線投入臨時運用。1992年7月,山形新幹線開通營運,EF71型電力機車因難以轉往其他地區使用而陸續報廢,至1993年全部機車除籍報廢。

技術特點

總體布置

EF71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,採用輕量化整體承載式全鋼焊接結構箱型車體。車體兩端各設有一個司機室,司機室內機車運轉方向的左側設有司機操縱台,右側設有副司機座席及手制軔手柄,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前照燈,前窗玻璃上方裝有冰柱切割板。因應機車重聯運用的需要,機車兩端採用貫通型結構,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。

車體中部是設有各種機械及電氣裝置的機械室。車頂外置的高壓設備只有兩台PS101C型雙臂式集電弓。車體下方除了有三台轉向架之外,還吊裝著總風缸和諧波濾波器。車體通風系統與ED77、ED78型電力機車基本相同,車身兩側各設有七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。

電氣系統

主電路

EF71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、牽引馬達平波電抗器、電路保護裝置等部分組成。機車從高架電車線獲取高壓交流電,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),然後供電給六台牽引馬達。

和ED78型電力機車一樣,EF71型電力機車也採用了經濟多段橋的相控整流電路,但橋段數由前者的四段全控橋增加到六段全控橋,以儘量提高功率因數和減少諧波干擾。閘流體六段全控橋式整流電路能夠在四象限運轉,當0°<α(控制角)<90°時工作在整流狀態,利用六段整流橋順序移相控制進行無級調壓。當90°<α<180°時工作在逆變(再生)狀態,牽引馬達變為他勵直流發電機運轉,輸出的直流電經逆變電路轉換成交流電,向高架電車線反饋電能。使用再生制軔時並在電樞迴路接入穩定電阻器,以均勻分配各牽引馬達之間的負載。

為了彌補相控電力機車功率因數較低的弱點,EF71型電力機車和ED78型電力機車一樣,均設置了LC五次及七次諧波濾波器,但由於功率因數補償效果不理想而通常切除不用。1973年以後,奧羽本線和仙山線開始使用牽引變電所固定補償方式,並拆除了電力機車上裝載的諧波濾波器。經過這兩種機車的經驗教訓,此後日本出口的交流電力機車均採用LCR諧波濾波器,例如出口南非7E1型電力機車英語South African Class 7E1和出口中國6K型電力機車[2]

控制系統

EF71型電力機車的牽引和再生制軔控制系統與ED78型電力機車大致相同。牽引控制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、補償電路、自動脈衝移相器(APPS)、電壓反饋系統等部分組成。而再生制軔控制方面採用了恆壓控制系統和勵磁恆流控制系統,通過改變勵磁電流或變流器電壓,來調節所需要的制軔電流和制軔力。閘流體勵磁調節器由輔助變壓器供電,為牽引馬達提供勵磁電流。

EF71型電力機車兩端均設有兩組KE77型電氣連接器,可以和另外一台ED78、EF71型電力機車進行重聯同步控制。在技術層面而言,當無需使用再生制軔的場合,EF71型電力機車亦可以和ED75型500番台、ED77型電力機車實現重聯控制。

電器設備

機車裝用一台強迫油循環導向風冷卻的單相主變壓器,變壓器次邊有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。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1480伏特單相交流電,額定容量為380千伏安,司機室右側裝有一盞供電狀態指示燈。整流裝置採用矽控整流器,冷卻方式為強迫通風冷卻,由反並聯連接的閘流體元件組成,採用標準化的CJ02L型閘流體(國鐵標準型號為CSI 250-10型)。

每台轉向架安裝兩台MT52型四極串勵直流牽引馬達,小時功率為450千瓦,額定電壓為900伏特。六台牽引馬達採用永久「兩串三並」的聯接方式,即同一轉向架的兩台牽引馬達串聯連接,三組馬達以並聯方式連接,這種方式與全並聯聯接方式相比,雖然或會削弱了機車的防空轉性能,但可以減少閘流體數量和機車製造成本。牽引馬達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馬達的換向性能。為擴大機車的恆功調速範圍,還可以對牽引馬達使用二級磁場削弱

輔助電路

機車的輔助電路系統主要採用三相交流傳動。牽引馬達通風機、電動空氣壓縮機等均採用三相鼠籠式異步馬達驅動。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DT129M、DT129N型兩端轉向架和一台DT137型中間轉向架,其結構與ED75型電力機車的轉向架大致相同。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,轉向架固定軸距延長至2800毫米。牽引傳動裝置採用軸懸式,牽引馬達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)。基礎制軔裝置為雙側閘瓦制軔,每個輪對左右各設有一個軔缸,並設有制軔橫梁以保證兩側閘瓦同步作用,另外還設置了閘瓦間隙調整器。中間轉向架和車體之間還設有橫向滾動裝置,以便機車通過曲線。

轉向架採用無搖枕的全旁承支重結構,通過六組旁承彈簧支承車體全部重量。一次懸吊為軸箱頂端捲簧,二次懸吊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。牽引力和制軔力通過「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布置,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,以充分利用機車粘著重量。

車輛保存

參考書目

  • 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. ED77・ED78の誕生とその終焉. 国鉄時代 (ネコ・パブリッシング). 2010年11月, 23: 69-70. 

參考文獻

  1. ^ 1.0 1.1 EF71形交流電気機関車. 国鉄・JR形式写真館. [2014-01-07]. (原始內容存檔於2018-01-08). 
  2. ^ 劉重慶、張連有. 《国外铁路主要技术领域发展水平与趋势》. 北京: 中國鐵道出版社. 1994. ISBN 7113019439.