日本國鐵EF70型電力機車技術特點

EF70型電力機車是客貨運通用的交流電力機車，適用于供電制式為20千伏60赫茲的工頻單相交流電氣化鐵路。車體采用整體承載式全鋼焊接結構，車體兩端采用具有大面積前窗玻璃的非貫通結構。車體兩端各設有一個司機室，司機室內(nèi)機車運行方向的左側設有司機操縱臺，司機室兩側設有供乘務員乘降的側門。車體中部是設有各種機械及電氣裝置的機械室，內(nèi)設有貫通式雙側內(nèi)走廊連接兩端司機室。車頂安裝有兩臺PS100A型(早期型)或PS101型(改良型)雙臂式受電弓、高速斷路器、避雷器、主熔斷器等高壓電氣設備。

EF70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、硅整流器、調壓開關、牽引電動機、電路保護裝置等組成。機車從架空接觸網(wǎng)獲取高壓交流電后，首先經(jīng)過主變壓器降低電壓，再通過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)，并供電給牽引電動機。

EF70型電力機車裝用一臺TM5型殼式單相主變壓器，額定容量為2600千伏安，冷卻方式采用強迫油循環(huán)導向風冷卻。EF70型電力機車使用變壓器高壓側調壓來達到調節(jié)速度的目的。主變壓器原邊(高壓側)設有一個自耦調壓繞組，通過高壓側的調壓開關改變變壓器牽引繞組的抽頭及輸出電壓，組成共25個調壓級。

整流裝置采用F-4B型(早期型)或RS20型(改良型)硅整流器。RS20型硅整流器使用日立制作所研制的DJ14L型硅二極管(最大反向電壓為1000伏特，最大反向脈沖電壓為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全波橋式整流電路，每一橋臂由五個并聯(lián)支路組成，每個支路有十二個串聯(lián)連接的二極管。整流器額定功率為2430千瓦，額定整流電壓為750伏特，額定電流為3240安倍，短時(115秒)整流電流可達到4680安倍。

EF70型電力機車裝用MT52型四極串勵直流牽引電動機，這是日本國鐵新型直流和交流電力機車通用的標準型牽引電動機，小時功率為425千瓦，額定電壓為750伏特，六臺牽引電動機全部永久并聯(lián)連接。為擴大機車的恒功調速范圍，還可以對牽引電動機施行一級磁場削弱，磁場削弱率為70%。

EF70型電力機車的輔助電路系統(tǒng)采用三相交流傳動。牽引電動機通風機、主電阻器電動通風機、電動空氣壓縮機等均采用三相鼠籠式異步電動機驅動。輔助電路系統(tǒng)由主變壓器輔助繞組供電，并由一臺旋轉式劈相機將440伏特單相交流電轉換成440伏特三相交流電。另外還設有一臺小型電動發(fā)電機，為控制電路、照明電路、蓄電池充電供應100伏特直流電。

除此之外，EF70型電力機車亦設有列車供電系統(tǒng)，主變壓器具有一個供電繞組，能夠為旅客列車的電熱取暖裝置供應1500伏特單相交流電，司機室側門旁邊并裝有一盞供電狀態(tài)指示燈。

機車走行部為三臺二軸轉向架，包括兩臺DT120型兩端轉向架、一臺DT121型中間轉向架。構架采用"日"字形的鋼板焊接結構，軸箱采用導框式定位結構，轉向架固定軸距為2800毫米。牽引電動機懸掛裝置采用軸懸式，牽引電動機的一側通過抱軸瓦剛性地支承在車軸上，另一側通過吊桿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4.12(17:70)。

轉向架采用全旁承支重結構，車體全部重量通過六組旁承彈簧坐落在三臺轉向架上。一系懸掛為軸箱頂端螺旋彈簧，兩端轉向架和中間轉向架的二系旁承懸掛各有不同，其中兩端轉向架采用每側兩個并聯(lián)的螺旋圓彈簧組并配有垂向油壓減震器，而中間轉向架則采用每側一個螺旋圓彈簧。牽引力和制動力通過下心盤低位牽引裝置傳遞，牽引點距離軌面約300毫米。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。DT120、DT121型轉向架亦被后來的EF64型電力機車沿用。

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構的全金屬箱形車體，車體各項載荷全部由底架承擔，車體側墻和頂蓋不參與承載。實際上，除了車鉤安裝位置和轉向架結構的差異之外，ED14型電力機車的車體結構和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向架構架的端梁上。機車兩端為露天的通過臺區(qū)域，車體兩端各設有一個司機室，車體中部為電氣室。司機室前方中央設有一扇端門，電氣室左右兩側均開有通風百葉窗口，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向架，軸箱采用導框式定位機構。懸掛裝置由鋼板彈簧、螺旋彈簧和均衡梁組成。轉向架采用旁承支重設計，而牽引力通過轉向架構架傳遞到車鉤。牽引電動機采用抱軸式懸掛，牽引電動機的一端安裝在轉向架構架上，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，通過調節(jié)起動電阻、牽引電動機的串-并聯(lián)轉換和磁場削弱來達到調速的目的。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)轉入并聯(lián)連接，從而實現(xiàn)有級調速。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構箱型車體，車體形式和結構近似同時期的ED60、ED71型電力機車。車體兩端各設有一個司機室，車內(nèi)設有貫通式雙側內(nèi)走廊連接兩端司機室，車體中部設有第一輔助機械室、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構，司機室前端中央設有貫通門，以便乘務人員通過到另一臺機車，貫通門上方并設有一盞前照燈。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備。

EF30型電力機車采用車體通風系統(tǒng)，側墻百葉窗是車內(nèi)設備通風冷卻的主要進風窗口。但由于原型車和量產(chǎn)車的車內(nèi)設備布置不一，車體兩側的通風百葉窗和采光玻璃窗的位置也有差異。原型車的車體兩側各設有三扇采光玻璃窗和八個通風百葉窗，而量產(chǎn)車的車體兩側各設有三扇采光玻璃窗和六個通風百葉窗。因應機車有重聯(lián)運用的需要，因此在兩端排障器均各設有四個重聯(lián)插座，插座使用KE57(原型車)或KE58型(量產(chǎn)車)電氣連接器。

由于關門隧道內(nèi)的海水滲漏會導致鹽害的問題，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)車的設備布置有所改變，車體長度縮短為16,560毫米，轉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備的功率和重量，主變壓器采用了盡可能緊湊的小型化設計。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)導向風冷卻。

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裝置采用單元式設計。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向架的設計，每臺轉向架安裝一臺牽引電動機，通過傳動裝置成組驅動兩個輪對。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，額定轉速為每分鐘1000轉，采用強迫通風冷卻。

調速系統(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，再加上基本的交流電氣設備來構成。EF30型電力機車的調速控制方式和ED60、ED61型直流電力機車一樣，采用超多段電阻調壓以及對牽引電動機的串并聯(lián)換接來達到調速的目的。雖然調壓級位轉換基本上是以電磁式空氣接觸器進行的，但考慮到關門隧道的惡劣粘著條件(關門隧道內(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型電力機車亦設有凸輪軸控制器，以提高電力機車的調速性能和粘著性能。

EF30型電力機車在直流和交流區(qū)段分別有不同的調速級位。在直流電模式，調速控制器可使用共19個調速級位，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、電阻器通風機和蓄電池供電，額定容量為5千伏安。牽引電動機通風機、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向架，兩端轉向架是DT117型轉向架，中間轉向架是DT118(DT118A)型轉向架。轉向架采用"日"字形的輕量化鑄鋼構架，軸箱采用傳統(tǒng)的導柱式定位方式。轉向架采用全旁承支重結構，車體重量通過六個旁承支座坐落在三臺轉向架上。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移。一系懸掛為軸箱兩側的螺旋彈簧。搖枕彈簧裝置為構架外側懸掛結構，中間轉向架采用每側兩個并聯(lián)的搖枕圓彈簧組，而兩端轉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，兩端轉向架又和車鉤機械地耦合，車體底架基本上并無承擔傳遞牽引力。此外，為了提高機車的曲線通過能力，中間轉向架設有兩段式連桿機構，當通過曲線時實現(xiàn)強迫橫向位移，以減少中間轉向架對軌道的側壓力，這項技術是新三菱重工業(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。驅動裝置采用WN撓性浮動齒式聯(lián)軸節(jié)驅動方式，從牽引電動機電樞軸輸出的轉矩，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，機車總體結構與英國向南非鐵路供應的1E型電力機車基本相同。機車采用非承載式結構的全金屬箱形車體，車體兩端各設有一個司機室，車體中部為電氣室。司機室前方中央設有一扇端門，在司機室內(nèi)機車運行方向的左側設有司機操縱臺。電氣室安裝有各種電氣及機械裝置，并設有單側內(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向架，機車軸式為Bo-Bo。車鉤直接安裝在轉向架構架的端梁上。兩臺轉向架之間設有彈性聯(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向架構架上，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，通過調節(jié)起動電阻、牽引電動機的三段式串-并聯(lián)轉換和磁場削弱來達到調速的目的。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，額定轉速為每分鐘660轉，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)有級調壓。