日本國鐵EF80型電力機車
EF80型電力機車（日語：EF80形電気機関車）是日本國有鐵道的雙電流制電力機車車型之一，適用於供電制式為1500伏直流電和20千伏50赫茲的工頻單相交流電的電氣化鐵路。
| EF80 | |
|---|---|
 保存在大宮綜合車輛中心的EF80 36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 | 1962年—1967年 |
| 產量 | 63台 |
| 主要用戶 | 日本國有鐵道 |
| 技術數據 | |
| UIC軸式 | B'B'B' |
| 軌距 | 1,067毫米 |
| 輪徑 | 1,120毫米 |
| 軸重 | 16.0噸（早期型） 16.3噸（後期型） |
| 軸距 | 2,212毫米 |
| 機車長度 | 17,500毫米 |
| 機車寬度 | 2,805毫米 |
| 機車高度 | 3,580毫米（軌面至車頂平面） 4,240毫米（降弓狀態） |
| 整備重量 | 96.0噸（早期型） 97.8噸（後期型） |
| 供電電壓 | AC 20kV 50Hz DC 1500V |
| 傳動方式 | 交—直流電 |
| 牽引馬達 | MT53 × 3（早期型） MT53A × 3（後期型） |
| 最高速度 | 105公里/小時 |
| 持續速度 | 48.3公里/小時 |
| 牽引功率 | 1,950千瓦（小時） 1,800千瓦（持續） |
| 牽引力 | 28,500公斤（起動） 14,400公斤（持續） |
| 制軔方式 | EL14AS自動氣軔機、手軔機 |
| 安全系統 | ATS-S |
發展歷史 編輯
開發背景 編輯
1959年，日本國有鐵道開始對常磐線取手以北實施交流電氣化改造，並在取手至藤代之間設置一個交直流中性區，使交直流兩用的鐵路車輛能夠以車上切換方式，在列車運轉時無需停車就能完成電流制的轉換。同年，日立製作所在ED71型電力機車的基礎上，試製了首台交直流兩用的ED46型電力機車（後來改稱為ED92型電力機車），同時適用於1500伏直流電和20千伏50赫茲單相交流電氣化鐵路[1]。
1962年，日立製作所根據ED46型電力機車的試驗結果和運用經驗，研製了新一代的EF80型電力機車。EF80型電力機車是客貨運通用的雙電流制六軸電力機車，機車軸配置為B-B-B。最初日本國鐵曾經打算分別研製四軸客運機車和六軸貨運機車，但考慮到未來旅客列車逐漸改用電聯車擔當後，剩餘的四軸電力機車將難以改為貨運用途，因此最終決定開發客貨運通用的六軸電力機車，並且分為帶有列車供電裝置的客運型，以及沒有搭載列車供電裝置的貨運型[2]。
EF80型電力機車裝有油冷式主變壓器和矽二極體整流器，調速控制採用電阻調壓、串並聯換接和磁場削弱方式，並採用了單馬達轉向架和輪對空心軸架懸式驅動裝置。機車整備重量為96噸，最高運轉速度為105公里/小時，在交流及直流區段的小時功率均為1950千瓦，可以滿足單機牽引1200噸貨物列車（遠期1300噸）在10‰長大坡道上起動的需要，而在平直道上單機牽引600噸旅客列車的最大平衡速度可達105公里/小時[2]。
生產批次 編輯
| 生產批次 | 機車編號 | 製造商 | 類型 | 新造配屬 | 製造目的 | 生產預算 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 早期型 | 1 - 13 | 日立製作所 | 客運 | 田端機關區 | 常磐線勝田至平區段電化開業 | 昭和36年度第2次債務 |
| 14 - 20 | 三菱電機 三菱重工業 | |||||
| 21 - 27 | 日立製作所 | 昭和37年度採購 | ||||
| 28 - 30 | 三菱電機 三菱重工業 | |||||
| 31 - 40 | 日立製作所 | 貨運 | 昭和37年度第1次債務 | |||
| 41 - 50 | 昭和37年度第2次債務 | |||||
| 改良型 | 51、52 | 勝田電車區 | 新金貨運線、水戶線電化開業 | 昭和41年度本予算 | ||
| 53 - 55 | 東芝 | |||||
| 56 - 58 | 三菱電機 三菱重工業 | |||||
| 59 - 63 | 日立製作所 | 客運 |
1962年至1963年間，日立製作所、三菱電機、三菱重工業共製造了首批50台EF80型電力機車（1～50），當中包括30台客運型機車和20台貨運型機車。這批早期型機車的特點是採用了心盤牽引的DT127、DT128型轉向架，裝用MT53型牽引馬達和埋入式前照燈。其中，EF80 37號機車採用了與車體弧度配合的曲面前窗玻璃，明顯與其他機車不同。
1966年至1967年間，日立製作所、三菱電機、三菱重工業、東芝公司又製造了第二批13台EF80型電力機車（51～63），當中包括5台客運型機車和18台貨運型機車。這批改良型機車根據早期型機車的運用經驗而作出了改進，例如採用改良了牽引裝置的DT135、DT136型轉向架以改善粘著性能，裝用MT53A型牽引馬達，前照燈改為使用凸出於車體的安裝方式，加大警示燈的尺寸，機械室採光玻璃窗採用H形斷面的橡膠密封條安裝，機車整備重量提高至97.8噸。其中，在最後出廠的EF80 63號機車上首次安裝靜止式變流器（SIV）作為列車供電裝置。
運用歷史 編輯
自從在1962年投入運用起，所有EF80型電力機車均以水戶鐵道管理局（今東日本旅客鐵道水戶支社）管內為主要使用範圍。1962年至1963年間，50台早期型機車陸續配屬到田端機關區。1962年10月1日，常磐線勝田至高萩區段完成交流電氣化，日本國鐵實施列車運行圖調整，EF80型電力機車主要擔當上野至水戶間普通旅客列車的牽引任務，替代了原本使用的C62型蒸汽機車，而水戶以北路段則仍然使用蒸汽機車牽引[3]。1963年5月1日，常磐線高萩至平區段完成交流電氣化，EF80型電力機車的牽引區段延長至平，廣泛運用於牽引包括「夕鶴號」臥鋪特急、「十和田號」夜行急行在內的各種旅客列車及貨物列車。此外，EF80型電力機車亦曾經在東北本線運用，擔當上野至黑磯間的臨時旅客列車，或田端至郡山間直通貨物列車的牽引任務。
1962年至1965年間，田端機關區所屬的部分EF80型電力機車入助勝田電車區。1966年至1967年初，13台改良型機車陸續配屬到勝田電車區。1967年，隨著與常磐線連接的新金貨運線及水戶線全面完成電氣化，EF80型電力機車亦開始投入該兩線運用，主要擔當水戶線小山至友部、新金貨物線（總武本線貨運支線）新小岩至佐倉、金町的貨物列車牽引任務。同年8月，常磐線全線的電氣化改造工程全部完成，勝田電車區所屬的13台改良型機車全部轉配屬內鄉機關區，至此所有EF80型電力機車均集中配屬到規模較大的田端機關區及內鄉機關區。此時，EF80型電力機車的運用區段仍然保持在平以南，常磐線平以北則使用ED75型電力機車。1968年7月，與總武本線接續的外房線千葉至蘇我區段完成電氣化改造，自此外房線亦開始出現EF80型電力機車的蹤影。
1968年，為了提高寢台旅客列車（藍色列車）的旅行速度，日本國鐵對所有20系客車進行制軔系統改造，通過對原本的AS氣軔機加裝電空閥、中繼閥等電控裝置改造為AREB電氣指令式空氣軔機機，實現列車制軔系統的電控化，使列車最高運轉速度由95公里/小時提高至110公里/小時。為配合「夕鶴號」特急列車的牽引需要，12台EF80型電力機車（1～12）進行了相應改造。改造內容包括加裝機車電氣指令式空氣軔機機及KE72型電氣連接器，並加裝總風管以滿足20系客車空氣彈簧的用風需要。由於常磐線的最高速度限制為95公里/小時，因此機車無需加裝電氣指令式空氣軔機機和列車乘務員有線電話等設備。
1973年，隨著田端機關區開始配屬EF81型電力機車，該區所屬的EF80型電力機車不再投入東北本線方面運用，並開始向內鄉機關區轉出EF80型電力機車。至1974年10月，田端機關區和內鄉機關區分別配屬有36台和27台EF80型電力機車[4]。1978年10月，內鄉機關區所屬的EF80 24、25、26號機車轉配屬福島機關區（今福島綜合運輸區），但不久之後就再度轉配屬到田端機關區。
1980年起，為了淘汰日漸老化的EF80型電力機車，部分原本配屬富山機關區和酒田機關區的EF81型電力機車，開始轉配屬到田端機關區並投入常磐線運用，而運用時間最長的第一批EF80型電力機車則開始逐步報廢。與此同時，內鄉機關區的所有EF80型電力機車分批轉移到田端機關區，直至磐城貨運站和內鄉機關區於1985年被撤銷，當時田端機關區尚未報廢的EF80型電力機車僅餘下20台。1986年，EF80型電力機車全部除籍和報廢。
技術特點 編輯
總體結構 編輯
設備布置 編輯
EF80型電力機車是客貨運通用的雙電流制電力機車，適用於供電制式為1500伏直流電和20千伏50赫茲的工頻單相交流電的電氣化鐵路。EF80型電力機車可分為客運型和貨運型，差異僅在於客運型搭載了列車電氣供暖用的電動發電機（MG），而貨運型則加裝壓鐵配重以保證整備重量與客運型一致[2]。
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，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式前照燈。車體中部是設有各種機械及電氣裝置的機械室，並設有貫通式雙側內走廊連接兩端司機室。車頂安裝有兩台PS19型雙臂式集電弓、交直流切換器、高速斷路器、避雷器等高壓電氣設備。車體下方除了設有三台轉向架外，還吊裝著輔助電阻器、平波電抗器和蓄電池。
通風系統 編輯
機械室內設備採用車體通風、集中冷卻的降溫方式。車身兩側各設有七個通風百葉窗和採光玻璃窗，是車內設備通風冷卻的主要進風窗口。車內前、中、後分別設有三台電動通風機，第一通風機用於冷卻第一台牽引馬達和主變壓器，第二通風機用於冷卻第二台牽引馬達和整流器，第三通風機用於冷卻第三台牽引馬達和平波電抗器。而主電阻器則採用獨立的通風冷卻系統[2]。
車體結構 編輯
EF80型電力機車採用整體承載式全鋼焊接結構箱型車體，車體全長16,700毫米，全寬2,800毫米。由於單馬達轉向架的牽引馬達安裝位置相對較高，因此車體底架採用了無中梁的框架式承載結構，底架由側梁、橫梁、端梁、枕梁組成。車體鋼結構使用鋼板擠壓而成的型鋼材料製成，車體薄板蒙皮採用組焊工藝，車體裝配作業廣泛應用模組化結構以提高生產效率。車體兩端安裝有柴田式上作用自動力車鉤及LI-7B型緩衝器[2]。
電氣系統 編輯
機車主電路 編輯
EF80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、交直流切換器、主變壓器、整流器、牽引馬達、主電阻器、電路保護裝置等部分組成。在交流電模式時，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），經過電阻調壓後供電給牽引馬達。在直流電模式時，機車從高架電車線獲取直流電，經過電阻調壓後直接向牽引馬達供電。
EF80型電力機車採用車上切換方式來過渡到另一種電力系統，可以在運轉時無需停車就完成交直流切換過程。當機車通過交直流中性區之前，通過主斷路器的電控氣動操作，斷開網側電源和機車主電路的連接；而交直流切換器完成轉換並通過中性區後，又再自動閉合主斷路器，這一過程中集電弓無需降弓。當機車由直流區段過渡到交流區段後，（機車運轉方向）前端集電弓會在下一停靠車站降弓，以減少對高架電車線造成不必要的磨耗[2]。
EF80型電力機車的調速控制方式和直流電力機車一樣，採用電阻調壓、牽引馬達的串—並聯換接、以及磁場削弱控制來達到調速的目的。調速控制器共有34個調壓級位，其中弱磁起動位1級、串聯位17級、並聯位13級、磁場削弱位3級。
主變壓器 編輯
機車裝用一台TM7A型芯式單相主變壓器。原邊輸入電壓為20千伏，冬季額定容量為2670千伏安（開啟列車供電），夏季額定容量為2280千伏安（關閉列車供電），冷卻方式為強迫油循環導向風冷卻。變壓器次邊有三個線圈，包括一個向整流器供電的牽引線圈（額定電壓為2077伏特，額定容量為2274千伏安）、一個向輔助系統供電的輔助線圈（額定電壓為218伏特，額定容量為6千伏安）及一個向旅客列車供電的供電線圈（額定電壓為1500伏特，額定容量為390千伏安）[2]。
矽整流器 編輯
整流裝置採用RS9型矽整流器。整流器使用日立製作所研製的DJ15L型矽二極體（最大反向電壓為1000伏特，最大反向脈衝電壓為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橋式全波整流電路，每一橋臂由七個並聯支路組成，每個支路有九個串聯連接的二極體，每台機車共使用252個二極體元件。整流器額定功率為2200千瓦，額定整流電壓為1500伏特，額定電流為1463安倍，採用強迫通風冷卻[2]。
牽引馬達 編輯
每台轉向架安裝一台MT53型牽引馬達（改良型機車使用MT53A型），是在ED46型電力機車所使用的MT913型牽引馬達的基礎上改良而成。MT53型馬達是帶有補償線圈的四極串勵直流馬達，定子線圈採用環氧樹脂浸漬絕緣，以提高絕緣及耐熱性能。小時功率為650千瓦，持續功率為600千瓦，額定電壓為1500伏特，額定轉速為每分鐘845轉，採用強迫通風冷卻。為擴大機車的恆功調速範圍，還可以對牽引馬達使用三級磁場削弱，削弱率最深可達35%[2]。
電氣供暖 編輯
客運型電力機車設有列車供電系統，能夠在冬季為旅客列車的電熱取暖裝置直接供電。在交流區段時，由主變壓器的供電線圈向列車輸出1500伏特單相交流電，司機室側門旁邊並裝有一盞供電狀態指示燈。而在直流區間時則由一台大容量電動發電機供電，將1500伏特直流電轉換成1440伏特單相交流電，額定容量為320千伏安。列車供電系統還可以根據環境溫度對輸出電壓作三檔調節（100%、75%、50%）。機車兩端設有KE3型供電插座，通過供電線與列車連接。
1968年，隨著半導體技術的快速發展，日立在EF80 63號機車上進行了安裝閘流體變流器（靜止式變流器）的試驗，取代了效率較低的電動發電機。該變流器額定容量同樣為320千伏安，採用單相橋式逆變電路，並設置了大容量直流濾波器來減少輸入電源的脈動。這種閘流體變流器在EF80 63號機車上取得良好的效果，並在同年投產的EF81型電力機車上開始推廣使用[5]。
輔助電路 編輯
EF80型電力機車的輔助電路系統主要採用直流電傳動。機械室內三台電動通風機、主電阻器電動通風機、電動空氣壓縮機、輔助空氣壓縮機均採用直流馬達驅動，輸入電壓為1500伏特直流電，在直流區段由高架電車線直接饋電，在交流區段則由整流器供電。主變壓器油泵則採用單相異步馬達驅動，由主變壓器輔助線圈直接供電。另外，還設有一台小型電動發電機，將1500伏特直流電轉換成100伏特直流電，供控制電路、照明電路、蓄電池充電之用。
轉向架 編輯
主要結構 編輯
機車走行部為三台二軸轉向架，早期型機車採用DT127型兩端轉向架和DT128型中間轉向架，改良型機車採用DT135型兩端轉向架和DT136型中間轉向架。
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2212毫米。轉向架採用全旁承支重結構，車體全部重量通過六組旁承彈簧坐落在三台轉向架上。一次懸吊為軸箱頂端捲簧，二系旁承懸掛為每側兩個並聯的螺旋圓彈簧組，並配有垂向油壓減震器。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。基礎制軔裝置為單側閘瓦制軔，轉向架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[2]。
驅動裝置 編輯
EF80型電力機車也是繼ED46、EF30型電力機車之後，第三種採用單馬達轉向架的國鐵電力機車，每個轉向架安裝一台大功率牽引馬達並成組驅動兩個輪對。
EF80型電力機車採用QD9型驅動裝置，牽引馬達採用架懸式安裝方式，將牽引馬達橫向固定在轉向架構架中梁，即兩個輪對之間；從牽引馬達軸端齒輪輸出的轉矩，通過前後兩個中間齒輪分別傳動兩個輪對的大齒輪。驅動裝置採用輪對空心軸傳動方式，大齒輪由滾動軸承安裝在空心軸套上，轉矩由大齒輪通過橡膠連杆機構傳給空心軸，空心軸的另一端亦使用橡膠連杆機構與車輪相連。牽引齒輪傳動比為3.6（20：72）[6]。
1965年，日本企業聯合體（日立、三菱、東芝）向印度國家鐵路出口的45台WAG2型電力機車，亦採用了相似結構的單馬達轉向架和輪對空心軸傳動裝置[6]。
牽引裝置 編輯
早期型和改良型機車轉向架的差異只在於牽引裝置。早期型機車使用心盤來傳遞牽引力和制軔力，兩端轉向架各設有一個心盤牽引裝置，中間轉向架則設有兩個心盤牽引裝置，分別布置在牽引馬達兩側。心盤牽引的缺點的牽引高度較高，牽引點高度距離軌面約1080毫米。為了充分利用機車粘著重量及減少軸重轉移，改良型機車的兩端轉向架改為採用雙側平行牽引拉杆，而中間轉向架仍然採用心盤牽引。
車輛保存 編輯
- EF80 63號機車：靜態保存於碓冰嶺鐵道文化村。
參考文獻 編輯
- ^ 高橋忠太、水越正義、河井貞治、川上直衛、伊沢省二、前川愛一. 常磐線用ED46形交直両用電気機関車. 《日立評論》 (日立製作所). 1960年3月, 42 (3): 49–61 （日語）.
- ^ 2.00 2.01 2.02 2.03 2.04 2.05 2.06 2.07 2.08 2.09 小沢静郎、織田沢信昭、川上直衛、前川愛一、小松辰作. 常磐線用EF80形交直両用電気機関車. 《日立評論》 (日立製作所). 1962年12月, 44 (12): 64–74 （日語）.
- ^ C62. [2013-11-11]. （原始內容存檔於2016-07-27）.
- ^ ＥＦ８０（１９７３年－１９８５年）. デンチュウの鉄道ページ. [2013-11-11]. （原始內容存檔於2018-06-17）.
- ^ 日立EF80電気暖房用インバータ. 《日立評論》 (日立製作所). 1968年2月, 50 (2): 176 （日語）.
- ^ 6.0 6.1 油井兄朝、三木雅雄、中村貫太郎、弘津哲二. 1台車1電動機式台車の特性. 《日立評論》 (日立製作所). 1966年4月, 48 (4): 18–23 （日語）.