韶山5型电力机车(SS5),是
中国铁路的第一种快速客运
电力机车,由
株洲电力机车厂和
株洲电力机车研究所在消化吸收进口
8K型电力机车先进技术的基础上设计、制造,于1990年研制成功。韶山5型电力机车属于实验性车型,采用了两段相控整流桥电路、空心轴全悬挂牵引电机、轻量化车体、
再生制动、
功率因数补偿等大量新技术、新结构,是当时中国国内技术最先进的国产电力机车。然而由于其粘着性能存在较大问题,未能投入批量生产,仅试制两台。韶山5型机车的研制、试验为后来韶山8型准高速电力机车的设计和生产累积了经验。
发展历史
背景
随着中国实行
改革开放,国民经济的高速发展对
铁路旅客运输带来大量需求,同时也对旅行速度提出了新的要求。为解决铁路客运严重超员的问题,
中华人民共和国铁道部于1980年代中期,提出在中国
第七个五年计划(1986年~1990年)间实现以
北京为中心、1500公里为半径的繁忙干线上,开行编组20节、最高速度140公里/小时、运行时间不超过15小时的“朝发夕至”或“夕发朝至”
特快旅客列车,在地理上相当于北京到
上海、
哈尔滨、
西安、
长沙的距离,以增加繁忙干线的客运能力。1986年,中国铁道部下达了“七五”期间中国铁路科技发展规划,要求实现机车车辆产品升级换代,牵引动力进入以电力、内燃机车为主的时代,认真消化吸收引进技术,使机车车辆产品的水平达到1980年代的国际水平。同时,国家科委、国家计委、铁道部将新型快速客运电力机车的研制列入了“七五”国家重点科技攻关项目。
研制
经过可行性技术论证分析,铁道部于1987年正式向
株洲电力机车厂、
株洲电力机车研究所下达了研制韶山5型快速客运电力机车的
设计任务书。根据任务书要求,新型机车能够牵引20节客车,编组重量1100吨,最高运行速度达到140公里/小时,所规定的各项性能指标也参照了
8K、
6K、8G等几种进口电力机车的技术参数。
韶山5型电力机车是中国铁路第一种快速客运电力机车,设计上需要满足客运列车扩大编组的要求,也要考虑到起动加速平稳、制动可靠有效、轮轨作用力小的需要。在研制过程中,以成熟技术为主,在消化吸收进口电力机车先进技术的基础上,结合国产电力机车设计、制造、运用的经验。中国在1985年向
欧洲五十赫兹集团订购
8K型电力机车的同时,也签订了
技术转让合同,中国共引进了30个技术项目,包括机车车体、
转向架、
牵引电动机、主变压器、晶闸管、电子控制装置、辅助变流器等机车零部件。这些先进技术的引进和国产化,对后来中国国产电力机车造成重要影响。韶山5型机车成为在这样的背景之下通过借鉴8K型电力机车先进技术设计而成的国产电力机车,其机车主电路、主变压器、特性控制技术、功率因数补偿、电子控制装置、车体结构、中央电器柜以及通风机等方面均有不同程度的模仿和应用。
1990年6月,韶山5型电力机车通过了部级设计审查,同年12月完成了全部设计。
试验
1990年9月和10月,株机厂分别完成0001、0002号两台韶山5型电力机车,同年11月13日举行了竣工仪式并通过验收,时任铁道部部长
李森茂并为机车剪彩。1990年12月至1991年1月,两台韶山5型机车赴铁道部科学研究院北京
环形铁道进行初步性能试验;随后交付
郑州铁路局西安机务段试用,在
陇海铁路西安至
宝鸡间进行30万公里的运行考核。
在试验期间很快就发现韶山5型机车存在粘着性能不良、轮对空转严重等问题,尤其在起动及低速运行工况下粘着系数偏低,影响了机车牵引性能的正常发挥。主要原因在于其电机空心轴全悬挂传动装置,其特点是空心电枢轴通过齿形联结器将
扭矩传给扭轴,再通过弹性联轴节将扭矩传给传动齿轮,从而驱动轮对。但其轴传动装置的弹性系统和轴箱定位、
齿轮箱定位刚度参数匹配不良,使粘着
牵引力无法正常发挥,容易产生粘滑振动。此外,防空转装置的性能对机车粘着性能也有很大的影响,在运行过程中防空转装置频繁运作,加剧了粘滑振动现象。
由于粘着性能的缺陷,韶山5型电力机车无法投入批量生产,但其制造经验与试验结果,为自1994年起制造的
韶山8型电力机车提供了技术基础。在吸取韶山5型经验教训基础上,韶山8型电力机车参照了
东风9型内燃机车所采用的轮对空心轴
牵引电机全悬挂、六连杆万向轴两级弹性驱动装置,成功解决了韶山5型机车粘滑振动引起结构共振等现象。
运用
两台韶山5型机车完成运行考核后配属西安机务段,主要担当西安至宝鸡之间的短交路旅客列车。1997年,两台机车转配属至郑州机务段作为段备机车,主要用于牵引
郑州至
信阳、
漯河的管内旅客列车。2002年正式报废并封存于
郑州机务段。
技术特点
总体布置
韶山5型电力机车是四轴快速客运电力机车,适用于供电制式为25千伏工频
单相交流电的电气化铁路,
机车轴式Bo-Bo,持续功率3200千瓦,最高速度140公里/小时。机车采用双边内走廊,设两端司机室;车顶两端各装一台单臂式
受电弓;车顶中部装一台
空气断路器。主要电器设备以机车最重设备
主变压器为中央,变压器设计借鉴了8K型机车的技术,采用一体化结构,与
平波电抗器、
滤波电抗器共用油箱和冷却系统。机车并采用低合金钢焊接的整体承载结构轻量化车体,设计过程中应用了
有限元分析法,使车体的重量减小2吨。车体结构和制造工艺均吸收了8K型机车的技术,采用了大顶盖结构、预布线 、预布管工艺,有效缩短机车生产周期。
机车主电路
韶山5型电力机车是交—直流电传动的单相工频交流电力机车。机车主电路主要是由
受电弓、
主断路器、高压电流互感器、
主变压器、硅整流装置、牵引电机、高压电器柜、平波电抗器及电路保护装置等组成,是产生机车牵引力和制动力的主体电路。
接触网导线上的25千伏单相工频
交流电电流,经受电弓进入机车后经过主断路器再进入主变压器,交流电从主变压器的牵引绕组经过
晶闸管整流后,向四台分两组
并联的
牵引电动机集中供应直流电,使牵引电动机产生转矩,将电能转变为机械能,经过
齿轮的传递驱动轮对。
韶山5型电力机车采用交—直流电传动方式,机车主电路沿用8K型机车的晶闸管两段串联相控整流桥调压方式,由一段半控整流桥和一段全控整流桥组成,而使用
再生制动时全控挢变为
逆变装置,半控桥作为
励磁电源装置。此外,韶山5型电力机车也是首次在国产机车上采用晶闸管无级磁场削弱,从而机车在80~135公里/小时的恒功调速范围内可以实现无级平滑调速,避免了有级磁场削弱调速时牵引力突变造成的冲击。在引进8K型电力机车的同时,
株洲电力机车研究所也从
美国西屋电气公司引进大功率
半导体制造技术,被应用于韶山5型电力机车的晶闸管元件。此外,机车
功率因数补偿装置也借鉴了8K型机车的设计,通过在主电路中投入或切除
电容器来提高机车的
功率因数,机车在50~100%功率范围内功率因数均可大于0.9,以提高电气化铁路的总效率、减少对无线通信的干扰。
转向架
机车走行部为两台相同的两轴
转向架,采用由低合金箱型焊接而成的“日”字型构架,一系悬挂采用轴箱螺旋
弹簧与弹性连杆的独立悬挂结构;转向架构架和车体之间设有二系悬挂,两台机车分别采用两种方案以作比较,0001、0002号机车分别采用高挠橡胶弹簧和高挠圆柱弹簧。机车牵引力与制动力通过中心销传递。
转向架中的车轴均为动轴,每台转向架装有两台ZD107型六极串励直流
牵引电动机,持续功率800千瓦,转子及定子双H级绝缘,并借鉴了6K型机车牵引电机的半叠片机座技术。电机恒功速比达1.68,保证机车高速时实现额定功率的宽恒功特性。为减小簧下部分重量、提高机车运行品质,韶山5型电力机车是中国首次采用电机空心轴弹性传动,电机采用架悬式悬挂,配合21.5吨的轴重,减小机车对钢轨的动力作用。
控制系统
韶山5型电力机车的电子控制系统采用了
瑞士勃朗-包维利公司(BBC)的技术,设有两套互相独立的电子控制系统,均安装于标准电子控制柜,其中一套主要负责机车牵引控制、防空转装置、功率因数补偿装置,另一套主要负责晶闸管控制。机车采用特性控制,兼备了恒速和准恒速的优点,机车起动时以恒流起动,保证机车平稳起动;在进入准恒速运行后,可按
司机控制器级位规定的速度运行。而防空转防滑行装置则借鉴了8K型、6K型、
ND5型等进口机车的国外技术,当检测到机车空转、滑行时自动
撒砂、减载,使机车恢复再粘着。
车辆保存
韶山5型0001号机车,2002年退役后封存于郑州机务段。2007年经过修复,于2008年1月6日交付
中国铁道博物馆永久收藏。
韶山5型0002号机车,2002年退役后封存于郑州机务段。2004年经过修复,于2004年4月15日由郑州铁路局赠予
郑州世纪欢乐园作静态展览。
技术数据