【科普】单电机全悬挂转向架的尝试——苏联铁道部VL83型电力机车

文章作者:西瓜昌真湿基(B站和百度昵称:宁柳跨越)
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直—直流电传动:指电力机车从直流电气化铁路接触网受流,向直流牵引电动机供给直流电。苏联铁道部VL12型电力机车为直—直流电传动形式。
直—交流电传动:指电力机车从直流电气化铁路接触网受流,经过逆变后,向交流牵引电动机供给交流电。法国国营铁路CC 1100型电力机车为直—交流电传动形式。
交—直流电传动:指电力机车从交流电气化铁路接触网受流,经过变压—整流后,向直流牵引电动机供给直流电。本文提及的苏联铁道部VL40型电力机车为交—直流电传动形式。
交—交流电传动:指电力机车从交流电气化铁路接触网受流,无需经过变压—整流—逆变,直接变频后向交流牵引电动机供给交流电。本文提及的苏联铁道部VL83型电力机车为交—交流电传动形式。
交—直—交流电传动:指电力机车从交流电气化铁路接触网受流,经过变压—整流—逆变后,向交流牵引电动机供给交流电。本文提及的苏联铁道部VL86F型电力机车为交—直—交流电传动形式。
双电流制电力机车:本文提及的“双电流制”,是指采用交—直流电以及直—直流电双制式电传动的电力机车。苏联铁道部VL61D型电力机车即为双电流制电力机车。
苏联铁道部在本文均简称“MPS”⑴;俄罗斯联邦诺沃切尔卡斯克电力机车制造厂简称“NEVZ”⑵,格鲁吉亚第比利斯电力机车制造厂简称“TEVZ”,乌克兰卢甘斯克内燃机车制造厂简称“LTZ”。
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概述
VL83型电力机车⑶是MPS的干线货运电力机车车型之一,适用于25kV50Hz单相交流制的电气化铁路,由NEVZ于1976年设计制造。该型机车是在VL80T型电力机车基础上开发研制的实验性车型,试验采用同步牵引电动机和单电机全悬挂转向架,仅试制一组并未投入批量生产。

背景
苏联于20世纪60年代中期开始研究单电机全悬挂转向架,TEVZ和NEVZ首先合作开发采用单电机转向架的单节四轴客运电力机车,并于1966年、1969年先后试制了两台VL40型电力机车,其中机车车体和转向架由LTZ负责试制。


VL40型电力机车采用全悬挂单电机组合驱动转向架,牵引电动机的全部重量都支承在转向架构架上,大幅减少了簧下重量,牵引力或制动力通过中间低位牵引拉杆传递。机车主电路采用了与VL80K型电力机车相似的结构,采用硅整流器整流、33级低压侧调压开关,并设有三级磁场削弱。

研制
1970年代初,全苏电力机车研究与设计院和NEVZ开始联合研制采用单电机转向架的货运电力机车。全苏电力机车研究与设计院提出了新型电力机车的技术要求。对当时而言,单电机的设计节省了Bo-Bo轴式中复杂的转向架结构和额外的电气设备,因此被认为是成功的。而按双方的设想,全面地研究和试验这种单电机转向架结构的机车,将有助于加快研制未来轴重达27t的大轴功率和牵引力的货运机车,而且能显著地改善机车的动力学性能。

1976年NEVZ试制了首组原型车——VL83-001号机车,定型为VL83型。然而,VL83-001号机车的技术设计在某些参数上没有达到原计划的要求——例如,轴重由23t增加至26t,非悬挂重量由3500kg提高到4250kg。这组VL83-001号机车后来长期处在废弃状态,最终仅留存一块生产厂家铭牌于NEVZ厂内的博物馆展示。

技术设计
VL83型电力机车的整备重量为208t,可行驶的线路最小半径为125m。在持续速度为52km/h时,电力机车产生的牵引力为490kN,持续牵引力为441kN;最高运行速度为110km/h。
VL83型电力机车的车体结构是在VL80T、VL80R型电力机车基础上改进而成,但由于采用了单电机转向架,VL83型机车的车体底架高度比VL80T型机车提高了400mm。

机械部分
机车采用全悬挂单电机组合驱动转向架,牵引电动机的全部重量都支承在转向架构架上,大幅减少了簧下重量;车体经摇枕悬挂在转向架上,一系悬挂采用轴箱两侧螺旋弹簧,二系悬挂采用螺旋弹簧和油压减震器,牵引力或制动力通过中间低位牵引拉杆传递;牵引电动机通过传动齿轮箱、车轴齿轮箱组成的二级传动机构驱动轮对。基础制动装置为单侧闸瓦踏面制动单元。
电气部分
VL83型电力机车采用交—交流电传动,每一节机车上均有两台牵引电动机、一台变压器、交—交流变换器、平波电抗器、励磁整流器以及辅助电气设备,机车主电路采用两组三相反并桥式系统。ODCE-7500/25B型变压器次边有8个牵引绕组、2个励磁绕组、1个辅助绕组,单相交流电经牵引绕组降压后供给交—交流变换器,不需经过直流中间环节,可直接将单相交流电变成可调频的三相交流电,输出频率范围为0~150Hz。该三相交流电用于为同步牵引电动机的定子绕组供电,并且其电压可以平稳调节。
牵引电动机采用NB-604型三相交流同步牵引电动机⑷,定子绕组连接为两个独立的星形结构,转子为10极的隐极结构,直径为1240mm;电机小时功率为1800kW,持续功率为1650kW。机车并设有再生制动。
机车由KME-79型司机控制器两个手柄控制。其一用于调节牵引或制动工况下的电动机电流,另一个用于调节上述工况的运行速度。
在每节机车上安装了四个电动机风扇和一个电动压缩机。这些机器由AE-92-4型电动机驱动,由NB-455A型分相器提供动力。而NB-455A型分相器同时驱动NB104直流发电机。
后记
NEVZ研制采用三相交流同步牵引电动机和单电机全悬挂转向架的VL83-001号机车,不仅仅是为了减轻重量,更是测试交流牵引电动机运用于电力机车的可行性。然而VL83-001号机车的研制难以持续,加上半导体技术的进步,反而让NEVZ转而研制采用三相交流异步牵引电动机的VL86F型电力机车。
注释
⑴俄语:Министерство Путей Сообщения СССР。
⑵俄语:Новочеркасский ЭлектроВозостроительный Завод。
⑶俄语:ВЛ83。
⑷最初,VL83型机车原本计划配备他励脉流牵引电动机,但为了减轻牵引电动机的重量和尺寸,并提高牵引电动机的可靠性,NEVZ决定改用三相交流同步牵引电动机。
参考
《List of the vehicles — VL40 — TrainPix》:https://trainpix.org/list.php?mid=1242
《List of the vehicles — VL83 — TrainPix》:https://trainpix.org/list.php?mid=1097
《ОПЫТНЫЕ ЭЛЕКТРОВОЗЫ ВЛ40-001 И ВЛ40-002》,V·A·拉科夫著,《Локомотивы Отечественных железных дорог 1956-1975 гг.》,第114页~第116页
《ОПЫТНЫЙ ГРУЗОВОЙ ЭЛЕКТРОВОЗ ВЛ83》,V·A·拉科夫著,《Локомотивы и моторвагонный подвижной состав железных дорог Советского Союза 1976-1985 гг.》,第18页~第20页
《ВЛ83型电力机车技术设计》,《机车电传动》 1976年01期