VL60 型電力機車

VL60 型電力機車（ВЛ60），原稱為 N6О型電力機車（Н6О），是蘇聯鐵路的電力機車車型之一，也是蘇聯第一種投入批次生產的幹線交流電力機車，適用於供電制式為 25 千伏 50 赫茲工頻單相交流電的電氣化鐵路，由諾沃切爾卡斯克電力機車廠設計製造，總產量超過 2600 臺。在 1957 年至 1967 年間長達 10 年的生產過程中，機車廠對機車進行了多項改進，並衍生了一系列車型，包括改變齒輪傳動比的 VL60P 型客運機車，具有再生制動功能的 VL60R 型機車，以矽整流器取代引燃管整流器的 VL60K 型機車，以及試驗級間相控平滑調壓的 VL60KU 型機車等。

1958 年，蘇聯向中國提供了 VL60 型電力機車的設計資料和生產技術，由株洲機車車輛工廠和湘潭電機廠聯合仿製，於 1958 年 12 月試製了中國第一臺幹線電力機車，定型為 6Y1 型電力機車，即後來的韶山 1 型電力機車。

發展歷史

1.1 背景

1950 年代初，蘇聯在第五個五年計劃期間，開始了大規模的電氣化鐵路建設計劃，並決定在更多鐵路採用交流供電制式。1952 年，諾沃切爾卡斯克電力機車廠開始設計一種新型交流電力機車。1954 年，該廠試製了首兩臺 NO 型電力機車，後來改稱為 VL61 型電力機車。VL61 型電力機車是典型的整流器式電力機車，採用交 — 直流電傳動和引燃管整流器，持續功率為 2,010 千瓦。1955 年至 1956 年間，該型電力機車在莫斯科鐵路局管內的 20 千伏工頻單相交流電氣化鐵路試驗段進行了試驗執行，其主要效能指標均達到了設計要求。1956 年，在莫斯科召開的蘇共第二十次代表大會上，正式通過了大規模過渡到電力及內燃牽引的決定，蘇聯鐵路決定在 15 年內建造 40,000 公里的電氣化鐵路。與此同時，蘇聯正式停止生產幹線蒸汽機車，開始生產功率更大的 VL8 型直流電力機車和 TE3 型柴油機車。

1956 年，諾沃切爾卡斯克電力機車廠開始在 VL61 型電力機車的基礎上，開發研製新一代的大功率交流電力機車，並設定了下列技術指標：適用於 20 千伏 50 赫茲單相交流電氣化鐵路，功率等級為 4000 千瓦，構造速度為 110 公里 / 小時，機車重量為 138 噸，車輪直徑為 1250 毫米，持續牽引力為 33,000 公斤，持續速度為 45 公里 / 小時。經過廣泛的討論，諾沃切爾卡斯克電力機車廠於 1957 年 1 月開始該專案的技術設計工作，並決定首先試製兩臺實驗機車。新機車被定型為 N6O 型電力機車（Н6О），其中 “N” 代表諾沃切爾卡斯克電力機車廠，“6” 代表六軸機車，“O” 代表單相交流電。

1.2 N6O

1957 年 12 月和 1958 年 2 月，諾沃切爾卡斯克電力機車廠先後試製了首兩臺原型車。N6O-001、N6O-002 號機車安裝了НБ-410 型牽引電動機，小時功率為 695 千瓦，持續功率為 610 千瓦。兩臺機車採用了不同的齒輪傳動比，分別為 1：4.19（N6O-001）和 1：3.74（N6O-002），連續牽引力為 27500 公斤和 24600 公斤，持續速度分別為 47.5 公里 / 小時和 53.2 公里 / 小時，最高執行速度為 100 公里 / 小時。1958 年初，兩臺原型車先後在全蘇鐵道運輸科學研究院的環形鐵道試驗基地，以及莫斯科鐵路局管內奧熱列利耶至帕韋列茨區段進行了牽引試驗。而 001 號機車並赴外高加索鐵路局管內哈舒裡至博爾若米區段進行了動力學效能試驗。

1.3 VL60

1958 年 10 月，蘇聯交通部決定對西伯利亞鐵路的馬林斯克 — 克拉斯諾亞爾斯克 — 濟馬區段改造為交流電氣化鐵路，並批准 N6O 型電力機車投入批次生產。1959 年，蘇聯決定將交流電氣化鐵路升壓至 25 千伏，N6O 型電力機車亦作出相應改造，更換了變壓器的原邊繞組。同年，根據首兩臺原型車的試驗結果，諾沃切爾卡斯克電力機車廠試製了第三臺 VL60 型電力機車，並開始投入批次生產。003 號機車的轉向架懸掛裝置、制動裝置均作出了改進，並改用了НБ-412 型牽引電動機，齒輪傳動比調整為 1：3826。自 1963 年 1 月起，諾沃切爾卡斯克電力機車廠迫於在新切爾卡斯克事件後所受到的政治壓力，N6O 型電力機車根據蘇聯交通部的指示改稱為 VL60 型電力機車。

1960 年代初，VL60 型電力機車曾經是蘇聯交流電氣化鐵路的主力電力機車，首先大量配屬克拉斯諾亞爾斯克鐵路局投入服務，後來陸續配屬到北高加索鐵路局、敖德薩 - 基希訥烏鐵路局、高爾基鐵路局、遠東鐵路局、東南鐵路局和莫斯科鐵路局。在生產過程中，諾沃切爾卡斯克電力機車廠對 VL60 型電力機車作出了持續的改進，包括牽引電路、保護系統、輔助電路、控制電路等方面，以提高機車運用的可靠性。1964 年，隨著機車使用時間和執行里程的增加，VL60 型電力機車陸續進入第一個大修週期。在大修期間，所有早期生產的 VL60 型電力機車都將引燃管為串聯連線，並繼續使用ЭКГ-60/20 型調壓開關。從 1965 年第二季度開始，電力機車大修廠開始按照 1435 號機車的標準化牽引電路，對 VL60 型電力機車進行改造，包括採用串聯連線的ИВП-500/5 型引燃管、ЭКГ-8А型調壓開關、感應分流器、引燃管過流保護器等等。

1.4 VL60P

1961 年，諾沃切爾卡斯克電力機車廠在 N6O 型電力機車的基礎上，試製了首臺 N6OP 型客運電力機車（Н6ОП-001），自 1963 年 1 月起改稱為 VL60P 型電力機車（ВЛ60П）。與 VL60 型電力機車相比，VL60P 型電力機車的總體結構和裝置佈置並無較大變化，主要特點為改為安裝轉速較高的НБ-415 型四極串勵牽引電動機，而非貨運機車所使用的НБ-412М型六極串勵牽引電動機。НБ-415 型牽引電動機的額定轉速為 1050 轉（小時制），電機重量亦減輕到 3760 公斤，小時功率為 650 千瓦，持續功率為 595 千瓦，齒輪傳動比為 1：3.375。此外，VL60P 型電力機車還配備了電空制動機、平波電抗器，機車整備重量由 138 噸減少至 129 噸，軸重由 23 噸降低到 21.5 噸。機車構造速度為 130 公里 / 小時，持續速度為 75.4 公里 / 小時（持續制），持續牽引力為 16900 公斤（持續制）。

VL60P 型電力機車出廠後，曾經配屬北高加索鐵路局高加索機務段投入運用考核，但由於線路條件的原因機車最高執行速度限制為 100 公里 / 小時，因此無法充分實現其效能特點。1969 年，VL60P-001 號機車進行了改造，以矽整流器取代了引燃管整流器，因而改稱為 VL60PK-001 號機車。

1.5 VL60R

1962 年，諾沃切爾卡斯克電力機車廠、諾沃切爾卡斯克電力機車科學研究所、全蘇鐵道運輸科學研究院合作研製了首兩臺帶有再生制動的 VL60R 型電力機車（ВЛ60Р）。1962 年夏季，VL60R-001、VL60R-002 號機車開始在全蘇鐵道運輸科學研究院的環形鐵道進行試驗。

VL60R 型電力機車的總體結構和裝置佈置仍然和 VL60 型電力機車保持相同，機車主電路採用ОЦР-5600/25 型牽引變壓器、ИВС-300/5 型引燃管、РЭД-4000 型平波電抗器和НБ-412М型牽引電動機。為了保證逆變器的工作穩定性，採用了兩組穩壓電阻器，電阻器設置於車頂中部並設有冷卻風扇。機車配備再生制動電子控制系統，透過磁放大器控制牽引電動機勵磁電流調節制動功率。

1964 年至 1966 年，又生產了一批採用НБ-412К型牽引電動機的 VL60R 型電力機車。諾沃切爾卡斯克電力機車廠共生產了 85 臺 VL60R 型機車，主要配屬於北高加索鐵路局、東西伯利亞鐵路局使用。其中兩臺機車（2126、2130）在保持牽引主電路基本不變的情況下，實驗性採用閘流體取代了引燃管，每臺機車使用 16 個ВКДУ-150 型閘流體。

1.6 VL60P

1962 年，為了滿足旅客列車的牽引需要，諾沃切爾卡斯克電力機車廠研製了 VL60P 型客運電力機車（ВЛ60П）。VL60P 型電力機車採用НБ-412К型六極串勵牽引電動機，齒輪傳動比為 1：2.733，並配備了電空制動機。機車最高執行速度為 110 公里 / 小時，持續速度為 73.3 公里 / 小時（小時制）、77.1 公里 / 小時（持續制）。1964 年至 1965 年間，還生產了一批具有機車供電功能的 VL60P 型電力機車，改裝帶有供電繞組的ОДЦЭ-6000/25П-80 型牽引變壓器，能夠向旅客列車的電熱取暖裝置供應 3000 伏交流電，供電容量為 800 千伏安。

1962 年至 1965 年間，諾沃切爾卡斯克電力機車廠共生產了 301 臺 VL60P 型電力機車。此後，根據蘇聯交通部的生產計劃，由於諾沃切爾卡斯克電力機車廠需要承擔 VL80 型電力機車的生產任務，不再生產客運機車。1960 年代至 1970 年間，VL60P 型客運電力機車在大修時均相繼進行了技術改造，以矽整流器取代了原來的引燃管整流器，經過改造的機車改稱為 VL60PK 型電力機車。

1.7 VL60K

隨著電力電子技術的發展，大功率半導體器件的生產和應用漸趨成熟。1960 年代初，蘇聯開始研製採用矽整流器取代引燃管的交流電力機車。1962 年 11 月，諾沃切爾卡斯克電力機車廠成功研製了採用矽整流器和高壓側調壓開關的 VL62 型電力機車，以及採用矽整流器和低壓側調壓開關的 VL60K 型電力機車（ВЛ60К）。首兩臺 VL60K 型電力機車出廠後，VL60K-001 號機車隨即在北高加索鐵路局投入運用考核，而 VL60K-002 號機車則赴全蘇鐵道運輸科學研究院的環形鐵道進行效能試驗。

1963 年，諾沃切爾卡斯克電力機車廠開始小批次生產採用НБ-412М型牽引電動機的 VL60K 型電力機車。1965 年，工廠正式停產採用引燃管整流器的 VL60 型電力機車，轉產採用НБ-412К型牽引電動機的 VL60K 型電力機車。至 1967 年停產為止，諾沃切爾卡斯克電力機車廠共生產了 501 臺 VL60K 型電力機車。而之前生產的 VL60 型電力機車也在後來大修時陸續改用矽整流器，經改造後的機車均改稱為 VL60K 型電力機車。除此之外，根據各鐵路局和機務段的運用需要，部分 VL60K 型電力機車被改造成客運電力機車，齒輪傳動比調整為 1：2.733，最高執行速度提高到 110 公里 / 小時，經改造後的客運機車均改稱為 VL60KP 型電力機車。

1.8 VL60KU

1967 年，諾沃切爾卡斯克電力機車廠和全蘇鐵道運輸科學研究院合作研製了首臺採用級間相控平滑調壓的 VL60KU 型電力機車（ВЛ60КУ）。機車使用了變壓器低壓側有級調壓與閘流體相控調壓相結合的調壓方式，由二極體橋式整流電路和閘流體半控橋式過渡整流電路組成，每臺機車安裝了 80 個Т-160 型閘流體。利用低壓側調壓開關構成八個大調壓級，並在每級之內實現閘流體相控無級調壓，使牽引電動機端電壓能夠平滑調節，有效提高了機車的牽引效能。

VL60KU-533 號機車在全蘇鐵道運輸科學研究院的環形鐵道完成牽引試驗後，在蘇希尼奇 — 布良斯克 — 科諾託普區段投入運用考核。1971 年至 1972 年間，烏克蘭的扎波羅熱電力機車廠（ЗЭРЗ）亦將另外 10 臺 VL60 型電力機車改造成無級調壓的 VL60KU 型電力機車。

1.9 VL60KR

1971 年至 1973 年間，諾沃切爾卡斯克電力機車廠在 VL60K 型電力機車的基礎上，進行了有關可控矽相控電力機車的研究和試驗。1974 年 8 月，經過改造的 VL60KR-2370 號機車開始在全蘇鐵道運輸科學研究院的環形鐵道進行試驗。這臺機車採用了閘流體不等分三段全控橋相控整流電路，從而實現機車的無級平滑調壓。由於全控橋式整流電路的特性，機車亦具有再生制動功能。在再生制動工況時牽引電動機變為他勵發電機運轉，發出的電能透過逆變裝置反饋給電網，制動功率透過獨立的閘流體整流器所提供的勵磁電流來控制。

技術特點

2.1 機械結構

2.1.1 車體

機車採用全金屬非承載式車體，車體各項載荷全部由底架承擔，車體側牆和頂蓋不參與承載，同時底架亦用來傳遞牽引力和制動力。車鉤安裝在車體底架兩端的牽引梁內，而非像 VL61 型電力機車那樣直接和轉向架連線。車體長度為 19,600 毫米，車鉤中心間距為 20,800 毫米，車體寬度為 3,160 毫米。車體底架可承受 250 噸的縱向壓縮力。車體側壁由厚度為 2.5 毫米的鋼板軋製成形，並設有加強壓根以提高車體剛度。

機車的兩端各有一個司機室，機車中部是變壓器室，司機室和變壓器室之間是機械室，車內設有貫通式雙側內走廊。司機室設有大面積的玻璃前窗，牆壁、地板和天花板內夾層設有聚苯乙烯泡沫塑膠隔熱材料。

2.1.2 轉向架

機車走行部為兩臺三軸轉向架，採用 “日” 字形箱型焊接結構的構架，構架由兩根縱向側梁、枕梁和管型端梁組焊而成。車輪直徑為 1250 毫米（新輪），採用鍛鋼車軸和有孔輻板輪對，轉向架的設計允許輪對連同牽引電動機一併拆卸和更換。牽引電動機在轉向架上採用抱軸式懸掛、單邊剛性斜齒輪傳動，牽引齒輪傳動比為 88：23（VL60K）或 82：30（VL60P）。軸箱採用拉桿式定位結構和圓柱滾子軸承。中間輪對留有 ±15.5 毫米的軸向移動量，以減小中間輪對的輪緣磨耗，並提高小半徑曲線透過效能。

轉向架設有二系懸掛裝置，一系懸掛為鋼板彈簧、螺旋彈簧和均衡梁組成，二系懸掛為中央摩擦旁承和搖擺旁承。彈簧懸掛系統總靜撓度為 108 毫米。每臺轉向架有二個摩擦旁承和二個搖擺旁承，分別各承擔一半的車體重量，牽引力和制動力透過中央支承傳遞，中央支承由鑄鋼構架和兩個錐狀橡膠錐組成。制動裝置採用由制動橫樑和制動拉桿的組合式基礎制動裝置，車輪的兩側都設有閘瓦。

2.2 傳動系統

VL60 型電力機車是交 — 直流電傳動的交流電力機車。接觸網上的高壓單相交流電透過受電弓、主斷路器引入機車，電能經牽引變壓器降壓，透過整流器整流直流電後，供給兩臺轉向架上六臺並聯連線的直流牽引電動機，從而使牽引電動機產生轉矩並驅動輪對。

2.2.1 牽引變壓器

機車中部安裝一臺牽引變壓器。N6O 型電力機車曾經採用ОЦР-5600/20 型牽引變壓器，由莫斯科變壓器製造廠研製，額定輸入電壓為 20 千伏。後來的 VL60 型電力機車採用了輸入電壓為 25 千伏的ОЦР-5600/25 型（VL60K）或ОЦР5600/25П（VL60P）型牽引變壓器，部分經改造後能夠向旅客列車供電的 VL60P 型電力機車改裝ОДЦЭ-6000/25П-80 型牽引變壓器。從 1960 年開始，牽引變壓器改由塔林水銀整流器廠生產。

ОЦР-5600 系列牽引變壓器是採用強迫油迴圈冷卻的單相變壓器，額定容量為 5600 千伏安，牽引變壓器有四個繞組包括，高壓輸入繞組、兩個牽引繞組和輔助繞組。輸入繞組的額定功率為 5244 千瓦。兩個牽引繞組負責向整流器供電，輸出電壓為 2×2060 伏，額定容量為 4942 千伏安。而輔助繞組用於向輔助電路供電，輸出電壓為 210 伏和 399 伏，額定容量為 300 千伏安；從第 2351 號牽引變壓器開始增加 630 伏的輸出制式，以滿足 630 伏輔助電機的供電需要。變壓器的重量為 12346 公斤，其中冷卻油佔 2840 公斤。

2.2.2 整流器

每臺機車裝有兩臺相同的整流器機組。早期的 VL60 型電力機車採用引燃管整流器，由全蘇列寧電工技術研究院設計、塔林水銀整流器廠和斯塔夫羅波爾整流器廠生產，每臺整流器裝有 4 個ИВС-300/5 型引燃管元件（從 005 號機車開始增加到 6 個引燃管），額定電流為 300 安培（持續制）／350 安培（小時制），最大反向電壓為 6500 伏，每個引燃管重量為 65 公斤，採用水迴圈冷卻。1963 年底，塔林水銀整流器廠成功研製了ИВУ-500/5 型引燃管（後來改稱為ИВП-500/5 型），可以按 300 安培額定電流、最大反向電壓 6500 伏，或者 440 安培額定電流、最大反向電壓 4000 伏工作，該型引燃管從 1277 號機車開始使用。

VL60K 型電力機車改為採用ВУК60-4Л型矽整流器，每臺整流器設有二組單相橋式整流電路，每一橋臂有十個並聯支路，每個支路有五個串聯連線的二極體。整流器採用ВЛ200-8 型雪崩二極體作為整流元件，額定電流為 200 安培，反向電壓為 800 伏。整流器額定整流電壓為 2500 伏，最高反向電壓為 4500 伏，重量為 400 公斤。

2.2.3 牽引電動機

N6O-001、N6O-002 號機車安裝了НБ-410 型牽引電動機，該型電動機是六極串勵直流電動機，額定電壓為 1600 伏，小時功率為 695 千瓦，持續功率為 610 千瓦，最高轉速為每分鐘 2020 轉，定子主極採用矽膠絕緣（ВС級絕緣），轉子繞組採用 B 級絕緣，電機重量為 4450 公斤。根據НБ-410 型牽引電動機的執行結果，諾沃切爾卡斯克電力機車廠對其進行了重新設計，並定型為НБ-412 型牽引電動機，並安裝在 003～033 號機車上，額定電壓調整為 1450 伏，小時功率為 647 千瓦，持續功率為 564 千瓦，重量增加到 4990 公斤。從 034 號機車開始，改為採用НБ-412М型牽引電動機，定子和轉子採用 B 級和 H 級絕緣，最高轉速為每分鐘 1650 轉，電機重量為 5000 公斤。

1962 年初，成功研製了帶有補償繞組的НБ-412К型牽引電動機，電機主極有 10 個均勻分佈的插槽，並嵌放了每極 10 匝的補償繞組；而附加極的繞組數量從 21 個減少至 10 個，匝數減少從 34 個至 19 個，從而減少 158 公斤的銅消耗量；定子和轉子均採用 B 級絕緣；額定電壓為 1600 伏，小時功率為 775 千瓦，最高轉速為每分鐘 1845 轉。經過試驗，補償線圈取得了良好的效果，能有效消除由於電樞反應所引起的氣隙磁場畸變，減小了產生電位差火花和環火的可能。НБ-412К型牽引電動機從 1963 年初開始在少數機車裝車運用，並且從 1965 年生產的 1810 號機車開始全面使用。

2.2.4 調壓系統

VL60 型電力機車的牽引電路與 VL61 型電力機車基本相同，採用變壓器低壓側調壓開關進行調速控制，透過改變牽引變壓器次邊低壓繞組抽頭的接法來調節牽引電動機的端電壓，從而實現機車的速度調節。和高壓側調壓方法相比，低壓側調壓無需在牽引變壓器設定調壓繞組，因此大大減輕了其重量。為了減少次邊牽引繞組的抽頭數量和增加調壓級數，調壓電路設有繞組轉換開關。機車設有 33 級調壓級，其中 9 級為經濟執行位。除此之外，還可以對牽引電動機實施四級磁場削弱，作為恆功區的輔助調速手段。與 VL61 型電力機車不同的是，調壓開關採用了ЭКГ-60 型凸輪軸控制調壓開關；從 101 號機車（1960 年）開始採用加裝滅弧室的ЭКГ-60/20 型調壓開關；從 1435 號機車（1964 年）開始採用同樣應用於 VL80 型電力機車的ЭКГ-8А型調壓開關。

2.3 輔助系統

VL60 型電力機車的輔助電路由牽引變壓器的輔助繞組供電，經過НБ-455 型旋轉式劈相機將單相交流電轉換成三相交流電，供機車上的輔助機械使用。НБ-455 型劈相機由一臺單相交流電動機與一臺三相交流發電機組合而成，額定輸入電壓為 380 伏單相交流電，輸出電壓範圍為 280～460 伏三相交流電，額定轉速為每分鐘 1490 轉；此外，劈相機還用於驅動一臺ДК-405 型直流發電機，為控制電路、電力照明及蓄電池充電提供 50 伏直流電。機車的主要電動輔助機械，包括兩臺電動空氣壓縮機、冷卻風機、冷卻油泵等，均採用鼠籠式三相非同步電動機，額定工作電壓為 380 伏。