ES250型電力動車組

ES250型“雄鷹”電力動車組是俄羅斯鐵路的電力動車組車型之一，也是俄羅斯第一種採用交流傳動技術的雙電流制高速鐵路列車，適用於供電制式為3000伏直流電和25千伏50赫茲單相交流電的電氣化鐵路，由高速幹線聯合股份公司、紅寶石海洋機械中央設計局、 全俄鐵道運輸科學研究院、克雷洛夫中央造船研究院、金剛石船舶製造公司等眾多機構聯合研製，於2000年研製成功，但未投入批次生產。發展歷史.背景.早於1970年代，蘇聯已經開始研究興建高速鐵路，以滿足日益增長的客運需求。1974年，全蘇鐵道運輸科學研究院、列寧格勒鐵道運輸工程學院、莫斯科國立鐵路運輸勘測設計院等單位開始研究修建“中央—南方高速鐵路”。到了1980年代初，由於蘇聯鐵路將主要發展重點放在提高既有線的運輸能力，因此高速鐵路專案在一段很長時間內一直停滯不前。1987年，蘇聯交通部部長科納列夫下令恢復進行中央—南方高速鐵路的規劃工作，並列入蘇聯部長會議批准的14項國家優先發展的科技專案之一。1988年至1991年間，全蘇鐵道運輸科學研究院等科研機構草擬製定了中南高速鐵路的經濟要求和技術方案，從列寧格勒至辛菲羅波爾和頓河畔羅斯托夫這一段按300公里/小時的最高速度設計，而通往索契和礦水城的既有線則按160～200公里/小時的設計速度進行提速改造，新建的高速鐵路全線採用25千伏50赫茲交流電氣化。1991年，蘇聯國家計委批准了上述檔案，並認為有必要將興建列寧格勒至莫斯科的高速鐵路作為整個計劃的第一步。而在高速列車方面，全蘇鐵道運輸科學研究院對動力集中式列車和動力分散式列車作了詳細的比較。在當時的技術環境下，動力集中式列車以法國高速列車為代表，列車的動力中在首尾的電力機車，牽引電氣系統的設計相對簡單，而且在執行密度較低和較少限速區間的高速鐵路有較明顯的優勢。而動力分散式列車以日本的新幹線為代表，列車的動力佈在多輛動力車上，輪軌粘著利用較為穩定，輪對作用於鋼軌的載荷較低，營運和維護費用亦相對較低，而且蘇聯的ER200型電力動車組在營運方面已經累積了豐富經驗。基於對列車結構的經濟和技術分析，全蘇車輛製造科學研究院提出了VSM-EPS1型電力動車組的設計方案，列車採用動力分散方式，設計構造速度為350公里/小時，軸重要求小於17噸。為了使列車亦能夠在既有線上行駛，列車應同時適用於3000伏直流電和25千伏交流電氣化鐵路。蘇聯解體後，雖然俄羅斯經濟遭受了前所未見的震盪，鐵路運輸生產亦面臨嚴重的滑坡，但俄羅斯政府仍然積極推進高速鐵路的發展規劃。1991年9月13日，俄羅斯聯邦總統葉利欽簽署第120號命令，決定修建俄羅斯第一條高速鐵路，將莫斯科至聖彼得堡高速鐵路納入國家科技發展計劃專案。1991年12月，俄羅斯成立了“高速幹線聯合股份公司”，其任務為規劃及修建莫斯科至聖彼得堡高速鐵路，以及開發研製配套的高速列車；該公司主要由聯邦政府給予財政支援，以資金、產業、土地等形式入股，併為公司發放集資債券提供擔保。研製.從1992年起，高速幹線聯合股份公司透過與俄羅斯聯邦交通部及其下屬科研機構，特別是全俄鐵道運輸科學研究院緊密合作，為制定高速列車的技術任務書做了大量工作，其目的是研製效能達到國際先進水平、具有可以接受的價格，並能滿足不同消費需求的高速列車，新列車定型為ES250型電力動車組，並被命名為“雄鷹號”。俄羅斯共有60多家鐵路運輸和國防工業的機構和企業參與了高速列車的研製，專門從事潛艇設計的紅寶石海洋機械中央設計局被選定為高速列車設計的主導單位，其他單位包括克雷洛夫中央造船研究院、托爾若克車輛製造廠、聖彼得堡國立交通大學等。1997年，各個研究機構合作完成了“雄鷹號”列車的技術設計，聯邦交通部和高速幹線公司聯合對列車的技術方案作出了綜合評估，決定首先試製一列6輛編組的原型車。“雄鷹號”列車上採用了許多嶄新的技術，例如全焊接輕量化鋁合金車體、國產交流傳動牽引變流系統、輔助變流系統、列車網路控制系統等。列車是適應雙電流制式的動力分散式列車，設計標準編組為“四動八拖”的12輛編組，構造速度為250公里/小時，在高速鐵路專線落成之前也能夠在既有線上以160～200公里/小時的速度營運。同年，聯邦交通部和高速幹線公司就高速鐵路融資方案達成了協議，明確高速列車的研製費用由雙方共同承擔，聯邦交通部和高速幹線公司分別承擔70%和30%，而鐵路建設資金則去全部由聯邦交通部承擔。1998年，開始進入試製階段，並對列車的各種主要部件進行了試驗。鋁合金車體由俄羅斯鋁業聯合公司和金剛石船舶製造公司製造，第一輛原型車的車體於1998年4月1日完成，隨後送往克雷洛夫中央造船研究院進行強度試驗。同年6月23日至12月28日，先後完成試製其餘五節車體。1999年初，鋁結構車體送到季赫溫運輸機械製造廠，並開始安裝其他各種裝置。牽引變流系統和牽引電動機分別由船舶電氣工程中央研究院和電工機械科技設計研究所設計製造；車載控制系統由阿芙樂爾科研生產聯合體研製。1999年7月28日，ES250型電力動車組在季赫溫首次對外展示，列車各種裝置的安裝和除錯一直持續到2000年6月。試驗.2000年下半年，列車開始在十月鐵路局莫斯科-聖彼得堡鐵路和全俄鐵道運輸科學研究院的環形鐵道試驗基地進行初步試驗。2001年1月15日，聯邦交通部批准了ES250型電力動車組的正式驗收試驗大綱和日程安排。2001年2月至7月，全俄鐵道運輸科學研究院、俄羅斯鐵路資訊化、自動化和通訊科學研究院對列車進行了直流電模式下的評估試驗，試驗專案包括牽引和制動效能、動力學效能、訊號系統、電磁相容性、控制系統等。2001年6月，“雄鷹號”列車在多羅希哈站至利庫斯拉夫爾站之間的最高試驗速度達到237公里/小時。2001年7月15日，跨部門組成的驗收委員會認為，“雄鷹號”列車的大部分效能指標均已經達到了設計要求，但仍然存在一些較明顯的設計缺陷，部分裝置的安全性、可靠性和可維護性亦未如理想，因此需要作進一步改進，在當前狀態下不建議該列車投入載客營運。委員會的研究結果和建議於同年7月25日透過聯邦交通部科學技術委員會審批。2001年8月至12月間，主要針對驗收測試期間發現的問題，對列車的各種系統和裝置進行調整，高速幹線公司並樂觀估計列車將於2002年底投入服務。2001年12月底，“雄鷹號”列車按照ER200型電力動車組的執行圖，在聖彼得堡和莫斯科之間進行了五次非載客試執行，全程執行時間為4小時40分鐘，部分割槽間最高速度達到200～204公里/小時。2002年2月至3月期間，聯邦交通部再次對“雄鷹號”列車進行驗收試驗，結果顯示部分裝置的效能和可靠性均比之前有所改善，但和技術要求相比仍然存在著差距。驗收委員會總結列車的54項問題之中只有14項得到完全解決，而委員會提出改善可維護性28項建議中只有2項得到落實。列車的主要問題包括：結局.2002年1月，聯邦交通部長尼古拉·阿克肖年科因涉嫌漏稅被免職，俄羅斯總統普京任命根納季·法捷耶夫為新任交通部長，而交通部對於“雄鷹號”高速列車的態度亦出現很大轉變，逐步由積極變得冷淡。基於列車的試驗結果，聯邦交通部沒有批准“雄鷹號”列車投入營運。同時，由於高速幹線公司財政混亂並拖欠國家十多億盧布，因而被凍結了業務。2002年4月，聯邦交通部停止對“雄鷹號”列車的研發撥款，標誌著研製工作的終止，列車被送返季赫溫運輸機械製造廠。2003年3月19日，聯邦交通部投資委員會做出了一個決定：“雄鷹號”高速列車並不適合使用。時任交通部部長法捷耶夫在交通部投資委員會的工作會議上表示，“雄鷹號”高速列車專案本身就是一個“歷史性的錯誤”，“驗收委員會發現該列車完全不適合營運”。2003年10月，隨著俄羅斯鐵路改革的進行，由國家全資擁有的俄羅斯鐵路股份公司正式成立，交通部部長法捷耶夫改任俄鐵公司首任總裁。此後，俄羅斯鐵路在高速列車的研製方面，作出了從西方公司引進技術及合作生產的決定。2006年5月，俄羅斯鐵路與西門子公司簽訂了採購“Velero RUS”高速列車的協議，西門子公司在2010年之前向俄羅斯鐵路提供8列高速電力動車組。2009年12月，新一代的“遊隼號”高速列車在莫斯科和聖彼得堡之間正式投入商業營運。“雄鷹號”列車自2002年完成試驗後，一直存放於季赫溫運輸機械製造廠。高速幹線公司宣佈破產後，該列車被俄羅斯鐵路股份公司接收，成為了國有資產，並轉往聖彼得堡的米塔洛斯托爾機務段存放。至2012年底，“雄鷹號”列車分為兩部分進入博物館儲存，其中三節車廂於2012年11月22日進入位於聖彼得堡華沙站的十月鐵路博物館展示。技術特點.列車組成.“雄鷹號”電力動車組是動力分散式列車，適用於供電制式為3000伏直流電和25千伏50赫茲單相交流電的電氣化鐵路。設計標準編組為“四動八拖”的12輛編組，由2輛帶司機室的控制拖車。列車採用高壓連線及單弓受流技術，透過車頂高壓電纜連線多個動力單元，列車執行時只需升起一個受電弓。在12輛基本編組形式的列車中，設有8輛一等座車和4輛二等座車。一等座車採用“2+1”的座位佈置方式，採用可傾斜的航空式座椅，亦可以根據客戶要求採用包間式佈置；二等座車採用“2+2”的座位佈置方式，其中兩節和一等座車相鄰的二等座車設有酒吧間。車體結構.車體採用鋁合金製造的整體承載式結構，車體的底架、側牆、車頂等主要部件均由鋁合金型材和壁板焊接而成，以減輕高速列車的車體自重、提高車體的防腐性和密封性。為了提高車輛的安全效能，每節車廂兩端透過臺部分設有防撞壓損區，該區域內車頂、地板和側牆的縱向抗壓強度較低，一旦發生碰撞事故時該區域將首先發生擠壓變形並吸收大部分衝擊能量，幫助減少車輛中部客室結構的變形，使撞擊對乘客造成的傷害降到最小。控制拖車的車體長度為27,000毫米，中間車的車體長度為26,000毫米，車體內部寬度為3,120毫米。12輛標準編組的列車總重量為712噸，其中控制拖車自重48噸、動車自重66噸、有變壓器的拖車自重64噸、無變壓器的拖車自重48噸。為了減少列車高速執行時的空氣阻力，列車兩端車頭採用流線型頭型，車體下部設有圓弧形板裙板以包覆車底裝置，車頂設有整流罩以包覆受電弓，車輛之間連線處還設有橡膠外裙邊風擋以免產生渦流。列車採用МСУ-250型密接式車鉤連線裝置，由密接式車鉤、車鉤緩衝裝置、電氣聯結器、風管聯結器等組成，實現車輛之間機械、風管、電氣三者同時自動連線，並能夠降低車輛之間的縱向衝擊，提高了列車的縱向舒適性和安全性；而兩端頭車並設有SA-3型自動車鉤，方便與其他機車車輛連線。轉向架.每節車廂裝有兩臺二軸轉向架，是在ER200型電力動車組的轉向架的基礎上改良而成，由全俄運輸工程科學研究院設計製造。轉向架可分為動車轉向架和拖車轉向架兩種，兩者除了驅動裝置和制動裝置的差別之外，其餘部分均採用了基本一致的結構。轉向架採用箱型鋼結構的“H”形焊接構架，由AB2-2中碳鋼製成。軸箱採用鑄鋁箱體和雙列圓錐滾子軸承。轉向架的固定軸距為3,000毫米。動車轉向架和拖車轉向架均統一採用直徑950毫米的整體輾鋼車輪，輪對並採用了空心車軸，以減輕簧下質量和方便進行超聲波探傷，軸箱蓋上還裝有輪對防滑系統的速度感測器。轉向架採用輕量化設計，動車和拖車轉向架重量分別為7528公斤和4708公斤，比ER200型電力動車組的轉向架分別降低了1100公斤和250公斤。轉向架設有二系懸掛裝置，一系懸掛是以橡膠金屬堆為基礎的軸箱懸掛裝置，軸箱和構架之間並設有垂向油壓減震器，以改善轉向架的垂向振動效能。二系懸掛為無搖枕的空氣彈簧中央懸掛裝置。轉向架採用全旁承承載結構，每個轉向架有兩個空氣彈簧，車體重量透過中央懸掛裝置支承於轉向架構架上，並有兩個垂向液壓減振器連線構架和車體，以提高車輛的垂向平穩性。動力轉向架兩側設有斜對稱安裝的縱向牽引拉桿，拉桿兩端具有彈性節點將車體和構架相連，以傳遞牽引力及制動力。為提高轉向架迴轉阻尼並抑制轉向架的蛇行運動，車體和構架之間亦設有抗蛇行油壓減震器。每個動力轉向架裝有兩臺牽引電動機，牽引電動機採用架懸式全懸掛安裝方式，將牽引電機整個懸掛在轉向架構架上，以減輕簧下質量，並減少電機承受從軌道傳遞而來的振動衝擊。牽引電動機透過橡膠彈性聯軸器向車軸齒輪箱傳遞扭矩，再經過齒輪箱內人字齒輪驅動輪對。彈性聯軸器採用德國斯通馬格公司的產品。齒輪箱採用軸承聯合供油潤滑系統，齒輪傳動比為2.034。控制系統.“雄鷹號”電力動車組的車載網路控制系統由阿芙樂爾科研生產聯合體研製。整個控制系統由上、中、下三個層級組成，上層系統包括位於控制車內的司機操縱檯和列車控制計算機，用來處理列車執行控制和自動訊號；中層系統包括位於每節車廂的車輛控制裝置，用於控制和監控分佈在不同車輛的牽引電氣裝置和輔助裝置；下層系統包括車門、制動機等區域性裝置的控制器。在硬體方面，上層和中層系統的各種主要裝置採用貫穿全列車的雙絞線乙太網列車通訊匯流排連線；而車輛內各個功能控制單元之間的資料通訊以MIL-STD-1553匯流排連線，車輛控制裝置以MIC-2000控制器為核心。傳動系統.“雄鷹號”電力動車組的主電路採用交—直—交流電傳動，牽引電氣傳動系統是由高速幹線聯合股份公司和船舶電氣工程中央研究院合作研製。每個動力單元由1輛動車、1輛無變壓器的拖車和1輛帶變壓器的拖車組成。變壓器拖車安裝了一臺ТП-250型單臂式高速受電弓、兩臺單相交流主變壓器、兩套過電壓保護裝置等電氣裝置。動力車安裝了兩套牽引變流裝置和輸入濾波器。在交流電模式下，接觸網導線上的25千伏工頻單相交流電電流，經受電弓和斷路器輸入主變壓器，經過主變壓器的降壓後向相鄰動車上的兩臺牽引變流器分別供電，首先經過四象限整流器轉換為直流電，再由每兩臺並聯的牽引逆變器轉換成三相交流電輸出，每臺逆變器向一臺牽引電動機獨立供電，使牽引電動機產生轉矩，經過齒輪的傳遞驅動輪對。而在直流電模式下，四象限整流器變為斬波器運作，由接觸網直接供應3000伏直流電，其他變流過程仍然相同。列車採用ОРНДЦ-2000/25У2型主變壓器，輸入電壓可以從19千伏至29千伏，額定容量為2000千伏安，採用強迫導向油迴圈風冷卻。牽引變流裝置採用ИП(ВИП)+АИН型變流器，每套牽引變流裝置由一個輸入變流器和兩個牽引逆變器組成，兩者均採用高效水冷系統。輸入變流器在交流電模式下為四象限整流器，而在直流電模式下則作為脈寬調製的斬波器，兩種模式下的輸出電壓均為1650伏。每臺電壓型牽引逆變器單獨向一臺牽引電動機供電，利用脈寬調製來控制輸出電壓和頻率。輸入變流器採用ABB公司的IGCT元件，而牽引逆變器則採用日立公司的IGBT元件。牽引電動機由俄羅斯電工集團電工機械科技設計研究所研製，採用ТАД355-675-6УХЛ2型鼠籠式三相非同步牽引電動機，小時功率為675千瓦，持續功率為615千瓦，額定電壓為750伏，絕緣耐熱等級為H級。制動系統.“雄鷹號”電力動車組設有四種獨立的制動系統，包括再生制動、電阻制動、盤式制動、磁軌制動。當列車實施再生制動時，使牽引電動機變為三相交流發電機運轉，發出的電能經過牽引變流裝置，轉換成直流電或單相交流電並反饋到接觸網。一般情況下列車優先採用再生制動，當網壓較高時可混合採用再生和電阻制動，將電能轉換成直流電並接通到制動電阻，然後轉化為熱能消耗掉。基礎制動裝置採用盤式制動，由電控空氣制動機控制，並設有電子制動防滑控制、空電聯合制動控制的功能。拖車轉向架採用傳統的軸盤制動，每根車軸安裝了四塊制動盤。在動車轉向架上，採用了將制動盤安裝到牽引電動機輸出軸的特殊結構，以減輕制動機構的重量。制動盤閘片的摩擦面上噴塗有МКВ-50А粉末冶金金屬陶瓷複合材料塗層，以提高閘片耐磨和耐熱效能。磁軌制動僅限緊急制動時使用，轉向架兩側下方均安裝有磁軌制動器，利用懸掛在轉向架的電磁鐵靴吸附在路軌上的摩擦阻力來降低車輛速度，磁軌制動器由蓄電池供電。輔助電路.車輛的照明、空調和其他輔助裝置由輔助逆變器供電，輔助變流單元由一個高壓變流器和一個反用變流器組成。高壓變流器可直接從3000伏直流電網取電，或由25千伏交流電網經牽引變壓器降壓後供電。高壓變流器可以輸出380伏50赫茲的三相交流電，向空調及通風系統供電，並透過輔助變壓器降壓至220伏供空氣壓縮機、車廂照明使用。反用變流器可以將高壓變流器的三相交流電轉換成110伏直流電，供蓄電池充電器使用，也可以將直流負載迅速轉換為由蓄電池供電。