ER2型電力動車組

ER2型電力動車組是蘇聯鐵路的電力動車組車型之一，也是蘇聯最著名、產量最大的動車組車型，適用於供電制式為3000伏直流電的電氣化鐵路，由位於拉脫維亞的里加車輛製造廠設計製造，累計產量超過900組，被廣泛運用於蘇聯各地的直流電氣化鐵路，以及蘇聯解體以後的眾多獨聯體國家。發展歷史.背景.蘇聯在1920年代末開始發展電氣化通勤列車，第一代的S型電力動車組系列從1929年開始生產，但由於其構造速度相對較低，到了1950年代初這種列車已經不能滿足日益增長的通勤客運需要。1954年，里加車輛製造廠、迪納摩電氣工廠和里加電機制造廠研製了SN型電力動車組，列車採用新型牽引電動機及架懸式轉向架，最高執行速度提高到130公里/小時。1957年，里加車輛製造廠研製了新一代的ER1型電力動車組，採用“五動五拖”的10輛編組，以“一動一拖”為基本動力單元，使列車加速效能得到明顯的提高。然而，由於ER1型電力動車組的車門只能適應高站臺的車站，使其使用範圍受到很大限制。因此，里加車輛製造廠在ER1型電力動車組的基礎上，於1960年代初研製了ER2型電力動車組。ER2型電力動車組改變了車體結構，使車門能適應各種高度的站臺，而各種電氣裝置和機械裝置亦根據ER1型電力動車組的使用經驗作出了改進。生產.1962年，里加車輛製造廠和加里寧車輛製造廠開始批次生產ER2型電力動車組，里加車輛製造廠負責動車的製造和列車的最後總組裝，加里寧車輛製造廠負責製造控制拖車和中間拖車，而電氣裝置則由里加電機制造廠提供。從1968年起，控制車和中間拖車全部轉由里加車輛製造廠生產，加里寧車輛製造廠僅負責製造拖車轉向架。ER2型電力動車組的標準編組為“五動五拖”的10輛編組，由五個“一動一拖”的基本動力單元組成。後來為了將長編組列車分拆為短編組列車，加里寧車輛製造廠於1964年至1970年間曾另外生產了一批控制拖車，列車編號從801號開始排序。1981年，里加車輛製造廠亦生產了一批控制拖車，車輛編號從8001號開始排序。除此之外，里加車輛製造廠於1967年至1968年間單獨製造了52輛動車，列車編號為701～752，作為車輛檢修時的後備車輛。同時，為了滿足部分較高客流量路線上列車擴大編組的需要，里加車輛製造廠並曾經生產了一批兩節車廂的“一動一拖”動力單元，中間拖車和控制拖車的列車編號分別從2000號、3000號開始排序，使列車能夠擴大為12輛編組。至1984年9月，ER2-1348號列車從里加車輛製造廠出廠後，ER2型電力動車組正式停產。從1962年至1984年，累計生產了850列ER2型電力動車組，其中10輛編組列車629列、12輛編組列車134列、8輛編組列車75列、6輛編組列車7列、4輛編組列車5列。此外，還生產了58組控制單元、173組中間單元，以及另外的113輛控制拖車、52輛動車和4輛拖車。總的來說，共生產了4511組“一動一拖”動力單元和189輛獨立車廂。運用.和ER1型電力動車組一樣，ER2型電力動車組首先在莫斯科和列寧格勒兩大通勤運輸最繁忙的鐵路樞紐投入服務，早期主要配屬於莫斯科鐵路局及十月鐵路局。而由於ER2型電力動車組既能停靠高站臺也能停靠地站臺，使市郊通勤列車的服務範圍不再侷限於主要車站，而得以進一步擴充套件到次要車站和其他地區，並開始逐步取代日漸老舊的S型電力動車組。至1960年代中期，ER2型電力動車組的蹤影已經遍及蘇聯國內眾多擁有直流電氣化鐵路的地區，包括伊爾庫茨克州、古比雪夫州、庫爾幹州、鄂木斯克州、新西伯利亞州、圖拉州、車里雅賓斯克州、克拉斯諾達爾邊疆區和斯塔夫羅波爾邊疆區，以及喬治亞、拉脫維亞、烏克蘭等地區。截至1976年1月，當時蘇聯鐵路共有超過280組ER2型電力動車組，換算為2929個動力單元；其中莫斯科鐵路局和十月鐵路局的配屬數量最多，詳細配屬資料如下：改進型.ER2I.ER2型電力動車組採用直流電傳動，調節起動電阻和牽引電動機的串聯和並聯轉換來完成列車的起動和速度調節，但這種調速方式的缺點是電阻的電能耗損較大，而且只能採取有級調壓的模式，不能連續平滑地調節速度。1960年代末，全蘇車輛製造科學研究所、塔林電機制造廠和波羅的海鐵路局開始了關於直流電力動車組脈衝調壓方式的研究。脈衝調壓方式用閘流體直流斬波器取代了以往的起動電阻，透過週期性的快速開通和關斷，將恆定的直流電壓分割成一系列的脈衝電壓，透過改變脈衝的頻率就能夠方便地改變輸出直流電的電壓平均值，從而實現了無損耗的直流調壓。然而，由於當時電力牽引領域的脈衝調壓控制仍處於摸索和發展階段，而且蘇聯當時亦沒有製造大功率半導體元件的足夠經驗，因此蘇聯決定在電力動車組上首先試驗區域性的閘流體脈衝控制。1967年，波羅的海鐵路局扎蘇洛克斯機務段的一列ER2-837號列車的其中一輛動車進行了實驗性改造，這輛動車仍然保留的起動電阻，但電阻器的通斷並非由接觸器控制，而是改由閘流體組成的無觸點開關電路控制。1970年，扎蘇洛克斯機務段的ER2-830號列車進行了全面的脈衝調壓改造，在其中兩節動車上安裝了閘流體斬波器，代替原本的起動電阻和開關器件，每兩臺牽引電機為一組串聯連線、兩組並聯連線，列車在同年4月開始投入試執行。1972年至1974年間，扎蘇洛克斯機務段和莫斯科機車修理廠合作，對其他部分ER2型電力動車組亦進行了脈衝調壓改造，經改造後的列車改稱為ER2I型電力動車組。ER2V型電力動車組採用了閘流體斬波器和脈衝調壓控制，動車車頂並設有風冷式變壓器，而原本設於動車車頂的受電弓被轉移到拖車車頂。1974年6月，ER2V-556號列車在全蘇鐵道運輸科學研究院的環形鐵道進行試驗。1977年至1978年間，四組列車在外高加索鐵路投入試驗。但由於面對不同的技術困難，蘇聯最終放棄採用6000伏高壓直流電氣化鐵路的計劃，除ER2V-556號列車外其他三列ER2V型電力動車組均在1980年報廢。而ER2V-556號列車其後改配屬十月鐵路局的列寧格勒-芬蘭動車段，並重新改裝為適合3000伏直流電的斬波器脈衝調壓系統，列車編號恢復為ER2-867/868。這組列車除了日常的服務外，亦被列寧格勒鐵道運輸工程學院用於進行各型別的試驗，至2008年正式報廢。技術特點.列車組成.ER2型電力動車組是在ER1型基礎上改進設計而成，除了車門設計及個別機電裝置外，兩者的總體結構、電氣系統基本相同。ER2型電力動車組採用動力分散方式，其標準編組為“五動五拖”的10輛編組，由2輛帶司機室的頭部控制拖車、3輛中間拖車、5輛動車組成，每“一動一拖”組成一個電氣獨立單元，司機可在任一司機室對全列車進行操縱。列車亦可以根據實際需要增減車廂數量，採用靈活的編組方式，列車最短編組為4節車廂，各車廂之間採用SA-3型自動車鉤連線。車輛編號方面，每組列車和每節車廂的編號都是唯一的，車輛編號由三或四位數的列車編號和兩位數的車廂編號組成。在10輛或12輛編組的列車之中，動車的車廂編號為雙數。而在8輛編組的列車之中，加里寧車輛製造廠將額外生產的控制拖車編號定為07。而後來里加車輛製造廠亦開始製造拖車後，不論列車編組的車廂數量，里加廠一概將控制拖車的編號定為09，而與之配套動力單元的動車編號定為10。總體結構.車體採用低合金鋼整體承載式焊接結構，在車輛之間所產生的拉伸和壓縮衝擊力等縱向載荷亦由整個車體的主要結構包括底架、側牆以及頂蓋共同承受，車體長度為19,600毫米，車體寬度為3,480毫米。底架由冷軋鋼板焊接而成，側牆採用厚度1.5～2.5毫米的鋼板製造，並設有加強壓根。與ER1型電力動車組的車體相比，ER2型電力動車組車體的主要特點是改進了車門設計以滿足低站臺的需要，並加強了車體底架部分位置的結構強度，以彌補因改動車門腳踏而造成底架缺口的強度減弱。為了抵消因強化底架而造成的額外重量，ER2型電力動車組採用鋁製車門、電線管道，因此車輛重量僅比ER1型電力動車組略為增加。10輛編組的列車重量為467.9噸，其中頭部拖車自重40噸、中間動車自重54.6噸、中間拖車自重38.3噸。早期的ER2型電力動車組具有與ER1型電力動車組相同的車頭外觀，司機室正前方設有六塊玻璃前窗，並採用帶有圓弧過渡的流線型頭型。從ER2-1028號列車開始，採用經過簡化的平面車頭結構，司機室前窗減少為兩塊，頭燈和排障器結構、控制拖車內的裝置佈置亦有所改變。裝置佈置.裝置佈置方面，列車的主要電力裝置均佈置在車底之下，從而擴大了客室空間。動車主要設有受電弓、起動電阻及各種開關和接觸器等裝置；拖車設有空氣壓縮機、電動發電機等輔助裝置，而頭部拖車並設有司機室及控制電器櫃；所有車廂均設有蓄電池及輔助電器櫃。車廂兩端兩側各設有兩道供旅客出入的側門，車門採用電控氣動滑動式車門，其高度可適用於各種高度的站臺。為了提高列車載客量，客室採用“3+3”的座位佈置方式。中間車箱的座席定員為107～110人，先頭車廂的座席定員為77～88人。一列10輛編組的列車總定員為1050人，若包括車廂內空餘面積站立的乘客數，列車總載客量最多可達1600人。車廂的通風系統可採用自然通風或強迫通風，自然通風是利用車輛執行或自然風的空氣流動，透過開啟車窗將新鮮空氣引入車內；強迫通風是利用兩臺設置於透過臺頂部的離心式風扇，從車外引入空氣並透過車體頂部的通風風道送進客室。為了在寒冷季節提高客車內溫度，列車採暖系統使用電熱取暖器，安裝於座位兩側下方的側牆上，中間車廂及先頭車廂分別安裝20個和14個電熱器，每個電熱器功率為1千瓦。轉向架.每節車廂裝有兩臺二軸轉向架，可分為動車轉向架和拖車轉向架兩種，兩者除了驅動裝置的差別之外，其餘部分均採用了基本一致的結構。轉向架構架由一根中央梁、兩根橫樑、鋼板和兩根側梁焊接而成一體。軸箱採用圓柱滾子軸承及導柱式軸箱定位裝置，實現輪對相對轉向架構架的縱向及橫向位移。制動裝置為吊掛式雙側閘瓦基礎制動。轉向架設有二系懸掛裝置，一系懸掛為軸箱側螺旋圓彈簧，二系懸掛為搖動臺式彈簧中央懸掛裝置，採用每側兩個螺旋圓彈簧，使轉向架彈簧系統的靜撓度由95毫米增加到120毫米。為了改善轉向架的垂向振動效能，在兩層懸掛裝置均裝有減震器，輪對軸箱及構架之間設有摩擦阻尼器，中央彈簧懸掛裝置亦增設了液壓減震器。轉向架採用全旁承承載結構，取代了ER1型電力動車組所使用的心盤承載結構。車體重量透過中央懸掛裝置左右兩側的彈性旁承支承於轉向架上，旁承採用層壓塑膠製成，透過摩擦力矩抑制車體的側滾和轉向架的蛇行運動。轉向架兩側設有斜對稱安裝的縱向牽引拉桿，拉桿兩端具彈性節點將搖枕和構架相連，以傳遞牽引力及制動力，並使搖動臺得到縱向定位並改善振動效能。此外，先頭控制拖車的轉向架還設有接收自動機車訊號的接收線圈。早期生產的ER2型電力動車組曾經採用加里寧車輛製造廠生產的КВЗ-5/Э型拖車轉向架，與後期的ER1型電力動車組相同；從ER2-375號列車開始採用經過改進的КВЗ-ЦНИИ/Э型拖車轉向架，與前者相比，該型轉向架具有較高柔度的彈簧懸掛系統，搖枕裝置透過帶有橡膠彈性節點的牽引拉桿取得縱向定位，並以旁承承載代替了心盤承載。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。牽引電動機透過彈性聯軸器向車軸齒輪箱傳遞扭矩，再經過齒輪箱內大、小直齒圓柱齒輪驅動輪對。車軸齒輪箱採用軸懸式懸掛，其中一端透過抱軸承剛性抱合在車軸上，另一端透過緩衝橡膠墊架設在轉向架構架上，齒輪傳動比為23：73。從1969年5月生產的ER2-659號列車起，開始對齒輪箱採用四根吊杆彈性懸掛，與ER22型電力動車組相同。傳動系統.牽引電路.ER2型電力動車組的牽引傳動電路與後期的ER1型電力動車組基本一致。列車採用直—直流電傳動，每輛動車裝有一臺受電弓及四臺牽引電動機。接觸網導線上的3000伏直流電電流，經受電弓引入列車後經過調壓，供給牽引電動機及驅動輪對。各個“一動一拖”動力單元互相獨立，當列車的其中一個單元發生故障時，列車的牽引主電路可隔離該動力單元，而列車的執行則不受影響。列車透過增減串聯電阻、牽引電機的串—並聯換接、磁場削弱進行調速。在列車起動和加速過程中，用接觸器及電阻器來調節牽引電動機的電壓。為減少起動電阻中的電能消耗，每輛動車的四臺牽引電動機首先全部串聯連線，然後隨著列車速度提高使每兩臺牽引電機為一組串聯連線、兩組並聯連線，電路的換接是採用電空接觸器按橋式電路來實現。為擴大恆功調速範圍，還可以對牽引電動機採用二級磁場削弱，削弱率分別為67%和50%。司機控制器具有18個執行級位，每個級位分別對應一組接觸器位置；在串聯模式有11個級位，其中17、18位為經濟執行級位。當司機控制器達到18位時，牽引電路切斷所有電阻、磁場削弱率為50%，此時列車將達到最高速度。當司機控制器恢復0位時，牽引電動機恢復到全串聯連線，並接通所有電阻器，從而切斷了對牽引電動機的供電。牽引電動機.早期的ER2型電力動車組採用與ER1型電力動車組相同、由迪納摩電氣工廠研製的ДК-106Б型牽引電動機，該型電動機為四極串勵直流電動機，電樞繞組和勵磁繞組串聯，帶有四個主磁極和四個換向極，額定功率為200千瓦，額定電壓為1500伏，最高轉速為每分鐘2080轉，電機重量為2200公斤，主極及電樞繞組均採用B級絕緣，冷卻方式為不帶外部風扇的自通風冷卻，風扇安裝在電樞軸上。至1960年代初，里加電機制造廠研製了經過改進的УРТ-110А型牽引電動機，並於1964年3月從ER2-446號列車上開始裝車應用，УРТ-110А型牽引電動機的主要結構和效能指標與ДК-106Б型牽引電動機相似。1970年，對換向器作出改良的УРТ-110Б型牽引電動機研製成功，並於1971年1月從ER2-919號列車上開始裝車應用。保護系統.牽引電動機設有保護裝置，使其在必要的情況下從主電路上直接斷開。牽引電動機的短路保護由高速斷路器等各種電路保護裝置。輔助裝置.每輛拖車均設有一臺ДК-604В型電動發電機，該機組由一臺直流電動機及一臺同軸的直流發電機組成，機組總重為1200公斤。電動機及發電機的額定功率分別為12千瓦和10千瓦，額定轉速為每分鐘1000轉，輸入電壓為1500伏，輸出電壓為50伏，為列車的控制電路供電。當電動發電機因故障停止運轉時，控制電路改由蓄電池供電。此外，拖車還設有一臺空氣壓縮機，由一臺ДК-405В型直流電動機驅動，為列車的制動系統、氣動式滑動車門、電力系統的各種氣動式接觸器等裝置供應壓縮空氣。而在動車上亦設有一臺由蓄電池供電的輔助壓縮機，用於當列車風管無壓力時為受電弓升弓提供壓縮空氣。