VL60型電力機車

VL60型電力機車，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.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。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。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.機械結構.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。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。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。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。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。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，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。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，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。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號機車開始採用同樣應用於VL80型電力機車的ЭКГ-8А型調壓開關。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。