日本國鐵EH10型電力機車

EH10型電力機車是日本國有鐵道的幹線貨運電力機車車型之一，由日立製作所、東京芝浦電氣、新三菱重工業、川崎車輛設計及生產，1954年製造了首批4臺原型車，自1955起開始批次生產，至1957年停產為止共生產了64臺該型機車，主要用於牽引東海道本線及山陽本線的貨物列車。EH10型電力機車不僅是日本國鐵唯一一種雙節八軸電力機車，也是日本國鐵史上重量最大的電力機車，亦因此獲得了“猛獁”的綽號。發展歷史.開發背景.第二次世界大戰結束後，日本在一片頹垣敗瓦之中開始進入戰後混亂期。在戰後初期，日本鐵路承擔了大量佔領軍、退伍軍人、以及平民百姓的運輸任務，不論貨運量或客運量都以驚人的速度激增。當時東海道本線上貨物列車的重量已經達到1200噸，仍然主要採用D51、D52型蒸汽機車作為牽引動力。然而，由於煤炭產量的下降及煤炭質量的的劣化，蒸汽機車用煤面臨一個很大的危機，使日本需要認真考慮能源的合理利用。面臨戰後經濟復興的形勢，在鐵路運輸能力緊張且煤炭供應短缺的背景下，日本國鐵加快了東海道本線沼津以西的電氣化進度。1949年2月，沼津至靜岡區段完成電氣化，同年5月繼續延伸至濱松。1953年7月，濱松至名古屋區段完成電氣化，同年11月又延伸至稻澤。稻澤至米原區段的電氣化也迫在眉睫，東海道本線全線電氣化指日可待。東海道本線大垣至關原這一區段之間，是一個總延長約6公里的連續長大坡道，最大坡度達到10‰，對過載貨物列車而言這是一個十分困難的區段。即使是當時最新型的EF15型貨運電力機車，其功率仍然不足以單機牽引1200噸貨物列車透過該區段，甚至牽引電動機還會因過載而發生過熱或燒損事故。因此，大垣至關原區段在電氣化後反而成為東海道本線的瓶頸，雖然可以透過加掛補機來提高運輸能力，但這種措施卻削弱了鐵路電氣化的意義。原型車.為此，日本國有鐵道決定開發研製一種效能比EF15型電力機車更強大的新型幹線貨運電力機車，不僅需要克服大垣至關原區段的運輸瓶頸、增加東海道本線的貨物輸送能力，還要提高貨物列車的平均旅行速度，以縮小客貨列車之間的速度差、充分利用線路透過能力。1954年，日立製作所、東京芝浦電氣、新三菱重工業、川崎車輛合作研製了新一代的EH10型電力機車，四家工廠於當年7月至8月分別試製了四臺原型車。EH10型電力機車不僅是日本國有鐵道第一種雙節八軸電力機車，也是當時日本鐵路史上重量及功率最大的電力機車。每臺機車由兩節完全相同的四軸機車聯接而成，原型車運轉整備重量達到118.4噸，最大軸重為14.8噸，額定功率為2530千瓦。原型車與量產車在外觀上有著明顯的不同，尤其是受電弓的佈置方式。每節機車車頂靠近車體中央的位置均安裝有一臺受電弓，兩臺受電弓的安裝位置較為接近，以減少高壓引通線的長度和重量。車體塗裝方面，1、3號機車採用了黑色配黃色線條的配色方案，2、4號機車則採用了傳統的葡萄色配銀色線條的方案；經過對兩種方案的比較，正式決定在量產車採用前者的塗裝，而2、4號機車亦和其他機車統一塗裝。量產車.1955年，EH10型電力機車正式投入批次生產。量產車根據原型車的試驗結果，對部分細節設計作出了改進，包括機車重量分配均等化，運轉整備重量略為減輕至116噸，平均軸重為14.5噸；擴大司機座席空間，改善乘務人員的工作環境；車鉤安裝位置從突出車體前端100毫米延長至200毫米，以便透過小半徑曲線和道岔。此外，在原型車的試驗過程中發現兩臺受電弓的安裝距離過於接近，會對架空接觸網造成較大的向上接觸壓力，並在高速執行時產生共振的情況，對接觸網造成不利影響，因此在量產車上將受電弓移動到在司機室後部上方的位置。高速試驗車.1950年代中期，為了增加東海道本線的旅客運輸能力，提高旅客列車旅行速度成為當務之急。日本國鐵當時對開行超特急列車進行了可行性研究，計劃將東京至大阪的單程旅行時間縮短至6小時30分鐘，並著手進行一系列高速試驗。1955年10月，東京芝浦電氣製造的EH10型15號電力機車被選定為高速試驗車，裝備了SE174型高速牽引電動機，齒輪傳動比改為25：77，並採用了有別於一般量產車的葡萄色塗裝。1955年12月14日，這臺機車在東海道本線金谷至濱松區段成功進行了120公里/小時高速運轉試驗，試驗列車主要由輕量化的新型組成。此外，該機車在牽引“燕號”等特急旅客列車也取得了令人滿意的結果。根據15號機車的試驗結果，日本國鐵曾經一度計劃在EH10型電力機車的基礎上，開發研製專門牽引優等旅客列車之用的八軸幹線客運電力機車，即EH50型電力機車。然而，由於在動力集中式列車之中機車的軸重較大，將需要投入較多的成本來強化線路。因此日本國鐵的鐵路發展政策逐漸傾向採用動力分散式的電力動車組，例如採用151系電力動車組擔當東海道本線的日間優等列車。最終，EH50型電力機車未能正式投入生產，而高速試驗車在完成試驗後亦被恢復為貨運機車。運用歷史.1950年代中期，EH10型電力機車開始活躍於東海道本線，擔當東京和大阪之間的牽引任務。1959年11月，日本國鐵開行了首趟專門運輸集裝箱的“”特急貨物列車，亦是由EH10型電力機車牽引。由於EH10型電力機車擁有較大的軸重，基本上只能限定線上路條件較好的主要幹線上運用，不適合轉往其他地方幹線或支線鐵路運用。1960年代起，隨著新一代的EF60、EF65型六軸電力機車投入牽引高速貨物列車，EH10型電力機車逐漸改為用於牽引普通貨物列車，運用範圍亦有所擴大，包括東海道本線以及宇野線。為了充分發揮機車功率大的優勢、提高大坡度區段的牽引定數，日本國鐵曾經利用EH10型電力機車在中央本線組織進行粘著效能試驗。1966年5月14日至21日，甲府機關區借用14、64號機車，在中央東線甲府至上諏訪間的25‰大坡度區段，進行牽引效能及粘著效能試驗。但試驗結果並未如理想，當機車僅僅牽引650噸列車就出現空轉的問題，因此只能放棄讓EH10型電力機車投入大坡度區段運用的計劃。1975年以後，由於機車逐漸老化，且難以轉往其他地區運用，EH10型電力機車開始陸續報廢。在運用末期，由於PS15型受電弓零件供應短缺，部分機車改為安裝下框架交叉式的PS22B型受電弓。1976年2月，吹田第二機關區的21號機車完成改裝PS22B型受電弓，此後又有約10臺機車進行了改造。1981年4月1日，隨著宇野至吹田的3370次貨物列車抵達終點，標誌著EH10型電力機車完成了最後一次牽引任務。1982年，全部EH10型電力機車退役報廢。技術特點.總體結構.EH10型電力機車是幹線貨運用的雙節八軸直流電力機車，適用於供電制式為1500伏直流電的電氣化鐵路。每臺機車由兩節完全相同的四軸機車透過機械及電氣聯接固定重聯而成。由於機車長度達到22,500毫米，為了儘量減少機車在車站到發線佔用的有效長度，EH10型電力機車採用近平面的非貫通構造的車頭結構，而沒有沿用舊型貨運電力機車的前端透過臺設計。機車採用非承載式的鋼製焊接結構車體，車體各項載荷全部由底架承擔，側牆和頂蓋不參與承載。每節機車只設有一個司機室，每臺機車共設有兩個司機室。兩節機車之間採用永久連線式的棒式車鉤聯接，以避免兩節機車在起動和執行時產生劇烈的縱向衝擊。車端安裝了帶有車鉤緩衝裝置的柴田式上作用自動車鉤。車內採用雙側縱向內走廊佈置，每節機車從前端至後方依次為司機室、機械室、主電阻器室和輔助機械室。輔助機械室兩側車體下部均設有冷卻進風口，其中51、60號機車採用了獨特的百葉窗式進風口，30號機車採用乙烯基纖維材料制過濾網。兩節機車之間還設有供乘務人員行走的中間過道，過道處設有過道門和鋼製風擋，以防粉塵和雨雪從此處進入車內；而兩節機車之間的電氣連線線亦安裝在中間過道之下。每節機車的車頂均安裝有一臺PS15型雙臂式受電弓、避雷器、以及連線兩臺機車的1500伏特高壓母線。原型車的受電弓安裝在每節機車靠近車體中央的位置，而後來的量產車則改為安裝在司機室後部上方的位置。車體外形.EH10型電力機車的外形被委託由民間的工業設計師萩原政男設計，機車採用了典型的箱型車體結構，前窗部分在中央分割為兩塊玻璃，並以一定的後傾角凹陷於車體。兩塊前窗玻璃的設計形式與同時期的國鐵80系電力動車組相似，而前窗凹陷的設計則很可能參考自。車體塗裝亦出自於萩原政男的構思，以黑色為主色並配以兩道黃色的細色帶，與當時舊型電力機車普遍使用的葡萄色塗裝形成了強烈對比，EH10型電力機車因而也獲得了“熊蜂”的綽號。轉向架.以往的國鐵電力機車由於固定軸距較長，大多采用帶有導輪的轉向架結構以便透過曲線，但EH10型電力機車的走行部為四臺DT101型二軸轉向架，使機車具有良好的曲線透過效能，能夠安全透過最小半徑80米的曲線，因而不再需要落後的導輪轉向架。轉向架構架採用“日”字形一體化鑄鋼結構，而非以往使用的鋼板焊接或鉚接結構，以簡化生產加工過程及減輕構架重量。軸箱採用導框式定位結構。車軸軸承採用複式錐形滾柱軸承，除了錐面方向不同外，其結構與EF58型電力機車的軸承結構大致相同。和EF15型電力機車一樣，EH10型電力機車的車輪兩側均設有砂箱，每臺機車共設有32個砂箱，以確保有充足的砂儲備量，在惡劣的輪軌條件下提高粘著係數。基礎制動裝置採用雙側閘瓦式踏面制動，輪對的兩側均設有閘瓦以施加壓力。除此之外，EH10型電力機車也擺脫了國鐵電力機車一向採用的固定枕梁式轉向架，改為採用類似電力動車組的搖動臺式搖枕轉向架，有效改善了機車的振動效能和平穩性。搖動臺結構也是懸掛彈簧裝置的一部分，車體透過心盤支承在上搖枕之上，上搖枕兩端支承在中央搖枕彈簧的上支承面，搖枕彈簧下支承面坐落在下搖枕之上，下搖枕透過四條長650毫米、傾斜角約10°的搖枕吊杆懸掛在構架上，因此搖動臺裝置在側向力作用下可以產生相對構架的橫向擺動。 軸箱頂端設有螺旋圓彈簧，中央搖枕彈簧採用鋼板彈簧。牽引力和制動力透過搖動臺、構架、心盤傳遞到車體底架，然後經由車體底架傳至車鉤。牽引電動機採用抱軸式懸掛，牽引電動機的一端安裝在轉向架構架上，而另一端透過抱軸承剛性抱合在車軸上。牽引電動機輸出的扭矩透過一級減速齒輪傳遞給輪對，牽引齒輪傳動比為21：77。電氣系統.EH10型電力機車是直—直流電傳動的直流電力機車，機車主電路結構與EF15型電力機車沒有太大差異，雖然技術上並無突出的地方，但具有良好的運用可靠性。由於同時擁有新型機械結構及傳統的主電路系統，因此EH10型電力機車被定位為介乎舊型電力機車之間的一種過渡性車型。機車透過調節起動電阻、牽引電動機的三段式串—並聯轉換和磁場削弱來達到調速的目的，利用手動調級的電磁式空氣接觸器實現有級調壓。司機控制器共有32個調壓級位，其中串聯位12級、串—並聯位9級、並聯位11級，每個級位之間的牽引力變化不大於20%，以獲得儘量平滑的起動及調速效能。電路保護系統方面，EH10型電力機車安裝了大容量高速斷路器、牽引電動機過流保護繼電器、空轉警報繼電器、高壓輔助電路自動斷路器及手動斷路器等保護裝置。每臺機車安裝有八臺MT43型牽引電動機，該型電動機與EF58型電力機車所採用的MT42型牽引電動機具有相同的輸出功率，但提高了絕緣等級以強化電動機短時過載的耐熱效能，並改善了抱軸瓦的潤滑方式。MT43型牽引電動機是四極串勵直流電動機，額定電壓為750伏特，小時功率為325千瓦，全勵磁時額定轉速為每分鐘800轉，60%磁場削弱時額定轉速為每分鐘990轉。