日本國鐵ED60型電力機車

ED60型電力機車是日本國有鐵道的直流電力機車車型之一，適用於供電制式為1500伏直流電的電氣化鐵路，由新三菱重工業、川崎車輛、汽車製造等企業於1958年研製成功。發展歷史.背景.第二次世界大戰結束後，日本國有鐵道為滿足在戰後經濟復興的形勢下不斷增長的運輸量，先後研製了三種標準型直流電力機車，即幹線客運用的EF58型電力機車，以及幹線貨運用的EF15、EH10型電力機車，併成為了國鐵主要幹線的主型電力機車。至1950年代末，在大正時代從國外進口或從私鐵收購的各種舊型電力機車亦將屆使用壽命，因此日本國鐵急需一種新型直流電力機車來取代這些舊型機車，擔當非主要幹線的客貨列車牽引任務。此外，受到法國國鐵發展工頻單相交流制電氣化鐵路的成功經驗所影響，日本國有鐵道亦從1950年代初開始發展交流電力牽引。1954年至1957年間，三菱、日立、東芝分別試製了多種交流電力機車的原型車，並在仙山線的20千伏50赫茲交流電化區段進行了試驗。1957年，ED70型電力機車投入北陸本線運用，成為日本國鐵的第一種量產型交流電力機車。該型機車與舊型直流電力機車擁有完全不同的結構，並應用了許多當時的新結構和新技術。在這樣的背景下，日本國鐵決定利用ED70型交流電力機車所採用部分最新技術，從根本上改變直流電力機車的設計，開發一種全新的直流電力機車，稱之為“直流新型電力機車”。1958年，新三菱重工業、川崎車輛、汽車製造等企業成功研製了新一代的ED60型電力機車，當時又被稱為“60番臺機車”。與此同時，還研製了同系列的ED61型電力機車，特點是增加了再生制動。由於ED60、ED61型電力機車的車體長度比EH10型電力機車短得多，因而在當時流行的科幻漫畫《鐵臂阿童木》中獲得了“阿童木機車”的綽號，與EH10型電力機車的綽號“猛獁機車”相映成趣。與此前的舊型電力機車相比，“直流新型電力機車”具有以下特點：製造.1958年試製的首批三臺機車為大糸線而製造，目的是運輸關西電力黑部川第四發電所的建築材料，機車的製造預算由電源開發債券承包；其中，1號機車由新三菱重工業、三菱電機生產，2號機車由川崎電機制造、川崎車輛生產，3號機車由東洋電機制造、汽車製造生產。1959年至1960年間，東洋電機制造、汽車製造、川崎電機制造、川崎車輛又製造了第二批五臺機車。雖然ED60型電力機車是為替換地區支線鐵路的舊型電力機車而設計的，但由於其軸重、功率及耗電量均大於早期的舊型電力機車，因此不太適合線上路條件較差的支線鐵路運用，尤其部分支線的牽引變電所容量不足，限制了ED60型電力機車的使用範圍，因此僅生產了少量該型機車。運用.ED60型電力機車投入運用初期，1～3號機車首先配屬於甲府機關區並投入中央本線運用，後來亦曾經配屬北松本電車區，投入阪和線運用。當黑部川第四發電所的建設完成後，在大糸線運用的1～3號機車亦改作他用。1號機車仍然配屬松本運轉所北松本支所，在大糸線擔當貨物列車的牽引任務。2～3號機車於1962年轉移至甲府機關區，並於1965年4月再轉屬八王子機關區。同年夏季，這兩臺機車被轉移至鳳電車區並投入阪和線運用，直到1972年為替換大糸線的，再度配屬松本運轉所北松本支所。1985年12月至1986年1月，北松本支所的1～3號機車依次退役報廢。作並機關區配屬ED60型電力機車的原因，主要是為了與仙山線的交流電力機車原型車作比較試驗，但由於ED60型電力機車單機功率較大，對仙山線的小容量牽引變電所造成較高負荷，當機車運用時架空接觸網的電壓有較大幅度的下降。試驗結束後，4～5號機車於1960年8月轉配屬機車需求較大的鳳電車區。而配屬鳳電車區的ED60型電力機車，則能夠很好地適應阪和線的線路及運用條件。阪和線具有足以和東海道本線匹敵的高標準線路條件，因此機車較大的軸重和耗電量並不構成問題，而且ED60型電力機車的加速效能較好，更適合用於運輸繁忙的通勤鐵路線。後來為了進一步提高機車的粘著效能，還在阪和線的ED60型電力機車上加裝壓鐵配重，使其軸重由14噸增加至15噸。此外，由於阪和線屬於戰時收購的私鐵路線之一，長度較短的ED60型電力機車能較容易適應有效長度較短的站臺和待避線。例如，在盡頭式車站設計的天王寺站，由於受到站臺有效長度的限制，縮短機車長度可以為擴大旅客列車編組創造條件，當客流高峰期時旅客列車可以加掛多一節車廂，這對於那些在天王寺站到發的紀勢本線直通旅客列車尤其重要，特別是在冬季需要編掛的“黑潮號”、“白濱號”準急列車。ED60型電力機車投入阪和線運用後，替換了時代的，以及在戰後投入該線的ED16型電力機車。加上於1960年從作並機關區轉配屬的4～5號機車，及1965年從八王子機關區轉配屬的2～3號機車，鳳電車區作為替補。1986年3月，隨著龍華機關區開始配屬EF60型電力機車，ED60型電力機車陸續報廢。技術特點.總體結構.ED60型電力機車是客貨運通用的直流電力機車，適用於1500伏直流電氣化鐵路。機車車體沿用了與同時期ED70型電力機車及DF50型柴油機車相似的外形及結構，採用表面平滑的全鋼焊接結構車體。車體長度為13000毫米，比同系列ED61型電力機車短1300毫米，原因是ED60型電力機車沒有再生制動裝置，因而節省了部分裝置安裝空間。機車的兩端各有一個司機室，機車中部是電氣室及機械室，車內設有貫通式雙側內走廊。在司機室內機車執行方向的左側設有司機操縱檯，司機室兩側設有供乘務員乘降的車門。考慮到重聯運用的需要，司機室前端中央設有鉸鏈式貫通門，以便乘務人員透過到另一臺機車。該貫通門採用吊掛在車外的外開式設計，而沒有采用最原始的內開式設計，目的是防止車輛行駛時冷風從貫通門的間隙漏進司機室，以改善司機室在冬季的舒適性。車頂安裝有兩臺國鐵標準的PS17型雙臂式受電弓，是在電力動車組所採用的PS16型受電弓的基礎上發展而成，但由原本的彈簧升弓式改為氣壓升弓式。電氣系統.調速系統.ED60型電力機車是直—直流電傳動的直流電力機車，除了省略再生制動功能外，機車主電路結構與ED61型電力機車基本相同。機車透過多種方法，包括超多段電阻調壓、牽引電動機的串聯—並聯轉換、以及磁場削弱控制來達到調速的目的。傳統的直流電力機車所採用的電阻調壓，一般只能實現級位數量十分有限的有級調壓，而且在調速過程中也容易因牽引力突然變化而造成衝擊，或因超出線路粘著條件而使輪對發生空轉。在ED60型電力機車上，首次採用超多段電阻調壓來解決上述問題。每臺機車設有兩套相同的電阻器系統，分別控制兩臺轉向架上的牽引電動機。電阻器系統包含了並聯的主電阻器及副電阻器，首先利用主電阻器實現十個大調壓級，再於每個大調壓級內利用副電阻器實現五個小調壓級。調壓開關採用電磁式空氣接觸器，級位轉換是透過帶有伺服電動機的凸輪軸控制器配合限流繼電器進行的。ED60型電力機車還可以採取改變牽引電動機連線方式，來改變牽引電動機的端電壓，但由於電阻調壓的調壓級數量較多，因此只採用了較簡單的二段式串—並聯轉換。每兩臺牽引電動機作為一組並固定以串聯方式連線，當機車達到一定速度後兩組電動機改以並聯方式連線，該項轉換是透過主電阻器的串並聯切換來進行的。在超多段電阻調壓和串並聯轉換的共同配合下，使ED60型電力機車擁有多達110個調壓級，大大降低每個級位之間的電壓變化，從而獲得了相對平滑的調速效能。這對電力機車的牽引效能帶來了許多好處，例如可以減少在調節牽引電動機端電壓過程中的電流衝擊，並使牽引力的變化較為均勻。在機車起動及加速時，可以使起動電流的變化較貼近粘著限制曲線，不僅使列車起動更加平穩，還能有效提高起動牽引力及防空轉效能。此外，ED60型電力機車為擴大機車的恆功調速範圍，在牽引電動機串聯或並聯工況均可以施行四級磁場削弱，削弱率最深可達40%。磁場削弱採用磁感應分路法，在調壓開關和牽引電動機之間串入分路電阻器和感應線圈，來改變勵磁繞組的電流，並獲得不同程度的磁場削弱。司機控制器共有24個調速級位，其中串聯位11級、並聯位9級、磁場削弱位4級。牽引電動機.每臺機車安裝有四臺新開發的MT49型四極串勵直流牽引電動機，小時功率為390千瓦，額定電壓為750伏特，額定電流為575安倍，額定轉速為每分鐘1180轉。該型電動機是在EF15、EF58型電力機車所採用的MT42型牽引電動機的基礎上改良而成，繞組的形式由波形繞組改為疊形繞組，絕緣等級由B級提升為F級，最大磁場削弱深度由60%加強到40%。MT49型牽引電動機的輸出功率比MT42型牽引電動機增加23%，但重量卻由3800公斤減輕至2200公斤，使電動機的單位功率重量由0.093千瓦/公斤大幅提升到0.182千瓦/公斤。軸重轉移補償.當機車牽引列車起動時，由於輪周牽引力與車鉤處作用的列車阻力不在同一水平面，使前後轉向架各軸載荷發生變化，稱之為牽引力作用下的軸重轉移。在ED60型電力機車上，軸重轉移的表現為第一軸和第四軸的牽引電動機勵磁率分別為54.3%和100%，而第二、三軸的牽引電動機勵磁率均為71.5%。因此，第一軸和第四軸的牽引電動機固定串聯連線，而第二、三軸的牽引電動機亦固定串聯連線。防空轉系統.除此之外，ED60型電力機車還具有較為完善的輪對防空轉保護系統。由於機車採用每兩臺牽引電動機串聯連線的方式，當發生空轉時，空轉輪對的牽引電動機的反電勢加大，造成與之串聯的另一臺電動機端電壓降低。因此，機車設有空轉警報繼電器，用來檢測牽引電動機端電壓的異常變化。一旦檢測到某一輪對空轉，不僅即時撒砂於路軌，並接通電樞分路電阻器以降低該牽引電動機的供給電流，減少牽引力輸出，使輪對儘快恢復粘著。轉向架.機車走行部為兩臺DT106型二軸搖枕式轉向架。轉向架構架採用“日”字形鋼板及衝壓構件焊接結構，軸箱採用導柱式定位結構。轉向架採用全旁承支重結構，機車的車體重量透過四個旁承支座坐落在兩臺轉向架上。轉向架的搖枕彈簧懸掛裝置為搖動臺式，搖枕橫置於構架下部，其兩端透過旁承支座與車體連線，旁承支座位於構架側梁外側。搖枕和構架之間透過搖枕彈簧、搖枕吊杆、下心盤、中心銷連線。下心盤及中心銷不僅作為搖枕的迴轉中心，亦用來傳遞牽引力及制動力，由於牽引點高度降低至距軌面325毫米，從而減少了機車起動時的軸重轉移。一系懸掛為軸箱側橡膠圓筒彈簧及軸箱頂螺旋彈簧，中央搖枕彈簧亦採用並聯的螺旋彈簧，並配有垂向油壓減震器。牽引電動機採用輪對空心軸架懸式安裝方式，將整個牽引電動機懸掛在轉向架構架上，減少牽引電動機承受從軌道傳來的振動衝擊。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15：82。