日本國鐵EF62型電力機車

開發背景

碓冰嶺位於日本群馬縣橫川和長野縣輕井澤之間，分隔開東側的信越地方和西側的關東地方，亦是信越本線的其中一個重要部分。早於明治時代，建設一條翻越碓冰嶺的鐵路已經受到鐵道部門的重視。1885年，上野至橫川的鐵路通車；1888年，輕井澤至直江津的鐵路通車。而橫川至輕井澤的鐵路則在1891年3月動工，至1893年4月正式通車。至此，連接東京和新潟的國營鐵路中山道線（即後來的信越本線）全線開通。
由於碓冰嶺地勢險峻，碓冰嶺區段的最大坡度竟然達到了66.7‰。為了保證列車上下坡時候的安全，碓冰嶺區段借鑑了德國哈茨山登山鐵路的經驗，採用了阿普特式齒軌鐵路，並使用專門的蒸汽機車擔任補機。兩條路軌之間鋪設有齒條，蒸汽機車的齒輪與之嚙合以產生牽引力，而非像普通鐵路那樣依靠輪軌之間的粘著來驅動列車。為了解決蒸汽機車造成隧道內黑煙瀰漫的問題，碓冰嶺區段於1912年完成了電氣化改造，並先後引進了多種齒軌式電力機車。
然而，由於受到齒軌鐵路的技術限制，碓冰嶺一直是信越本線的瓶頸區段。至1950年代，碓冰嶺區段所使用的ED42型電力機車的功率只有510千瓦，即使四台機車重聯亦只能最多牽引360噸的列車，而且這個單線區段的路線通過能力已達極限。在戰後日本經濟快速增長的形勢下，作為一條連接東京和長野縣北信、東信地方的重要紐帶，當時信越本線運輸能力不足已經成為一個非常嚴重的問題。
1956年，當時的高崎鐵道管理局（今東日本旅客鐵道高崎支社）完成了「碓冰白皮書」，當中指出碓冰嶺已經成為一個交通瓶頸，且齒軌鐵路設備陳舊老化，並提出了取消齒軌鐵路和進行複線改造的建議。翌年，日本國有鐵道進行關於碓冰嶺區段改善措施的檢討。當時曾比較了兩種廢除齒軌的方案，一是對既有線進行複線化改造，修建與既有單線並行的第二線；二是徹底廢除既有線，新建一條坡度較小（25‰）的展線。因考慮到建築成本的因素，最終決定實施第一個改造方案。碓冰嶺鐵路改造工程於1961年動工，至1963年7月15日既有線北側的新線通車，同年9月30日正式廢除了齒軌鐵路。

機車研製

碓冰嶺區段進行粘著運轉化改造的同時，信越本線亦加緊進行電氣化改造。1962年7月，高崎至橫川區段完成電化改造。1963年6月，輕井澤至長野區段亦完成了電化改造。碓冰嶺區段則由原本的600伏直流第三軌供電，改造成1500伏直流架空電車線供電。由於碓冰新線的最大坡度仍是66.7‰，所有列車都無法自行通過該區段，因此仍然需要碓冰嶺區段專用的電力機車補機，以保證列車有足夠的牽引力和制軔力。為此，日本國鐵開發研製了全新的EF62、EF63型電力機車，前者是作為牽引信越本線直通列車的本務機車，而後者則是專門用於碓冰嶺區段的補助機車。
EF62、EF63型電力機車在設計上有許多共通的地方，設計主要重點是改善電力機車的粘著性能和運行安全。兩者都廣泛採用了許多自ED60型電力機車以來國鐵直流新型電力機車的新技術，例如超多段電阻調壓、輪對防空轉系統、軸重轉移電氣補償等，並採用了電阻制軔以確保下坡運行時的安全。EF62型電力機車作為信越本線直通列車的本務機車，為適應信越本線較低的路線條件和軸重限制，因而在設計上更為重視機車的輕量化，最明顯的特徵就是採用了Co-Co軸式，而非EF63型電力機車所採用的Bo-Bo-Bo軸式，機車整備重量為96噸（原型車為92噸），比EF63型電力機車輕12噸。此外，EF62型電力機車還設有為旅客列車供暖的列車供電系統。

生產批次

1962年至1969年間，川崎車輛、川崎電機、汽車製造、東洋電機、東芝公司共製造了54台EF62型電力機車。
1962年，川崎車輛和川崎電機製造了EF62型電力機車的首台原型車（1），基於輕量化的原因而將機車整備重量設定為92噸，外觀上一些特點亦和後來的量產車不同，例如機械室部分的車體上部並沒有任何採光玻璃窗，而側牆上的八個通風百葉窗以兩個一組的方式布置。
1963年，川崎車輛、川崎電機、汽車製造、東洋電機製造了第一批量產車（2～24）。量產車在原型車的基礎上作出了一下變化，例如改變了車內和車頂的部分設備，增加前窗玻璃上方的冰柱切割板，側牆上的每個通風百葉窗改為獨立方式布置，機械室部分的車體兩側上部增設採光玻璃窗，並將機車整備重量提高至92噸，以改善機車的粘著性能。
1964年至1969年，川崎車輛、川崎電機、汽車製造、東洋電機、東芝公司製造了第二批量產車（25～54）。與第一批量產車相比，車體兩側下部裙邊、避雷器安裝位置、駕駛室側窗形狀等細節部分均有變更，通風百葉窗採用了更幼細的衝壓成型葉片，從27號機車開始採用藍色的國鐵直流新型電力機車標準塗裝，從29號機車開始改變了部分電氣控制設備和尾燈外形。

早期試驗

1960年秋季，日本國有鐵道及有關機車製造商開始新型電力機車的研製工作。1962年5月，川崎車輛和川崎電機完成試製首台EF62型電力機車，而東芝公司負責的首台EF63型電力機車也同步落成。同年6月，專門為新型電力機車進行運轉試驗的試驗段（碓冰新線丸山信號場至一號隧道間約長2公里的66.7‰大坡度區間）首先開通，EF62、EF63型電力機車在此開始進行一系列的試驗運轉。試驗過程亦比較順利，一直備受關注的制軔性能並沒有出現什麼問題，但上坡時發生的空轉卻比預期頻密，同時還根據試驗結果設定了適當的牽引定數和限制速度。1963年1月，EF62、EF63型電力機車開始進行第二次性能試驗。同年5月，隨著碓冰新線全線完成施工，正線運行試驗和乘務員培訓工作亦開始進行。

信越本線

1963年3月至7月，EF62、EF63型電力機車的第一批量產車陸續交付使用。1963年7月15日，碓冰新線開通營運，EF62、EF63型電力機車亦正式投入運用。碓冰新線開通及信越本線電氣化使得該線運輸能力得到大幅提升，列車上下碓冰嶺的所需時間也大大縮短。在齒軌鐵路時代，橫川和輕井澤之間的運行時間約為42分鐘；而碓冰新線開通後，旅客列車在該路段的運行時間壓縮了一半，往輕井澤方向（下行）為17分鐘，往橫川方向（上行）為24分鐘。此外，列車牽引定數也比以前有所增加，當使用兩台EF63型電力機車擔任補機時，旅客列車和貨物列車的最大牽引定數分別為360噸和400噸。
EF62型電力機車最初均配屬於高崎第二機關區（今高崎機關區）和篠之井機關區（今鹽尻機關區篠之井派出分部），主要擔當上野至長野間直通旅客列車（包括急行列車）和貨物列車的牽引任務。此後，信越本線長野至直江津、直江津至宮內區段分別於1966年8月、1969年7月完成電氣化，EF62型電力機車的運用範圍亦相應擴展至新潟。從1970年代初起，隨著上野至金澤的「白山號」急行列車（1972年升級為特急列車）改由489系電聯車擔當，同時信越本線普通旅客列車也逐步替換為80系電聯車，使EF62型電力機車變為牽引貨物列車為主。
1975年10月28日，信越本線碓冰嶺區段發生嚴重的回送機車脫軌顛覆事故。當日清晨，由兩台EF63型電力機車牽引兩台EF62型電力機車組成的單5462次機車回送列車（EF62 35+EF62 12+EF63 9+EF63 5）由輕井澤往橫川的下坡方向運行。清晨6時16分，當列車行駛至上行線一號隧道內發現制軔失效，失控的列車在66.7‰下坡道上不斷加速，在接近隧道出口處脫軌，列車脫軌後衝出隧道並掉落到路堤下。事故造成三名機車乘務員受傷，四台機車的損傷情況均被定為大破，但由於修復困難而被現場解體處理。
儘管碓冰嶺區段已經實現粘著運轉化，但該路段仍然是信越本線最大的瓶頸區段。由於碓冰嶺區段的貨物列車牽引定數限制為400噸，因此通過碓冰嶺的貨物列車必須在橫川和輕井澤車站重新編組，大大降低了運輸效率。出於這個原因，關東和北陸地方之間的貨物列車，越來越少經由低效率的信越本線運行，而改為經由路線較迂迴但運輸條件較好的上越線運行。1984年2月，日本國鐵實行運行圖調整後，關東地方往長野縣方向的貨物列車均統一經由中央本線、篠之井線運行，並停止了信越本線安中至小諸間（含碓冰嶺區段）的貨運業務。同時，信越本線其餘路段的貨物列車亦改由EF64、EF65型電力機車擔當牽引任務，進一步縮小了EF62型電力機車的使用範圍。

東海道、山陽本線

1980年代初期，東海道本線和山陽本線的行包列車仍然主要使用EF58型電力機車擔當牽引任務，但由於EF58型電力機車日益老化而需要尋求替代機車。為滿足行包列車乘務員室的冬季供暖需要，牽引機車必須設有蒸汽供暖鍋爐或者列車供電系統。當時，搭載蒸汽鍋爐的EF61型電力機車的數量不足以應付行包列車，作為東海道本線和山陽本線主力貨運機車的EF65型電力機車並沒有電氣供暖功能，而具有列車供電系統的部分EF64型電力機車的運用也比較緊張。考慮到日本國鐵的經營和財政狀況持續惡化，新造電力機車已經被排除於選擇範圍外，儘量調劑利用現有機車是唯一可行的辦法，甚至將已被封存的EF70型交流電力機車改造成直流電力機車亦曾被列入考慮之列。
最終，日本國鐵基於節約成本的角度，決定利用碓冰嶺區段貨物列車停運後剩餘的部分EF62型電力機車，將其投入到東海道本線和山陽本線使用。1984年，共有26台EF62型電力機車（4、13～34、36～38）轉配屬下關運轉所（今下關綜合車輛所運用檢修中心），並配合行李車而改裝KE3型電氣連接器，擔當汐留至下關間行包列車的牽引任務。然而，EF62型電力機車作為專為山區鐵路設計、發揮牽引力為主的電力機車（持續速度為39公里/小時），研製時並沒有考慮到在平原地區的東海道、山陽本線上進行超過1000公里以上長距離高速運轉，因此從機車性能特性來講，EF62型電力機車實際上並不適合用來代替高速性能較優的EF58型電力機車（持續速度為68公里/小時）。EF62型電力機車投入東海道、山陽本線運用後，牽引馬達因長時間過載運轉而頻繁發生閃絡、環火等故障。
1986年11月，日本國鐵實施民營化之前最後一次運行圖調整，正式終止了經營欠佳的行包貨運業務。信越本線或東海道、山陽本線上的大部分EF62型電力機車，都在1987年4月國鐵分割民營化之前停運報廢。其中，EF62 25號機車報廢后由國鐵清算事業團所擁有，並參與了本四備讚線（瀨戶大橋線）開通前的瀨戶大橋1000噸荷重列車試驗。

國鐵民營化後

國鐵分割民營化之際，信越本線尚存的六台EF62型電力機車（41、43、46、49、53、54）均由東日本旅客鐵道（JR東日本）繼承，並集中配屬於田端運轉所。這六台機車主要擔當上野至金澤的「能登號」夜行急行旅客列車，以及黑井至二本木間化工製品列車的定期牽引任務，當客流高峰期時亦會牽引信越本線的臨時旅客列車。至1993年3月18日全國鐵路運行圖調整後，「能登號」列車換型為489系電聯車，EF62型電力機車亦不再牽引貨物列車，49、53號機車停運報廢。此後，餘下的機車只用於牽引臨時列車，並在長野新幹線興建期間牽引往輕井澤方向的鋼軌運輸列車。
1997年10月1日，長野新幹線通車營運的同時，碓冰嶺鐵路亦結束了104年的歷史。最後三台仍處於運用狀態的EF62型電力機車（43、46、54），在橫川至輕井澤區段廢止前多次牽引臨時快速列車，包括「告別碓冰嶺號」（「さよなら碓氷峠号」）、「告別碓冰嶺彩虹號」（「さよなら碓氷峠レインボー号」）、「浪漫號」、「江戶號」等歡樂列車。碓冰嶺鐵路停運後，EF62型電力機車的最後牽引任務，是將EF63型電力機車經由信越本線、上越線回送至高崎運轉所（今高崎車輛中心）。1998年8月，這三台機車開始順序報廢。1999年1月4日，54號機車成為最後一台報廢的EF62型電力機車。

總體布置

EF62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。機車的兩端各有一個司機室，司機室內機車運行方向的左側設有司機操縱台，司機正前方的前窗玻璃中央位置設有除霜器，司機室兩側設有供乘務員乘降的車門，司機室上方車頂裝有兩盞密封光束燈式前照燈。考慮到與補助機車重聯運用的需要，司機室前端中央設有貫通門，以便乘務人員通過到另一台機車，外觀形式與ED60、ED61型電力機車相似。車體中部是設有各種機械及電氣裝置的機械室，內設有貫通式雙側內走廊連接兩端司機室。車頂安裝有兩台PS17型雙臂式集電弓（部分機車後來改裝PS22型）、高速斷路器、避雷器等高壓電氣設備。機車採用車體通風系統，車身兩側各設有八個通風百葉窗，是車內設備通風冷卻的主要進風窗口。機車兩端各設有一個柴田式上作用自動車鉤，並採用兩個並聯的RD7型緩衝器。

車體結構

車體採用整體承載式全鋼焊接結構，車體底架採用無中梁的框架式承載結構，以儘量降低車體底架的結構重量，車體垂向荷載和縱向荷載均由側梁承載，因此亦加強了側梁的強度和剛度。同樣出於車體輕量化的原因，車體頂蓋廣泛採用了玻璃纖維強化塑膠材料，這些玻璃纖維強化塑膠部件的本色是半透光的淺灰色，因此在原型車的機械室內並沒有採光玻璃窗，但量產車則在車體側牆上方增設小型玻璃窗。此外，由於玻璃纖維強化塑膠頂蓋的強度不能支撐集電弓的重量，所以在集電弓位置下另設有鋼製橫樑。

調速控制

EF62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EF63型電力機車基本相同。機車通過超多段電阻調壓、牽引馬達的串並聯換接、以及磁場削弱控制來達到調速的目的。EF62型電力機車使用六台MT52型四極串勵直流牽引馬達（後來改裝MT52A型），這是日本國鐵直流和交流電力機車通用的標準型牽引馬達，小時功率為425千瓦，額定電壓為750伏特，額定電流為615安倍，額定轉速為每分鐘860轉，冷卻方式為強迫通風。
電阻調壓系統包含了主電阻器及副電阻器，首先利用主電阻器實現多個大調壓級，再於每個大調壓級內利用副電阻器實現若干小調壓級，降低了每個級位之間的電壓變化，從而獲得了相對平滑的調速性能。EF62型電力機車使用CS16型電動凸輪軸式主電阻控制器（27～52號機車使用CS16A型，53～54號機車使用CS16B型）、CS17型電動凸輪軸式副電阻控制器（27～52號機車使用CS17A型，53～54號機車使用CS17B型）、CS18型電動凸輪軸式轉換控制器（53～54號機車使用CS18A型）。
除了電阻調壓外，亦可以通過改變牽引馬達迴路連接方式（串聯、串—並聯、並聯），來改變牽引馬達的端電壓。該項轉換是通過主電阻控制器的串並聯切換來進行的，EF62型電力機車還首次採用橋式換接電路，以減少串並聯換接過程中造成的牽引力衝擊。此外，為擴大機車的恆功調速範圍，還可以對牽引馬達施行四級磁場削弱，削弱率分別為78％、61％、49％、40％。

軸重補償

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。為了提高機車黏著重量利用率，EF62型電力機車還具有軸重轉移電氣補償功能。電氣補償是根據各軸粘著重量的比例，對各軸牽引馬達實施不同程度的磁場削弱，從而使各軸的輪周牽引力趨於一致。使用電氣補償時，（機車行駛方向）第一軸和第四軸的牽引馬達勵磁率為61%，第二軸和第五軸的勵磁率為78%，第三軸和第六軸的勵磁率為100%。

電阻制軔

為了充分利用列車在長大下坡道的勢能，EF62型電力機車並設有電阻制軔功能。當機車使用電阻制軔時，首先經由CS18型轉換控制器切斷牽引馬達與牽引電路的連接，再將牽引馬達電樞與大容量制軔電阻接成迴路，使牽引馬達變為他勵直流發電機運轉，發出的電能通過電阻器轉化為熱能消耗掉，制軔力可通過CS16型主電阻控制器來調節。當列車下坡時使用電阻制軔，可以避免機車頻繁使用踏面制軔來控制速度，防止閘瓦與輪箍因長時間摩擦而造成磨耗和過熱的問題，有效保障列車的運行安全。

輔助電路

EF62型電力機車採用直流電傳動的輔助電路系統。主電阻器通風機、牽引馬達通風機均使用MH91A型直流馬達和FK34A型通風機，輸入電壓為1500伏特，額定功率為20千瓦。電動空氣壓縮機使用MH92B型直流馬達和C3000型壓縮機，輸入電壓為1500伏特，額定功率為15千瓦。另外，還設有一台小型直流電動發電機，由兩台同軸的MH77C型直流馬達和DM43C型直流發電機組成，額定功率為3千瓦，用於向控制電路、照明電路和蓄電池供應100伏特直流電。

電氣供暖

EF62型電力機車是第一種設有列車供電系統的國鐵新性能直流電力機車，能夠在冬季為旅客列車的電熱取暖裝置供電。蒸汽取暖曾經是過往日本鐵路主流的客車車廂取暖方式，由機車或者暖房車為列車內的取暖器提供高溫蒸汽。至1950年代末，交流電力機車開始裝備列車供電系統，旅客列車的電熱取暖裝置逐漸普及，取消蒸汽鍋爐不僅有利於電力機車的輕量化，而且電氣供暖的操作也比蒸汽供暖容易得多，因此在1960年代以後開發的國鐵新型客運電力機車大多設有列車供電設備。
EF62型電力機車的列車供電系統包括一台交流電動發電機及配套的電氣連接路線。交流電動發電機由同軸的MH107型直流馬達和DM69型交流發電機組成，用來將1500伏特直流電轉換成1440伏特單相交流電，額定轉速為每分鐘1800轉，供電容量為320千伏安。機車兩端設有供電插座，通過供電線與列車連接。

通信設備

為了滿足本務機車和補助機車之間，以及機車與地面之間的無線通信需要，EF62、EF63型電力機車投入運用初期採用低頻感應無線電，載波頻率為150KHz，但這種無線通信方式的缺點是隧道內的噪聲干擾較嚴重。因此，碓冰嶺區段於1975年10月完成了橫輕協調運轉無線通信改造，採用400MHz特高頻無線通信設備，沿線鋪設鐵路通信專用的漏泄同軸電纜（LCX），並在EF62型電力機車的第二端司機室側面及車頂安裝天線，擴大了鐵路無線通信的覆蓋範圍。1980年代又增加了列車無線防護裝置。1990年代初，為提高山區區段的無線通信可靠性，EF62型電力機車的兩端正面左側加裝了八木天線公司製造的直排陣列天線。

轉向架

EF62型電力機車是日本國有鐵道唯一一種採用Co-Co軸式的新性能直流電力機車。由於日本鐵路有許多半徑較小的曲線區段，為了使機車更容易通過曲線區段，軸距較短的二軸轉向架明顯優於三軸轉向架。自從1957年研製成功的DF50型柴油機車開始，日本國鐵大多數的六軸機車均採用了Bo-Bo-Bo或Bo-2-Bo軸式，但EF62型電力機車卻在這個趨勢下逆其道而行，主要原因是為了減輕轉向架結構的重量。然而，受到固定軸距較長的條件限制，三軸轉向架的輪軌側壓力和輪緣磨耗必然比二軸轉向架大，因此自EF62型電力機車之後，日本國鐵就不再研製Co-Co軸式的六軸電力機車。
機車走行部為兩台DT124型三軸轉向架，轉向架中心間距為9760毫米（原型車為9660毫米），固定軸距為3900毫米。構架採用「目」字形鋼板焊接結構，軸箱採用導框式定位結構。為減輕轉向架的輪軌側壓力，中間軸設有橫向移動機構，當通過曲線時輪對可橫移6～25毫米。牽引馬達懸掛裝置採用軸懸式，牽引馬達的一側通過抱軸瓦剛性地支承在車軸上，另一側通過吊杆懸掛在轉向架構架上，牽引馬達輸出的轉矩通過一級減速齒輪傳動輪對，齒輪傳動比為4.44（16：71）。
EF62型電力機車採用無搖枕、無心盤的全旁承支重結構轉向架，車體全部重量通過八組旁承彈簧坐落在兩台轉向架上。一系懸掛為軸箱頂端螺旋彈簧，二系旁承懸掛為每側兩組四個的螺旋圓彈簧組，並配有垂向油壓減震器。牽引力和制軔力通過轉向架與車體底架間的低位雙側平行四桿牽引機構傳遞，每台轉向架兩側的牽引拉杆連接成一組連杆機構，轉向架圍繞著由牽引杆機構成的假想中心相對於車體轉動。這種結構降低了牽引點高度，可以減少軸重轉移和防止輪對空轉。基礎制軔裝置為單側閘瓦制軔。