ER200型电力动车组

背景

從1950年代末開始，蘇聯鐵路開始在鐵路幹線上進行提速改造，以提高旅客列車的運行速度。蘇聯首先在線路條件較好的莫斯科-列寧格勒鐵路上，通過撤銷部分車站、延長緩和曲線、更換鋼軌和道岔、強化橋樑隧道等措施，使旅客列車最高速度在1958年至1963年間分三個階段由100公里/小時提高到160公里/小時。1963年3月，蘇聯第一列最高速度達到160公里/小時的特快旅客列車，在莫斯科和列寧格勒之間投入營運，被命名為「阿芙樂爾號」，全程運行5小時27分鐘，平均技術速度為130.4公里/小時。與此同時，蘇聯鐵路決定向更高速度發起挑戰。1964年10月，世界上首條高速鐵路——日本的東海道新幹線通車，高速列車以200公里/小時的速度投入營運，向世界展示了高速鐵路廣闊的發展前景。

研製

1965年，蘇聯正式立項研製高速列車，超過50個設計院、研究所和企業參與研發，列車總體研究和設計工作由里加車輛製造廠承擔。1967年，列車的技術設計方案通過蘇聯交通部的技術評審。高速列車被定型為ER200型，工廠設計代號為62-110，採用動力分散式的電聯車，列車編組由14節車廂（12輛動車、2輛拖車）組成，適用於3000伏直流電氣化鐵路，採用直流牽引電動機，列車持續功率為10,320千瓦，最高運行速度為200公里/小時。為了減輕車輛重量、降低車輛運行阻力，ER200型電聯車也是蘇聯第一種採用鋁合金車體的鐵路車輛。1966年至1967年間，里加車輛製造廠和全蘇車輛製造科學研究院及烏克蘭巴頓焊接研究所合作，對鋁合金的選材和焊接工藝方面進行了研究，並試製了一輛採用鋁合金車體的試驗車和進行結構強度試驗，以獲得設計和製造鋁合金車體的試驗數據和經驗。

試驗

1973年12月，里加車輛製造廠成功試製了首列ER200型電聯車，列車的主要牽引電氣設備由里加電機製造廠提供。1974年1月，採用6節車廂試驗編組的ER200型電聯車在波羅的海鐵路局管內的里加至紹爾克拉斯蒂進行首次試驗運行，並於同年4月17日首次達到160公里/小時的速度。同年年中，全蘇鐵道運輸科學研究院負責對ER200型電聯車進行首次高速試驗，列車在北高加索鐵路局管內的別洛列琴斯克至邁科普之間的高速試驗區段，完成了最高速度達到206公里/小時的試驗運行。
1975年，里加車輛製造廠根據之前的試驗結果，對ER200型電聯車的彈簧懸掛系統、制軔系統、傳動系統等方面作出了改進後，列車於同年8月至10月在相同區段進行了全面的動力學性能試驗，並在漢斯卡亞至別洛列琴斯克區間達到210公里/小時的速度。1974年至1975年間，ER200型電聯車完成了動力車和拖車的動力學性能、列車的牽引和制軔性能、弓網受流性能等各種試驗，試驗結果顯示列車的技術性能指標均達到了設計要求，在200～210公里/小時的速度下仍保持優良的運行品質。
1976年，首列ER200型電聯車交付十月鐵路局的列寧格勒-莫斯科客運機務段（ТЧ-8），開始在莫斯科-列寧格勒鐵路投入運用考核。1979年11月16日，ER200型電聯車首次載客試運行。在超過七年的運用考核過程中，主要讓機務段熟悉列車的操縱方法和檢修工作，並儘可能找出潛在的問題，以保證該列車的運用安全。

營運

1983年底，蘇聯交通部批准ER200型電聯車在莫斯科-列寧格勒鐵路投入商業營運。1984年3月1日，ER200型電聯車正式投入運用，擔當莫斯科至列寧格勒的167A/168А次特快列車，初期列車每周只行駛兩個單程，每星期四由列寧格勒開出，每星期五由莫斯科始發。列車最高運行速度為200公里/小時，平均技術速度達到140公里/小時，單程運行時間為4小時59分鐘。日常營運通常採用10輛編組列車，其餘4輛動車備用；列車在列寧格勒-莫斯科客運機務段的檢修車間內進行技術保養，可以進行ТО-1、ТР-1、ТР-2級檢修。
1984年秋季，鐵道部門根據列車的營運經驗，維修了180公里的鐵路以減少限速區段，更換了20公里的接觸網承力索來強化電氣化鐵路，並加強對列車電氣設備的防雪保護。從1984年9月26日起，十月鐵路局調整了列車運行圖，ER200型電聯車從莫斯科到列寧格勒的運行時間減少了20分鐘，縮短到4小時39分鐘。此後，隨著線路質量和供電系統的進一步改善，至1987年全線允許速度達到200公里/小時的區段長度已經近300公里，全程運行時間再縮短到4小時30分鐘。但在1988年，由於列車運行正點率明顯下降，因而又再恢復單程運行時間4小時59分鐘的列車運行圖。
至1987年，ER200型電聯車已經投入營運超過三年，運送旅客12萬人。由於該列車是在1970年代製造，部分動車從出廠後已走行了23萬公里，而頭車已走行了37萬公里。列車運行期間雖然未發生過重大故障，但部分設備和零部件也面臨使用壽命到期，因此十月鐵路局決定在不影響列車正常營運的情況下，由十月電動車輛修理廠對逐輛車廂進行廠修。但由於沒有備用的頭車，因此里加車輛製造廠於1988年新造了另外兩節頭車（105、107）供替換使用。
1991年，里加車輛製造廠和里加電機製造廠生產了第二列ER200型電聯車，當年製造了六節車廂（包括兩節拖車和四節動車），其餘六節動車在1992年至1994年間以每年兩節的速度陸續交付。與第一組列車相比，第二組列車在電氣系統上作出了改進，並採用了不同的控制電路。因此，第二組列車的車輛並不能和第一組列車互換使用。1994年，配屬十月鐵路局的ER200型電聯車，包括6輛頭車、22輛動車，被重新編組為三組列車。第一組列車（ER200-1）採用10輛編組（包括1988年製造的頭車），在莫斯科-聖彼得堡鐵路運用；第二組列車（ER200-2）採用10輛編組，作為備用列車；第三組列車（ER200-3）採用6輛編組，用於擔當周末開行聖彼得堡—大諾夫哥羅德的特快列車。然而，由於第二組列車的可靠性較差，該列車的牽引系統由聖彼得堡列寧電工廠進行改造，更換了部分與第一組列車通用的零部件。1995年9月21日，ER200-2號列車接替返廠大修的ER200-1號列車，在莫斯科-聖彼得堡鐵路投入運用，而ER200-3號列車則作為備用車。1998年底，ER200-1號列車完成大修後再度投入服務。1999年1月，從莫斯科到聖彼得堡的全程運行時間再次縮短到4小時39分鐘，並實行每天三班列車的新運行圖。

退役

2003年，十月電動車輛修理廠對轉向架構架出現裂紋的ER200-1號列車進行КР-1級大修；至2005年，ER200-2號列車亦進行了КР-1級大修，同樣發現轉向架構架裂紋的安全隱患。2006年8月，為了研究和發掘進一步提高列車運行速度的潛力，ER200型電聯車在莫斯科-聖彼得堡鐵路進行了一次試驗運行，全程運行時間僅為3小時55分鐘，為後來的線路提速改造提高了數據基礎。2006年9月27日，為了保證行車安全，俄羅斯鐵路股份公司要求ER200-1號列車停運並作全面檢查，但由於專家委員會認為轉向架構架裂紋問題並沒有有效和徹底的解決方案，因此最終決定讓ER200-1號列車就此退役。
2009年2月20日，ER200-2號列車最後一次載客運行。2009年2月28日，ER200-2號列車與新一代的遊隼號高速列車同台出現在聖彼得堡的莫斯科車站，在ER200型電聯車投入服務25周年紀念上，宣布ER200型電聯車正式退出營運，同時也代表著俄羅斯鐵路的兩代高速列車實現「新老交替」。自1984年投入營運以來，ER200型電聯車擔當了超過4000趟列車，安全運行250萬公里。

車體結構

車體採用鋁合金製造的整體承載式結構，車體的底架、側牆、車頂等主要部件採用大型擠壓鋁合金型材製造，以減輕高速列車的車體自重、提高車體的防腐性和密封性。車體長度為26,000毫米，車體寬度為3,130毫米。車輛之間所產生的拉伸和壓縮衝擊力等縱向載荷由整個車體的主要結構包括底架、側牆以及頂蓋共同承受，頭車和中間動車允許的縱向壓縮力分別為250噸和200噸。14輛標準編組的列車總重量為787.4噸，其中頭部拖車自重48.5噸、帶受電弓的動車自重58.2噸、無受電弓的拖車自重56.3噸。
列車兩端車頭採用流線型頭型，車體下部設有圓弧形板裙板包覆車底設備，以減少高速運行時的空氣阻力；為了選擇空氣動力性能最佳的車頭形狀，曾經對各種方案的模型在風洞中進行了研究。為了提高車體側牆剛度、降低列車高速會車時產生交會壓力波對車窗造成的瞬間衝擊，車體側牆除了採用波紋鋁合金板製造，還採用了稍微向內傾斜的設計。此外，車輛之間連接處還設有橡膠外裙邊風擋，以免產生渦流。

設備布置

設備布置方面，列車的主要電氣和機械設備均布置在車底之下，從而擴大了客室空間。控制車前部設有司機室、輔助設備室、控制電器室和乘務員室，中部設有一個酒吧間，後部為28個座席的載客空間和兩個廁所；中間車廂的其中一端設有電氣設備室和乘務員室，而另一端設有兩個廁所，後部為68個座席的載客空間。車廂兩端兩側各設有兩道供旅客出入的側門，其高度只適用於高站台。客室採用「2+2」的雙人座位布置方式，並採用可旋轉可傾斜的航空式座椅。車內廁所採用坐式便器，並設有真空集便裝置，將乘客的排泄物收集在車下的專門容器內。全部車輛均設有КЖВС-25型空調裝置，其中通風機設於通過台頂部，壓縮機、冷凝器和熱交換器則集合為一個單元安裝於車底，空調製冷量為25,000千卡/小時。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。

轉向架

每節車廂裝有兩台二軸轉向架，可分為動車轉向架和拖車轉向架兩種，兩者除了驅動裝置和制軔裝置的差別之外，其餘部分均採用了基本一致的結構。轉向架構架是由兩個側梁和三個橫樑組焊而成的箱型鋼結構。軸箱採用圓柱滾子軸承及拉杆式軸箱定位裝置，實現輪對相對轉向架構架的縱向及橫向位移。輪對採用整體輾鋼車輪，車輪直徑為950毫米，所有輪對均設有踏面清掃器，以改善車輪與鋼軌間的粘著狀態。轉向架的固定軸距為2,500毫米，轉向架中心間距為18,800毫米，車輛全軸距為21,300毫米。
轉向架設有二系懸掛裝置，一系懸掛為軸箱側螺旋圓彈簧，二系懸掛為搖動台式中央懸掛裝置，中央懸掛裝置採用膜式空氣彈簧，以提高車輛的垂向平穩性。彈簧懸掛系統的總靜撓度為195毫米，其中中央懸掛空氣彈簧的靜撓度為150毫米。焊接結構的搖枕由兩部分組成，兼作為空氣彈簧的附加空氣室。轉向架採用全旁承承載結構，車體重量通過中央懸掛裝置左右兩側的空氣彈簧支承於轉向架搖枕上，以提高轉向架迴轉阻尼並抑制轉向架的蛇行運動。轉向架兩側設有斜對稱安裝的縱向牽引拉杆，拉杆兩端具有彈性節點將搖枕和構架相連，以傳遞牽引力及制軔力，並使搖動台得到縱向定位並改善振動性能。為了改善轉向架的垂向振動性能，在輪對軸箱及構架之間、以及搖枕和車體之間均裝有油壓減震器。
每個動力轉向架裝有兩台牽引電動機，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。牽引電動機通過橡膠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，其中一端通過抱軸承剛性抱合在車軸上，另一端通過緩衝橡膠墊架設在轉向架構架上，齒輪傳動比為26：61（1：2.346）。

傳動系統

ER200型電聯車採用直—直流電傳動，每一輛帶有受電弓的動車（МТ）和另一輛不帶受電弓的動車（М）組成一個電氣獨立單元，所有主要高壓牽引電氣設備均設於帶受電弓的動車，包括電磁接觸器、晶閘管斬波器、起動電阻、換向開關、高速斷路器等裝置。每個動力單元內的兩輛動車共用同一套牽引電氣設備，這樣可以減少電氣設備的數量和重量；當其中一輛動車的電氣設備故障時，牽引系統能保障餘下一輛動車繼續運轉。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，供給兩輛動車上的八台牽引電動機並驅動輪對。各個動力單元互相獨立，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，而列車的運行則不受影響。ER200型電聯車採用由全蘇鐵道運輸科學研究院研發的ТСп-1М型雙臂式高速受電弓，主要特點為採用輕量化滑板，並能夠在緊急情況下自動快速降弓。
ER200型電聯車採用起動電阻、級間斬波、牽引電機的串—並聯換接和磁場削弱等多種方式相結合的調壓控制系統。每輛動車的四台牽引電動機全部固定以串聯方式連接。在列車起動和加速過程中採用變阻起動，通過調節起動電阻阻值起動列車。起動電阻可分為10級調節，在1～5級時每個動力單元內的八台牽引電動機全部串聯連接，而在6～10級時每四台牽引電動機分兩組以串—並聯方式連接。每個級間之間採用晶閘管斬波器調節輸出電壓，實現列車的全加速過程無級調壓。ТБ353-630-16型斬波器採用脈寬調製，額定工作頻率為400赫茲。為擴大列車的恆功調速範圍，還可以對牽引電動機採用無級磁場削弱，削弱率範圍為28%～100%。
列車採用1ДТ-01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，額定電壓為750伏；小時功率為240千瓦，電流為360安倍，轉速為每分鐘1740轉；持續功率為215千瓦，電流為320安倍，轉速為每分鐘1840轉；電機重量為1320公斤，冷卻方式為不帶外部風扇的自通風冷卻。

制軔系統

ER200型電聯車設有三種獨立的制軔系統，包括電阻制軔、輪盤制軔、磁軌制軔。當列車實施電阻制軔時，使牽引電動機變為直流發電機運轉，發出的電能接通到制軔電阻，將電能轉化為熱能消耗掉。全列車的每根車軸（除了頭車前端轉向架的第一根車軸外）都裝備了兩套輪盤制軔裝置，由電控空氣制軔機控制。磁軌制軔僅限緊急制軔時使用，轉向架兩側下方均安裝有磁軌制軔器，利用懸掛在轉向架的電磁鐵靴吸附在路軌上的摩擦阻力來降低車輛速度，磁軌制軔器由蓄電池供電，額定電壓為110伏直流電。
在常用制軔時，從200公里/小時減速至35公里/小時僅需要使用電阻制軔，而速度低於35公里/小時則同時使用電阻制軔和輪盤制軔。當列車制軔初速度為200公里/小時，這兩種制軔方式可以保證列車制軔距離不大於2100米。在緊急制軔情況下，磁軌制軔可以與電阻制軔和輪盤制軔同時使用，使列車制軔距離縮短到1600米。此外，為了防止輪對因滑行而造成的踏面擦傷，列車的所有制軔軸還設有電子防滑器，速度傳感器安裝於軸箱蓋上。

輔助設備

所有不帶受電弓的動車和控制拖車均設有電動發電機、蓄電池、空氣壓縮機、以及電熱器及電動發電機的接觸器開關。1ПВ.004型電動發電機由一台直流電動機及一台同軸的交流發電機組成，電動機及發電機的額定功率分別為87千瓦和75千瓦，額定轉速為每分鐘1500轉，將3000伏直流電轉換成220伏工頻三相交流電，向空氣壓縮機、車廂照明等其他輔助設備供電。而列車的控制電路和蓄電池充電由另一台整流器供電，將220伏工頻三相交流電轉換成110伏直流電。