VL60型电力机车

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，該廠試製了首兩台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運行，其主要性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月開始該項目的技術設計工作，並決定首先試製兩台實驗機車。新機車被定型為N6O型電力機車（Н6О），其中「N」代表諾沃切爾卡斯克電力機車廠，「6」代表六軸機車，「O」代表單相交流電。

N6O

1957年12月和1958年2月，諾沃切爾卡斯克電力機車廠先後試製了首兩台原型車。N6O-001、N6O-002號機車安裝了НБ-410型牽引馬達，小時功率為695千瓦，持續功率為610千瓦。兩台機車採用了不同的齒輪傳動比，分別為1：4.19（N6O-001）和1：3.74（N6O-002），連續牽引力為27500公斤和24600公斤，持續速度分別為47.5公里/小時和53.2公里/小時，最高運行速度為100公里/小時。1958年初，兩台原型車先後在全蘇鐵道運輸科學研究院的環形鐵道試驗基地，以及莫斯科鐵路局管內奧熱列利耶至帕韋列茨區段進行了牽引試驗。而001號機車並赴外高加索鐵路局管內哈舒里至博爾若米區段進行了動力學性能試驗。

VL60

1958年10月，蘇聯交通部決定對西伯利亞鐵路的馬林斯克—克拉斯諾亞爾斯克—濟馬區段改造為交流電氣化鐵路，並批准N6O型電力機車投入批量生產。1959年，蘇聯決定將交流電氣化鐵路升壓至25千伏，N6O型電力機車亦作出相應改造，更換了變壓器的原邊繞組。同年，根據首兩台原型車的試驗結果，諾沃切爾卡斯克電力機車廠試製了第三台VL60型電力機車，並開始投入批量生產。003號機車的轉向架懸掛裝置、制軔裝置均作出了改進，並改用了НБ-412型牽引馬達，齒輪傳動比調整為1：3826。自1963年1月起，諾沃切爾卡斯克電力機車廠迫於在新切爾卡斯克事件後所受到的政治壓力，N6O型電力機車根據蘇聯交通部的指示改稱為VL60型電力機車。
1960年代初，VL60型電力機車曾經是蘇聯交流電氣化鐵路的主力電力機車，首先大量配屬克拉斯諾亞爾斯克鐵路局投入服務，後來陸續配屬到北高加索鐵路局、敖德薩-基希訥烏鐵路局、高爾基鐵路局、遠東鐵路局、東南鐵路局和莫斯科鐵路局。在生產過程中，諾沃切爾卡斯克電力機車廠對VL60型電力機車作出了持續的改進，包括牽引電路、保護系統、輔助電路、控制電路等方面，以提高機車運用的可靠性。1964年，隨著機車使用時間和運行里程的增加，VL60型電力機車陸續進入第一個大修周期。在大修期間，所有早期生產的VL60型電力機車都將引燃管為串聯連接，並繼續使用ЭКГ-60/20型調壓開關。從1965年第二季度開始，電力機車大修廠開始按照1435號機車的標準化牽引電路，對VL60型電力機車進行改造，包括採用串聯連接的ИВП-500/5型引燃管、ЭКГ-8А型調壓開關、感應分流器、引燃管過流保護器等等。

VL60P

1961年，諾沃切爾卡斯克電力機車廠在N6O型電力機車的基礎上，試製了首台N6OP型客運電力機車（Н6ОП-001），自1963年1月起改稱為VL60P型電力機車（ВЛ60П）。與VL60型電力機車相比，VL60P型電力機車的總體結構和設備布置並無較大變化，主要特點為改為安裝轉速較高的НБ-415型四極串勵牽引馬達，而非貨運機車所使用的НБ-412М型六極串勵牽引馬達。НБ-415型牽引馬達的額定轉速為1050轉（小時制），電機重量亦減輕到3760公斤，小時功率為650千瓦，持續功率為 595千瓦，齒輪傳動比為1：3.375。此外，VL60P型電力機車還配備了電空軔機、平波電抗器，機車整備重量由138噸減少至129噸，軸重由23噸降低到21.5噸。機車構造速度為130公里/小時，持續速度為75.4公里/小時（持續制），持續牽引力為16900公斤（持續制）。
VL60P型電力機車出廠後，曾經配屬北高加索鐵路局高加索機務段投入運用考核，但由於路線條件的原因機車最高運行速度限制為100公里/小時，因此無法充分實現其性能特點。1969年，VL60P-001號機車進行了改造，以矽整流器取代了引燃管整流器，因而改稱為VL60ᴾK-001號機車。

VL60R

1962年，諾沃切爾卡斯克電力機車廠、諾沃切爾卡斯克電力機車科學研究所、全蘇鐵道運輸科學研究院合作研製了首兩台帶有再生制軔的VL60ᴿ型電力機車（ВЛ60Р）。1962年夏季，VL60ᴿ-001、VL60ᴿ-002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。
VL60ᴿ型電力機車的總體結構和設備布置仍然和VL60型電力機車保持相同，機車主電路採用ОЦР-5600/25型牽引變壓器、ИВС-300/5型引燃管、РЭД-4000型平波電抗器和НБ-412М型牽引馬達。為了保證逆變器的工作穩定性，採用了兩組穩壓電阻器，電阻器設置於車頂中部並設有冷卻風扇。機車配備再生制軔電子控制系統，通過磁放大器控制牽引馬達勵磁電流調節制軔功率。
1964年至1966年，又生產了一批採用НБ-412К型牽引馬達的VL60ᴿ型電力機車。諾沃切爾卡斯克電力機車廠共生產了85台VL60ᴿ型機車，主要配屬於北高加索鐵路局、東西伯利亞鐵路局使用。其中兩台機車（2126、2130）在保持牽引主電路基本不變的情況下，實驗性採用閘流體取代了引燃管，每台機車使用16個ВКДУ-150型閘流體。

VL60P

1962年，為了滿足旅客列車的牽引需要，諾沃切爾卡斯克電力機車廠研製了 VL60ᴾ型客運電力機車（ВЛ60П）。VL60ᴾ型電力機車採用НБ-412К型六極串勵牽引馬達，齒輪傳動比為1：2.733，並配備了電空軔機。機車最高運行速度為110公里/小時，持續速度為73.3公里/小時（小時制）、77.1公里/小時（持續制）。1964年至1965年間，還生產了一批具有機車供電功能的VL60ᴾ型電力機車，改裝帶有供電繞組的ОДЦЭ-6000/25П-80型牽引變壓器，能夠向旅客列車的電熱取暖裝置供應3000伏交流電，供電容量為800千伏安。
1962年至1965年間，諾沃切爾卡斯克電力機車廠共生產了301台VL60ᴾ型電力機車。此後，根據蘇聯交通部的生產計劃，由於諾沃切爾卡斯克電力機車廠需要承擔VL80型電力機車的生產任務，不再生產客運機車。1960年代至1970年間，VL60ᴾ型客運電力機車在大修時均相繼進行了技術改造，以矽整流器取代了原來的引燃管整流器，經過改造的機車改稱為VL60ᴾK型電力機車。

VL60K

隨著電力電子技術的發展，大功率半導體器件的生產和應用漸趨成熟。1960年代初，蘇聯開始研製採用矽整流器取代引燃管的交流電力機車。1962年11月，諾沃切爾卡斯克電力機車廠成功研製了採用矽整流器和高壓側調壓開關的VL62型電力機車，以及採用矽整流器和低壓側調壓開關的VL60ᴷ型電力機車（ВЛ60К）。首兩台VL60ᴷ型電力機車出廠後，VL60ᴷ-001號機車隨即在北高加索鐵路局投入運用考核，而VL60ᴷ-002號機車則赴全蘇鐵道運輸科學研究院的環形鐵道進行性能試驗。
1963年，諾沃切爾卡斯克電力機車廠開始小批量生產採用НБ-412М型牽引馬達的VL60ᴷ型電力機車。1965年，工廠正式停產採用引燃管整流器的VL60型電力機車，轉產採用НБ-412К型牽引馬達的VL60ᴷ型電力機車。至1967年停產為止，諾沃切爾卡斯克電力機車廠共生產了501台VL60ᴷ型電力機車。而之前生產的VL60型電力機車也在後來大修時陸續改用矽整流器，經改造後的機車均改稱為VL60ᴷ型電力機車。除此之外，根據各鐵路局和機務段的運用需要，部分VL60ᴷ型電力機車被改造成客運電力機車，齒輪傳動比調整為1：2.733，最高運行速度提高到110公里/小時，經改造後的客運機車均改稱為VL60ᴷP型電力機車。

VL60KU

1967年，諾沃切爾卡斯克電力機車廠和全蘇鐵道運輸科學研究院合作研製了首台採用級間相控平滑調壓的VL60ᴷᵁ型電力機車（ВЛ60КУ）。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，每台機車安裝了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，使牽引馬達端電壓能夠平滑調節，有效提高了機車的牽引性能。
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 —科諾托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（ЗЭРЗ）亦將另外10台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。這台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，機車亦具有再生制軔功能。在再生制軔工況時牽引馬達變為他勵發電機運轉，發出的電能通過逆變裝置反饋給電網，制軔功率通過獨立的閘流體整流器所提供的勵磁電流來控制。

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軔力。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接。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料隔熱材料。

轉向架

機車走行部為兩台三軸轉向架，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（新輪），採用鍛鋼車軸和有孔輻板輪對，轉向架的設計允許輪對連同牽引馬達一併拆卸和更換。牽引馬達在轉向架上採用抱軸式懸掛、單邊剛性斜齒輪傳動，牽引齒輪傳動比為88：23（VL60K）或82：30（VL60P）。軸箱採用拉杆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，並提高小半徑曲線通過性能。
轉向架設有二系懸掛裝置，一系懸掛為鋼板彈簧、螺旋彈簧和均衡樑組成，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。每台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，牽引力和制軔力通過中央支承傳遞，中央支承由鑄鋼構架和兩個錐狀橡膠錐組成。制軔裝置採用由制軔橫樑和制軔拉杆的組合式基礎制軔裝置，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通過集電弓、主斷路器引入機車，電能經牽引變壓器降壓，通過整流器整流直流電後，供給兩台轉向架上六台並聯連接的直流牽引馬達，從而使牽引馬達產生轉矩並驅動輪對。

牽引變壓器

機車中部安裝一台牽引變壓器。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（VL60K）或ОЦР5600/25П（VL60P）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循環冷卻的單相變壓器，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，其中冷卻油占2840公斤。

整流器

每台機車裝有兩台相同的整流器機組。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，每台整流器裝有4個ИВС-300/5型引燃管元件（從005號機車開始增加到6個引燃管），額定電流為300安培（持續制）／350安培（小時制），最大反向電壓為6500伏，每個引燃管重量為65公斤，採用水循環冷卻。1963年底，塔林水銀整流器廠成功研製了ИВУ-500/5型引燃管（後來改稱為ИВП-500/5型），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，每台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接的二極體。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。

牽引馬達

N6O-001、N6O-002號機車安裝了НБ-410型牽引馬達，該型馬達是六極串勵直流馬達，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（ВС級絕緣），轉子繞組採用B級絕緣，電機重量為4450公斤。根據НБ-410型牽引馬達的運行結果，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型牽引馬達，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型牽引馬達，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型牽引馬達，電機主極有10個均勻分布的插槽，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型牽引馬達從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，通過改變牽引變壓器次邊低壓繞組抽頭的接法來調節牽引馬達的端電壓，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置調壓繞組，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級為經濟運行位。除此之外，還可以對牽引馬達實施四級磁場削弱，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（1960年）開始採用加裝滅弧室的ЭКГ-60/20型調壓開關；從1435號機車（1964年）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型劈相機由一台單相交流馬達與一台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台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，包括兩台電動空氣壓縮機、冷卻風機、冷卻油泵等，均採用鼠籠式三相異步馬達，額定工作電壓為380伏。