德国铁路120系电力机车

**德國聯邦鐵路 120 型電力機車**（德語：**DB-Baureihe 120**）是德國鐵路使用的一款電力機車型號。作為全球首款投入量產的三相電鐵路機車（帶有電子變頻器），它被視為電力機車發展的一個里程碑。因此，它還代表了三相交流電傳動技術發展的最終形態 —— 來自電車線的交流電經過三相的牽引變頻器提取後，再驅動異步馬達。首台 ICE-1 型電聯車的動力車也是基於 120 型的技術在 1980 年代中期研發成功。

## 歷史

120 型機車是依靠三相異步馬達進行傳動，從鐵道技術的角度來看，它與萬向馬達的區別在於顯著降低了重量、並有更緊湊的尺寸和更低的維護成本。此外它還能承受高負載，因其本身並不具有（直流電機的）換向器。

自 1899 年以來，帶有固定電壓和頻率的高架電纜或接觸軌便已經使用三相交流電驅動軌道車輛，而隨著現代半導體技術的發展，車輛自 1960 年代起還可以藉助本身的變頻器產生三相電。馬達輸出功率是直接通過可變電壓和可變頻率進行調節。德國聯邦鐵路對三相交流傳動技術的首次體驗是來自於自 1971 年起投入試營運的亨舍爾 DE2500 型柴油機車。這些機車的其中一台（202 002 號）被移除了柴油引擎和發電機，並輔機有一節 BDnrf 型駕駛拖車。駕駛拖車負責對機車進行供電，為此專門配備了一個主變壓器和一個集電弓。在這種方式中，可以進行三相電力機車模擬運作。

車組在 1974 年至 1975 年進行的試驗中運作良好，並證明了當局所期望的一款可降低維護成本和停車時間的通用型機車在技術上是可行的。因為開發商對機車設計最初的目標便是：原則上可以取代當時在役的所有電力機車和任何類別的列車服務，無論是重載列車或快速列車。早在 1950 年代，德國聯邦鐵路就希望通過 E10 型機車來達成這一目標。但交流傳動技術在當時仍無法應用，於是 E10 系列又被拆分為快速機車（E10 型）和貨運機車（E40 型 / E50 型）。為針對通用型機車的願景，導致了 Bo'Bo' 軸配置的 120 型電力機車的研發合約最終在 1976 年面世。獲得該合約的是個聯合集團，其中 BBC 負責電氣部件，而克勞斯 - 瑪菲、克虜伯和亨舍爾則共同負責機械部件。

首台小批量生產的三相電力機車 E1200 型在 1976 年由亨舍爾交付，並運用至魯爾煤炭公司的礦場和港口鐵路。這 6 台機車的實際營運結論也被納入 120 型機車的開發。

### 試產機車 120.0 型

1979 年 5 月 14 日，120 001 號機車作為首台採用交流傳動技術的機車交付德國聯邦鐵路使用。它最初被批准的最高速度為 160 公里 / 小時，並在紐倫堡編組站進行實踐測試。至 1980 年 1 月，它的另外 4 個兄弟 120 002 號至 005 號機車也陸續交付使用，其中在外觀上略有不同的 120 005 號機車（深拉彎的前臉及最初設於車頂及緩衝器周圍的外罩）在交付時被批准的最高速度達到 200 公里 / 小時。120 型機車的外觀形象成為德國聯邦鐵路在 1980 年代的一面「鏡子」，並相繼應用至 240 型柴油機車、628 型柴聯車和 x - 型車廂駕駛拖車之中。

1980 年 8 月 13 日，120 002 號機車在漢諾威 - 漢堡鐵路的策勒至烏埃爾岑區間的運轉速度達到 231 公里 / 小時，創造了三相電車輛的新世界紀錄。

三相交流傳動技術以及通過牽引變頻器使用的高效再生制軔（在電阻制軔時將機車的動能回饋至電車線）得到了完全的信任，但機車的變壓器仍需要進行相應改進，並在測試階段的使用過程中被經過修訂的版本所取代。法蘭克福維修機廠（Ausbesserungswerk Frankfurt）為 120 型機車內構所設計的檢查模式是從緩衝器至第一個轉向架後。這種處理過程是德國聯邦鐵路其他任何當時在役的機車所沒有的。

1984 年 10 月 17 日及 18 日，機車正式使用新的定型。1984 年 10 月 17 日，120 001-3 號機車牽引著酬載為 250 噸重的特別列車，在奧古斯堡至多瑙沃特區間的運轉速度達到 265 公里 / 小時。這是在眾多嘉賓、包括聯邦交通部長維爾納・多林格爾的見證下，刷新了三相電機車的軌道車輛速度紀錄。為此，機車對齒輪傳動比及擋風玻璃進行了修改，同時車速表的標度也已被替換。其最高速度是在運轉 3 分鐘後達到的。該機車在 1985 年進行改造以用作最高紀錄運轉。作為德國聯邦鐵路和法國國家鐵路合作計畫的一部分，兩家鐵路公司之間的軌道及傳動裝置參數進行了協調統一。而該機車使用的基本上是全新的牽引馬達，所以最高運轉速度應當高達 280 公里 / 小時。最高紀錄機車作為 120 型系列的首台機車，於 2004 年在發生了嚴重事故後報廢。

在為期四年的試運轉中，5 台試產機車的運轉距離共達到 400 萬公里。

120 型機車的開發成本接近 1 億德國馬克。原德國聯邦鐵路則負擔其中的 60%。

### 量產機車 120.1 型

經過四年的試運轉後，德國聯邦鐵路在 1984 年訂購了 60 台量產機車 120.1 型，其中單台機車的價格為 550 萬德國馬克。1985 年 4 月，聯邦交通部長維爾納・多林格爾公布了 60 台機車中最後 24 台的購置計劃。他解除了採購協議中的選擇權 —— 原本除了 36 台機車按計劃交付外還有 24 台機車的選擇權規定。這項採購的總投資額為 3.8 億德國馬克，並且所有機車應在 1988 年底前交付。

與原型機車相比，量產機車僅作出了很小的改動，例如取消了作為備用的內置電阻制軔，因為再生制軔不同於最初的預期而被證明是可靠的。這在後來並不一定被視為積極的，因為 120.0 型原型車中較弱的機械性能也被保留至了量產機車當中。經過成功測試後，被批准最高速度為 160 公里 / 小時的 120 001 號至 004 號原型機和已批准最高速度為 200 公里 / 小時的 120 005 號原型車在量產機車到來後均被批准了 200 公里 / 小時的最高速度。

1987 年 1 月 13 日，首台量產化的三相電機車 ——120 101 號機車交付給了原德國聯邦鐵路慕尼黑福萊曼維修機廠使用。聯邦交通部長維爾納・多林格爾和德國聯邦鐵路董事長萊納・戈爾克共同主持了象徵性的鑰匙交接儀式。量產機車的交付一直持續到 1989 年底。它們立即投入至定期班次服務，開始執行一個精簡的交路計劃，於白天牽引城際列車及區際列車，並在夜間牽引快速貨運列車。

120 137 號至 160 號機車在交付時採用經過修改的傳動齒輪比，以獲得在高速行駛時更高的牽引力。然而，這項變化也導致了機車在低速運轉時的牽引力更低。

### 在德國鐵路的運用

在德國鐵路改革的第三階段中，120 型機車被加入到長途客運部門（即如今的德鐵長途運輸），因此也對其在貨運列車服務中的運用也作出了限制。

#### 試產 120.0 型

5 台試產機車多年來曾連同其它 120 型機車被反覆運用至例行客運服務。然而，在大多數時間內它們都擔當軌道工程車（因此它們也被重定型為 752 型）或新技術的測試載體使用，並首次用作 1990 年代後期的電力機車新購計畫的部件測試。其測試的部件包括此前可能因機車空間不足而沒有使用的碟式軔機器、或是可用於 101 型機車上的新式轉向架及變頻器。實驗機車均配屬明登和慕尼黑的聯邦鐵路中央局。

為了開發 101 型機車，ABB 亨舍爾徵調了 120 004 號和 005 號機車。由於 ABB 亨舍爾沒有現代化版本的樣車，而是僅有一個名為 Eco2000 的概念，因此其技術展示均需基於兩台營運已達 15 年的 120 型試產機車進行。

由於 Eco2000 的部件開發需要依靠 120 型的試產機車 120（或 752） 004 號和 005 號機車，因此 ABB 在 1992 年對兩台機車進行了改造，以便使新的技術能夠在實踐中檢驗。其中 120 005 號機車搭載了基於可關斷晶閘管（GTO）技術的新式變頻器及全新的航空電子控制設備；120 004 號機車則在此基礎上還搭載了適用於 ICE 列車的碟式軔機器、整合驅動系統，以及用於主變壓器的生物降解多元醇酯冷卻劑。兩台機車在此配置下參與了日常的城際列車營運，並在長距離的牽引工作中從未發生故障。120 004 號機車則因為高成本的改造而被視作 101 型機車的原型車。

自 2002 年初以來，再沒有 120 型的試產機車運用於例行服務。120 003 號機車由紐倫堡交通博物館持有，它目前（2011 年）停放於奧古斯堡鐵路公園。120 001 號機車是在 2004 年的一次嚴重事故中被完全損毀並在現場進行拆解，期間 120 002 號機車也已經報廢。725 005 號機車被租借至了威瑪鐵道博物館，只有 752 004 號機車作為最後一台仍在營運的機車，由慕尼黑的德鐵技術股份有限公司用作試驗運轉。2011 年 10 月，它也從德鐵技術股份有限公司的運轉中退役。自 2012 年 6 月起，這台機車可以在科布倫茲德國鐵路博物館內找到。

#### 量產 120.1 型

120 型機車作為氣密性軌道車輛最初被運用至幾個隧道區間，包括 1988 年 5 月建成通車的漢諾威 - 符茲堡高速鐵路的符茲堡 - 福達南段，這主要是因為當時仍然缺乏足夠的氣密性軌道車輛可用。但由於存在早期探明的高損壞率問題，在 1988 年 8 月有比例高達 35% 的 120 型機車無法正常使用。而自 120 136 號機車起發生的輪軸保護箱使用困難情況，則導致了更多機車延誤營運。

如今，德國鐵路仍主要將 120 型機車運用於城際列車服務。但由於機車在最初幾年存在過度使用的情況（白天長途客運，夜間重載貨運），因此其可靠性在這期間已顯著減弱，底盤斷裂和其它嚴重損害也日益增加。

120 型機車在 2007 年達到一個營運小高峰。有 37 台 120 型機車在 3 條城際列車的交路運行圖中運用，同時也可作為新開通的、時速高達 200 公里 / 小時的慕尼黑 - 紐倫堡快車的補充使用，但已很少用作牽引貨運列車。

最先從服務營運中退役的 120 110 號、158 號和 159 號機車被用來作為交換配件的來源，其後由於運力需求的增加，它們又重返服務營運。120 158 號機車（截至 2011 年 1 月）則繼續用作配件交換來源，機體是在 2010 年 6 月 16 日報廢，並在長期封存於慕尼黑之後，目前已於德紹維修機廠完成拆解。截至 2011 年 1 月，仍有 49 台 120.1 型機車處於營運狀態。

#### 改型 120.2 型

120.2 型機車是指 5 台駐紮於羅斯托克的機車，專門用於牽引名為「漢薩快車」的動力集中式列車，後者由 5 節新式雙層車廂組成。這條路線也是「波羅的海沿岸（Ostseeküste）」網路的一部分。

由於增加了車輛動力學數值（編組由 4 節變為 5 節），有 5 台 120 型機車在 2007 年首次搭載了短途客運軟體包（目的地顯示器、列車調度系統及伺服器等），並被重定型為 120.2 型，使用連續的營運編號（201 號至 205 號）進行排列。它們在羅斯托 - 施威林 - 漢堡路線中的最高運轉速度為 160 公里 / 小時。由於聯邦鐵路管理局最初拒絕為 120.2 型發放營運牌照，所以這條路線在 2008 年春季以前都只能使用 112 型機車營運（主要是所謂的「夾心運轉」：即列頭及列尾各設一台機車）。

至 2010 年底，再有三台機車使用新的營運編號 120 206 號至 208 號（原 120 136 號、139 號及 117 號）交付給德鐵區域運輸萊茵蘭公司（後合併至德鐵區域運輸北萊茵 - 西發利亞公司），並駐紮在阿亨。它們主要被用做牽引北萊茵 - 西發利亞的萊茵 - 席根快車。由於故障率增加，機車在當地被暫停使用並封存。同時駐紮於羅斯托克的 5 台機車也由於各種磨損及到期維修原因而經常造成運力不足，因此 3 台阿亨機車也相繼移交羅斯托克使用。在 2013 年春季，120 207 號和 208 號機車已經返回阿亨使用，而 120 206 號機車則仍由羅斯托克支配。

#### 改型 120.5 型

120 153 號和 120 160 號機車在 2005 年初被售予德鐵技術股份有限公司，並在紐倫堡車間進行了 IS 703 號徹底大修。它們使用不同的營運編號，其中 120 153 號更改為 120 501 號，120 160 號則改為 120 502 號。兩台機車都用作牽引測試及測量列車在德國各地運轉。在 2006 年世界盃足球賽期間，機車又被租借至德鐵長途運輸，用作牽引定期列車班次。時至今日，120.5 型機車仍可以在機車缺乏的情況下用作牽引長途列車班次。120 502 號在 2013 年被漆上了與測量車廂相匹配的黃色塗裝。

#### 121 型及後續型號

在 2005 年 12 月 11 日起實施的運行圖調整中，德鐵汽車列車向德鐵長途運輸購入了部分 120 型機車，以用作牽引它們的人車同行班次。這些機車仍駐紮在慕尼黑，並計劃重定型為 121 型，但只有 120 113 號列車完成了改變。這是因為機車在交付前由於長途客運需求量上升，它們又返回德鐵長途運輸營運。

將 121 型作為 120 型機車後續型號的計劃並沒有達成，雖然早已有兩台原型機使用過這一編號進行測試（因為當局希望保留 121 型，並將其用於 127 001 號機車和 128 001 號機車）。120 型機車在 1980 年代的原始概念是作為一款通用型機車，但隨著鐵路改革的推進而喪失了其必要性，因為已獨立運作的德國鐵路各業務部門基於成本原因而更青睞於使用切合自身需求的車輛。

德國聯邦鐵路以前的希望載體從未使用在其預期定型的編號中。然而，高速列車組 ICE-1 列車和 ICE-2 列車的動力車是由 120 型機車直接演變而來。此外，它還啟發了當代新型高性能電力機車的設計靈感，當中包括 101 型、152 型（127 001 號的後續發展）和 145 型（128 001 號的後續發展）。

## 構造

### 電氣設備

在主變壓器的 4 個獨立的次級線圈背後，採用的是與此前德國軌道電氣工程學技術顯著不同的技術。每個次級線圈均被連接至對應的油冷式牽引變頻器，後者由以下模組組成：

* 四象限整流器
* 帶有陷波器和解耦電容器的直流電壓中間迴路
* 湧壓變流器

每兩個牽引變頻器被接通在一起，共同供應單個轉向架上的兩台馬達。變壓器次級側的單相交流電壓通過四象限整流器整流為直流電壓。額定電壓為 2800 伏（最高允許 3200 伏）的中間電路由一個調諧為 33⅓ 赫茲的濾波器和一個解耦電容器組成。湧壓變流器由中間迴路饋入，並產生三相交流電的可變電壓（0-2200 伏相位）和頻率（0.4-150 赫茲）用於牽引馬達。四象限整流器是按 183 赫茲分別以 90° 錯開，並將行程控制在 11 倍的電網頻率。異步驅動的湧壓變流器可將上限為 200 赫茲的循環頻率轉化為 20 赫茲的馬達頻率。高於 20 赫茲時則可使用同步循環的方式以避免馬達電流發生拍頻。由於四象限整流器和湧壓變流器的基本構造非常相似，因此它們也可執行反向操作，例如用於機車的再生制軔：湧壓變流器將馬達產生的三相電流輸送至中間迴路，再由四象限整流器重新整流為單相交流電壓，並回饋至電車線。

車頂上設有兩副 SBS 80 型單臂集電弓。這是根據原來的單臂集電弓型號 SBS 65 型的標準進行開發的，並允許用於 250 公里 / 小時的最高速度（SBS 65 型僅為 200 公里 / 小時）。其 90 公斤的構造也比 SBS 65 型更輕、並使用更好的懸架，以確保即便是在高速行駛中的安全接觸。由於 120 型機車最初是作為測試載體設計，這也造成了車輛部件與傳統機車相比也有所不同：主變壓器第一次可以置於車輛底板下方，這使得機車機械室可以保持非常乾淨和整潔，並提供一條直通的中央過道。全車部件的特點是廣泛採用的輕量化構造，這在最初也出現過一些問題。尤其是變速齒輪和變速箱的輕量化設計很容易導致頻繁的斷裂及滲油，直至這些部件被替換為品質更強的結構。轉向架採用傳統的樞軸構造。驅動器的二次懸吊被靈活浮動的捲簧所取代，它能使轉向架在過彎後自動復位至中心位置，並允許機車車體橫向運動。輪軸的動力傳輸則由 BBC 製造的空心軸萬向接頭傳動負責，牽引馬達的重量也完全由轉向架緩解。

120 型機車在輔助運轉方面採用了全新的方式：它首次採用三相電輔助電網，相鄰的較小電機也允許對輔助運轉進行控制。120 型機車設有 3 個輔助變流器（Hilfsbetriebeumrichter，簡稱 HBU），並通過主變壓的輔助線圈進行傳輸。1 號和 2 號 HBU 負責分別供應每副轉向架上的兩台牽引馬達，並每個都配備關聯的變壓器油冷散熱裝置。馬達的轉數可根據散熱需求進行靈活控制。3 號 HBU 按固定的頻率運作，並供應至其它的輔助設備，例如變壓器機油泵等。120 型機車的空氣壓縮機也通過 3 號 HBU 供應。為了令啟動更為簡便，空氣壓縮機在切換至 3 號 HBU 時會短暫關閉。機車會自動監控所有相關的溫度數值。如果完全穩定的輔助運轉超出數值上限，機車則會發出牽引力閉鎖。

### 制軔系統

機車的制軔裝置除了電子軔機外，還有一個連續性的、間接作用的 KE-GPR 型氣軔器作為輔助制軔使用。在機車制軔時通常只啟動電子制軔，氣軔僅在電子制軔失效時才進行干預和運作。與此相反的是標準機車的電阻制軔並不會隨著車輛速度的遞減而降低制軔力，但電子制軔則可以依靠交流傳統技術將全部效能陷入近乎完全停頓狀態。為了提高軌道的靜止摩擦力，特別是在惡劣天氣條件下的靜止摩擦力，機車在隨後安裝了一個所謂的「清潔軔機」（Putzbremse），這是通過電子制軔運轉的閘瓦式軔機，可提供 0.25 巴的軔缸壓力。它通過對輪軸表面進行粗糙化處理，進而改善牽引力及制軔力效果。停車制軔則通過一個彈簧軔機達成。

### 駕駛室

120.1 型機車在交付時便搭載了最早運用於 111 型機車上的氣密性德國聯邦鐵路標準化駕駛室，而 120.0 型在隨後也完成了相應改造後，這些機車都能在新造的路線中運轉。氣密性的內部空間對高速行駛而言十分重要，因為列車在交會時、特別是在高壓強的隧道中，其與外部空氣本身通常具有超過 400 公里 / 小時的相對速度，最壞的情況可以導致聽力受損。因此，在當地使用的所有車輛都必須符合壓力保護要求。

### 安全設備

除了規定的安全軟體包外 —— 包括緊急列車停止裝置（Sifa）、由點狀列車控制裝置集成的連續列車監控系統（LZB）、車載無線電設備 GSM-R 以及自動駕駛及制軔控制系統外，120 型機車還配備有列車電氣指令式空氣軔機和急緊軔延緩設備（NBÜ，可使緊急緊軔列車避免在隧道內停車）的控制裝置，並且加裝有用於電子運行圖和速限（EBuLa）的電腦裝置。所有機車在交付時均搭載了用於列車駕駛拖車的列車重聯系統系統。其包含了首次應用的複合時刻列車換向行駛操控設備（zeitmultiplexe Wendezugsteuerung，簡稱 ZWS），因此它與 101 型機車成為德國鐵路僅有的兩款可以驅動城際列車駕駛拖車達到 200 公里 / 小時的機車。試產機車則仍然搭載傳統的列車換向行駛操控系統（KWS），它們允許用作驅動動力集中式列車運轉，例如 n - 型車廂。

## 塗裝變化

前 5 台試產機車 120.0 型在 1979 年交付時採用洋紅色 / 米色的泛歐城際快車塗裝方案。為了改善空氣動力學性能，120 005 號機車使用了一個比其它 4 台試產機車更易更換的前罩。為了對應機車特有的彎曲前臉，紫紅色與白色的分界邊緣也隨之向下伸展。出於這個原因，紫紅色條紋必須斜向駕駛室一側，這也使得其在外觀上與眾不同。

總共 60 台 120.1 型量產機車自 1987 年起採用當時新推出的東方紅配色方案（RAL 3031），並在前臉設有一個白色的警示區域，這被鐵路職工成為「圍兜」。警示區域從前側兩端彎曲延伸至前窗下緣，此後這一區域又改為東方紅色的條紋從擋風玻璃下方伸出。在檢查和維修的過程中，兩種配色方案都進行過嘗試，當中只有形狀和尺寸會發生略微的變化。

自交通紅的配色方案自 1996 年推出後，已有越來越多的機車採用了這款全新的、當前流行的塗裝。

為了牽引黃色塗裝的檢測和測量車輛，120 502 號機車在 2013 年被德鐵技術股份有限公司漆以相匹配的黃色塗裝。

此外，由於這一系列型號寬大的側壁開放空間，120 型機車也經常用作廣告、藝術和周年紀念機車。例如：

## 注釋

## 參考書目

## 外部連結

* （德文）120 型機車介紹 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* （德文）120 型機車的修訂數據及技術參數
* （德文）120 005 – 小胖原型機 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）