21世紀的俄羅斯鐵路機車 之 貨運電力機車(交流傳動篇·上)

 貨運知識         |    2019-01-28 04:46

與中國發展交流傳動機車“先貨后客”的路子不同,老毛子想搞一個客貨兩開花,就在俄鐵的交流傳動客運機車EP20(ЭП20)“奧林匹斯”正式立項后不久,交流傳動貨運機車的研發工作也很快啟動。俄羅斯的各大電力機車制造工廠都從西方找到了不同的大佬開展合作,相繼研發出了ES10(ЭС10)、ES5(ЭС5)、ES7(ЭС7)、EV120(ЭВ120)以及ES5S(ЭС5С)等多個系列的交流傳動貨運機車。但世界政經格局風云動蕩,只有最先開始研發的ES10系列趕在了2014年的俄羅斯金融危機之前投入了量產,而其余幾個系列的研制工作只能以極其緩慢的速度推進,有的甚至由于資金緊張而不得不重新更改設計。

為了避免篇幅過長,本文分為上、下兩篇,上篇先介紹俄羅斯唯一投入量產的交流傳動貨運機車型號(ES10系列)。

ES10“花崗巖”(2ЭС10《ГРАНИТ》)系列:

運行在斯維爾德洛夫斯克州的2ES10

——發展:

就在新切爾卡斯克電力機車制造工廠(簡稱“切廠”)與法國阿爾斯通聯手,開始研發俄羅斯新一代交流傳動客運機車EP20后不久,作為俄羅斯機車產業新秀的烏拉爾鐵路機械制造工廠(簡稱“烏廠”)也著手準備研發先進的大功率交流傳動電力機車,而他們準備與德國西門子合作,并在與之合資之后將原有的廠名改稱為烏拉爾機車。

運行在斯維爾德洛夫斯克州的2ES10

運行在車里雅賓斯克州的2ES10

在此之前,烏廠研制的首款機車,也就是直-直傳動的ES6(ЭС6)“西納拉”系列才剛剛投入量產,所以他們也只是僅僅積累了一些制造直流牽引機車的經驗;與此同時,隨著鐵路運輸的日益繁忙,俄鐵計劃增加包括西伯利亞大鐵路在內的許多干線區段的貨物列車牽引定數,但烏拉爾山區已經成為了制約俄羅斯鐵路溝通東西的瓶頸,而且這一區段恰好為直流牽引供電,盡管已經使用比較先進的2ES6和2ES4K(2ЭС4К)替換了老舊的VL10(ВЛ10)和VL11(ВЛ11)系列,但若是想要進一步增加列車重量,即便是最先進的直流傳動機車依然顯得捉襟見肘。因此,綜合烏廠和俄鐵兩方面的因素,決定首先研發一型用于直流牽引區段的大功率交流傳動貨運機車。

2ES10的機械部分設計繼承自2ES6,并根據設備的變化進行了相應了改進

??吭诘卖斎漳嶂Z站內的2ES10(右)和2ES6(左)

機車的研發工作于2009年正式開始,并被定型為ES10(ЭС10,Э-電力,С-重聯,10-10型)系列??紤]到剛開始量產不久的ES6系列機車的機械部分已經應用了眾多比較先進的理念和技術,所以決定在新型機車上大幅度沿用ES6機車的機械部分設計,并進行優化,然后在此基礎上裝用更為先進的牽引逆變系統和更為強大的交流異步牽引電機,這樣一來,機車的研發周期和成本都大大縮短,設計工作僅用了6個月便完成了。2010年5月,俄鐵與烏廠簽訂了一份購買221組機車的合同,隨后首組機車2ES10-001便開始組裝,同年11月下線,之后普京還前來烏廠視察了新型機車。然而,由于發生了經濟危機,2015年,俄鐵不得不削減56組機車的訂單,機車的制造速度也大幅下降。截至目前,共計制造了至少161組各型ES10“花崗巖”系列大功率交流傳動電力機車。由于機車獨特的多面體造型和灰色系的原廠涂裝,乍看就像是一塊被切割的花崗巖石料,故機車的官方綽號也因此而生。

早期的機車采用灰色系的原廠涂裝,因為機車的外形和涂裝,所以其官方綽號被稱為“花崗巖”

在謝爾賓卡環行鐵道進行測試運行的2ES10-001

按研制時間排序,ES10“花崗巖”系列有如下幾種型號:

2ES10(2ЭС10),雙機固定重聯型號,也是“花崗巖”系列機車的基本型號,用于在比較復雜的山地區段牽引重型貨物列車,機車還可以多組重聯運用,能夠保證在最為復雜的山地區段牽引超重型貨物列車。首組機車2ES10-001于2010年年底下線,002號車于2011年年初下線,兩組機車在全俄鐵科院的謝爾賓卡環行鐵道和斯維爾德洛夫斯克局、高爾基局、南烏拉爾局、古比雪夫局等地完成一系列測試后,證明機車性能完全達到預期目標,2012年8月正式投入量產,至今至少制造了119組。

烏廠內進行組裝的2ES10

運行在新西伯利亞州的2ES10

2ES10(2ЕС10),2ES10的烏克蘭訂制版本型號,機車裝用了更多烏克蘭提供的零部件和符合烏克蘭鐵路規范的安全裝置,但實際并未真正投入運用。2011年年底,烏克蘭鐵路對正在試運行的“花崗巖”機車表現出了興趣,他們想引進這種機車,用于替換在利沃夫局喀爾巴阡山困難區段運用的那些破舊不堪的VL10和VL11系列機車。運用2ES10后,機車的牽引功率將加倍,可以減少機車的重聯數量和司機的作業強度,還能降低運用成本。于是,烏廠派出一組2ES10和一組2ES6前往烏克蘭試運行,測試期間,機車牽引著5200噸的貨物列車順利通過了喀爾巴阡山區的長大坡道,這里的最大坡度幾乎是烏拉爾山區的兩倍,測試結果非常令人滿意,烏克蘭鐵路隨即與烏廠簽署了一份進口50組2ES10型機車的合同,并將烏克蘭版本機車的綽號取為“斯維亞托戈爾(СВЯТОГОР)”,這是古代斯拉夫神話中一位力大無窮的山神的名字。2013年年底至2014年年初,烏廠制造了7組該型機車,并很快將前3組機車發往烏克蘭。然而,烏克蘭危機很快爆發,并且導致烏克蘭鐵路無法支付機車的款項,購買合同被迫取消,3組機車就在烏克蘭的庫皮揚斯克編組站停放了整整一個冬天,2014年3月,這些機車被運回烏廠,并全部改回了標準的俄羅斯版本機車。

烏廠內新造的2ES10“斯維亞托戈爾”機車,車身上的烏克蘭國徽和烏克蘭路徽十分醒目

2ES10S(2ЭС10С),2ES10的中間補機重聯單節。為了繼續增加“花崗巖”機車的牽引能力,使之在最困難的區段依然能夠牽引超重型列車運行,所以烏廠進一步研發了不帶司機室的補機單節,將補機單節編掛在2ES10中,組成三機重聯機車,便可將機車的功率提高一倍半,達到13200千瓦,使其成為全俄功率最大的電力機車(超過了功率13120千瓦的4ES5K“葉爾馬克”,但是略遜于株洲廠制造的14400千瓦的12軸神華號),也是全世界功率最大的直流牽引電力機車。值得注意的是,三機版本機車中,中間單節與兩端單節的型號和編號都相互獨立(例如:2ES10-122A+2ES10S-005+2ES10-122B),不過通常這種組合的機車還是被俗稱為3ES10。中間單節的電氣和機械部分與兩端單節完全一致,主要區別在于未設司機室以及操縱設備,前后兩端均為通過臺,并且車頂也沒有安裝受電弓。首臺2ES10S于2014年5月出廠,同年年底,烏廠開始全面量產加掛2ES10S的三機重聯版本機車,雙機版本的2ES10暫時停產。截至目前,至少制造了42組三機重聯的“花崗巖”機車。

烏廠內新造的2ES10S中間補機單節

運行在斯維爾德洛夫斯克州,加掛了2ES10S中間補機單節的2ES10(俗稱3ES10)

——設計:

2ES10“花崗巖”電力機車是目前俄羅斯最為先進的貨運電力機車車型之一,由西納拉集團旗下的烏拉爾機車和德國西門子聯合研發,其中,如牽引逆變器、輔助逆變器、牽引電機、牽引齒輪箱等交流傳動核心設備均由西門子提供,其余設備則是由上百家俄羅斯企業提供。

2ES10型電力機車外部設備總體布置示意圖

2ES10型機車設計用于在額定電壓為3千伏的直流供電區段牽引貨物列車,接觸網電壓波動范圍為2.2至4千伏,軌距為1520毫米,運用環境為溫度-50至45攝氏度、海拔1200米以下。由于機車裝用了先進的交流牽引電機,性能大幅提高,其功率比2ES6“西納拉”機車提高了近三分之一,甚至可以完全替代兩組老式的VL10或VL11系列機車。在坡度不大于10‰的山地區段,一組機車可以牽引重達6300噸的列車正常運行;若是在坡度不大于6‰的平原區段,甚至可以牽引重達9000噸的列車正常運行。機車(單節)基本參數:軸式B0-B0,整備重量100噸,軸重25噸,最大功率4400千瓦,軸功率1100千瓦,啟動牽引力392千牛,持續牽引力285千牛,構造速度120千米/時,持續速度50千米/時,電阻制動功率2800千瓦,再生制動功率4200千瓦。此外,烏廠還研發了中間補機重聯單節2ES10S,其性能參數均與普通ES10單節一致,不同之處在于機車的前后兩端均為通過臺,而未設司機室,車頂也未裝受電弓,電能需由兩端單節通過車頂母線進行傳導。

2ES10型電力機車內部設備、轉向架總體布置示意圖

2ES10型機車的機械部分是基于2ES6型機車的既有平臺研發的,大體構造與2ES6基本相同。由于交流傳動機車功率增大,機車的結構強度相應進行了加強,車體、轉向架也依照德意志朋友的交流牽引設備做出了一些修改。司機室外殼為合成材料制成,并全部應用模塊化設計,完全符合人體工程和衛生標準,可以為司機提供更加舒適的工作環境。

烏廠內尚未組裝的合成材料司機室外殼

2ES10型機車的司機室,繼承了2ES6的設計,頗為現代化

2ES10型機車的機械間

2ES10型機車的電氣部分采用了IGBT晶體管模塊牽引逆變器和交流牽引電機,使得機車的功率大大增加,并且延長了機車的修程,簡化了日常整備。逆變器向1TB2822型大功率異步牽引電機提供調壓調頻的交流電,并在再生制動模式下進行反向整流,將牽引電機發出的交流電整流成直流電,返送回接觸網。機車還實現了軸功率的單獨調節,可以最有效地利用機車功率,在很大程度上避免發生空轉。此外,機車的輔助設備、通風設備以及照明設備也都經過現代化改進,更加節能環保。作為毛子的貨運機車,重聯控制系統顯然也是標配,可以使機車以單節(半組)、雙節(一組)、三節(一組半)等多種形式任意組合,靈活運用。

運行在列寧格勒州的2ES10

運行在新西伯利亞州的2ES10

運行在斯維爾德洛夫斯克州的2ES10

2ES10型機車的微機部分采用了俄羅斯最先進的МПСУД微機控制和診斷系統,對機車的所有設備進行實時控制、管理和診斷,并將各種數據通過專用的無線通信網絡傳輸至調度中心和檢修中心的服務器,還可以通過GPS或格洛納斯衛星定位系統進行不間斷地定位。微機系統還具備多種運行模式:在自動駕駛模式下,可以根據給定的運行時刻和線路參數自動控制列車運行;在重聯模式下,可以在一間司機室控制所有重聯機車;在調車模式下,可以自動將機車維持在較低的速度運行。

運行在斯維爾德洛夫斯克州茫茫林海雪原中的2ES10

運行在斯維爾德洛夫斯克州的道口安全宣傳涂裝2ES10

運行在彼爾姆邊疆區的2ES10

——運用:

2011年10月,機車完成測試后回到它的老家附近,配屬到斯維爾德洛夫斯克局的彼爾姆編組機務段。經過一段時間的運行后,因其舒適的工作環境、簡便的操縱方法、良好的牽引性能、經濟的運用成本,受到了司機們和機務部門的高度評價,機車很快開始正式量產。量產初期的機車也全部配屬彼爾姆,在西伯利亞大鐵路的巴列季諾—彼爾姆—葉卡捷琳堡—沃伊諾夫卡(秋明)區段,以及葉卡捷琳堡—德魯日尼諾區段牽引重達6300至7000噸的貨物列車,而且這些列車在通過烏拉爾山區的困難區段時無需再重新解編,大大提高了運輸效率。2015年,隨著加掛2ES10S的三機版本“花崗巖”機車配屬斯維爾德洛夫斯克編組機務段,西伯利亞大鐵路的上述區段得以將貨物列車進一步增重至9000噸,并且在今后將繼續增加9000噸級列車的趟數,與此同時,所有雙機版本的2ES10電力機車也都從彼爾姆集中轉配到這里。截至目前,至少有60余組2ES10,以及全部的42組3ES10(加掛2ES10S的2ES10)配屬于斯維爾德洛夫斯克編組機務段。

運行在斯維爾德洛夫斯克州的2ES10,該型機車已經成為了這里的貨運主力

運行在彼爾姆邊疆區的2ES10

運行在烏德穆爾特共和國,加掛了2ES10S中間補機單節的2ES10(俗稱3ES10)

西西伯利亞局的別洛沃機務段從2013年8月開始配屬2ES10,隨著最為先進的“花崗巖”機車的到來,老舊的VL10系列機車逐步退役,而之前運用的ES4K“頓河馬”系列機車則陸續被轉配至十月局。2ES10在這里以別洛沃為中心,運用于別洛沃—因斯卡亞(新西伯利亞);別洛沃—新庫茲涅茨克—梅日杜列琴斯克及其支線新庫茲涅茨克—塔什塔戈爾;別洛沃—克麥羅沃—馬林斯克等區段,此外還在西伯利亞大鐵路的因斯卡亞(新西伯利亞)—馬林斯克區段運行。初期主要牽引6000至6500噸重的煤炭列車,后期通過增設牽引變電站和擴大接觸網導線的橫截面等技術改造,使列車重量增加至7100噸。截至目前,至少有40余組2ES10配屬于別洛沃機務段。

運行在克麥羅沃州的2ES10

運行在新西伯利亞州的2ES10

運行在新西伯利亞州的2ES10

南烏拉爾局的車里雅賓斯克機務段從2014年1月開始陸續接收了15組2ES10,并在其管內烏拉爾山區最困難的車里雅賓斯克—茲拉托烏斯特—科羅帕秋沃區段測試運行。他們計劃將這一區段的貨物列車增重至7100噸,然而,機車的表現并不如意,由于軸功率過大,機車出現了黏著不足的現象,但要是運用3ES10的話又會過于浪費功率,所以南烏拉爾局最終決定在這一區段使用兩組(四節)直流傳動的2ES6“西納拉”機車重聯牽引列車,以便更加合理的利用機車功率和黏著力。2014年12月,車里雅賓斯克機務段的2ES10被轉配給了斯維爾德洛夫斯克局和西西伯利亞局。

運行在車里雅賓斯克州的2ES10

十月局的沃爾霍夫機務段于2018年7月配屬了兩組來自斯維爾德洛夫斯克局的2ES10。同年8月,一組2ES10在巴巴耶沃—圣彼得堡樞紐—盧日斯卡亞之間500公里的區段成功擔當了一列重達12018噸的貨物列車的牽引任務,在此之前,該區段運行的12000噸級的重載列車,都是通過兩列普通列車組合成單元式列車的方式開行。

運行在列寧格勒州的2ES10

除了上述鐵路局外,非俄鐵的路外企業——磷灰石(АПАТИТ)礦業公司也購買了2ES10“花崗巖”機車。機車在摩爾曼斯克州的阿帕季特和基洛夫斯克地區運用,這里氣候酷寒,機車需要牽引3800噸的礦石列車翻越30‰的巨大坡道。2012年,在順利通過這里的測試后,磷灰石公司決定購買一批該型機車,用以替換老舊且效率較低的VL10系列機車,然而由于受到經濟危機的影響,購買計劃被迫延遲,目前已經交付2組機車,并且該公司依然計劃在未來繼續夠勁2ES10,以全部替換掉舊型機車。值得一提的是,磷灰石公司的“花崗巖”機車采用了與眾不同的更加鮮亮的涂裝,令人印象深刻。

磷灰石礦業公司的自備2ES10-222機車,采用了與眾不同的鮮亮涂裝,這種涂裝在一定程度上借鑒了原本計劃出口烏克蘭的2ES10“斯維亞托戈爾”機車

磷灰石礦業公司自備的2ES10-223機車,牽引自卸式礦車運行在摩爾曼斯克州

ES10“花崗巖”系列作為俄羅斯目前最為先進的貨運機車之一,還分別于2011、2012、2013、2015、2017年參加了在莫斯科州謝爾賓卡的全俄鐵科院環鐵舉辦的1520博覽會。

參加1520博覽會的俄鐵交流傳動機車兩大代表車型——貨運機車2ES10、客運機車EP20

雖然受到了廣泛好評,但是機車在運用中也暴露出了一些問題,特別是德意志朋友提供的設備,在俄羅斯出現了一些水土不服(希特勒的怨念?),為了確認并消除一些疑難故障,西門子的德國工程師還多次親自來到烏廠。另外,前期制造的機車裝用了烏克蘭企業提供的輪對,但是這種輪對經常出現裂紋,嚴重危及行車安全,后期改用了俄制輪對(怕是不改也不行了)。還有許多常見問題,比如在冬季低溫條件下,機車的空壓機經常凍結,橡膠部件也會失去彈性,輪緣潤滑裝置也經常失效等等。最終,在經過了大大小小60余次的設計修改后,機車的大部分問題獲得解決,可靠性得到了保證。

運行在新西伯利亞州的2ES10

運行在斯維爾德洛夫斯克州,加掛了2ES10S中間補機單節的2ES10(俗稱3ES10)

運行在斯維爾德洛夫斯克州的勝利日涂裝2ES10

下篇將簡要介紹其余幾種尚未投入量產或者已經中止研發的交流傳動貨運機車型號(ES5、ES7、EV120、ES5S系列),敬請期待!

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