21世纪的俄罗斯铁路机车 之 货运电力机车(交流传动篇·上)

 货运知识         |    2019-01-28 04:46

与中国发展交流传动机车“先货后客”的路子不同,老毛子想搞一个客货两开花,就在俄铁的交流传动客运机车EP20(ЭП20)“奥林匹斯”正式立项后不久,交流传动货运机车的研发工作也很快启动。俄罗斯的各大电力机车制造工厂都从西方找到了不同的大佬开展合作,相继研发出了ES10(ЭС10)、ES5(ЭС5)、ES7(ЭС7)、EV120(ЭВ120)以及ES5S(ЭС5С)等多个系列的交流传动货运机车。但世界政经格局风云动荡,只有最先开始研发的ES10系列赶在了2014年的俄罗斯金融危机之前投入了量产,而其余几个系列的研制工作只能以极其缓慢的速度推进,有的甚至由于资金紧张而不得不重新更改设计。

为了避免篇幅过长,本文分为上、下两篇,上篇先介绍俄罗斯唯一投入量产的交流传动货运机车型号(ES10系列)。

ES10“花岗岩”(2ЭС10《ГРАНИТ》)系列:

运行在斯维尔德洛夫斯克州的2ES10

——发展:

就在新切尔卡斯克电力机车制造工厂(简称“切厂”)与法国阿尔斯通联手,开始研发俄罗斯新一代交流传动客运机车EP20后不久,作为俄罗斯机车产业新秀的乌拉尔铁路机械制造工厂(简称“乌厂”)也着手准备研发先进的大功率交流传动电力机车,而他们准备与德国西门子合作,并在与之合资之后将原有的厂名改称为乌拉尔机车。

运行在斯维尔德洛夫斯克州的2ES10

运行在车里雅宾斯克州的2ES10

在此之前,乌厂研制的首款机车,也就是直-直传动的ES6(ЭС6)“西纳拉”系列才刚刚投入量产,所以他们也只是仅仅积累了一些制造直流牵引机车的经验;与此同时,随着铁路运输的日益繁忙,俄铁计划增加包括西伯利亚大铁路在内的许多干线区段的货物列车牵引定数,但乌拉尔山区已经成为了制约俄罗斯铁路沟通东西的瓶颈,而且这一区段恰好为直流牵引供电,尽管已经使用比较先进的2ES6和2ES4K(2ЭС4К)替换了老旧的VL10(ВЛ10)和VL11(ВЛ11)系列,但若是想要进一步增加列车重量,即便是最先进的直流传动机车依然显得捉襟见肘。因此,综合乌厂和俄铁两方面的因素,决定首先研发一型用于直流牵引区段的大功率交流传动货运机车。

2ES10的机械部分设计继承自2ES6,并根据设备的变化进行了相应了改进

停靠在德鲁日尼诺站内的2ES10(右)和2ES6(左)

机车的研发工作于2009年正式开始,并被定型为ES10(ЭС10,Э-电力,С-重联,10-10型)系列。考虑到刚开始量产不久的ES6系列机车的机械部分已经应用了众多比较先进的理念和技术,所以决定在新型机车上大幅度沿用ES6机车的机械部分设计,并进行优化,然后在此基础上装用更为先进的牵引逆变系统和更为强大的交流异步牵引电机,这样一来,机车的研发周期和成本都大大缩短,设计工作仅用了6个月便完成了。2010年5月,俄铁与乌厂签订了一份购买221组机车的合同,随后首组机车2ES10-001便开始组装,同年11月下线,之后普京还前来乌厂视察了新型机车。然而,由于发生了经济危机,2015年,俄铁不得不削减56组机车的订单,机车的制造速度也大幅下降。截至目前,共计制造了至少161组各型ES10“花岗岩”系列大功率交流传动电力机车。由于机车独特的多面体造型和灰色系的原厂涂装,乍看就像是一块被切割的花岗岩石料,故机车的官方绰号也因此而生。

早期的机车采用灰色系的原厂涂装,因为机车的外形和涂装,所以其官方绰号被称为“花岗岩”

在谢尔宾卡环行铁道进行测试运行的2ES10-001

按研制时间排序,ES10“花岗岩”系列有如下几种型号:

2ES10(2ЭС10),双机固定重联型号,也是“花岗岩”系列机车的基本型号,用于在比较复杂的山地区段牵引重型货物列车,机车还可以多组重联运用,能够保证在最为复杂的山地区段牵引超重型货物列车。首组机车2ES10-001于2010年年底下线,002号车于2011年年初下线,两组机车在全俄铁科院的谢尔宾卡环行铁道和斯维尔德洛夫斯克局、高尔基局、南乌拉尔局、古比雪夫局等地完成一系列测试后,证明机车性能完全达到预期目标,2012年8月正式投入量产,至今至少制造了119组。

乌厂内进行组装的2ES10

运行在新西伯利亚州的2ES10

2ES10(2ЕС10),2ES10的乌克兰订制版本型号,机车装用了更多乌克兰提供的零部件和符合乌克兰铁路规范的安全装置,但实际并未真正投入运用。2011年年底,乌克兰铁路对正在试运行的“花岗岩”机车表现出了兴趣,他们想引进这种机车,用于替换在利沃夫局喀尔巴阡山困难区段运用的那些破旧不堪的VL10和VL11系列机车。运用2ES10后,机车的牵引功率将加倍,可以减少机车的重联数量和司机的作业强度,还能降低运用成本。于是,乌厂派出一组2ES10和一组2ES6前往乌克兰试运行,测试期间,机车牵引着5200吨的货物列车顺利通过了喀尔巴阡山区的长大坡道,这里的最大坡度几乎是乌拉尔山区的两倍,测试结果非常令人满意,乌克兰铁路随即与乌厂签署了一份进口50组2ES10型机车的合同,并将乌克兰版本机车的绰号取为“斯维亚托戈尔(СВЯТОГОР)”,这是古代斯拉夫神话中一位力大无穷的山神的名字。2013年年底至2014年年初,乌厂制造了7组该型机车,并很快将前3组机车发往乌克兰。然而,乌克兰危机很快爆发,并且导致乌克兰铁路无法支付机车的款项,购买合同被迫取消,3组机车就在乌克兰的库皮扬斯克编组站停放了整整一个冬天,2014年3月,这些机车被运回乌厂,并全部改回了标准的俄罗斯版本机车。

乌厂内新造的2ES10“斯维亚托戈尔”机车,车身上的乌克兰国徽和乌克兰路徽十分醒目

2ES10S(2ЭС10С),2ES10的中间补机重联单节。为了继续增加“花岗岩”机车的牵引能力,使之在最困难的区段依然能够牵引超重型列车运行,所以乌厂进一步研发了不带司机室的补机单节,将补机单节编挂在2ES10中,组成三机重联机车,便可将机车的功率提高一倍半,达到13200千瓦,使其成为全俄功率最大的电力机车(超过了功率13120千瓦的4ES5K“叶尔马克”,但是略逊于株洲厂制造的14400千瓦的12轴神华号),也是全世界功率最大的直流牵引电力机车。值得注意的是,三机版本机车中,中间单节与两端单节的型号和编号都相互独立(例如:2ES10-122A+2ES10S-005+2ES10-122B),不过通常这种组合的机车还是被俗称为3ES10。中间单节的电气和机械部分与两端单节完全一致,主要区别在于未设司机室以及操纵设备,前后两端均为通过台,并且车顶也没有安装受电弓。首台2ES10S于2014年5月出厂,同年年底,乌厂开始全面量产加挂2ES10S的三机重联版本机车,双机版本的2ES10暂时停产。截至目前,至少制造了42组三机重联的“花岗岩”机车。

乌厂内新造的2ES10S中间补机单节

运行在斯维尔德洛夫斯克州,加挂了2ES10S中间补机单节的2ES10(俗称3ES10)

——设计:

2ES10“花岗岩”电力机车是目前俄罗斯最为先进的货运电力机车车型之一,由西纳拉集团旗下的乌拉尔机车和德国西门子联合研发,其中,如牵引逆变器、辅助逆变器、牵引电机、牵引齿轮箱等交流传动核心设备均由西门子提供,其余设备则是由上百家俄罗斯企业提供。

2ES10型电力机车外部设备总体布置示意图

2ES10型机车设计用于在额定电压为3千伏的直流供电区段牵引货物列车,接触网电压波动范围为2.2至4千伏,轨距为1520毫米,运用环境为温度-50至45摄氏度、海拔1200米以下。由于机车装用了先进的交流牵引电机,性能大幅提高,其功率比2ES6“西纳拉”机车提高了近三分之一,甚至可以完全替代两组老式的VL10或VL11系列机车。在坡度不大于10‰的山地区段,一组机车可以牵引重达6300吨的列车正常运行;若是在坡度不大于6‰的平原区段,甚至可以牵引重达9000吨的列车正常运行。机车(单节)基本参数:轴式B0-B0,整备重量100吨,轴重25吨,最大功率4400千瓦,轴功率1100千瓦,启动牵引力392千牛,持续牵引力285千牛,构造速度120千米/时,持续速度50千米/时,电阻制动功率2800千瓦,再生制动功率4200千瓦。此外,乌厂还研发了中间补机重联单节2ES10S,其性能参数均与普通ES10单节一致,不同之处在于机车的前后两端均为通过台,而未设司机室,车顶也未装受电弓,电能需由两端单节通过车顶母线进行传导。

2ES10型电力机车内部设备、转向架总体布置示意图

2ES10型机车的机械部分是基于2ES6型机车的既有平台研发的,大体构造与2ES6基本相同。由于交流传动机车功率增大,机车的结构强度相应进行了加强,车体、转向架也依照德意志朋友的交流牵引设备做出了一些修改。司机室外壳为合成材料制成,并全部应用模块化设计,完全符合人体工程和卫生标准,可以为司机提供更加舒适的工作环境。

乌厂内尚未组装的合成材料司机室外壳

2ES10型机车的司机室,继承了2ES6的设计,颇为现代化

2ES10型机车的机械间

2ES10型机车的电气部分采用了IGBT晶体管模块牵引逆变器和交流牵引电机,使得机车的功率大大增加,并且延长了机车的修程,简化了日常整备。逆变器向1TB2822型大功率异步牵引电机提供调压调频的交流电,并在再生制动模式下进行反向整流,将牵引电机发出的交流电整流成直流电,返送回接触网。机车还实现了轴功率的单独调节,可以最有效地利用机车功率,在很大程度上避免发生空转。此外,机车的辅助设备、通风设备以及照明设备也都经过现代化改进,更加节能环保。作为毛子的货运机车,重联控制系统显然也是标配,可以使机车以单节(半组)、双节(一组)、三节(一组半)等多种形式任意组合,灵活运用。

运行在列宁格勒州的2ES10

运行在新西伯利亚州的2ES10

运行在斯维尔德洛夫斯克州的2ES10

2ES10型机车的微机部分采用了俄罗斯最先进的МПСУД微机控制和诊断系统,对机车的所有设备进行实时控制、管理和诊断,并将各种数据通过专用的无线通信网络传输至调度中心和检修中心的服务器,还可以通过GPS或格洛纳斯卫星定位系统进行不间断地定位。微机系统还具备多种运行模式:在自动驾驶模式下,可以根据给定的运行时刻和线路参数自动控制列车运行;在重联模式下,可以在一间司机室控制所有重联机车;在调车模式下,可以自动将机车维持在较低的速度运行。

运行在斯维尔德洛夫斯克州茫茫林海雪原中的2ES10

运行在斯维尔德洛夫斯克州的道口安全宣传涂装2ES10

运行在彼尔姆边疆区的2ES10

——运用:

2011年10月,机车完成测试后回到它的老家附近,配属到斯维尔德洛夫斯克局的彼尔姆编组机务段。经过一段时间的运行后,因其舒适的工作环境、简便的操纵方法、良好的牵引性能、经济的运用成本,受到了司机们和机务部门的高度评价,机车很快开始正式量产。量产初期的机车也全部配属彼尔姆,在西伯利亚大铁路的巴列季诺—彼尔姆—叶卡捷琳堡—沃伊诺夫卡(秋明)区段,以及叶卡捷琳堡—德鲁日尼诺区段牵引重达6300至7000吨的货物列车,而且这些列车在通过乌拉尔山区的困难区段时无需再重新解编,大大提高了运输效率。2015年,随着加挂2ES10S的三机版本“花岗岩”机车配属斯维尔德洛夫斯克编组机务段,西伯利亚大铁路的上述区段得以将货物列车进一步增重至9000吨,并且在今后将继续增加9000吨级列车的趟数,与此同时,所有双机版本的2ES10电力机车也都从彼尔姆集中转配到这里。截至目前,至少有60余组2ES10,以及全部的42组3ES10(加挂2ES10S的2ES10)配属于斯维尔德洛夫斯克编组机务段。

运行在斯维尔德洛夫斯克州的2ES10,该型机车已经成为了这里的货运主力

运行在彼尔姆边疆区的2ES10

运行在乌德穆尔特共和国,加挂了2ES10S中间补机单节的2ES10(俗称3ES10)

西西伯利亚局的别洛沃机务段从2013年8月开始配属2ES10,随着最为先进的“花岗岩”机车的到来,老旧的VL10系列机车逐步退役,而之前运用的ES4K“顿河马”系列机车则陆续被转配至十月局。2ES10在这里以别洛沃为中心,运用于别洛沃—因斯卡亚(新西伯利亚);别洛沃—新库兹涅茨克—梅日杜列琴斯克及其支线新库兹涅茨克—塔什塔戈尔;别洛沃—克麦罗沃—马林斯克等区段,此外还在西伯利亚大铁路的因斯卡亚(新西伯利亚)—马林斯克区段运行。初期主要牵引6000至6500吨重的煤炭列车,后期通过增设牵引变电站和扩大接触网导线的横截面等技术改造,使列车重量增加至7100吨。截至目前,至少有40余组2ES10配属于别洛沃机务段。

运行在克麦罗沃州的2ES10

运行在新西伯利亚州的2ES10

运行在新西伯利亚州的2ES10

南乌拉尔局的车里雅宾斯克机务段从2014年1月开始陆续接收了15组2ES10,并在其管内乌拉尔山区最困难的车里雅宾斯克—兹拉托乌斯特—科罗帕秋沃区段测试运行。他们计划将这一区段的货物列车增重至7100吨,然而,机车的表现并不如意,由于轴功率过大,机车出现了黏着不足的现象,但要是运用3ES10的话又会过于浪费功率,所以南乌拉尔局最终决定在这一区段使用两组(四节)直流传动的2ES6“西纳拉”机车重联牵引列车,以便更加合理的利用机车功率和黏着力。2014年12月,车里雅宾斯克机务段的2ES10被转配给了斯维尔德洛夫斯克局和西西伯利亚局。

运行在车里雅宾斯克州的2ES10

十月局的沃尔霍夫机务段于2018年7月配属了两组来自斯维尔德洛夫斯克局的2ES10。同年8月,一组2ES10在巴巴耶沃—圣彼得堡枢纽—卢日斯卡亚之间500公里的区段成功担当了一列重达12018吨的货物列车的牵引任务,在此之前,该区段运行的12000吨级的重载列车,都是通过两列普通列车组合成单元式列车的方式开行。

运行在列宁格勒州的2ES10

除了上述铁路局外,非俄铁的路外企业——磷灰石(АПАТИТ)矿业公司也购买了2ES10“花岗岩”机车。机车在摩尔曼斯克州的阿帕季特和基洛夫斯克地区运用,这里气候酷寒,机车需要牵引3800吨的矿石列车翻越30‰的巨大坡道。2012年,在顺利通过这里的测试后,磷灰石公司决定购买一批该型机车,用以替换老旧且效率较低的VL10系列机车,然而由于受到经济危机的影响,购买计划被迫延迟,目前已经交付2组机车,并且该公司依然计划在未来继续够劲2ES10,以全部替换掉旧型机车。值得一提的是,磷灰石公司的“花岗岩”机车采用了与众不同的更加鲜亮的涂装,令人印象深刻。

磷灰石矿业公司的自备2ES10-222机车,采用了与众不同的鲜亮涂装,这种涂装在一定程度上借鉴了原本计划出口乌克兰的2ES10“斯维亚托戈尔”机车

磷灰石矿业公司自备的2ES10-223机车,牵引自卸式矿车运行在摩尔曼斯克州

ES10“花岗岩”系列作为俄罗斯目前最为先进的货运机车之一,还分别于2011、2012、2013、2015、2017年参加了在莫斯科州谢尔宾卡的全俄铁科院环铁举办的1520博览会。

参加1520博览会的俄铁交流传动机车两大代表车型——货运机车2ES10、客运机车EP20

虽然受到了广泛好评,但是机车在运用中也暴露出了一些问题,特别是德意志朋友提供的设备,在俄罗斯出现了一些水土不服(希特勒的怨念?),为了确认并消除一些疑难故障,西门子的德国工程师还多次亲自来到乌厂。另外,前期制造的机车装用了乌克兰企业提供的轮对,但是这种轮对经常出现裂纹,严重危及行车安全,后期改用了俄制轮对(怕是不改也不行了)。还有许多常见问题,比如在冬季低温条件下,机车的空压机经常冻结,橡胶部件也会失去弹性,轮缘润滑装置也经常失效等等。最终,在经过了大大小小60余次的设计修改后,机车的大部分问题获得解决,可靠性得到了保证。

运行在新西伯利亚州的2ES10

运行在斯维尔德洛夫斯克州,加挂了2ES10S中间补机单节的2ES10(俗称3ES10)

运行在斯维尔德洛夫斯克州的胜利日涂装2ES10

下篇将简要介绍其余几种尚未投入量产或者已经中止研发的交流传动货运机车型号(ES5、ES7、EV120、ES5S系列),敬请期待!

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