德國鐵路101型電力機車
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德國鐵路101型電力機車（德語：DB-Baureihe 101）是德國鐵路使用的一款高效多用途三相交流傳動電力機車的型號。它們是在1990年代中期，作為當時運行已超過25年的103型電力機車的替代者，由Adtranz委託共計生產了145台。與此同時，101型機車也取代了103型機車成為德鐵長途運輸的法定牽引機車，並在日常的運營中得到證明[來源請求]；然而德國高速鐵路交通的標誌性車型卻已由103型轉變為ICE列車。
| 101型電力機車 | |
|---|---|
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| 概覽 | |
| 類型 | 電力機車 |
| 生產商 | ADtranz |
| 序列編號 | 101 001–145 |
| 生產年份 | 1996–1999 |
| 產量 | 145 |
| 技術數據 | |
| AAR軸式 | B-B |
| UIC軸式 | Bo'Bo' |
| 軌距 | 1,435毫米（4英尺8 1⁄2英寸） |
| 軸重 | 21.7噸 |
| 軸距 | 2,650毫米 |
| 機車長度 | 19,100毫米 |
| 整備重量 | 83噸 |
| 受流電壓 | 15千伏16⅔赫茲交流電高架電纜 |
| 受流方式 | 受電弓 |
| 最高速度 | 220公里/小時 |
| 牽引功率 | 6,400千瓦 |
| 牽引力 | 300千牛 |
| 列車制動 | KE-GPR、再生制動 |
| 安全系統 | Sifa、LZB、PZB、ETCS |
此外，來自美國新澤西公共交通公司的ALP-46型電力機車也是基於101型機車的平台製造，但其車體設計卻是源自龐巴迪TRAXX。
歷史 編輯
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1990年代初，用於牽引重載和快速城際列車服務的103型機車開始逐漸力不從心。尤其是多年來長期牽引大編組、兩艙車廂等級的城際列車，以及每年高達35萬公里的運行里程使得103型機車的營運能力達到極限。而德國鐵路在推行「德鐵90」（DB 90）計劃後，試圖以損耗運行降低運營成本，這也加劇了機車變流器、牽引電機及轉向架框架的損壞。德國鐵路亟需在短期內完成新式機車的替換，因為兩德統一後，高速鐵路網絡開始向東部州份擴張，儘管ICE列車已經逐步交付使用，但高速電力機車仍然缺乏。
為此，德國鐵路在1991年開始向各鐵路製造商徵求新的高性能機車方案，代號是121型。新型號使用三相交流電，輸出功率6000千瓦，最高速度為200km/h。但是提交的方案價格過高，而且由於德國鐵路內部部門的分化，這樣一款全能型的機車便顯得不再必要了。1993年12月，第二輪面向全歐洲的招標開始了。由於此次招標給與了各廠商相當大的自由空間，所以提交上來的型號有多達30餘種，輸出功率從5000千瓦至6000千瓦不等，也有採用單側駕駛室的設計（類似於意大利E464型電力機車）。一些非德國廠商，如斯柯達、阿爾斯通等很快退出了競爭，因為過去的基於原型進行修改的設計製造模式已經不再符合德國鐵路的要求。而德國國內廠商如西門子、AEG和ABB亨舍爾等所提倡的模塊化製造模式開始引起關注。根據這種思路，生產廠商可以根據用戶的需要使用不同的模塊，進而製造出適應不同需求的機車。
此時，西門子及克勞斯-瑪菲聯合開發的歐洲短跑手127型001號機車已在軌道上初具雛形；AEG也利用自身的軌道車輛技術迅速研發出可供行駛的展示樣車——AEG12X，並在隨後定型為128型001號機車。ABB亨舍爾則沒有現代化版本的樣車，它們僅有一個名為Eco2000的概念在兩台運營已達15年的交流傳動機車120型機車上進行技術演示，並將這兩台機車轉換為測試車輛。
由於Eco2000的元件開發是基於兩台前期生產的120型機車，因此ABB在1992年對120 004號和005號機車進行改造，使得新技術得以在實際運用中進行測試。其中120 005號機車搭載了基於可關斷晶閘管技術的新式變流器及全新的電子控制設備；120 004號機車則使用了由ICE列車改裝的轉向架，以及此後運用於101型機車主變壓器中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運營，並在長距離的牽引工作中從未發生故障。
1994年，德國鐵路決定將新式101型機車的採購訂單授予ABB亨舍爾。其它製造商則獲得了根據它們各自的原型車開發出145型機車（AEG）和152型機車（西門子/克勞斯-瑪菲）的訂單。由於此時ICE列車已在短短的幾年內完全取代了長途客運的任務，因此101型機車也可用於快速貨運列車的牽引任務（例如時速達160km/h的國際貨列）。
101 003號機車作為首台機車在1996年夏天出廠。它與另外同型號的前三台機車一樣，仍舊採用鮮紅（RAL 3031）的配色方案。而在此後交付的機車中則已改用標準的交通紅（RAL 2020）塗裝。同時，由於ABB亨舍爾已與AEG合併為新的公司Adtranz，使得機車車體有部分在黑尼格斯多夫生產、部分在卡塞爾生產。由黑尼格斯多夫焊接的車體會通過平板運輸車經由高速公路運送至卡塞爾，並在那裡裝配由弗羅茨瓦夫生產的底盤後，最終完成出廠配置。全部145台機車均配屬漢堡埃德爾斯特德機務段。
在2000年6月2日發生的布呂爾鐵路事故中，一台101 092號機車因超速而脫軌撞向路邊的一幢房子，隨後機車被拆解。至2001年5月底，德國鐵路決定重新製造這台機車[1]。
在2003年初，由於101型機車出現的高故障率狀況使其部分牽引任務被103型機車和120型機車接管。過多的小尺寸傳動設備被認為是造成許多101型機車故障的主要原因[2]。時至今日，這一型號的機車已被發現有3處缺點：
- 變流器設備未作適當屏蔽，使其會對調度無線電通話造成干擾
- 牽引電機的轉速傳感器被證實為太弱（隨着時間的推移，這一問題已得到修復）
- 變壓器的一些特定組件容易損壞，使其無法在固定的工作時間表內完成正常運營
車體 編輯
與其它所有德國鐵路的新造機車一樣，101型機車首次採用了寬體、斜面的前端設計。同時基於成本考量，機車車體也必須儘量精簡。因此，它與採用多元化弧形前端設計的103型機車區別較大。進一步升級機車前端已經沒有太大意義，因為個體機車與車輛之間的距離已在不斷增加。尖銳的前端設計還有一個好處，它可在運行中迅速抵消由湍流帶來的風阻。
101型機車的駕駛室側窗被設計成一個可旋轉的滑動窗口，因此避免了使用經常容易生鏽的窗槽。製造商還在側窗頂部設置了相搭配的黑化模糊玻璃。駕駛台的設置與120型機車和ICE-1列車類似，都是集中安裝在右側。這種駕駛台的設置可以節省一面昂貴的全副擋風玻璃。
101型機車的另一個特點是轉向架保護罩。它們按車架長度的覆蓋範圍被縱向安裝在車輪軸承上方。
為了達成底盤的支撐結構，由黑尼格斯多夫生產的車體框架與Adtranz弗羅茨瓦夫工廠生產的底盤通過C型材緊密的焊接在一起。對於機車前部，製造商則採用箱型結構焊接。機車前端的緩衝器抗壓設計高達1000千牛，擋風玻璃下方的部位也可承受700千牛的啟動負荷。機車前輪的擋板厚度為8毫米，其它前側外殼和底板的厚度則分別為4毫米和3毫米。側壁的框架是按區域垂直排列，覆蓋面的外殼則採用3毫米厚的板材。車頂為鋁金屬構造，其框架由三條5至6毫米厚的桁架焊接而成。斜頂面板和通風格柵作為車頂的一部分可以被移除。
轉向架 編輯
Adtranz和亨舍爾想要為101型機車開發一款可提供最大靈活性的的轉向架。因此其設計直接衍生自ICE列車中時速高達250km/h的轉向架，儘管101型機車的最高限速僅為220km/h。它同時也可與使用其它軌距的輪對相兼容。此外，這款轉向架還可以像瑞士聯邦鐵路Re460型電力機車一樣對轉軸進行徑向調節，但德國鐵路始終沒有使用這項功能。
這款轉向架設有一個無相交的樞軸銷，轉向架與機車之間通過連杆實現傳動。轉向架使用箱形截面焊接。螺旋彈簧置於轉向架上方，使得轉向架構架稍微向下彎曲。每組轉向架的4個螺旋彈簧負責控制垂直的彈簧行程。壓縮空氣設備和制動鉗作為頂部支撐置於螺旋彈簧上方。頂部支撐的內部則搭載有大量的連杆銷。連杆通過低位鉸接將產生一個作用點，它離軌道上緣僅有約150毫米。轉向架構架還有一個車架橫梁的螺紋連接設備，它作為裝置輔助工具使用，可在車體懸掛的動力裝置中轉動。電機通過轉向架頂部支撐的擺件相連。轉向架的水平位完全無需承載動力裝置，後者40%的重量由轉向架的垂直部承載，其餘60%的重量則由車體彈簧承載，進而達到最輕化懸掛質量的研發目的。
101型機車轉向架的輪對間距為2650毫米，比3000毫米的ICE列車輪對間距更低。這一減低可使機車通過更窄的軌道半徑。101型機車還使用比ICE列車直徑更大的輪對（101型：1250毫米；ICE列車：1040毫米）。緊湊型的轉向架可以降低機車車體與轉向架之間的相對運動，電導線可以從電機外部的通風設備中引出，進而實現簡化安裝和延長使用壽命的目的。
傳動 編輯
傳動機組 編輯
德國鐵路要求的電動機和變速器規格為連續運行200萬公里無故障。這使得101型機車的電動機和變速器需要進行重新設計，因為原120.1型機車並不能滿足這項要求。ABB開發出了整體集成傳動單元（Integrierten Gesamtantrieb，簡稱IGA）。在IGA中，內置於齒輪箱的小齒輪傳動架被直接安裝在電動機上。這種結構還可使中間齒輪也內置於齒輪箱中。漏油的風險則通過避免對軸承支撐架進行分工設置來降低。
由中間齒輪產生的傳動力矩會首先通過一個橡膠萬向接頭，再經由空心軸輸送至與車輪相對應的6個緊密螺栓。傳動齒輪比的設計為3.95:1。傳動電機自身轉軸的轉數最高可達每分鐘3940轉，並隨着車輪的摩擦可提供220km/h的最高速度。傳動機組中的中間齒輪在電動機與空心軸之間形成有足夠的距離，以便可以在空心軸上安裝盤式制動，這也是因為車架橫梁和樞軸銷之間的制動盤安裝空間不足。
盤式制動器是分立和內通風的。它可以從下方被直接替換而無需拆除空心軸。機車制動主要是採用電阻制動。但它同樣可以使用再生制動，即將電動機轉化為發電機使用。盤式制動器和再生制動之間的相互作用由制動電腦控制。每個車輪都有其自身的制動缸，而每個車輪的制動缸則使用彈力制動。
牽引電動機不設殼體。定子組件被集成在牽引設備和印壓板材之中。它們組成了一個類似的外部構造，因此殼體是多餘的。冷卻氣體通過管道和散熱孔流通。轉子組件使用硅鋼，也被集成在板材內。銅質的轉子導條則被楔入板材疊片的插槽中，並通過鉚接固定。
變壓器機組 編輯
101型機車使用的是重達13噸的大功率變壓器機組，它也被運用於其它前期生產的德國電力機車上，但其冷卻劑使用的材料為多元醇酯。變壓器被懸掛在車體的底部，進而使得機艙可以非常整潔。變壓器的大多數組件都可以從機艙過道中取出。
德國鐵路要求機車的總能量轉換效率達到85%以上，而此前的交流傳動機車通常只能達到80-83%。因此對變壓器尤其是變流器進行優化變得十分必要。德國鐵路曾計算，單台機車在運行中每增加一個百分點的能量轉換效率，即可節省50萬馬克的能源消耗成本。能量轉換效率的增加還得益於101型機車對絕緣柵雙極晶體管（IGBT）作為輔助變流器的使用。
變壓器設有4個次級感應線圈用於牽引動力，並有1個加熱線圈、1個濾波線圈和2個315伏線圈用於輔助運作。其中一個線圈為變頻器供電，再向機車的30台輔助運作設備輸送交流電；當中包括空氣壓縮機、變流器冷卻機、4台牽引電動機風機和2台變壓器冷卻機，以及泵機和冷卻扇。其它的輔助線圈則為駕駛室取暖及蓄電池充電器供電。
牽引電流 編輯
101型機車可以單獨調節每個牽引電動機的牽引力。這使得所有的輪對在任何情況下的摩擦值都可以得到最有效利用。輪對調節則提供了另外的優勢，機車在傳動總成損壞的情況下仍可按正常值75%的牽引功率繼續運行。而通過轉向架調節只能達到正常值50%的牽引功率。
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變壓器中的4個牽引力線圈均分別與牽引變頻器相連，它們包括以下組件：四象限整流器、直流電壓中間迴路和脈衝逆變器。其中四象限整流器和脈衝逆變器均採用通用型的變流器模塊。每個模塊都包含功率半導體器件和布線保護裝置。變流器的可關斷晶閘管由脈衝控制，並通過推力控制器的光纖進行傳導。半導體及變壓器通過多元醇酯冷卻。中間迴路為陷波器結構，它被調節至電網頻率的兩倍大小至33.4赫茲，用作平息由單相電氣化鐵路網供給的脈衝功率。
在機車運行時，來自架空電纜的電能將通過機車頂部的DSA-350 SEK型受電弓（德國斯特曼公司製造）進行接收，並通過主變壓器原線圈中的主斷路器和電流互感器導入，再來到4個次級線圈（對應每個牽引電動機）中。在這裡，每個線圈的所附帶的交流電壓將輸入四象限整流器，經過整流後再導入直流電壓中間迴路。脈衝逆變器則將來自中間迴路的直流電壓轉化為變頻傳動的三相交流電壓，進而啟動異步牽引電動機。
在制動模式中，牽引電動機將作為發電機運作，並將交流電輸入脈衝逆變器。脈衝逆變器此時又作為整流器運作，隨後四象限整流器將直流電壓轉換為交流電壓，再通過變壓器將電流輸送至電網。
牽引變流器被設置在機艙的中部，過道的左側和右側各有一個。
軟件 編輯
防滑轉及AFB系統 編輯
101型機車配備有自動化駕駛及制動操縱系統（簡稱AFB），它支持火車司機進行恆定車速設置。
機車還擁有一具超級防滑轉調節系統。與常規的防滑轉調節系統相比，它可以防止任何形式的滑轉，超級防滑轉調節系統使得車輛速率與輪周速率間存在一定的宏觀差異，這便是所謂的超級防滑轉。因此，車輪和軌道之間的最大附着力可以得到利用。由於超級防滑轉調節系統需要調用非常精確的數據，因此機車均安裝了速度測量雷達。而在此期間，超級防滑轉調節系統已被證明在沒有雷達的情況下也能運作。
控制技術及診斷 編輯
101型機車採用與ICE列車相同的牽引力控制系統，這是由ABB特別開發的「MICAS S」16位元計算機控制系統。作為多處理計算機系統，MICAS S主要負責以下功能：機車性能、上級列車控制以及動力控制的周邊管理（微機）。
車輛的操縱、監控和診斷由一個數據總線系統控制（車載電腦）。與120型機車相比，其布線量顯著減少。總線系統的線路大部分內置於機車側壁中。中央控制單元（Zentrale Steuergerät，簡稱ZSG）是這個車載電腦的核心，它被集成了兩套以備不時之需。所有的信息通過MICAS S或DAVID系統進行採集，再傳送至ZSG。任何關於機車重要功能的指令均需要通過ZSG啟動。
ZSG有4組計算機負責處理車輛和列車控制系統。它們同時還對列車緊急停止裝置和機車駕駛進行監控，並可對車輛進行故障診斷。在這一級別的控制系統還包括連掛列車時刻複合顯示屏（ZMS）和動力集中式/雙層列車複合顯示頻控制系統（ZWS/ZDS）。
101型機車使用LZB 80或PZB 90作為列車保護系統。101 140號至101 144號機車則使用歐洲通用的ETCS並順利通過測試，因此所有其它同型號的機車均在2001年中以前配備了ETCS系統[3]。
101型機車搭載的DAVID診斷系統是從ICE列車進一步發展而來。因此維修中心可以通過這套診斷系統隨時查詢每台機車的故障信息，而無需依賴鐵路線上的特定地點。如此便可及時對接下來的檢查和工作周期做好準備，並縮短機車的維修停留時間。相比之下，ICE列車的診斷資料卻只能在鐵路網中的特定地點獲取。維護裝置則可對即將發生或已存在的故障信息獲取更為精確的數據，並協助火車司機對誤差進行修正。它顯示的內容包括機車本身存在的或僅由火車司機要求的故障信息。
運用 編輯
| 線路坡度在3‰以內的性能參數 | ||
|---|---|---|
| 列車重量 | 速度 | 列車類別 |
| 500噸 | 220公里/小時 | 城際列車 |
| 600噸 | 200公里/小時 | 城際列車 |
| 800噸 | 160公里/小時 | 行包城際列車 |
| 1200噸 | 120公里/小時 | 貨際列車 |
| 2200噸 | 100公里/小時 | 混編貨運列車 |
101型機車全數配屬漢堡埃德爾斯特德機務段。在1997年的夏季運行圖中，首台101型機車參與了為期十天循環運營使用。最初，新造的101型機車取代了111型機車，在漢堡－康斯坦茨的線路中擔當重載區際列車牽引任務。至1997年的冬季運行圖中，已有21台101型機車接替了103型機車的運行，這一數量還在同年末增加至60台。101型機車的生產交付一直延續到1999年夏天，直至該系列的最後一台機車從卡塞爾的亨舍爾工廠出廠。
從1999年至2004年，兩台採用銀色塗裝的101 130號和131號機車以及兩台採用交通紅色塗裝的101 124號和126號備用機車被運用至大都會快車（MET）[4]。這四台機車作為動力分散式列車的牽引機車，搭載了MET總線（絞線式列車總線），並在每個駕駛室配備一個額外的車載電腦。它可同時獲取機車及控制車的數據，並對列車車廂進行遠端控制。
在夜間及周末，101型機車大多用於貨運列車的牽引任務，例如的德鐵辛克鐵路旗下時速可達160km/h的行包城際列車。德鐵長途運輸亦同意在長途客運完全轉變為動力分散式列車運營後，可將101型機車全數交付德鐵辛克鐵路。而隨着慕尼黑-紐倫堡快車的開行，101型機車也可用於區域快車服務。
與此同時，101型機車已經證明了自身是德國鐵路在長途客運中最為重要的機車。雖然101型機車在大多時候的牽引速度不及103型機車[5]，但它在困難摩擦條件下啟動的防滑轉調節系統可為每個輪對有選擇性的提供扭力調節，進而達到比103型機車更高的運營效益。
實驗及探索 編輯
101 047號機車在2009年12月裝配了LED車頭燈和車頭燈加熱設備。這台實驗機車是為了測試對所有同型號機車進行轉換是否具備經濟性。採用國際鐵路聯盟（UIC）車頭燈規格的LED技術此前已被運用於其它型號的新造機車，而101型機車配備的是新式的暖白色LED，它代表了LED技術的現行最高標準。另一項通過LED實現的新功能是遠光燈照明，這也是在全球軌道車輛技術中的首次應用。因此即便是在低溫冰雪的極端氣候條件下，這款配備溫度調節的機車頭燈仍可保持可見狀態[6]。
車體廣告 編輯
由於車身側面平滑，且運行路線遍布全德國，101型機車也成為了一個流動的廣告媒介。在新車剛交付不久，首台101 001號機車便被漆上音樂劇《星光快車》的廣告塗裝，隨後拜耳、德國農業中央銷售公司、巴登-符騰堡州政府、各大航空公司以及曼海姆鷹冰球隊等都跟風而上，在該型機車上塗裝廣告。德國鐵路也在機車上刊登自身新定價體系的廣告。
這些廣告並不是直接在車體上進行噴漆，而是先列印在塑料鍍膜上，隨後再粘貼至車體。截至2006年年中，101型機車已經使用過約200種廣告塗裝，其中大多是採用相同的鍍膜方式粘貼。
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101型092號事故 編輯
2000年2月6日，一台101 092號機車執行由阿姆斯特丹至巴塞爾的D203次快速列車牽引任務。列車在行駛至德國-荷蘭邊境車站埃默里希時更換了司機。
列車在駛離科隆不久後，司機根據信號將車速降低到60km/h。當時D203次所行駛的線路上正在進行線路維修，列車經過幾次轉轍，進入左側軌道行駛。此後司機按照規章加速到130km/h（亦為區間限速）。隨後D203次以大約100公里的時速通過了布呂爾車站的進站信號燈。司機隨即接到停車指令，開始減速。該信號要求列車以40km的時速進入車站。然而，在通過信號燈後，駕駛員曾進行短暫的加速，並以120km的時速經過了下一個道岔（限速40），隨即出軌。機車駛離了線路及路基、撞進了一棟路邊的房子，亦有數節車廂脫軌，有的插進了車站的站房。此次事故共造成9人死亡，149人受傷。
起初輿論普遍指責D203次列車缺乏經驗的年輕司機（時年28歲）。而後，人們開始注意司機之外的因素。早就有過駕駛員抱怨布呂爾車站信號混亂，易使人誤解。事故發生時車站確有120公里限速的信號，但這一信號實際上是適用於對面線路的。但即使如此，該列車司機也犯下了一個重大的錯誤，那就是他應該發現40公里限速信號是先於其他信號的，如果他僅按照這一信號行車，那麼一切便會安然無恙了。事後，司機和3名德國鐵路員工因為玩忽職守致人死亡而被起訴。司機被認定忽視信號，錯誤操作。而三名德鐵員工的罪名則是忽視自動超速警示系統，而非發送錯誤指令。
注釋 編輯
- ^ （德文）Aktuelles in Kürze. Eisenbahn-Revue International (Luzern). 2001, (Heft 7): 292頁. ISSN 1421-2811.
- ^ （德文）Angespannte Lage bei BR 101. Eisenbahn-Revue International (Luzern). 2003, (Heft 5): 195頁. ISSN 1421-2811.
- ^ （德文）Aktuelles in Kürze. Eisenbahn-Revue International (Luzern). 2001, (Heft 7): 293頁. ISSN 1421-2811.
- ^ （德文）Baureihe 101 – Liste aller Werbeloks (PDF). aureihe101.de. 2005-04-25 [2013-11-23]. （原始內容存檔 (PDF)於2013-12-02）.
- ^ （德文）Andreas Steimel. Elektrische Triebfahrzeuge und ihre Energieversorgung. Oldenburg: Industrieverlag. 2006. ISBN 3-8356-3090-3.
- ^ （德文）Tf Aktuell. DB Bahn (Berlin). 2009: 2頁.
參考資料 編輯
- （德文）Karl Gerhard Baur. Baureihe 101 – Die neuen Lokomotiv-Stars der Deutschen Bahn. München: GeraMond. 1999. ISBN 3-932785-43-6.
- （德文）Karl Gerhard Baur. Im Führerstand. Baureihe 101. Lok-Magazin (München: GeraNova). 2002, Jg. 41 (244): 60–62. ISSN 0458-1822.
- （德文）Wolfgang Klee. Die Hochleistungs-Universal-Loks der BR 101. EisenbahnJournal (München). 2001, 1: 22–39. ISSN 0720-051X.
外部連結 編輯
