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。首台ICE-1型電聯車的動車組動車也是基於120型的技術在1980年代中期研發成功。
基本介紹
- 中文名：德國聯邦鐵路120型電力機車
- 德語名：DB-Baureihe 120
發展歷史,構造,電氣設備,制動系統,駕駛室,安全設備,塗裝,
發展歷史
120型機車是依靠三相異步電動機進行傳動，從鐵道技術的角度來看，它與單相串勵電動機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。電動機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年起投入試運營的亨舍爾DE2500型柴油機車。這些機車的其中一台（202 002號）被移除了柴油發動機和發電機，並附掛有一節BDnrf型控制車。控制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受電弓。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型機車來實現這一目標。但交流傳動技術在當時仍無法套用，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'軸式的120型電力機車的研發契約最終在1976年面世。獲得該契約的是個聯合集團，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台機車的實際運營結論也被納入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，並在紐倫堡編組場車輛段進行實踐測試。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”，並相繼套用至240型柴油機車、628型柴聯車和x-型車廂控制車之中。
1980年8月13日，120 002號機車在漢諾瓦-漢堡鐵路的策勒至烏埃爾岑區間的運行速度達到231公里/小時，創造了三相電車輛的新世界紀錄。
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
號機車牽引著載荷為250噸重的特別列車，在奧格斯堡至多瑙沃特區間的運行速度達到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。其最高速度是在運行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行。作為德國聯邦鐵路和法國國家鐵路合作項目的一部分，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電動機，所以最高運行速度應當高達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。
在為期四年的運轉試驗中，5台試產機車的運行里程共達到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
經過四年的運轉試驗後，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台的購置計畫。他解除了採購協定中的選擇權——原本除了36台機車按計畫交付外還有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動，因為再生制動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車間使用。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畫，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行時的牽引力更低。
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
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運營已達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列車的盤式制動器、整體集成傳動單元，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運營，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常規服務。120 003號機車由紐倫堡交通博物館持有，它目前（2011年）停放於奧格斯堡鐵路公園。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號機車被租借至了魏瑪鐵道博物館，只有752 004號機車作為最後一台仍在運營的機車，由慕尼黑的德鐵系統技術用作試驗運行。2011年10月，它也從德鐵系統技術的運行中退役。自2012年6月起，這台機車可以在科布倫茨德國鐵路博物館內找到。
量產120.1型120型機車牽引漢諾瓦-維爾茨堡高速鐵路開通後的首班定期客運列車前往維爾茨堡
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月建成通車的漢諾瓦-維爾茨堡高速鐵路的維爾茨堡-富爾達南段，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運營。
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年達到一個運營小高峰。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。
最先從服務運營中退役的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，它們又重返服務運營。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，目前已於德紹維修車間完成拆解。截至2011年1月，仍有49台120.1型機車處於運營狀態。
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。這條線路也是“波羅的海沿岸（Ostseeküste）”網路的一部分。
至2010年底，再有三台機車使用新的運營編號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威州公司），並駐紮在亞琛。它們主要被用做牽引北威州的萊茵-錫根快車。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台亞琛機車也相繼移交羅斯托克使用。在2013年春季，120 207號和208號機車已經返回亞琛使用，而120 206號機車則仍由羅斯托克支配。
改型120.5型120 502號機車牽引軌道測量列車
120 153號和120 160號機車在2005年初被售予德鐵系統技術，並在紐倫堡車間進行了IS 703號徹底大修。它們使用不同的運營編號，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行。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，並計畫重定型為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運營。
將121型作為120型機車後續型號的計畫並沒有實現，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，高速動車組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）。
120.2型的重編號
| 120.2型的重編號 | |
|---|---|
原編號 | 新編號 |
120 116-9 | 120 201-9 |
120 129-2 | 120 202-7 |
120 107-8 | 120 203-5 |
120 128-4 | 120 204-3 |
120 121-9 | 120 205-0 |
120 117-7 | 120 206-8 |
120 136-7 | 120 207-6 |
120 139-1 | 120 208-4 |
構造
電氣設備
在主變壓器的4個獨立的次級繞組背後，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。每個次級繞組均被連線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
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電動機。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。脈衝逆變器由中間迴路饋入，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）用於牽引電動機。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。異步驅動的脈衝逆變器可將上限為200赫茲的循環頻率轉化為20赫茲的電動機頻率。高於20赫茲時則可使用同步循環的方式以避免電動機電流發生拍頻。由於四象限整流器和脈衝逆變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動：脈衝逆變器將電動機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，並反饋至接觸網。
120 143號機車於德勒斯登
車頂上設有兩副SBS 80型單臂受電弓。這是根據原來的單臂受電弓型號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90千克的構造也比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，這使得機械艙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質量更強的結構。轉向架採用傳統的樞軸構造。驅動器的二系懸掛被靈活浮動的螺旋彈簧所取代，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，牽引電動機的重量也完全由轉向架緩解。
120型機車在輔助運行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行進行控制。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繞組進行傳輸。1號和2號HBU負責分別供應每副轉向架上的兩台牽引電動機，並每個都配備關聯的變壓器油冷散熱裝置。電動機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行超出數值上限，機車則會發出牽引力閉鎖。
制動系統
機車的制動裝置除了電子制動器外，還有一個連續性的、間接作用的KE-GPR型空氣制動器作為輔助制動使用。在機車制動時通常只啟動電子制動，空氣制動僅在電子制動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動並不會隨著車輛速度的遞減而降低制動力，但電子制動則可以依靠交流傳統技術將全部性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“清潔制動器”（Putzbremse），這是通過電子制動運行的閘瓦式制動器，可提供0.25巴的制動缸壓力。它通過對輪軸表面進行粗糙化處理，從而改善牽引力及制動力效果。停車制動則通過一個彈簧制動器實現。
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線路中運行。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線狀列車控制裝置（LZB）、車載無線電設備GSM-R以及自動駕駛及制動控制系統外，120型機車還配備有列車電空制動和架橋緊急制動（NBÜ，可使緊急制動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限速（EBuLa）的電腦裝置。所有機車在交付時均搭載了用於列車控制車的多單元列車控制系統系統。其包含了首次套用的複合時刻動力集中式列車控制設備（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控制車達到200公里/小時的機車。試產機車則仍然搭載傳統的動力集中式列車控制系統（KWS），它們允許用作驅動動力集中式列車運行，例如n-型車廂。
塗裝
前5台試產機車120.0型在1979年交付時採用紫紅色/米色的全歐快車塗裝方案。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（RAL3031），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年被德鐵系統技術漆以相匹配的黃色塗裝。
