基本介紹
發展歷史,開發背景,機車研製,生產批次,運用歷史,早期試驗,橫輕對策,投入運用,國鐵末期,國鐵民營化後,技術特點,總體布置,電氣系統,制動系統,協調運轉,通信設備,轉向架,車輛保存,
發展歷史
開發背景
碓冰嶺位於日本群馬縣橫川和長野縣輕井澤之間，分隔開東側的信越地方和西側的關東地方，亦是信越本線的其中一個重要部分。早於明治時代，建設一條翻越碓冰嶺的鐵路已經受到鐵道部門的重視。1885年，上野至橫川的鐵路通車；1888年，輕井澤至直江津的鐵路通車。而橫川至輕井澤的鐵路則在1891年3月動工，至1893年4月正式通車。至此，連線東京和新潟的國營鐵路中山道線（即後來的信越本線）全線開通。
由於碓冰嶺地勢險峻，碓冰嶺區段的最大坡度竟達到66.7‰。為了保證列車上下坡時候的安全，碓冰嶺區段借鑑了德國哈茨山登山鐵路的經驗，採用了阿普特式齒軌鐵路，並使用專門的蒸汽機車擔任補機。兩條路軌之間鋪設有齒條，蒸汽機車的齒輪與之嚙合以產生牽引力，而非像普通鐵路那樣依靠輪軌之間的粘著來驅動列車。為了解決蒸汽機車造成隧道內黑煙瀰漫的問題，碓冰嶺區段於1912年完成了電氣化改造，並先後引進了多種齒軌式電力機車。
然而，由於受到齒軌鐵路的技術限制，碓冰嶺一直是信越本線的瓶頸區段。至1950年代，碓冰嶺區段所使用的ED42型電力機車的功率只有510千瓦，即使四台機車重聯亦只能最多牽引360噸的列車，而且這個單線區段的線路通過能力已達極限。在戰後日本經濟快速增長的形勢下，作為一條連線東京和長野縣北信、東信地方的重要紐帶，信越本線運輸能力不足已經成為一個非常嚴重的問題。
1956年，當時的高崎鐵道管理局（今東日本旅客鐵道高崎支社）完成了“碓冰白皮書”，當中指出碓冰嶺已經成為一個交通瓶頸，且齒軌鐵路設備陳舊老化，並提出了取消齒軌鐵路和進行複線改造的建議。翌年，日本國有鐵道進行關於碓冰嶺區段改善措施的檢討。當時曾比較了兩種廢除齒軌的方案，一是對既有線進行複線化改造，修建與既有單線並行的第二線；二是徹底廢除既有線，新建一條坡度較小（25‰）的展線。因考慮到建築成本的因素，最終決定實施第一個改造方案。碓冰嶺鐵路改造工程於1961年動工，至1963年7月15日既有線北側的新線通車，同年9月30日正式廢除了齒軌鐵路。
機車研製
生產批次
恢復為葡萄色塗裝的EF63 1號機車
1962年至1976年間，東芝公司、川崎車輛、川崎電機、三菱電機、新三菱重工業共製造了25台EF63型電力機車。
| 生產批次 | 機車編號 | 製造商 | 生產預算 | 製造年份 | 報廢年份 | 備註 |
|---|---|---|---|---|---|---|
原型車 | 1 | 東芝 | 昭和36年度第3次債務 | 1962年 | 1986年 | |
第一批量產車 | 2 - 6 | 昭和37年度採購 | 1963年 | 1997年 | 5號機車於1975年因事故報廢 | |
7 - 13 | 新三菱重工業 三菱電機 | 昭和37年度債務 | 1997年 | 9號機車於1975年因事故報廢 | ||
第二批量產車 | 14 - 17 | 東芝 | 昭和40年度第2次採購 | 1966年 | 1997年 | 14號機車於1986年報廢 |
18?19 | 川崎車輛 川崎電機 | 昭和41年度第2次債務 | 1967年 | 1997年 | ||
20?21 | 川崎重工業 富士電機 | 昭和43年度第4次債務 | 1969年 | |||
第三批量產車 | 22?23 | 昭和49年度第1次債務 | 1974年 | |||
24?25 | 昭和50年度第2次債務 | 1976年 |
運用歷史
早期試驗
EF63 1號機車（1983年）
1960年秋季，日本國有鐵道及有關機車製造商開始新型電力機車的研製工作。1962年5月，川崎車輛和川崎電機完成試製首台EF62型電力機車，而東芝公司負責的首台EF63型電力機車也同步落成。同年6月，專門為新型電力機車進行運轉試驗的試驗段（碓冰新線丸山信號場至一號隧道間約長2公里的66.7‰大坡度區間）首先開通，EF62、EF63型電力機車在此開始進行一系列的試驗運轉。試驗過程亦比較順利，一直備受關注的制動性能並沒有出現什麼問題，但上坡時發生的空轉卻比預期頻密。
根據最初的牽引定數計算，當一台EF63型電力機車與一台EF62型電力機車重聯牽引時，旅客列車和貨物列車的最大牽引定數分別為320噸和360噸；當兩台EF63型電力機車與一台EF62型電力機車重聯牽引時，旅客列車和貨物列車的最大牽引定數分別為500噸和550噸；當三台EF63型電力機車重聯時，可牽引最多12輛編組的電力動車組或柴油動車組列車。但在第一次實地試驗中，發現原定的牽引定數被大大高估了。因此，最終決定不論旅客列車和貨物列車，均統一使用兩台EF63型電力機車擔任補機，最大牽引定數分別定為360噸和400噸。同時，還對下坡方向的最高運行速度設定了限制（旅客列車為37公里/小時，貨物列車為22公里/小時），原因是列車一旦在66.7‰下坡道超過該速度限制，即時使用緊急制動也難以將列車停止。
橫輕對策
1963年1月，EF62、EF63型電力機車開始進行第二次性能試驗。同年5月，隨著碓冰新線全線完成施工，正線運行試驗和乘務員培訓工作亦開始進行，然而這個時候卻發現了一連串的問題。首先，當之前使用一台EF63型電力機車作為補機時並未發生過斷鉤，但當使用兩台EF63型電力機車作為補機時，就開始頻繁發生列車斷鉤事故。尤其在進行緊急制動試驗時，由於車鉤承受的縱向作用力過大，不僅會損害車鉤結構，還有機會導致列車屈曲現象。例如，EF63型電力機車為一列10輛編組的165系電力動車組擔任補機，當機車使用緊急制動時由於後續車輛的縱向衝擊，造成機後一位車輛（Kumoha 165型控制車）被擠壓，車體與轉向架發生分離的事故。
針對上述問題，日本國鐵對通過碓冰嶺區段的所有鐵路車輛採取了特殊的措施，以防止列車在陡坡上發生斷鉤、脫軌、溜逸等事故，這些專門措施亦被通稱為“橫輕對策”，非改造車輛一概不得通過碓冰嶺。這些措施包括強化車體底架及車鉤結構、增大車鉤緩衝器容量、轉向架增設抗側滾裝置、對空氣彈簧轉向架增加排風裝置、本務列車司機室內增設緊急制動閥等。為方便識別經過改造的“橫輕對策”車輛，車輛編號之前額外噴塗一個直徑40毫米的圓點，圓點的顏色通常是紅色（紅2號）或者白色。另外，還將電力動車組或柴油動車組列車的最大編組輛數減少至8輛.。
投入運用
EF63型電力機車牽引由489系電力動車組擔當的“淺間號”特急列車（1989年）
EF63型電力機車牽引185系電力動車組（1997年）
披上葡萄色塗裝的EF62 24號機車（1997年）
1963年3月至7月，EF63型電力機車的第一批量產車陸續交付日本國鐵，但至同年10月全面廢除齒軌鐵路之前，首批13台機車暫時配屬於高崎第二機關區（今JR貨物高崎機關區）。1963年7月15日，碓冰新線正式開通，但基於慎重考慮仍然暫時保留齒軌鐵路。同年8月中旬，對“橫輕對策”車輛進行了實地試驗。同年9月30日，七十年歷史的齒軌鐵路正式被廢除，所有運輸任務轉由新線承擔。1964年8月，EF63型電力機車均轉配屬橫川機關區（後於1987年改組為橫川運轉區）。
在碓冰嶺區段，所有旅客列車和貨物列車均使用兩台EF63型電力機車擔任補機。對於由EF62型電力機車牽引的普通旅客列車和貨物列車，若果是輕井澤開往橫川方向的下行列車，補機加掛在列車尾部並與本務機車實現推挽式運行，本務和補機之間通過無線通信方式聯繫以確認信號，本務司機根據補機司機的指示執行操縱；而橫川開往輕井澤方向的上行列車，補機則變為加掛在列車前端，本務和補機之間利用重聯線連線，由最前端的EF63型電力機車統一控制。
碓冰新線開通及信越本線電氣化使得該線運輸能力得到大幅提升，列車上下碓冰嶺的所需時間也大大縮短。在齒軌鐵路時代，橫川和輕井澤之間的運行時間約為42分鐘；而碓冰新線開通後，旅客列車在該路段的運行時間壓縮了一半，往輕井澤方向（下行）為17分鐘，往橫川方向（上行）為24分鐘。同時，“信州號”、“戶隱號”及“志賀號”急行列車均改由165系電力動車組擔當，上野至長野間的最短旅行時間縮短至3小時55分鐘。1966年10月，181系電力動車組擔當的“淺間號”特急列車登場。
為保障列車通過碓冰嶺區段的行車安全，普通旅客列車的最大編組輛數被限制為11輛，而電力動車組的最大編組輛數被限制為8輛，與當時其他地區的10～12輛編組特急列車相比，這大大影響了信越本線的旅客運輸能力。1960年代，前往避暑勝地輕井澤的遊客不斷增加，而長野縣也開發了不少滑雪度假地，因此來往首都圈和北陸地方的客流量不斷增加，8輛編組的優等旅客列車已顯然不足以應付需求。為了解決運量和運能之間的矛盾，日本國鐵於1967年6月開始考慮在碓冰嶺區段採取協調運轉方式。1960年代末至1970年代初，先後研製了具有協調運轉功能的169系、189系、489系電力動車組，實現EF63型電力機車和電力動車組的同步牽引及制動控制，使電力動車組最大編組限制提高至12輛。
此外，EF63型電力機車先後在1968年和1978年兩次為日本皇室御召列車擔任補機。1964年5月至6月第19屆國民體育大會期間，EF63 8、9號機車及EF62 17號機車重聯牽引上行方向的御召列車。1978年10月第33屆國民體育大會期間，御召列車由原宿開往長野，並有EF62 11號機車擔當高崎至長野間的牽引任務，並在碓冰嶺區段使用EF63 11、13號機車擔任補機。
1975年10月28日，信越本線碓冰嶺區段發生嚴重的回送機車脫軌顛覆事故。當日清晨，由兩台EF63型電力機車牽引兩台EF62型電力機車組成的單5462次機車回送列車（EF62 35+EF62 12+EF63 9+EF63 5）由輕井澤往橫川的下坡方向運行。清晨6時16分，當列車行駛至上行線一號隧道內發現制動失效，失控的列車在66.7‰下坡道上不斷加速，在接近隧道出口處脫軌，列車脫軌後衝出隧道並掉落到路堤下。事故造成三名機車乘務員受傷，四台機車的損傷情況均被定為大破，但由於修復困難而被現場解體處理。
國鐵末期
儘管碓冰嶺區段已經實現粘著運轉化，但該路段仍然是信越本線最大的瓶頸區段。由於碓冰嶺區段的貨物列車牽引定數限制為400噸，因此通過碓冰嶺的貨物列車必須在橫川和輕井澤車站重新編組，大大降低了運輸效率。出於這個原因，關東和北陸地方之間的貨物列車，越來越少經由低效率的信越本線運行，而改為經由路線較迂迴但運輸條件較好的上越線運行。1984年2月，日本國鐵實行運行圖調整後，關東地方往長野縣方向的貨物列車均統一經由中央本線、筱之井線運行，並停止了信越本線安中至小諸間（含碓冰嶺區段）的貨運業務。
1982年11月，上越新幹線大宮至新潟區段開通運營，分流了信越本線的部分客流。1985年3月，隨著上越新幹線“朱鷺號”列車延伸至上野到發，上野至金澤的“白山號”特急列車減少至每天2對，並將列車縮短為9輛編組；同時，上野站到發的信越本線日間急行列車全部停運，但“淺間號”特急列車增加至每天15對，由9輛編組的189系電力動車組擔當。1986年11月，日本國鐵實施民營化之前最後一次運行圖調整，再增加2對“淺間號”列車，“白山號”列車則維持每天2對。
國鐵民營化後
1987年4月國鐵分割民營化之際，除了之前報廢四台機車外，其餘21台EF63型電力機車均由東日本旅客鐵道（JR東日本）繼承，繼續在碓冰嶺區段為“白山號”、“淺間號”和“能登號”列車擔任補機。
1997年10月1日，長野新幹線通車運營的同時，碓冰嶺鐵路亦結束了104年的歷史，信越本線的“白山號”及“淺間號”特急列車停運，而“能登號”列車亦改為經由上越線運行。同年2月至6月期間，為了紀念EF63型電力機車完成最後一次全面檢查，EF63 18、19、24、25號機車均恢復為最初的葡萄色塗裝。
碓冰嶺鐵路停運後，所有EF63型電力機車經由信越本線、上越線回送至高崎運轉所（今高崎車輛中心）封存，至1998年全部報廢。
技術特點
| 技術數據（量產車） | |
|---|---|
| UIC軸式 | Bo'Bo'Bo |
| 軌距 | 1,067毫米 |
| 轉向架 | DT125、DT126 |
| 輪徑 | 1,120毫米 |
| 軸重 | 18噸 |
| 軸距 | 2,800毫米（固定軸距） |
| 機車長度 | 18,050毫米（車鉤中心距） |
| 機車寬度 | 2,800毫米 |
| 機車高度 | 4,060毫米（降弓狀態） |
| 整備重量 | 108噸 |
| 受流電壓 | DC1500V |
| 傳動方式 | 直—直流電 |
| 牽引電動機 | MT52（MT52A） × 6 |
| 最高速度 | 100公里/小時 |
| 持續速度 | 39公里/小時 |
| 牽引功率 | 2,550千瓦（小時功率） |
| 牽引力 | 23,400公斤（持續） |
| 制動方式 | |
| 安全系統 | ATS-SN、ATS-P |
總體布置
電氣系統
調速控制
EF63型電力機車是直—直流電傳動的直流電力機車，機車主電路結構與EF62型電力機車基本相同。機車通過超多段電阻調壓、牽引電動機的串並聯換接、以及磁場削弱控制來達到調速的目的。
電阻調壓系統包含了主電阻器及副電阻器，首先利用主電阻器實現多個大調壓級，再於每個大調壓級內利用副電阻器實現若干小調壓級，降低了每個級位之間的電壓變化，從而獲得了相對平滑的調速性能。EF63型電力機車使用CS16型電動凸輪軸式主電阻控制器（14～21號機車使用CS16A型，22～25號機車使用CS16C型）、CS17型電動凸輪軸式副電阻控制器（14～21號機車使用CS17A型，22～25號機車使用CS17C型）、CS18型電動凸輪軸式轉換控制器（22～25號機車使用CS18B型）。
除了電阻調壓外，亦可以通過改變牽引電動機迴路連線方式（串聯、串—並聯、並聯），來改變牽引電動機的端電壓。該項轉換是通過主電阻控制器的串並聯切換來進行的，並採用橋式換接電路以減少串並聯換接過程中造成的牽引力衝擊。另一方面，由於EF63型電力機車沒有高速運轉的需要，因此每種連線方式只設有一級磁場削弱，削弱率為88%。
牽引電動機
EF63型電力機車使用六台MT52型四極串勵直流牽引電動機（後來改裝MT52A型），這是日本國鐵直流和交流電力機車通用的標準型牽引電動機，小時功率為425千瓦，額定電壓為750伏特，額定電流為615安倍，額定轉速為每分鐘860轉，冷卻方式為強迫通風冷卻。
輔助電路
EF63型電力機車採用直流電傳動的輔助電路系統。主電阻器通風機、牽引電動機通風機均使用MH91A型直流電動機和FK34A型通風機，但通風機組數量由EF62型電力機車的六台減少至四台，四台通風機組全部採用串聯連線，使通風機組輸入電壓提升至375伏特，以增強輸送風量和冷卻能力，因此通風機工作時的噪音音調較高，也是EF63型電力機車的特徵之一。電動空氣壓縮機使用MH92B型直流電動機和C3000型壓縮機，輸入電壓為1500伏特，額定功率為15千瓦。另外，還設有一台小型直流電動發電機，由兩台同軸的MH77C型直流電動機和DM43C型直流發電機組成，額定功率為3千瓦，用於向控制電路、照明電路和蓄電池供應100伏特直流電。
制動系統
磁軌制動和電樞短接制動都是緊急制動的方法，並不會在正常運轉期間使用。兩端轉向架兩側下方均安裝有磁軌制動器，利用懸掛在轉向架的電磁鐵靴吸附在路軌上的摩擦阻力來降低速度和停車。電樞短接制動是將牽引電動機脫離電源後，因慣性作用使其工作於發電狀態，此時將電樞繞組短接使其產生抑制起轉的的磁場，但這樣做會形成很大的電流並有可能燒毀電動機，因此這種方法只會作為發生溜逸或其他制動方式失效時的最後手段。
除此之外，EF63型電力機車還設有超速檢測裝置（OSR）。中間轉向架的兩個輪對之間裝用一個獨立的速度檢測輪，用來檢測機車的當前實際速度，一旦超過設定的限制速度（旅客列車為38公里/小時，貨物列車為25公里/小時），系統將即時發出報警聲通知司機或實施非常制動。這種保護系統亦被後來的ED78、EF71型電力機車沿用。
協調運轉
往輕井澤方向的一端設有多種電氣連線器，而機車兩端均設有直排陣列天線
由於EF63型電力機車會為各種電力動車組、柴油動車組、普通旅客列車和貨物列車擔任補機，因此機車往輕井澤方向的一端設有特殊的雙頭式車鉤，這種車鉤結合了自動車鉤和密接車鉤，可方便地按需要轉換使用；而往橫川方向的一端為安全起見則仍然使用標準的柴田式上作用自動車鉤。密接車鉤已經包含空氣管路的自動連線，當機車與列車使用密接車鉤連線時無需再連線制動管。
EF63型電力機車投入運用初期，通過碓冰嶺區段的電力動車組列車均以無動力運行，純粹由補助機車牽引運行，列車最大編組限制為8輛車廂。從1960年代末開始為了提高運輸能力，先後研製了一系列具有協調運轉功能的電力動車組（169系、189系、489系），電力動車組運行時亦輸出牽引力和制動力，使列車最大編組限制提高至12輛車廂。機車和電力動車組之間使用KE70型電氣連線器相連，實現兩者同步的牽引和制動動作，司機還可以通過有線電話聯絡。
協調運轉時全列車的牽引和制動皆由EF63型電力機車集中控制，因此當列車往上行方向（橫川）行駛時，列車前端為補機，電力動車組司機基本上不需要做任何事情；而當列車往下行方向（輕井澤）行駛時，列車尾端為補機，電力動車組司機則需要肩負瞭望及確認信號的任務。為了防止控制信號的交錯和衝突，使用協調運轉時電力動車組必須處於從控狀態，司機需要將司機控制器設定為零位並拔除制動手柄，萬一電力動車組司機需要使用非常制動，司機操縱台側邊亦設有非常制動閥。
EF63型電力機車往輕井澤方向的排障器上，裝滿了各式各樣的電氣連線器插座，具有機車重聯、協調運轉、電話聯絡的用途，這也是該型機車外觀上最顯著的特點之一。其中，包括了兩個KE63型電氣連線器（EF63型電力機車重聯時的輔助電路連線）、一個KE70型電氣連線器（對應169系、189系、489系電力動車組的協調運轉）、兩個KE53型電氣連線器（分別對應80系、115系電力動車組及Kiha 57系柴油動車組的電話聯絡）、兩個KE62型電氣連線器（對應Kiha 82系柴油動車組的電話聯絡）、一個KE66型電氣連線器（對應Kiha 57系柴油動車組的感測器連線）、以及三個放置未使用電纜的空插座。由於信越本線自1960年代中期以後不再增加投入柴油動車組，因此從16號機車開始取消了對應柴油動車組的電氣連線器。
通信設備
為了滿足本務機車和補助機車之間，以及機車與地面之間的無線通信需要，EF62、EF63型電力機車投入運用初期採用低頻感應無線電，載波頻率為150KHz，但這種無線通信方式的缺點是隧道內的噪聲干擾較嚴重。因此，碓冰嶺區段於1975年10月完成了橫輕協調運轉無線通信改造，採用400MHz特高頻無線通信設備，沿線鋪設鐵路通信專用的漏泄同軸電纜（LCX），並在機車第二端司機室的側面及車頂安裝天線，擴大了鐵路無線通信的覆蓋範圍。1980年代又增加了列車無線防護裝置。1990年代初，為提高山區區段的無線通信可靠性，EF63型電力機車的兩端正面（輕井澤端左側、橫川端右側）加裝了八木天線公司製造的直排陣列天線。
轉向架
機車走行部為三台二軸轉向架，包括兩台DT125型兩端轉向架、一台DT126型中間轉向架。考慮到在陡坡上產生的軸重轉移，EF63型電力機車採用了罕見的不平衡軸重分配方式，輕井澤端轉向架、中間轉向架、橫川端轉向架的軸重分別為19噸、18噸、17噸，以此來抵消軸重轉移的影響。
構架採用“日”字形的鋼板焊接結構，軸箱採用導框式定位結構。轉向架中心間距為2×5150毫米，固定軸距為2800毫米。牽引電動機懸掛裝置採用軸懸式，牽引電動機的一側通過抱軸瓦剛性地支承在車軸上，另一側通過吊桿懸掛在轉向架構架上，牽引電動機輸出的轉矩通過一級減速齒輪傳動輪對，齒輪傳動比為4.44（16：71）。轉向架採用全旁承支重結構，車體全部重量通過六組旁承彈簧坐落在三台轉向架上。
一系懸掛為軸箱頂端螺旋彈簧和橡膠墊，二系旁承懸掛為每側兩個並聯的螺旋圓彈簧組，並配有垂向油壓減震器。為了減少牽引列車起動時的軸重轉移，借鑑了此前ED72型電力機車的經驗，使用低位反向八字形牽引桿裝置，牽引點高度接近於軌道平面，理論上轉向架內無軸重轉移。基礎制動裝置為單側閘瓦制動。
為了提高機車的曲線通過性能，中間轉向架和車體之間還設有滾動裝置，當通過曲線時轉向架可實現相對於車體的橫向位移。此外，中間轉向架沒有磁軌制動裝置，但加裝了一個直徑為115毫米的速度檢測輪。這個檢測輪除了作為超速檢測裝置（OSR）的速度感測器外，亦是防空轉保護系統的一部分。軸箱上設有測速發電機以檢測輪周速度，一旦檢測到實際速度與輪周速度不符，將即時撒砂並接通防空轉保護。
車輛保存
動態保存
- EF63 11、12、24、25號機車：保存於碓冰嶺鐵道文化村，並可以為參觀者提供事先預約的運轉體驗服務。
靜態保存
- EF63 1、10、18號機車：保存於碓冰嶺鐵道文化村。
- EF63 15、19號機車：保存於長野綜合車輛中心。
- EF63 2號機車：保存於信濃鐵道輕井澤車站。
- EF63 22號機車：保存於碓冰嶺之森公園交流館（私人保存）。
- EF63 13號機車（第二端司機室部分）：保存於大宮綜合車輛中心。
