EF81型電力機車（日語：EF81形電気機関車）是日本國有鐵道的多電流制電力機車車型之一，適用於供電制式為1500伏特直流電、20千伏50赫茲和20千伏60赫茲工頻單相交流電的電氣化鐵路，由日立製作所、三菱電機、三菱重工業聯合生產。
EF81型電力機車最初是為日本海縱貫線設計的客貨運通用電力機車，首台原型車於1968年底完成試製，並於1969年投入批量生產；後來又為關門鐵道隧道（日語：関門鉄道トンネル）區間專門製造了300番台和400番台機車。1987年國鐵分割民營化後，156台EF81型電力機車由東日本旅客鐵道（JR東日本）、西日本旅客鐵道（JR西日本）、九州旅客鐵道（JR九州）和日本貨物鐵道（JR貨物）繼承。1989年至1991年間，因應鐵路貨物運輸量增加的需要，JR貨物再度購置500番台和450番台機車。
基本介紹
開發背景,型式區分,基本番台,300番台,400番台,500番台,450番台,運用歷史,國鐵時代,民營化後,技術特點,總體結構,電氣系統,轉向架,
開發背景
1960年代，日本國有鐵道對北陸本線進行了長達近十年的複線電氣化改造工程，其中田村至糸魚川之間採用交流電氣化，而米原至田村、糸魚川至直江津之間採用直流電氣化。隨著糸魚川至直江津區段按計畫於1969年10月完成直流電氣化，同時亦代表著北陸本線和信越本線全線完成電氣化。由於羽越本線和奧羽本線亦會在不久之後完成電氣化改造，連線大阪和青森的日本海縱貫線將使用三種不同的牽引供電制式，包括1500伏特直流電、20千伏60赫茲單相交流電和20千伏50赫茲單相交流電，因此有必要研製一種可以適應多電流制的客貨運通用電力機車。
早於1950年代末，日本國鐵已經開始研究交直流兩用電力機車。1960年，研製了使用於關門鐵道隧道（日語：関門鉄道トンネル）的EF30型電力機車，成為世界上第一種投入量產和運用的交直流兩用電力機車。1962年，日立製作所在ED46型電力機車的基礎上，又研製了使用於常磐線的EF80型電力機車，在交流及直流電氣化區段均可以全功率運行，並採用了單電機轉向架（英語：Monomotor）和輪對空心軸式驅動裝置。雖然EF80型電力機車已經是一種比較成熟的雙電流制電力機車，但在性能和維護方面與後來出現的國鐵標準化電力機車相比仍然存在著差距。
從1960年代中期開始，隨著電力電子技術在牽引傳動領域的快速發展，日本國鐵先後開發了一系列採用晶閘管相控調壓的交流電力機車，包括ED77、ED78、EF71型電力機車，展示了無級調壓電力機車的優異粘著性能。在新型多電流制電力機車的研製初期，曾經考慮過兩種技術方案，一是採用電阻調壓方式的F型電力機車（Bo-Bo-Bo軸式），二是採用斬波調壓方式的D型電力機車（Bo-2-Bo軸式）。
晶閘管斬波調壓除了具有無級調速和粘著性能較好的優點，也不像傳統的電阻調壓方式那樣會產生電能損耗，實現機車主電路和控制電路的無觸點化。然而，斬波調壓在1960年代中期是一項嶄新的技術，日本當時剛開始進行電力動車組套用斬波調壓的研究和試驗，而且斬波器對鐵路通信信號的影響尚需進一步研究。由於日本國鐵要求新型多電流制電力機車要在1969年7月投入批量生產，加上斬波調壓的設備成本相對高得多，因此最終決定沿用技術成熟可靠的電阻調壓方式。
1968年12月21日，首台EF81型電力機車在日立製作所水戶工廠落成。EF81型電力機車是在日本國鐵標準型電力機車的基礎上，總結了之前EF65、ED75、ED78型電力機車的研製經驗，研製而成的新一代多電流制幹線電力機車。機車採用超多段電阻調壓、牽引電動機串並聯換接和磁場削弱的控制方式，並設有供交流區段使用的主變壓器和油冷式矽整流器。EF81型電力機車在直流區段的小時功率為2,550千瓦，在交流區段的小時功率為2,370千瓦，構造速度為115公里/小時，最大運用速度為110公里/小時。基本性能指標與EF65型電力機車相同，可牽引1200噸列車（最大1300噸）通過10‰長大坡道。
型式區分
基本番台
1968年12月，日立製作所完成試製首台EF81型電力機車的原型車。1969年5月，根據原型車的使用經驗和試驗結果作出改良後，日立製作所、三菱電機、三菱重工業開始批量生產EF81型電力機車。從1968年至1980年間，共製造了152台一般形式的基本番台機車。
原型車（1）
- 1968年12月，因應北陸本線糸魚川至直江津間完成電氣化，日立製作所水戶工廠完成試製EF81 1號機車，生產預算由昭和42年度第3次債務承擔，落成後配屬富山第二機關區（日語：富山機関區）投入運用考核。
- 原型車落成當時使用CS36型電阻控制器、CS37型勵磁控制器、RS36型矽整流器、MR102型主電阻器和MT52A型牽引電動機，車體正面下部並安裝了一個AW-5型汽笛。
EF81 2號機車第一次量產車（2～28）
- EF81 2～28號機車於1969年5月至1969年9月落成，因應北陸本線糸魚川至直江津間、信越本線直江津至宮內間完成電氣化而製造，生產預算由昭和43年度第4次債務承擔，全部配屬富山第二機關區。
- 車體外觀方面，車體正面中部的左右兩側各有一個司機室通風口，機車編號採用不鏽鋼字型金屬件。機車兩端設有除雪型排障器，由2.3毫米厚的鋼板和型鋼組合而成。
EF81 30號機車第二次量產車（29～38）
- EF81 29～38號機車於1969年9月至1969年10月落成，因應日本海縱貫線貨物列車增發的需要而製造，生產預算由昭和43年度第5次債務承擔，全部配屬富山第二機關區。
- 除雪型排障器的鋼板厚度由2.3毫米增加到6毫米。
第三次量產車（39～41）
- 機車外觀方面，採用了較小型的尾燈和供電狀態指示燈，車體正面的司機室通風口亦被廢除，機車編號牌改為採用整塊金屬板樣式。
EF81 81號機車第四次量產車（42～74）
- EF81 42～74號機車於1972年5月至1972年9月落成，因應羽越本線新津至秋田間電氣化開業而製造，生產預算由昭和46年度第2次債務承擔。較早出廠的42～48、61～64號機車初期首先配屬長岡運轉區，待酒田機關區的電力機車整備設施落成後，才轉配屬到酒田機關區。而後來出廠的49～60、65～74號機車出廠後就直接配屬酒田機關區。
- 這批機車的受電弓隔離開關增加了誤動作保護電路裝置。
第五次量產車（75～93）
第六次量產車（94～105）
- EF81 101～105號機車於1974年5月落成，為配合湖西線山科至近江鹽津區段開通運營而製造，生產預算由昭和48年度第1次債務承擔，全部配屬敦賀第二機關區（日語：敦賀地域鉄道部）。
- 這批機車的司機室加裝了電熱取暖裝置和電風扇，以改善乘務人員的工作環境。
第七次量產車（106～126）
- EF81 106～126號機車於1974年7月至1974年11月落成，因應湖西線開通運營及貨物列車增發而製造，生產預算由昭和48年度第2次債務和昭和49年度第1次民有撥款承擔，全部配屬敦賀第二機關區。
- 這批機車改為裝用LA15D型避雷器。
第八次量產車（127～129）
- EF81 127號機車於1975年2月落成，因應羽越本線貨物列車增發而製造，生產預算由昭和49年度第2次民有撥款承擔，配屬酒田機關區。
- EF81 128～129號機車於1975年9月落成，為配合“日本海號”臥鋪特急列車增發而製造，生產預算由昭和49年度第1次債務承擔。128、129號機車分別配屬酒田機關區和敦賀第二機關區。
- 排障器改為使用4.5毫米厚的鋼板。從128號機車開始加強車體內部的防雪措施。
第九次量產車（130～134）
- 設計變更主要包括例如避雷器的細節上的改良，整體上與之前的量產車沒有太大區別。
第十次量產車（135～136）
- EF81 135～136號機車於1977年1月落成，為補充因信越本線碓冰嶺回送機車脫軌顛覆事故而報廢的EF62型電力機車而製造，生產預算由昭和50年度第3次債務承擔，全部配屬酒田機關區。
- 這批機車改變了閘瓦制動裝置的制動倍率，以提高高速運轉時的制動性能。
EF81 137號機車第十一次量產車（137～152）
- EF81 137～152號機車於1979年4月至1979年9月落成，為替代新潟地區的EF15型電力機車而製造，生產預算由昭和53年度第1次民有撥款承擔，全部配屬東新潟機關區（日語：東新潟機関區）。
- 電器設備方面，改為使用經過改良的MT52C型牽引電動機，電樞軸直徑從120毫米增加至130毫米；改為使用無潤滑油式的CS36D型電阻控制器和CS37B型勵磁控制器；整流裝置也改為使用RS36C型矽整流器，主要改善了電氣絕緣性能和免維護性能。此外，還採用了LA16型直流避雷器和SRD-60型電子式速度表。
- 機械部分方面，轉向架構架仍然採用鋼板焊接結構，但由一般構造用壓延鋼材（SS）改為使用焊接構造用壓延鋼材（SM）。車體正面的前窗玻璃上方增設了與車體一體的冰柱切割板，機車編號採用蝕刻的製作工藝。
300番台
EF81 301號機車EF81 303（2010年2月）
橫跨關門海峽的關門鐵道隧道（日語：関門鉄道トンネル）位於下關至門司之間，由於九州地區使用20千伏60赫茲交流電氣化，因此在隧道往門司方向的出口附近設定了交直流分相區，經山陽本線來往本州和九州的列車必須使用雙電流制電力機車牽引。1973年至1974年間，日立製作所特別製造了四台EF81型300番台電力機車（301～304），作為EF30型電力機車的增備車輛，全部配屬門司機關區（日語：門司機関區）。
由於關門隧道內的海水滲漏和高濕度環境會導致鹽害，因此EF81型300番台機車和之前的EF30、EF10型電力機車一樣，車體外板和頂蓋設備均採用不鏽鋼板，以防止海水對車體造成鏽蝕。為了減輕車體結構的重量，不鏽鋼車體外板厚度比一般的耐候鋼車體更薄，因此車體下半部採用了波紋不鏽鋼板來保證車體剛度。EF81 302號機車在內鄉機關區運用期間曾經發生過相撞事故，經修復後車體中部改為採用平面不鏽鋼板，但車體兩端仍然保持波紋板原狀。首兩台機車（301～302）與基本番台機車一樣採用紅色塗裝（赤13號（日語：赤13號）），而後兩台機車（303～304）則是無塗裝的不鏽鋼原色。
除了車體結構與基本番台機車有明顯區別外，其他部分基本上與同時期製造的基本番台第五次量產車相同，採用CS36C型電阻控制器、CS37B型勵磁控制器、RS36B型矽整流器。此外，由於該型機車僅擔當關門隧道區段的短距離牽引任務，因此並沒有搭載列車供電系統的逆變器，司機室外亦不設供電狀態指示燈，而且也沒有砂管加熱裝置和除雪型排障器。
EF81型300番台機車投入運用初期以單機方式牽引旅客列車為主，因此機車新造時亦沒有重聯控制設備，至1980年代隨著EF30型電力機車的淘汰，才陸續增設重聯控制系統以滿足雙機牽引貨物列車的需要，並能夠與EF81型400番台機車重聯運用。
400番台
作為“朝風號”的牽引機車的EF81 414（1991年7月）
1986年3月至1987年3月期間，為了淘汰日漸老化的EF30型電力機車，其中14台基本番台機車在小倉工廠（今小倉綜合車輛中心（日語：小倉総合車両センター））進行改造後投入關門隧道區段使用，並改稱為EF81型400番台機車（401～414）。改造完成後，401～408號機車配屬門司機關區，409～414號機車配屬大分運轉所。
為減少海水對車體結構的鹽害和腐蝕，車體頂蓋採用具有良好耐腐蝕性能的聚氨酯樹脂複合材料塗層，受電弓亦塗上防鏽漆。車體仍然採用與基本番台相同的耐候鋼車體，車身塗裝也同樣是赤13號紅色塗裝。由於該型機車沒有使用列車供電裝置的需要，車端的列車供電插座和供電狀態指示燈亦被移除，但主變壓器和矽整流器內的供電電路仍被保留。
考慮到關門隧道區段存在最大坡度達到22‰的長大坡道，1200噸的貨物列車必須使用兩台機車重聯牽引，因此EF81型400番台機車也加裝了重聯控制設備。改造內容包括車端增加KE70型重聯插座，重聯時通過重聯線連線兩台機車的控制電路和低壓輔助電路，實現同步的牽引和制動動作；司機操縱台上加裝他車牽引電動機電流表，方便司機監視補機的工作狀態；機車第一端側加裝控制電路隔離開關，用於當本務或補機故障時切斷故障車輛的控制電路連線；車端加裝用來均衡本務和補機制動風缸壓力的平均管。
除此之外，對於由較早期生產的基本番台改造而成的400番台機車，電阻控制器、空轉檢測電路和控制電路按照基本番台第五次量產車的形式進行了更新改造。最初完成改造的401、402號機車落成之時，由於沒有對電阻控制器等設備作出變更，因此不能與其他400番台機車重聯運用，直到後來完成控制系統改造後才不受限制。
500番台
EF81 502號機車
1989年3月，由於國鐵分割民營化後日本海縱貫線貨物運輸量的增加，日本貨物鐵道（JR貨物）向日立製作所購置了三台EF81型500番台電力機車（501～503），全部配屬富山機關區。實際上，JR貨物原本計畫採購六台該型機車，但最終只訂購了三台機車。
EF81型500番台機車的基本結構和性能與最後一批基本番台機車保持相同，但部分設備和細節上也作出了一些改變。由於這批機車不會用於牽引旅客列車，因此取消了列車供電系統的電氣線路和逆變器，對應20系客車的列車制動增壓裝置亦被移除，僅配備了對應貨物列車的單機制動增壓裝置。此外，兩端司機室的右側還增加了空調裝置，以改善乘務人員的工作環境。
車體塗裝方面，500番台機車採用了JR貨物標準色塗裝，車體上部使用深淺藍色的組合，車體下部為淺灰色，轉向架部分為灰色，司機室側門為紅色（赤13號），前窗四周採用黑色框線。車體正面的機車編號設定於司機室下部右側，而車體側面的機車編號則移設於司機室側門旁邊，而車體兩端也不再設有不鏽鋼裝飾帶。
450番台
EF81 451號機車
1991年2月至8月間，因應本州往九州方向的貨物列車增發需要，JR貨物向日立製作所購置了五台EF81型450番台電力機車（451～455），並專門投入到關門隧道區段使用，作為EF81型400番台機車的增備車輛，全部配屬門司機關區。
EF81型450番台機車主要是在500番台機車的基礎上增加了重聯控制設備，包括兩端排障器上的重聯插座。由於這批機車不會用於牽引旅客列車，因此不設列車供電系統。450番台機車改為裝用MT52C型牽引電動機，抱軸方式由滑動軸承改為滾柱軸承。此外，還改為使用FPS22E型下框架交叉式受電弓，以提高機車檢修效率。
車體塗裝和500番台機車的JR貨物標準色塗裝大致相同，但在車體下部圍繞了一圈淺藍色帶。首兩台機車（451～452）採用燈具一體化設計，前照燈和尾燈以橫向並列方式布置在車體正面兩側；而後三台機車（453～455）由於採用了500番台機車的車體鋼結構，因而恢復了原本前照燈和尾燈分別布置的設計。
運用歷史
國鐵時代
日本海縱貫線1985年國際科學技術博覽會期間，EF81型電力機車牽引“世博快車號”臨時旅客列車EF81型電力機車牽引“劍號”列車
- 1977年（昭和52年），當時使用於日本海縱貫線的EF81型電力機車總計有123台，其中酒田機關區51台、富山第二機關區45台、敦賀第二機關區27台。
- 1979年（昭和54年），東新潟機關區（日語：東新潟機関區）配屬16台新造的EF81型電力機車，並投入日本海縱貫線的定期運用。此後，酒田機關區的EF81型電力機車數量逐步減少。1980年代起，由於EF70、EF15、EF58型電力機車逐漸被淘汰，日本國鐵為了提高機車運用效率，EF81型電力機車擔當的日本海縱貫線長交路直通運轉的比重有所增加。
- 1985年（昭和60年）3月14日，由於酒田機關區和酒田客貨車區合併成立酒田運輸區，所配屬的EF81型電力機車全部轉配屬新建立的長岡運轉區（日語：長岡車両センター）。
- 1986年（昭和61年）11月1日，日本國鐵進行國鐵分割民營化之前最後一次全國運行圖調整和車輛配屬調整，EF81型電力機車亦開始投入奧羽本線秋田至青森區段運用，至此大阪至青森間全長1023.5公里的直通運轉長交路正式拉通。此時，日本海縱貫線使用的EF81型電力機車分別配屬長岡運轉區（50台）、富山第二機關區（44台）、敦賀機關區（16台）。
首都圈地區由EF81型電力機車牽引的“夕鶴5號”列車（左）和“夕鶴3號”列車（右）
- 1979年（昭和54年），門司機關區的兩台EF81型300番台機車（301、302）和富山第二機關區的兩台EF81型基本番台機車（80、81）轉配屬內鄉機關區，與EF80型電力機車投入到常磐線共同運用。
- 1982年（昭和57年）10月1日，酒田機關區（75～78）、富山第二機關區（79、95）、敦賀第二個機關區（96、97）的八台基本番台機車投入常磐線系統運用，其中內鄉機關區增配6台（75～79、97），田端機關區增配2台（95、96）。此後，隨著更多EF65型1000番台電力機車和ED75型電力機車投入東北本線，田端機關區的EF81型電力機車亦逐步轉投常磐線系統運用，從而加快了EF80型電力機車的淘汰速度。
- 1982年（昭和57年）11月，兩台300番台機車（301、302）由內鄉機關區轉配屬田端機關區。
- 1985年（昭和60年）3月14日，磐城貨物站（日語：いわき貨物駅）和內鄉機關區被撤銷，原配屬內鄉機關區的10台EF81型電力機車，分別轉配屬田端機關區（5台）、大分運轉所（1台）和長岡機關區（4台）。
- 1985年（昭和60年）8月，“夕鶴號”臥鋪特急列車在上野至水戶間的機車交路正式交由EF81型電力機車擔當，結束了該列車由EF80型電力機車牽引的歷史。
- 1986年（昭和61年）1月，田端機關區的兩台300番台機車（301、302）轉配屬門司機關區，以替換在關門隧道區段使用的EF30型電力機車。
關門隧道區間
- 1979年（昭和54年）3月，由於1978年10月國鐵運行圖調整後經過關門隧道區間的列車數量減少，門司機關區的兩台300番台機車（301、302）轉配屬內鄉機關區。
- 1986年（昭和61年）1月，田端機關區的兩台300番台機車（301、302）轉配屬門司機關區，以替換日漸老化的EF30型電力機車。
- 1986年（昭和61年）3月，為了加快淘汰老舊的EF30型電力機車，富山第二機關區（40～42）、田端機關區（49～54、75）、長岡運轉所（128、130～132）的14台EF81型基本番台機車，開始分批轉配屬門司機關區（8台）和大分運轉所（6台），並進行加裝重聯控制設備以便重聯運用，完成改造後這批機車改稱為EF81型400番台機車。至1987年（昭和62年）3月，關門隧道區段的牽引任務全部交由EF81型電力機車擔當，EF30型電力機車全部被淘汰。
民營化後
JR東日本“彩虹色”塗裝的EF81 95號機車“北斗星”塗裝的EF81 81號機車“仙后座”塗裝的EF81 92號機車
1987年，JR東日本繼承了78台EF81型電力機車，配屬於田端運轉所（日語：田端運転所）、長岡車輛中心（日語：長岡車両センター）和青森車輛中心（日語：青森車両センター），擔當JR東日本管內的臥鋪特急列車，以及JR貨物委託的貨物列車牽引業務。
1988年3月，隨著青函隧道和津輕海峽線開通運營，開行了上野至札幌的三對“北斗星號”臥鋪特急列車，並由田端運轉所的EF81型電力機車擔當上野至青森間的牽引任務，這也是EF81型電力機車首次圖定牽引東北本線方向的優等旅客列車；與此同時，上野至青森的“夕鶴號”列車停運。此外，EF81型電力機車亦開始牽引盛岡至青森間由50系（日語：國鉄50系客車）和12系客車（日語：國鉄12系客車）組成的普通旅客列車。
1993年12月，“曙號”列車在上野至小牛田間的牽引任務，開始由EF81型電力機車擔當，代替原本使用的EF65、ED75型電力機車；至1997年“曙號”列車改為經由上越線和羽越本線運行後，在上野至青森間仍然採用EF81型電力機車牽引。1994年12月，“白鶴號”列車由583系電力動車組改為使用24系25型客車，並使用EF81型電力機車擔當上野至青森間的牽引任務，直到“白鶴號”列車於2002年12月停運為止。1999年7月，JR東日本開行上野至札幌的“仙后座號”臥鋪特急列車，同樣使用EF81型電力機車擔當上野至青森間的牽引任務。
國鐵分割民營化後，JR東日本陸續更換了EF81型電力機車的車體塗裝，以國鐵交流電力機車標準色“赤2號”取代了原本的“赤13號”。此外，部分EF81型電力機車還採用了特別塗裝，例如“北斗星號”列車的本務機車採用了“赤2號流星色”，在車身兩側加上了“銀之流星”的獨特標誌；牽引“超特快彩虹號”歐風歡樂列車的EF81 95號機車採用“彩虹色”塗裝，全車以鮮紅色為主色，車身兩側並塗上巨大的“EF81”字型，該塗裝一直使用到2012年才被撤銷。而專門牽引“仙后座號”列車的EF81 79、92、99號機車，則採用了由白、黃、橙、藍四色構成的“仙后座色”塗裝。
2003年至2004年間，由於EF81型電力機車的運用逐漸減少，JR東日本先後將8台剩餘機車轉售予JR貨物。除此之外，青森車輛中心（136、139）和長岡車輛中心（134、140、141、151）總計6台EF81型電力機車，由於需要作為電力動車組回送至郡山綜合車輛中心（日語：郡山総合車両センター）的牽引機車，因此特別改裝了特殊的雙頭式車鉤，這種結合了自動車鉤和密接車鉤的連結器可方便地按需要轉換使用，另外還裝備了一系列對應209系電力動車組以後車輛的控制設備，包括電控空氣制動裝置、MON8型制動控制信號傳送裝置、以及傳送控制信號的KE100B-10型電氣連線器；經過車鉤改造後的機車長度比之前延長了770毫米。這些機車主要擔當首都圈地區的電力動車組回送牽引任務，其中151號機車因為沒有配置關東地區使用的ATS-P，因此運用範圍僅限定於北側的信越本線、羽越本線、奧羽本線。
2009年3月14日起，“曙號”列車在上野至長岡間的牽引任務，改由長岡車輛中心的EF64型電力機車擔當，EF81型電力機車的牽引區段縮短為長岡至青森。2010年夏季，JR東日本的EF510型500番台電力機車開始投入運用，並分別從同年6月25日和7月14日起替代EF81型電力機車，擔當“仙后座號”和“北斗星號”列車的牽引任務，此後田端運轉所的EF81型電力機車僅用於牽引貨物列車。2010年12月4日起，所有定期貨物列車的牽引任務亦轉交EF510型電力機車擔當，田端運轉所的EF81型電力機車不再牽引定期列車並且開始陸續報廢。
截至2012年4月1日，JR東日本仍然擁有14台EF81型電力機車，其中田端運轉所6台（80、81、95、97、98、133）、青森車輛中心4台（136、137、138、139）、長岡車輛中心4台（ 134、140、141、151）。
JR西日本EF81 44號機車牽引“黃昏特快號”列車
1987年，JR西日本繼承了16台EF81型電力機車，全部配屬於敦賀地域鐵道部（日語：敦賀地域鉄道部）敦賀運轉中心車輛管理室，主要擔當兩對“日本海號”和一對“劍號”臥鋪特急列車在大阪至青森間的牽引任務。1989年，JR西日本開行“黃昏特快號”臨時臥鋪特急列車，亦使用EF81型電力機車擔當大阪至青森間的牽引任務。
“黃昏特快號”列車的本務機車特別採用了與客車配套的車體塗裝，配色方案由墨綠色（綠2號）和黃色構成。在列車開行的1989年，JR西日本首先更換了四台EF81型電力機車的塗裝（103、104、113、114），隨後由於需求增加又追加了另外兩台機車（43、44），自此共有六台EF81型電力機車採用“黃昏特快號”塗裝。這批機車除了用於牽引“黃昏特快號”列車外，也有可能被用於牽引“日本海號”列車。後來，為了提高旅客列車的乘坐舒適性、減少列車運行時的縱向衝擊，這些機車改裝了密接式自動車鉤和強化型大容量車鉤緩衝器，與之連線的24系客車亦進行了相應改造。
1990年代初，JR西日本的EF81型電力機車主要用於牽引“日本海號”、“劍號”和“黃昏特快號”旅客列車。1994年12月，“劍號”列車降級為臨時列車，並於1996年12月正式停運。2008年3月，“日本海號”列車減少至每天一對。2002年至2010年間，由於機車運用逐漸減少，JR西日本先後報廢了六台EF81型電力機車。2012年3月17日，“日本海號”列車變更為臨時列車，並於2013年1月正式停運。同年7月8日，又報廢了另外三台機車。
截至2013年10月1日，JR西日本仍然擁有7台EF81型電力機車（43、44、103、106、108、113、114），全部均安裝了ATS-P、ATS-Ps安全防護裝置。其中，除了106、108號機車仍然保持原本的紅色塗裝外，其餘機車均採用“黃昏特快號”塗裝。
JR九州
自2005年9月“彗星號”列車停運之後，本州往九州方向的臥鋪特急列車逐步被削減，EF81型400番台機車的運用亦逐漸減少，部分剩餘的機車入駐JR貨物門司機關區，擔當JR貨物委託的貨物列車牽引業務。2009年3月，隨著“富士·隼號”列車正式停運，JR九州的EF81型400番台電力機車亦脫離定期運用，並於2010年12月全數報廢。
JR貨物
1987年，JR貨物繼承了56台EF81型電力機車，其中包括：44台基本番台（1～10、19～39、115～126、129），全部配屬富山機關區；4台300番台（301～304），全部配屬門司機關區；8台400番台（401～408），全部配屬門司機關區。1989年至1991年間，因應國鐵民營化後鐵路貨物運輸量增加的需要，JR貨物購置了3台EF81型500番台、5台EF81型450番台機車，分別配屬富山機關區和門司機關區。富山機關區主要擔當日本海縱貫線的貨運牽引任務，而門司機關區則專門擔當關門隧道區間的貨運牽引任務。
1994年起，由於早期生產的EF81型電力機車的車齡已達到35年，JR貨物為了延長機車的使用壽命，陸續對大多數機車進行了更新改造工程,由金澤綜合車輛所（日語：金沢総合車両所）、鷹取工廠（日語：西日本旅客鉄道鷹取工場）、小倉車輛所（日語：小倉総合車両センター）實施。改造內容包括翻新車內各類設備，牽引電動機抱軸承改為使用滾柱軸承等。完成改造後的機車在車身塗裝上作出了一些標記以示區別，基本番台機車在車體下部塗上了一圈白色帶，400番台機車在車身兩側下部增加了兩道白色帶。而300番台機車的標記方式則各有不同，其中，301號機車採用車身兩側白色帶，302、303號機車的機車編號牌採用白色字型和框線，304號機車的車體正面增添了兩道藍色帶。
2003年至2004年間，JR貨物從JR東日本購置了8台EF81型電力機車，並配屬到富士機關區和東新潟機關區.隨著新一代的EF510型電力機車於2002年開始投入日本海縱貫線，以及EH500型電力機車於2007年開始投入關門隧道區間運用，JR貨物開始分批報廢部分車齡最長且狀況較差的EF81型電力機車。至2009年，JR貨物在本州範圍內的EF81型電力機車均集中配屬富山機關區，擔當日本海縱貫線青森信號場（日語：青森信號場）至大阪貨物總站（日語：大阪貨物ターミナル駅）的貨物列車牽引任務；而九州的EF81型電力機車仍配屬於門司機關區，擔當幡生至福岡貨物總站（日語：福岡貨物ターミナル駅）的貨物列車牽引任務。2010年，門司機關區配屬車輛的運用範圍擴大至鳥栖以南的鹿兒島本線（最遠至八代）、長崎本線（最遠至鍋島（日語：鍋島駅））。
技術特點
總體結構
車體結構
EF81型電力機車是客貨運通用的多電流制電力機車，適用於供電制式為1500伏直流電、20千伏50赫茲和20千伏60赫茲的工頻單相交流電的電氣化鐵路。EF81型電力機車採用整體承載式全鋼焊接結構箱型車體。由於交直流兩用電力機車的電氣設備較多，車上除了設有主變壓器、整流器、平波電抗器等各種交流電器外，亦設有電阻器、調壓裝置等直流電器，另外還有交直流切換器和列車供電裝置等設備，因此EF81型電力機車需要較大型的車體來容納這些設備，其車體尺寸也是日本國鐵電力機車史上最大的。車體全長為17600毫米，車體寬度為2900毫米，比國鐵標準寬度增加了100毫米。車體外觀與EF65、EF80型電力機車較為相似。
司機室
車體兩端各設有一個司機室，司機室內機車運行方向的左側設有司機操縱台，右側設有副司機座席及手制動手柄，司機室兩側設有供乘務員乘降的側門，司機室上方車頂裝有兩盞密封光束燈式前照燈。由於EF81型電力機車以單機牽引運用為主，車體兩端採用無貫通門的非貫通形式，並設有兩塊大面積前窗玻璃以改善司機的瞭望視野。司機操縱台的正中央設有速度表、電流表、電壓表、風缸壓力表等儀表，以及各種機車狀況指示燈和ATS無人警惕按鈕；左手邊設有自動空氣制動機和單獨制動機；右手邊設有司機控制器、緊急停車按鈕和各種常用開關。
設備布置
車體中部是設有各種機械及電氣裝置的機械室，並設有貫通式雙側內走廊連線兩端司機室。機械室內從第一端至第二端方向，順序布置有第一輔助機械室、變壓器室、整流器室、中間橫向走廊、控制電器室、第二輔助機械室。第一輔助機械室內設有第一電動通風機、交流濾波電阻器、交流濾波電容器、緊急制動風缸和24伏特蓄電池等設備。變壓器設有一台主變壓器及附屬的高壓電器，包括受電弓隔離開關、空氣斷路器、交直流切換器、避雷器等。整流器室設有一台矽整流器、主變壓器油冷裝置、交直流電路轉換裝置等設備。控制電器室設有各類控制電器、電阻控制器、勵磁控制器、勵磁電阻器、平波電抗器、空氣制動裝置等設備。第二輔助機械室設有電動空氣壓縮機、第二電動通風機和輔助電動發電機。車頂外置的高壓設備只有兩台下框架交叉式的PS22型雙臂式受電弓，另外主電阻器亦設定在車頂上的一個大型金屬箱體內。車體下方除了有三台轉向架之外，還吊裝著電動發電機的勵磁機和起動電阻、100伏特蓄電池、空氣制動系統保溫箱和四個總風缸。
通風系統
車體通風系統與ED77、ED78型電力機車基本相同，車身兩側各設有七個通風百葉窗和採光玻璃窗，各類主要電氣設備的冷卻空氣均取自車內。夏季時從機械室內吸入冷風后經車頂通風口排出熱風，而冬季時則關閉車頂通風口並改為室內循環方式，以改善室內保溫性能和減少車外冷風吸入量。車上設有兩套電動通風機系統，第一至第四號牽引電動機共用一台通風機，而第五及第六號牽引電動機、主電阻器、平波電抗器、勵磁電阻器共用另一台通風機。主變壓器和整流裝置所採用的循環油冷卻系統，則直接從車體下方吸入冷風，冷卻設備後經車頂排風口排出。
電氣系統
主電路
EF81型電力機車是交—直流電傳動的整流器式電力機車，機車主電路由空氣斷路器、交直流切換器、主變壓器、整流器、牽引電動機、主電阻器、電路保護裝置等部分組成。在交流電模式時，機車從架空接觸網獲取高壓交流電，首先由主變壓器降低電壓，再通過矽整流器轉換成脈流電（即方向不變而只有電壓變化的直流電），經過電阻調壓後供電給牽引電動機。在直流電模式時，機車從架空接觸網獲取直流電，經過電阻調壓後直接向牽引電動機供電。機車可採用車上切換方式來過渡到另一種電流制式，列車運行時無需停車就能完成交直流切換過程。
調速控制
EF81型電力機車的調速控制方式和同時期的直流電力機車一樣，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節速度的目的。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。EF81型電力機車採用CS36型電動凸輪軸式電阻控制器和CS37型電動凸輪軸式勵磁控制器。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。此外，為擴大機車的恆功調速範圍，還可以對牽引電動機施行四級磁場削弱。EF81型電力機車仍然採用傳統的手把式司機控制器，共有16個調速級位，包括低速緩行位4級（1～4）、串聯位1級（S）、串並聯位1級（SP）、並聯位1級（P），並且在串並聯和並聯位均可以使用4級磁場削弱（WF1～WF4）。
主變壓器
機車裝用一台TM17型殼式單相主變壓器。原邊輸入電壓為20千伏，冬季額定容量為2810千伏安（開啟列車供電），夏季額定容量為2430千伏安（關閉列車供電）。變壓器次邊有兩個繞組，包括一個向整流器和輔助系統供電的牽引及輔助繞組（額定電壓為1840伏特，額定容量為2430千伏安）及一個向旅客列車供電的供電繞組（額定電壓為1485伏特，額定容量為380千伏安）。冷卻方式為強迫油循環導向風冷卻，並採用小型輕量化的鋁制散熱器。
整流裝置
整流裝置採用一台RS36A型矽整流器。EF81型電力機車首次採用了日立製作所研製的平板型二極體，取代傳統的螺旋型二極體元件，具有冷卻效能好、功率容量大、結構緊湊的優點，每台機車共使用32個SI800-25型矽二極體（最大反向峰值電壓為2500伏特，平均整流電流為800安培）。整流器由四個橋臂組成單相橋式全波整流電路，每一橋臂由兩個並聯支路組成，每個支路有四個串聯連線的二極體。整流器額定功率為2520千瓦，額定整流電壓為1500伏特，額定整流電流為1680安培。冷卻方式為強迫油循環導向風冷卻。
除此之外，在直流區段為列車供電的晶閘管逆變器亦安裝在整流裝置的箱體內，與矽整流器共用同一套冷卻系統。EF81型電力機車吸取了EF80 63號機車安裝靜止式變流器的經驗，以晶閘管逆變器取代了效率較低的電動發電機。該逆變器使用16個CSI400X-13型平板型晶閘管額定導通電流為400安培，額定反向電壓為1300伏特），逆變器額定輸出電壓為1440伏特，額定容量為320千伏安。考慮到可能對軌道電路產生的干擾，因此輸出頻率設定為67赫茲，另外還設定了諧波濾波器來減少高次諧波成分。
牽引電動機
每台轉向架安裝兩台MT52型四極串勵直流牽引電動機（基本番台1～136號、300番台、400番台機車使用MT52A型，基本番台137～152號、500番台機車使用MT52B型，450番台機車使用MT52C型）。當機車在直流電模式時，牽引電動機額定電壓為750伏特，額定電流為615安培，額定功率為425千瓦。當機車在交流電模式時，牽引電動機額定電壓為750伏特，額定電流為570安培，額定功率為390千瓦。牽引電動機迴路串接有平波電抗器，以減少整流電流的脈動成分和改善電動機的換向性能。
輔助電路
EF81型電力機車採用三相交流傳動的輔助電路系統，輔助機械設備均採用三相鼠籠式異步電動機驅動，包括牽引電動機通風機、電動空氣壓縮機、主變壓器及整流器冷卻油泵等，輸入電壓440伏特60赫茲。輔助電路電源由一台三相交流電動發電機提供，將1500伏特直流電轉換成440伏特交流電，額定容量為90千伏安。在直流區段由架空接觸網直接向電動發電機供電，在交流區段則由整流器供電。
轉向架
機車走行部為三台二軸無搖枕轉向架，包括兩台DT138型兩端轉向架和一台DT139型中間轉向架。兩端轉向架可以互換使用，但中間轉向架由於其特殊性，不能與兩端轉向架互換。中間轉向架在二系彈簧與車體之間有一滾動裝置，該滾動裝置由圓柱形滾子、高錳鋼板、橫向限位拉桿等組成，使中間轉向架在機車通過曲線時，可以產生相對於車體中心線左右各最多200毫米的橫向位移。
構架採用無端梁的“H”字形鋼板焊接結構，側梁中部焊有二系彈簧的支承框架。軸箱採用兩個無磨耗的圓筒型橡膠裝置定位結構，軸箱導桿通過其心柱固定在側樑上，轉向架固定軸距為2,600毫米。一系懸掛為兩個並列的螺旋彈簧組，布置在軸箱頂端的側梁截面內。二系旁承懸掛亦採用每側兩個並聯的螺旋圓彈簧組，設定在構架側梁外側中部的支承框架內。一系及二系彈簧每個均由內、外圈彈簧組成，而兩端轉向架並設有垂向油壓減震器，連線在車體底架和二系彈簧支承框架之間。
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承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直齒輪傳動輪對，齒輪傳動比為3.83（18：69）。牽引力和制動力通過“Z”字形低位斜牽引桿裝置來傳遞。牽引桿和牽引拉桿座呈對角斜對稱布置，與連線於構架下的三角形迴轉支承和橫向連桿組成牽引桿系統，使牽引桿的牽引點交於軌面，理論上轉向架內無軸重轉移，以充分利用機車粘著重量。基礎制動裝置為雙側閘瓦制動，每個輪對左右各設有一個制動缸，並設有制動橫樑以保證兩側閘瓦同步作用，另外還設定了閘瓦間隙調整器。
技術參數
| 技術數據（基本番台） | |
|---|---|
| UIC軸式 | Bo'Bo'Bo' |
| 軌距 | 1,067毫米 |
| 輪徑 | 1,120毫米 |
| 軸重 | 16.8噸 |
| 軸距 | 2,600毫米 |
| 機車長度 | 18,600毫米（車鉤中心距） |
| 機車寬度 | 2,900毫米 |
| 機車高度 | 4,221毫米（降弓狀態） |
| 整備重量 | 100.8噸 |
| 受流電壓 | |
| 傳動方式 | 交—直流電 |
| 牽引電動機 | MT52A × 6 |
| 最高速度 | 110公里/小時 |
| 持續速度 | 45.7公里/小時（DC） 43.2公里/小時（AC 50Hz） 42.1公里/小時（AC 60Hz） |
| 牽引功率 | 2,550千瓦（DC） 2,370千瓦（AC） |
| 牽引力 | 19,980公斤/195.8千牛（DC，持續） 18,200公斤/178.4千牛（AC，持續） |
| 制動方式 | EL14AS自動空氣制動機、手制動機 |
| 安全系統 | ATS-S |
