拱心石上的明珠——宾夕法尼亚铁路GG1型电力机车“Big G”简说
一、前言和碎碎念GG1型电力机车是美国宾夕法尼亚铁路(PRR)于1934-1945年制造的一种准高速电力机车。其在铁路机车史上的开创性和
一、前言和碎碎念
GG1型电力机车是美国宾夕法尼亚铁路(PRR)于1934-1945年制造的一种准高速电力机车。其在铁路机车史上的开创性和先进性是不容小觑的。然而贵站介绍GG1型电力机车的文章颇有错漏，有的地方甚至颇显荒谬；而且介绍的不完全、有遗漏，不单不好评论一一列举疏漏，原文亦未能展现GG1型机车的划时代意义。故特此记下这篇短文，给GG1和宾夕法尼亚铁路正名。
二、PRR的电气化计划和GG1的先行者
进入了20世纪20年代，随着美国东北地区的兴旺和繁荣，为了应对PRR东部各分局，特别是本线(费城-哈里斯堡段，现称为拱心石走廊)以及纽约、费城、巴尔的摩和华盛顿线(现为东北走廊南段)日益增长的客流需求，PRR急需一种高速旅客机车来满足这种需求。早在1910年，PRR就开始尝试在城市地下段无法使用蒸汽牵引的线区使用直流650V第三轨供电来解决火车进城的问题。特别的，1923年的考夫曼法案要求所有进入纽约市的任何形式的轨道交通使用电力牵引，以解决蒸汽机车、路面蒸汽轨道车(Yep, that was a thing)在人口密集的纽约所造成的污染问题。【1】进入1920年代，随着15kV 16 2/3Hz铁路电气化在瑞士铺开，PRR也开始考虑使用更高电压的交流电化，以保证货车的牵引定数和客车的行驶速度。
低频交流电在20世纪初是相当流行的。由于早期城市轨道交通(路面电车、地下铁路)大多使用直流电，而当时最为方便的整流方式是旋转整流器，低频交流电用于万用电动机(交直流有刷电动机，下文详述)时电抗较小、电刷不会拉弧、而且铁芯产生的涡电流也相比高频交流电小，所以交流有刷电动机、交流有刷旋转整流器一般要求使用低频交流电，故当时电厂往往会供出低频(16 2/3Hz、25Hz)交流电、和工频电(50Hz、60Hz)两种电力。【2】
和北边的纽约、纽黑文和哈特福特铁路先用直流接触网电化尝鲜不同，由于有了NYNH&HRR的尝试和经验，PRR决定跟进这两间公司的做法，亦使用低频11kV 25Hz接触网供电作为PRR的标准供电方式，以方便接触网电力牵引在美东地区的直通运用。
PRR首先使用了公司资金进行了一些区间的、分散的电气化试验，在11kV 25Hz系统试验成功，1928年，PRR总裁威廉·华莱士·阿特伯雷公布了一个电气化发展计划，需要将本线费城-哈里斯堡段和东区干线纽约、费城、巴尔的摩和华盛顿线完全电化。大萧条短暂地打击了PRR的电气化计划，但是1933年PRR仍成功将纽约-费城、费城-保利段完全电化；1934年，PRR更是从罗斯福新政下刚刚成立的公共工程管理局(PWA)借到了7700万美元(换算通胀后相当于2019年14亿6千万美元)的振兴开发贷款，一鼓作气在1935年完成了纽约-华盛顿的电气化。1935年2月1日，由纽约宾夕法尼亚站和华盛顿联合站对向开出的第一趟电力牵引的国会特快号列车，便是由本文主角GG1型电力机车的第一批车牵引的。当年3月，纽约-华盛顿的所有列车均改由电力牵引。
1937年，PRR开始着手完成其他线区(主要是保利-哈里斯堡段和一些次级线区)的电气化，到1938年，整个PRR的东部网络基本完成了电气化，1月15日，第一趟纽约前往哈里斯堡的电力牵引大都会号开始运营。PRR合共有4300km之多的电气化铁路网，占全美一级铁路的41%。
当PRR开始将铁路电气化时，也开始着手设计一个适应高速、高加减速度的新型电力机车。PRR的早期电力机车纷繁复杂，其中以FF1型电力机车为代表。【3】FF1型机车使用的是副轴-联杆驱动，转向架轴距长，不灵活，而且副轴-联杆装置限制了速度的提升，这种设计很快就被PRR抛弃了，FF1型机车也大多被改造成货运机车。
其后，PRR又订购了P5(4-6-4)和O1(4-4-4)两种机车。这两种机车都使用了当时电力机车常用的盒状铆接车体，它们最具革命性的一点，是在PRR线路系统中首先使用了双电机弹簧联轴器轮对空心轴大轮径的驱动方式，驱动轴亦有了独立的导框式悬挂，这种驱动方式相比副轴-联杆式，有着更好的行车品质和更高的速度。由于O1相比P5少了一根动轴，牵引功率较小，而且粘着水平较差，随着牵引定数和速度的提升，PRR选择了P5型机车作为量产对象。GG1型机车所使用的驱动方式也是这种双电机轮对空心轴大轮径式。
然而，P5也有自己的问题。首先，铆接的盒状车身，司控台在车头；相比蒸汽机车而言，不能在道口事故中给机车乘务员以足够的保护。在一次严重的道口事故后，PRR根据工业设计师唐纳德·罗斯克·多纳的建议，改进了P5的车身，将司控台移到中央，不仅保护了乘务员，换端操作也更加方便，同时还使用了铆接的流线型车身，改进型命名为P5a。P5a的车身设计也成为了后来GG1的原型。
其次P5的4-6-4、大轴距驱动轴的固定式底架通过小半径曲线时比较困难，而且面对日益增长的定数也出现了牵引力不足的现象。PRR急需一种大功率、高速、可客货混用的新型电力机车。
同时，PRR向NYNH&HRR借用的EP-3型电力机车受到了PRR的赏识，其使用了4-6-0铰接0-6-4的轴式(2-C～C-2)，动轴轴距较小，两个无动力导轮转向架可以独自旋转，两个转向架之间有球形铰链相连，在有着更高的功率之余，曲线通过性能亦不俗，走行品质亦比固定底架式机车来得好得多。这种走行部设计在经过改进后则被GG1型电力机车所使用。
三、原型车的设计——4899/4800号GG1型电力机车
随着纽约-华盛顿间铁路的电气化的步步推进，PRR开始着手设计一种用于东部地区的快速客货型电力机车，在总结P5a、EP-3的运用经验后，PRR给出的设计要求如下，
- 大功率、高速度、大牵引力；
- 使用4-6-0铰0-6-4的走行装置；
- 沿用P5a的改进型车身设计，司控台中置流线型；
- 使用PRR配套的计数电码式速差制机车信号和超速防护装置。
GE、西屋和鲍德温机车厂三厂联合，根据PRR的要求，于1934年设计出来一台划时代的原型车——4899号。
牵引上，4899号使用了12台GEA-627-A1型交流有刷串励电动机(万用电动机)，一台功率287kW，两台电机驱动一个中空轴，由于PRR使用了高压低频交流电作为电气化的标准，低频交流电可以很好地适应万用电动机，故不需要经过整流，直接降压后就可输入到电机端；
走行上，4899号使用了NYNH&HRR EP-3类似的4-6-0铰0-6-4型转向架，转向架和车体间由心盘和可动侧支承连接，心盘和侧支承共同承重；两台转向架之间由一个球形铰链连接，导轮转向架可以在主转向架下方独立旋转，有着较好的曲线通过能力。相比NYNH&HRR EP-3，4899号更是使用了全新的导框-下置钢板(带间隙调整)式一系悬挂和滚柱轴承，有着更好的走行品质和更低的基本阻力；
传动上，4899号使用了一台大功率气冷、低压侧调压一体式主变压器，将11kV 25Hz交流电降压为电机能承受的低压交流电和散热扇、控制电路使用的低压电，调速使用低压侧调压，变压器抽头开关有级调速，调速级位有21位，牵引变压持续容量为4800kVA；
驱动上，4899号使用了P5机车以来广泛使用的双电机弹簧联轴器轮对空心轴大轮径驱动方式，和P5相比则更为紧凑，客运机车的传动比为24 : 77，货运机车传动比为24 : 79，动轮轮径长达57"/1.44m；
车体上，使用了唐纳德·罗斯克·多纳所指导的，和P5a类似的中置驾驶室流线型车身，钢骨钢蒙皮，车身拉长至24.23m，车身铆接，并在一端设置有一个大型通风口；
待客设备上，设有一个燃油锅炉，以给客车的空调(Yep, you read it right, and it's not a typo)和暖气提供高压蒸汽。
信号上，使用了PRR、联合道岔信号公司共同发明的具有革命性的计数电码式速差制机车信号和超速防护装置(PCCS)，以确保在合州际商务委员会(ICC)规定的前提下，以100mph (160kph)时速运营。【4】
同时，4899号也使用了首批莱斯利A-200型雾号音汽笛，该型汽笛相比蒸汽机车的汽笛稳重而低沉，被美国铁路迷称之为The GG1 Horn，之后在EMC/EMD的柴油机车上推广开来。
这样设计出的电力机车，不仅是一台功率巨兽、一台重达215.5t的庞然大物，4899号的持续功率为3450kW，短时持续功率(不考虑电机和变压器温升)可达6,300kW，最大牵引力可达291kN，相比之下，2001年定型的SS7E型电力机车持续功率为4800kW，短时持续功率为5400kW，最大牵引力为245kN，DF11型内燃机车持续功率为3040kW，最大牵引力亦为245kN，可见4899号的功率和牵引力在当时有多么超前；而且，其流线型的外表却给了这巨兽一丝柔美和亲和，毫无蒸汽机车的肮脏、突兀和棱角感。
同时，4899号也是世界上第一种按照现代定义能被称为“准高速客货混运型电力机车”的产物。她同时具备了，
- 最高100mph/160kph的运营时速，最高110mph/177kph的试验速度；
- 高达3450kW的功率和291kN的牵引力；
- 极为优良的起动加速性能，牵引8节普尔曼客车时加速到160kph仅需65s；
- 设有超速防护和机车信号，确保安全行车。
这几点是现代准高速旅客列车运营的脊梁骨，美国在20世纪30年代就可以做到，实属超前。
4899号的对手，4800号PRR R1型(4-8-4)固定底架式4动轴机车在4899号的优良性能前相形见绌，4899号理所当然地成为了纽约-华盛顿电力牵引的预选机车，并被命名为GG1型。G在PRR的命名规则中是4-6-0的代号，两台4-6-0转向架铰接便被称为GG型，即GG型1型车——GG1。4899号也成为了GG1的初号车，她亦和4800号R1型互换车号，成为了4800号量产先行车。
四、传奇的开始——量产型GG1型电力机车
在GG1型机车即将投入量产时，PRR又请来了美国工业设计大师雷蒙德·洛威做最后的外形微调。洛威对唐纳德·罗斯克·多纳的流线型设计好评有加，其给出的建议有三点，
- 使用焊接式车身，让车身相较铆接式更为平滑，体现流线美，这一点是在世界铁路车辆中首创的；
- 将通风口改小，以减少突兀感；
- 设计几条从车头到车尾的金色线，以突出其流线美。
使用了更小的通风口后，要保证变压器的冷却，联合设计方将原有的易过热的气冷式变压器改为油浴式变压器，并将通风口改小。(然而，这个设计调整竟然直接导致了GG1在退役后无法动态保存，下文详述)
在经过这个设计变更后，GG1继承自P5a的流线型被更好地展现出来，油亮反光的黑色油漆、金色的装饰线和完美的流线型车头让GG1有了一种在流线型工业设计井喷时代一种独特的装饰风美。
在20世纪30年代流线型工业设计刚开始泉涌时，GG1型机车成为了美国工业设计“流线摩登”的典型，并成为了家喻户晓的名机车。
在二战后，PRR将GG1涂成和客车统一的塔斯肯红色，并配以金色装饰线，GG1的“Ye Ol' Big Red”的绰号便不胫而走。
五、辉煌的运用实绩——西半球的明星机车
GG1在西半球最为繁忙的铁路线上运用，自然也担当了许多曾经名噪一时的名列车，特快国会号、大都会号、特快百老汇号、卧铺特快弦月号、卧铺特快银流星号都是由GG1担当在电化区间的牵引。一时，纽约宾夕法尼亚车站成为了GG1的天下，GG1牵引银色反光的不锈钢客车成为了纽约-华盛顿铁路的象征。
GG1也担当了不少的专运列车和礼宾列车的任务。GG1担当了全部总统加挂专车于纽约、费城和华盛顿之间的牵引，也牵引了罗斯福总统、肯尼迪总统的灵柩车。
然而，让GG1最为光彩的，反而是她们在纽约-华盛顿和费城-哈里斯堡的日常、高频、高强度和可靠的运用；特别的，在费城市体育馆举办陆海军运动会时，40多台GG1会牵引比赛临时客车到附近的格林威治货场以运送观众和运动员，场面颇为壮观。
在49年的服役中，GG1从来没有因为机车本身而出任何的事故，可靠性相当出色。唯一一次大规模故障是1958年2月美国东北大雪，进气口入雪导致电气短路而无法出车。后来，GG1的进气口被改到了受电弓下方，防止雪花进入。
GG1唯一一次事故则是在1953年1月15日，牵引173次联邦号特快4876号机车，由于机后客车的折角塞门关闭，机车冲毁华盛顿联合车站止挡，并冲入大堂。
GG1在美国东部高强度的运营，也让GG1车队积累了相当长的无故障安全运营里程。她们安然度过了美国客运铁路最为动荡的时日，从PRR过档到Penn Central，到Con Rail，再到Amtrak和NJ Transit，GG1的可靠运营却从未因为公司变迁而变化。GG1车队所积累的无故障里程甚至超过了地球到太阳之间的距离，其运用强度之高，机车可靠性之高和机务人员的勤恳细致也可见一斑。
当然，GG1车队最为炫目的一天，当属英国伦敦东北铁路(LNER)的特快苏格兰飞人(Flying Scotsman)专属蒸汽机车A3型4472号被铁路爱好者买下并装船到美国巡游时，GG1 4845号机车牵引苏格兰飞人在纽约-华盛顿线巡游。大西洋两边的两台名机车竟然能在同一条铁路上握手而行，实属难得一见的胜景。
六、生命的终焉——49年后的GG1
最后一批在干线上运营的GG1型电力机车属新泽西公共交通局NJ Transit所有。NJ Transit特地邀请美国铁路历史协会将他们手头的GG1 4877号机车还原成50年代PRR的塔斯肯红色并服役了一段时间。4877号也是最后服役的一台GG1，她于1983年10月29日退出NJ Transit的载客运营，她的退役仪式和最后运行也被NJ Transit办成了一场盛大的活动，来自美国各州、加拿大甚至居澳美国人都来参加这场盛典，为最后一台GG1送行。
GG1没有一台得到动态保存，也不会有状况良好的GG1被修复到动态保存的机会。因为GG1在量产时的一个设计变更——使用油浴变压器让GG1没能在21世纪继续运营的机会，当时变压器油所选用的多氯联苯是一种毒性极强的物质，若处理不当会导致严重的工伤事故和环境污染，在世界范围内已经不被允许继续使用，所有的变压器已被拆卸并送去无害化处理；而完全特地新制变压器又失去了动态保存的意义。故目前所有的GG1都是静态保存车。
七、PRR巨人的没落和随感
GG1活到了80年代，然而PRR却没有，在和NYNH&HRR、NYCRR不成功的并购后二次倒产，成为了历史。
PRR的没落是必然的，他没能随着时代进步。它没能随着汽车运输的兴起去改变以往的白货运输模式，仍然承担了美东地区大量的低速、编组站中继式的高成本低效益零担货物，客运方面又没有发挥出高速高频城际客运的优势，通勤铁路待客设备迟迟不肯更新，吃老本，仍然在做铁路上升期以货补客经营模式的美梦，新造的Metroliner问题不断，还仍采用过时的大轴重、导框、均衡梁等设计，不成功的合并等等因素，共同导致了巨人的轰然倒塌。
不知道海的另一边，某间以以货补客和不思进取闻名的铁路公司，会不会在时代的潮流中落一个和PRR一样的下场呢？
古词道物是人非事事休，欲语泪先流，然而当人非物亦非时，人面对时代的无力感，是不是更令人惆怅呢？
GG1于1983年退役时，最后驾驶她一程的司机编写了一首叙事民谣《The Old Big Red》以纪念GG1型机车50年优秀、拔群的服役。全词如下，供大家欣赏。
You've heard a lot of songs of famous trains along the track
But how about the engines that take 'em there and bring 'em back?
This story's 'bout an engine, a GG1 by name
She's ridin' into history, into a hall of fame
She still wears Pennsy colors, Golden stripes and Tuscan Red
Ran for the Pennsylvania, until that line was dead
Penn Central, then Conrail, New Jersey Transit too
'Cause my dad's her engineer, her story I'll tell you
Old Big Red, speeding up an down the line
Old Big Red, gets her people there on time
She's a mighty GG1, my favorite you see
Her 50 years of service won a place in history
As she pulls out of the station, and starts her daily run
Old 4 8 7 7, she glistens in the sun
Her bell it rings, her drivers roll, she gently starts to sway
Just give Ol' Red the throttle, she'll resound the right of way
Famous folks have rode behind her, plain ones done it too
There's congressmen and presidents, she got them all through
When navies played armies, her trains brought quite a few
But everywhere she goes it's best when she takes me and you
Old Big Red, speeding up an down the line
Old Big Red, gets her people there on time
She's a mighty GG1, my favorite you see
Her 50 years of service won a place in history
She's pulled long and regal trains and had her share of lore
The Broadway, the Crescent, the Silver Meteor
They're a part of this great land of everlasting legend
Racing down the mainline with the 4 8 7 7
The miles have passed beneath Big Red, believe me she's gone far
She's seen her share of railroad, the tracks could reach a star
She's rode into New York, New Haven, D.C., and Harrisburg
And done it all making the Ton or doin' 90 per
Old Big Red, speeding up an down the line
Old Big Red, gets her people there on time
She's a mighty GG1, my favorite you see
Her 50 years of service won a place in history
When life on Earth is over, and Dad rides that golden rail
He'll have to sign a register, this time he can't fail
When the Master tells him, "Take your train and go ahead"
I know that he'll be right on time and his engine's Old Big Red
Of all of the electrics, the Corridor has seen
From E60s to the Sprinters, back to the Haven's EP-3's
No matter strength or power, there's one important fact
For style, speed, and smoothness, GG1's had no real match
Old Big Red, speeding up an down the line
Old Big Red, gets her people there on time
She's a mighty GG1, my favorite you see
Her 50 years of service won a place in history
脚注：
【1】考夫曼法案为何如此严格还要追究到1907年公园大道隧道(NYCRR和NYNH&HRR共用段)的一起死亡17人的行车事故，事故原因为蒸汽机车在密闭空间内不完全燃烧所导致的一氧化碳中毒。
【2】随着1930年代水银引燃管的发明，旋转整流器逐渐被代替，频率的限制被打破，电厂也逐渐不再输出低频交流电。
【3】PRR的机车命名规则中，F代表2-6-0轴式，P代表4-6-4轴式，O代表4-4-4轴式，G代表4-6-0轴式，两个2-6-0铰接则为FF型，FF的第一型机车则称为FF1。
【4】1922年，ICC要求时速在80mph及以上的铁路列车必须配备超速防护和自动停车装置，PRR便联合US&S开发了世界上第一套具有超速防护功能的机车信号和自停设备，为世界首创。PCCS型机车信号和自停装置最后出口到多个国家，并发展成荷兰ATB、前苏联ALSN、意大利RS4等多种各具特色的计数电码式机车信号和自停设备，铁道部也曾引进过苏式计数电码式机车信号，后被UM/ZPW2000代替。
PCCS是现代速差制控车设备的先祖。某高铁科普大尸所信口开河的，新干线ATC设备源自英国完全是半点事实不沾边的胡扯淡，没有必要听信。
