0 引言
電力機車采用直流電網供電， 集電器作為電力機車的重要裝置， 其主要功能是通過滑板和牽引網鉤銅線的接觸把電能引入機車。 目前大部分冶金企業還沿用20世紀六、七十年代從德國進口的電力機車， 本鋼板材股份有限公司運輸部在用的24臺電力機車集電器大部分使用原有設備，由于多年的頻繁使用和維修，已經不能滿足現有運輸條件，為此，我們先后采用了國產單臂受電弓。 但經過使用后發現不能滿足企業的運行條件，有時還影響生產的順利運行。由于故障多發而引起牽引網接地， 極易發生火災和燒損機車事故， 對機車設備和司乘人員的安全造成了嚴重威脅。 另外，由于刮弓子事故而引發多起較大設備事故，損失較大，檢修過程中投入了大量的人力、財力和物力，還影響了機車的完好率和設備開動率。
經分析多年檢修維護記錄發現， 集電器故障一部分由設備老化引起， 一部分由滑板與牽引網滑動過程中摩擦力過大引起， 還有的由安全閃斷裝置問題引起 （主要是集電器與牽引網發生刮弓后， 不能及時閃斷安全棒使集電器下落，從而使事故進一步擴大）。 另外，碳滑板是由銅材質制作的，而牽引網鉤銅線也是銅材，銅與銅之間的摩擦因數很高，摩擦力大，兩種硬材質的接觸磨損都十分快。 目前使用的集電器滑板更換周期短的為十幾天，長的也只有一個多月，而牽引網的大修更換周期是15 a， 因此遠遠達不到國家鐵路運輸牽引網裝置大修周期的要求。 基于上述情況，本鋼板材股份有限公司運輸部對原集電器進行了改造設計， 研發出新型集電器，于2013 年投入使用。
1 總體改造設計
新型集電器總體改造設計分成3部分：新型集電器受電弓設計、 自動降弓控制裝置設計和滑板設計。
1.1 新型集電器受電弓設計
1.1.1 結構設計
新型集電器受電弓由下部臂固定支架、下部臂構架、上部臂構架、滑板托架、絕緣推拉桿、主拉力彈簧、絕緣瓷瓶、滑板、推桿和氣缸等構成，其結構設計如圖1所示。
1.1.2 參數設計
新型集電器受電弓按照下列參數進行設計。
（1）速度：120 km/h。
（2）工作環境溫度：-25～45 ℃。
（3）額定工作氣壓：700 kPa。
（4）靜態接觸壓力：（75±5）N；壓力調整范圍：65～85 N；升降弓壓力差：≤10 N。
（5）工作高度：500～2 250 mm；*大有效高度：2 600 mm；*小有效高度：300 mm。
（6）升弓時間：4～8 s；降弓時間：4～7 s。
（7）落弓位置保持力：≥50 N
1.1.3 電氣設計
根據上面的結構設計和參數設計，對原來的集電器重新進行了電氣設計， 新型集電器受電弓電氣設計原理如圖2所示。
新型集電器受電弓采用鉸鏈機構，升降作用由壓縮空氣進行控制，其控制過程包括：上升過27程和下降過程。
（1）上升過程控制。 電磁閥DCa得電后，供給壓縮空氣，緩沖閥活塞關閉，使壓縮空氣流入到風缸，風缸活塞被壓下后，使活塞桿對下部臂的力逐漸釋放， 受電弓在2個主拉力彈簧作用下緩慢帶動集電器上升[1]。 當氣缸內供給壓縮空氣后，氣缸內壓縮空氣被壓下，使受電弓升起，與牽引網架線接觸，并保持一定壓力。 這時活塞桿帶動絕緣推桿動作， 將2個主拉力彈簧松弛限位。
（2）下降過程控制。 整個下降過程具有2段運動形式。 電磁閥DCa失電后，閥芯動作，壓縮空氣供給被切斷，氣缸內彈簧退回，迅速回流氣缸內的壓縮空氣，使緩沖閥的活塞打開，快速排氣，使集電器迅速下降，同時，氣缸內氣壓急劇變小，緩沖閥的活塞在彈簧的作用下再度關閉，使氣體只能通過電磁閥從節流孔排出， 集電器緩慢下降。 系統運行時，氣缸里面必須有足夠的壓縮空氣，當氣缸內壓縮空氣被排出時，滑板托架可以按架線的變化自動調整接觸高度。 氣缸活塞帶動絕緣推拉桿運動， 將2個助彈簧進行拉伸，當受電弓需要動作時受電弓可以下降，在下部臂固定支架上碰到橡膠墊后停止。
1.2 自動降弓控制裝置設計
目前鐵路運輸采用懸掛式牽引網， 造成機車運行過程中震動比較大，弛度比較大，集電器伸張壓縮頻繁。 如果自動降弓控制裝置靈敏度過高，則在電力機車運行中，由于正常震動引起裝置動作，使集電器下落，會導致機車失去牽引力，降低運輸能力，因此通過對氣源主氣路的改進，降低自動降弓控制裝置的靈敏度。
1.2.1 裝置組成
自動降弓控制裝置由整體滑板、風管、絕緣風管、受電弓風缸、三通接頭、緩沖閥、升弓電磁閥、自動降弓氣動箱、自動降弓控制箱、機車端子排組成。
1.2.2 工作原理
自動降弓控制裝置主要通過氣源主氣路進行控制，控制原理如圖3所示。當滑板斷裂或磨損到限后， 控制管路內氣壓下降， 此氣壓降信號送到壓差繼電器YCJ使其動作， 并通過SB中間繼電器轉化為電信號，自動降弓裝置檢查到該信號后，給出控制信號，斷開機車主斷路器，同時，切斷機車升弓氣源主氣路和控制電路，并通過自動降弓氣動箱的快速排氣閥立即排空受電弓風缸內的剩余壓縮空氣[2]，使受電弓迅速降下，從而實現自動降弓。
1.2.3 升降控制原理
（1）自動降弓控制箱開關處于“停用”位置時， 本裝置處于非工作狀態， 升降過程與1.1.3小節所述相同。
（2）自動降弓控制箱開關處于“1位”時，本裝置處于工作狀態，除升弓過程與1.1.3小節所述不同外，其他相同。 對于升弓過程，壓縮空氣除正常升弓以外， 與單獨受電弓不同之處在于低壓電信號經自動降弓控制箱到電磁閥， 一路經三通接頭至自動降弓氣動箱， 系統輸出后又分為兩路：其中一路至有氣道的整體滑板，另一路通往自動降弓控制箱。
1.3 滑板設計
在新型集電器中， 采用了新型浸金屬碳滑板，同時對其材質的硬度、耐磨性和外型尺寸進行改進，保證滑板緊固耐用，維護時一旦發現松動馬上調整，易于更換，給維護人員帶來很大的方便。
2 整體安裝調試
經過以上改造設計， 需要重新安裝調試，安裝調試按以下步驟進行：
（1）接觸壓力調節。 在調節接觸壓力時，要求受電弓在升降任何位置都能保持相同壓力，高度在0.3～2.5 m 之間，接觸壓力在 65～85 N 之間， 風缸壓縮空氣壓力應在500 Pa～1 000 kPa之間。 用手壓上升部分，松手后受電弓能迅速上升，在上部臂中央掛75 N平衡塊，在0.5～2.5 m范圍內不加任何外力， 應使力能保持平衡而停止運動，當靜載荷過大時，應將主拉力彈簧螺絲放松，反之則把螺絲擰緊。
（2）升降速度調整。 將風缸內空氣排出，受電弓快速下降到0.3 m后，速度變緩，然后在橡膠墊上停止。 如果速度異常，應調整風缸前端，要根據情況增加或減少絕緣推拉桿長度， 調整后，擰緊兩端緊固螺母，必要時檢查缸體內彈簧狀態。
（3）托架彈簧盒檢查。 為使托架隨架線變化前后傾斜，在托架和上部臂安裝兩個彈簧盒，檢查活動銷、 盒體及彈簧， 當在托架中部加75 N向下力時，活動銷移動尺寸為14～22 mm。
（4）檢定受電弓上升和下降時間。 受電弓送風上升到1.8 m的時間為4～8 s，下降時間是指由1.8 m 下降到0.3 m 的時間，檢定時間是指電磁閥打開或關閉后直至受電弓停止動作的時間。 通過調節緩沖閥的上升螺絲調整上升時間，調節緩沖閥的下降弓螺絲調整下降時間， 使上升或下降時間符合設定時間。 升降試驗應進行3～4 次，動作應平穩。
（5）連接軟線檢查。 受電弓鉸鏈處或可動部位均安裝軟線，目的是保持良好的導電性，防止燒損部件。 檢查時注意軟線是否有破損，折斷應不大于15%，端子要緊固，無松動現象。
（6）托架檢查。 檢查連接銷是否良好，整體是否變形。
（7）緩沖閥及電磁閥檢查。 電磁閥得電后，動作要靈活，壓縮空氣要順利通過，緩沖閥調整要有效。 得失電時要檢查電磁閥漏氣情況，必要時更換閥墊。
（8）絕緣推拉桿檢查。 包括絕緣狀態良好，表面無裂紋、油灰等雜物；強度良好；長度調整有效。經過以上步驟整體調試后， 新型集電器可以正常投入到電力機車上。
3 經濟效益分析
（1）殘值計算。 原集電器已使用多年，早已過了報廢周期，單臺質量為0.4 t，廢鋼鐵價格為0.22 萬元/t，24 臺機車集電器的總殘值A=0.4×0.22×24=2.1（萬元）。
（2）每年檢修費用計算。 如果不采用新型集電器，則按單臺每月計算，集電器本身檢修投入材料備件0.63 萬元， 銅滑板更換投入0.12 萬元， 每年檢修費用B=24×（0.63+0.12）=18 （萬元）。
（3）損失費計算。 如果不采用新型集電器，根據2001～2006 年的統計， 包括電氣設備燒損等各項損失平均每年損失費C為7.6萬元。
（4）每年更換牽引網架線費用計算。 原來牽引網架線現大修更換周期為3～5年， 共有架線150 km，每米銅線價格75 元，全部更換價格D =150×1 000×75/10 000=1 125（萬元）。
原來按4 a一個周期， 投入價值D1=1 125/4=281.25（萬元）。
而采用浸金屬碳滑板后更換周期達到15～20 a，提高 4 倍周期，按 16 a 一個周期，投入價值D2=1 125/16=70.31（萬元）。
每年節省費用 D′=D1-D2=281.25-70.31=210.94（萬元）。
（5）更換新型集電器費用計算。 采用新型集電器后，單弓（加上一年維修費用）2.1 萬元，按10 a 使用期，則每年投入（2.1-0.2）/10=0.19（萬元）。
24 臺車費用 E=0.19×24+0.2×24=9.36 （萬元）。
則總效益W = D′+C+B-A-E=210.94+7.6+18-2.1-9.36=225.08（萬元）。
4 結論
新型集電器在電力機車上的應用，給企業帶來了很大的經濟效益， 浸金屬碳滑板的采用及對自動降弓裝置的改造， 使設備技術性能得到提高。 通過這次設備改造，無論是管理人員的決策能力、科技人員的技術水平，還是一線檢修、運維人員的認識，都得到了相當大的提高。
