0 引言
电力机车采用直流电网供电， 集电器作为电力机车的重要装置， 其主要功能是通过滑板和牵引网钩铜线的接触把电能引入机车。 目前大部分冶金企业还沿用20世纪六、七十年代从德国进口的电力机车， 本钢板材股份有限公司运输部在用的24台电力机车集电器大部分使用原有设备，由于多年的频繁使用和维修，已经不能满足现有运输条件，为此，我们先后采用了国产单臂受电弓。 但经过使用后发现不能满足企业的运行条件，有时还影响生产的顺利运行。由于故障多发而引起牵引网接地， 极易发生火灾和烧损机车事故， 对机车设备和司乘人员的安全造成了严重威胁。 另外，由于刮弓子事故而引发多起较大设备事故，损失较大，检修过程中投入了大量的人力、财力和物力，还影响了机车的完好率和设备开动率。
经分析多年检修维护记录发现， 集电器故障一部分由设备老化引起， 一部分由滑板与牵引网滑动过程中摩擦力过大引起， 还有的由安全闪断装置问题引起 （主要是集电器与牵引网发生刮弓后， 不能及时闪断安全棒使集电器下落，从而使事故进一步扩大）。 另外，碳滑板是由铜材质制作的，而牵引网钩铜线也是铜材，铜与铜之间的摩擦因数很高，摩擦力大，两种硬材质的接触磨损都十分快。 目前使用的集电器滑板更换周期短的为十几天，长的也只有一个多月，而牵引网的大修更换周期是15 a， 因此远远达不到国家铁路运输牵引网装置大修周期的要求。 基于上述情况，本钢板材股份有限公司运输部对原集电器进行了改造设计， 研发出新型集电器，于2013 年投入使用。
1 总体改造设计
新型集电器总体改造设计分成3部分：新型集电器受电弓设计、 自动降弓控制装置设计和滑板设计。
1.1 新型集电器受电弓设计
1.1.1 结构设计
新型集电器受电弓由下部臂固定支架、下部臂构架、上部臂构架、滑板托架、绝缘推拉杆、主拉力弹簧、绝缘瓷瓶、滑板、推杆和气缸等构成，其结构设计如图1所示。
1.1.2 参数设计
新型集电器受电弓按照下列参数进行设计。
（1）速度：120 km/h。
（2）工作环境温度：-25～45 ℃。
（3）额定工作气压：700 kPa。
（4）静态接触压力：（75±5）N；压力调整范围：65～85 N；升降弓压力差：≤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）升弓时间：4～8 s；降弓时间：4～7 s。
（7）落弓位置保持力：≥50 N
1.1.3 电气设计
根据上面的结构设计和参数设计，对原来的集电器重新进行了电气设计， 新型集电器受电弓电气设计原理如图2所示。
新型集电器受电弓采用铰链机构，升降作用由压缩空气进行控制，其控制过程包括：上升过27程和下降过程。
（1）上升过程控制。 电磁阀DCa得电后，供给压缩空气，缓冲阀活塞关闭，使压缩空气流入到风缸，风缸活塞被压下后，使活塞杆对下部臂的力逐渐释放， 受电弓在2个主拉力弹簧作用下缓慢带动集电器上升[1]。 当气缸内供给压缩空气后，气缸内压缩空气被压下，使受电弓升起，与牵引网架线接触，并保持一定压力。 这时活塞杆带动绝缘推杆动作， 将2个主拉力弹簧松弛限位。
（2）下降过程控制。 整个下降过程具有2段运动形式。 电磁阀DCa失电后，阀芯动作，压缩空气供给被切断，气缸内弹簧退回，迅速回流气缸内的压缩空气，使缓冲阀的活塞打开，快速排气，使集电器迅速下降，同时，气缸内气压急剧变小，缓冲阀的活塞在弹簧的作用下再度关闭，使气体只能通过电磁阀从节流孔排出， 集电器缓慢下降。 系统运行时，气缸里面必须有足够的压缩空气，当气缸内压缩空气被排出时，滑板托架可以按架线的变化自动调整接触高度。 气缸活塞带动绝缘推拉杆运动， 将2个助弹簧进行拉伸，当受电弓需要动作时受电弓可以下降，在下部臂固定支架上碰到橡胶垫后停止。
1.2 自动降弓控制装置设计
目前铁路运输采用悬挂式牵引网， 造成机车运行过程中震动比较大，弛度比较大，集电器伸张压缩频繁。 如果自动降弓控制装置灵敏度过高，则在电力机车运行中，由于正常震动引起装置动作，使集电器下落，会导致机车失去牵引力，降低运输能力，因此通过对气源主气路的改进，降低自动降弓控制装置的灵敏度。
1.2.1 装置组成
自动降弓控制装置由整体滑板、风管、绝缘风管、受电弓风缸、三通接头、缓冲阀、升弓电磁阀、自动降弓气动箱、自动降弓控制箱、机车端子排组成。
1.2.2 工作原理
自动降弓控制装置主要通过气源主气路进行控制，控制原理如图3所示。当滑板断裂或磨损到限后， 控制管路内气压下降， 此气压降信号送到压差继电器YCJ使其动作， 并通过SB中间继电器转化为电信号，自动降弓装置检查到该信号后，给出控制信号，断开机车主断路器，同时，切断机车升弓气源主气路和控制电路，并通过自动降弓气动箱的快速排气阀立即排空受电弓风缸内的剩余压缩空气[2]，使受电弓迅速降下，从而实现自动降弓。
1.2.3 升降控制原理
（1）自动降弓控制箱开关处于“停用”位置时， 本装置处于非工作状态， 升降过程与1.1.3小节所述相同。
（2）自动降弓控制箱开关处于“1位”时，本装置处于工作状态，除升弓过程与1.1.3小节所述不同外，其他相同。 对于升弓过程，压缩空气除正常升弓以外， 与单独受电弓不同之处在于低压电信号经自动降弓控制箱到电磁阀， 一路经三通接头至自动降弓气动箱， 系统输出后又分为两路：其中一路至有气道的整体滑板，另一路通往自动降弓控制箱。
1.3 滑板设计
在新型集电器中， 采用了新型浸金属碳滑板，同时对其材质的硬度、耐磨性和外型尺寸进行改进，保证滑板紧固耐用，维护时一旦发现松动马上调整，易于更换，给维护人员带来很大的方便。
2 整体安装调试
经过以上改造设计， 需要重新安装调试，安装调试按以下步骤进行：
（1）接触压力调节。 在调节接触压力时，要求受电弓在升降任何位置都能保持相同压力，高度在0.3～2.5 m 之间，接触压力在 65～85 N 之间， 风缸压缩空气压力应在500 Pa～1 000 kPa之间。 用手压上升部分，松手后受电弓能迅速上升，在上部臂中央挂75 N平衡块，在0.5～2.5 m范围内不加任何外力， 应使力能保持平衡而停止运动，当静载荷过大时，应将主拉力弹簧螺丝放松，反之则把螺丝拧紧。
（2）升降速度调整。 将风缸内空气排出，受电弓快速下降到0.3 m后，速度变缓，然后在橡胶垫上停止。 如果速度异常，应调整风缸前端，要根据情况增加或减少绝缘推拉杆长度， 调整后，拧紧两端紧固螺母，必要时检查缸体内弹簧状态。
（3）托架弹簧盒检查。 为使托架随架线变化前后倾斜，在托架和上部臂安装两个弹簧盒，检查活动销、 盒体及弹簧， 当在托架中部加75 N向下力时，活动销移动尺寸为14～22 mm。
（4）检定受电弓上升和下降时间。 受电弓送风上升到1.8 m的时间为4～8 s，下降时间是指由1.8 m 下降到0.3 m 的时间，检定时间是指电磁阀打开或关闭后直至受电弓停止动作的时间。 通过调节缓冲阀的上升螺丝调整上升时间，调节缓冲阀的下降弓螺丝调整下降时间， 使上升或下降时间符合设定时间。 升降试验应进行3～4 次，动作应平稳。
（5）连接软线检查。 受电弓铰链处或可动部位均安装软线，目的是保持良好的导电性，防止烧损部件。 检查时注意软线是否有破损，折断应不大于15%，端子要紧固，无松动现象。
（6）托架检查。 检查连接销是否良好，整体是否变形。
（7）缓冲阀及电磁阀检查。 电磁阀得电后，动作要灵活，压缩空气要顺利通过，缓冲阀调整要有效。 得失电时要检查电磁阀漏气情况，必要时更换阀垫。
（8）绝缘推拉杆检查。 包括绝缘状态良好，表面无裂纹、油灰等杂物；强度良好；长度调整有效。经过以上步骤整体调试后， 新型集电器可以正常投入到电力机车上。
3 经济效益分析
（1）残值计算。 原集电器已使用多年，早已过了报废周期，单台质量为0.4 t，废钢铁价格为0.22 万元/t，24 台机车集电器的总残值A=0.4×0.22×24=2.1（万元）。
（2）每年检修费用计算。 如果不采用新型集电器，则按单台每月计算，集电器本身检修投入材料备件0.63 万元， 铜滑板更换投入0.12 万元， 每年检修费用B=24×（0.63+0.12）=18 （万元）。
（3）损失费计算。 如果不采用新型集电器，根据2001～2006 年的统计， 包括电气设备烧损等各项损失平均每年损失费C为7.6万元。
（4）每年更换牵引网架线费用计算。 原来牵引网架线现大修更换周期为3～5年， 共有架线150 km，每米铜线价格75 元，全部更换价格D =150×1 000×75/10 000=1 125（万元）。
原来按4 a一个周期， 投入价值D1=1 125/4=281.25（万元）。
而采用浸金属碳滑板后更换周期达到15～20 a，提高 4 倍周期，按 16 a 一个周期，投入价值D2=1 125/16=70.31（万元）。
每年节省费用 D′=D1-D2=281.25-70.31=210.94（万元）。
（5）更换新型集电器费用计算。 采用新型集电器后，单弓（加上一年维修费用）2.1 万元，按10 a 使用期，则每年投入（2.1-0.2）/10=0.19（万元）。
24 台车费用 E=0.19×24+0.2×24=9.36 （万元）。
则总效益W = D′+C+B-A-E=210.94+7.6+18-2.1-9.36=225.08（万元）。
4 结论
新型集电器在电力机车上的应用，给企业带来了很大的经济效益， 浸金属碳滑板的采用及对自动降弓装置的改造， 使设备技术性能得到提高。 通过这次设备改造，无论是管理人员的决策能力、科技人员的技术水平，还是一线检修、运维人员的认识，都得到了相当大的提高。
