0 引言
電力機(jī)車(chē)采用直流電網(wǎng)供電， 集電器作為電力機(jī)車(chē)的重要裝置， 其主要功能是通過(guò)滑板和牽引網(wǎng)鉤銅線(xiàn)的接觸把電能引入機(jī)車(chē)。 目前大部分冶金企業(yè)還沿用20世紀(jì)六、七十年代從德國(guó)進(jìn)口的電力機(jī)車(chē)， 本鋼板材股份有限公司運(yùn)輸部在用的24臺(tái)電力機(jī)車(chē)集電器大部分使用原有設(shè)備，由于多年的頻繁使用和維修，已經(jīng)不能滿(mǎn)足現(xiàn)有運(yùn)輸條件，為此，我們先后采用了國(guó)產(chǎn)單臂受電弓。 但經(jīng)過(guò)使用后發(fā)現(xiàn)不能滿(mǎn)足企業(yè)的運(yùn)行條件，有時(shí)還影響生產(chǎn)的順利運(yùn)行。由于故障多發(fā)而引起牽引網(wǎng)接地， 極易發(fā)生火災(zāi)和燒損機(jī)車(chē)事故， 對(duì)機(jī)車(chē)設(shè)備和司乘人員的安全造成了嚴(yán)重威脅。 另外，由于刮弓子事故而引發(fā)多起較大設(shè)備事故，損失較大，檢修過(guò)程中投入了大量的人力、財(cái)力和物力，還影響了機(jī)車(chē)的完好率和設(shè)備開(kāi)動(dòng)率。
經(jīng)分析多年檢修維護(hù)記錄發(fā)現(xiàn)， 集電器故障一部分由設(shè)備老化引起， 一部分由滑板與牽引網(wǎng)滑動(dòng)過(guò)程中摩擦力過(guò)大引起， 還有的由安全閃斷裝置問(wèn)題引起 （主要是集電器與牽引網(wǎng)發(fā)生刮弓后， 不能及時(shí)閃斷安全棒使集電器下落，從而使事故進(jìn)一步擴(kuò)大）。 另外，碳滑板是由銅材質(zhì)制作的，而牽引網(wǎng)鉤銅線(xiàn)也是銅材，銅與銅之間的摩擦因數(shù)很高，摩擦力大，兩種硬材質(zhì)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(zhǎng)的也只有一個(gè)多月，而牽引網(wǎng)的大修更換周期是15 a， 因此遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到國(guó)家鐵路運(yùn)輸牽引網(wǎng)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(yùn)輸部對(duì)原集電器進(jìn)行了改造設(shè)計(jì)， 研發(fā)出新型集電器，于2013 年投入使用。
1 總體改造設(shè)計(jì)
新型集電器總體改造設(shè)計(jì)分成3部分：新型集電器受電弓設(shè)計(jì)、 自動(dòng)降弓控制裝置設(shè)計(jì)和滑板設(shè)計(jì)。
1.1 新型集電器受電弓設(shè)計(jì)
1.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
新型集電器受電弓由下部臂固定支架、下部臂構(gòu)架、上部臂構(gòu)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(gòu)成，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。
1.1.2 參數(shù)設(shè)計(jì)
新型集電器受電弓按照下列參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
（1）速度：120 km/h。
（2）工作環(huán)境溫度：-25～45 ℃。
（3）額定工作氣壓：700 kPa。
（4）靜態(tài)接觸壓力：（75±5）N；壓力調(diào)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(shí)間：4～8 s；降弓時(shí)間：4～7 s。
（7）落弓位置保持力：≥50 N
1.1.3 電氣設(shè)計(jì)
根據(jù)上面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)計(jì)，對(duì)原來(lái)的集電器重新進(jìn)行了電氣設(shè)計(jì)， 新型集電器受電弓電氣設(shè)計(jì)原理如圖2所示。
新型集電器受電弓采用鉸鏈機(jī)構(gòu)，升降作用由壓縮空氣進(jìn)行控制，其控制過(guò)程包括：上升過(guò)27程和下降過(guò)程。
（1）上升過(guò)程控制。 電磁閥DCa得電后，供給壓縮空氣，緩沖閥活塞關(guān)閉，使壓縮空氣流入到風(fēng)缸，風(fēng)缸活塞被壓下后，使活塞桿對(duì)下部臂的力逐漸釋放， 受電弓在2個(gè)主拉力彈簧作用下緩慢帶動(dòng)集電器上升[1]。 當(dāng)氣缸內(nèi)供給壓縮空氣后，氣缸內(nèi)壓縮空氣被壓下，使受電弓升起，與牽引網(wǎng)架線(xiàn)接觸，并保持一定壓力。 這時(shí)活塞桿帶動(dòng)絕緣推桿動(dòng)作， 將2個(gè)主拉力彈簧松弛限位。
（2）下降過(guò)程控制。 整個(gè)下降過(guò)程具有2段運(yùn)動(dòng)形式。 電磁閥DCa失電后，閥芯動(dòng)作，壓縮空氣供給被切斷，氣缸內(nèi)彈簧退回，迅速回流氣缸內(nèi)的壓縮空氣，使緩沖閥的活塞打開(kāi)，快速排氣，使集電器迅速下降，同時(shí)，氣缸內(nèi)氣壓急劇變小，緩沖閥的活塞在彈簧的作用下再度關(guān)閉，使氣體只能通過(guò)電磁閥從節(jié)流孔排出， 集電器緩慢下降。 系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，氣缸里面必須有足夠的壓縮空氣，當(dāng)氣缸內(nèi)壓縮空氣被排出時(shí)，滑板托架可以按架線(xiàn)的變化自動(dòng)調(diào)整接觸高度。 氣缸活塞帶動(dòng)絕緣推拉桿運(yùn)動(dòng)， 將2個(gè)助彈簧進(jìn)行拉伸，當(dāng)受電弓需要?jiǎng)幼鲿r(shí)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(dòng)降弓控制裝置設(shè)計(jì)
目前鐵路運(yùn)輸采用懸掛式牽引網(wǎng)， 造成機(jī)車(chē)運(yùn)行過(guò)程中震動(dòng)比較大，弛度比較大，集電器伸張壓縮頻繁。 如果自動(dòng)降弓控制裝置靈敏度過(guò)高，則在電力機(jī)車(chē)運(yùn)行中，由于正常震動(dòng)引起裝置動(dòng)作，使集電器下落，會(huì)導(dǎo)致機(jī)車(chē)失去牽引力，降低運(yùn)輸能力，因此通過(guò)對(duì)氣源主氣路的改進(jìn)，降低自動(dòng)降弓控制裝置的靈敏度。
1.2.1 裝置組成
自動(dòng)降弓控制裝置由整體滑板、風(fēng)管、絕緣風(fēng)管、受電弓風(fēng)缸、三通接頭、緩沖閥、升弓電磁閥、自動(dòng)降弓氣動(dòng)箱、自動(dòng)降弓控制箱、機(jī)車(chē)端子排組成。
1.2.2 工作原理
自動(dòng)降弓控制裝置主要通過(guò)氣源主氣路進(jìn)行控制，控制原理如圖3所示。當(dāng)滑板斷裂或磨損到限后， 控制管路內(nèi)氣壓下降， 此氣壓降信號(hào)送到壓差繼電器YCJ使其動(dòng)作， 并通過(guò)SB中間繼電器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，自動(dòng)降弓裝置檢查到該信號(hào)后，給出控制信號(hào)，斷開(kāi)機(jī)車(chē)主斷路器，同時(shí)，切斷機(jī)車(chē)升弓氣源主氣路和控制電路，并通過(guò)自動(dòng)降弓氣動(dòng)箱的快速排氣閥立即排空受電弓風(fēng)缸內(nèi)的剩余壓縮空氣[2]，使受電弓迅速降下，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)降弓。
1.2.3 升降控制原理
（1）自動(dòng)降弓控制箱開(kāi)關(guān)處于“停用”位置時(shí)， 本裝置處于非工作狀態(tài)， 升降過(guò)程與1.1.3小節(jié)所述相同。
（2）自動(dòng)降弓控制箱開(kāi)關(guān)處于“1位”時(shí)，本裝置處于工作狀態(tài)，除升弓過(guò)程與1.1.3小節(jié)所述不同外，其他相同。 對(duì)于升弓過(guò)程，壓縮空氣除正常升弓以外， 與單獨(dú)受電弓不同之處在于低壓電信號(hào)經(jīng)自動(dòng)降弓控制箱到電磁閥， 一路經(jīng)三通接頭至自動(dòng)降弓氣動(dòng)箱， 系統(tǒng)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(dòng)降弓控制箱。
1.3 滑板設(shè)計(jì)
在新型集電器中， 采用了新型浸金屬碳滑板，同時(shí)對(duì)其材質(zhì)的硬度、耐磨性和外型尺寸進(jìn)行改進(jìn)，保證滑板緊固耐用，維護(hù)時(shí)一旦發(fā)現(xiàn)松動(dòng)馬上調(diào)整，易于更換，給維護(hù)人員帶來(lái)很大的方便。
2 整體安裝調(diào)試
經(jīng)過(guò)以上改造設(shè)計(jì)， 需要重新安裝調(diào)試，安裝調(diào)試按以下步驟進(jìn)行：
（1）接觸壓力調(diào)節(jié)。 在調(diào)節(jié)接觸壓力時(shí)，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(fēng)缸壓縮空氣壓力應(yīng)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(nèi)不加任何外力， 應(yīng)使力能保持平衡而停止運(yùn)動(dòng)，當(dāng)靜載荷過(guò)大時(shí)，應(yīng)將主拉力彈簧螺絲放松，反之則把螺絲擰緊。
（2）升降速度調(diào)整。 將風(fēng)缸內(nèi)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(yīng)調(diào)整風(fēng)缸前端，要根據(jù)情況增加或減少絕緣推拉桿長(zhǎng)度， 調(diào)整后，擰緊兩端緊固螺母，必要時(shí)檢查缸體內(nèi)彈簧狀態(tài)。
（3）托架彈簧盒檢查。 為使托架隨架線(xiàn)變化前后傾斜，在托架和上部臂安裝兩個(gè)彈簧盒，檢查活動(dòng)銷(xiāo)、 盒體及彈簧， 當(dāng)在托架中部加75 N向下力時(shí)，活動(dòng)銷(xiāo)移動(dòng)尺寸為14～22 mm。
（4）檢定受電弓上升和下降時(shí)間。 受電弓送風(fēng)上升到1.8 m的時(shí)間為4～8 s，下降時(shí)間是指由1.8 m 下降到0.3 m 的時(shí)間，檢定時(shí)間是指電磁閥打開(kāi)或關(guān)閉后直至受電弓停止動(dòng)作的時(shí)間。 通過(guò)調(diào)節(jié)緩沖閥的上升螺絲調(diào)整上升時(shí)間，調(diào)節(jié)緩沖閥的下降弓螺絲調(diào)整下降時(shí)間， 使上升或下降時(shí)間符合設(shè)定時(shí)間。 升降試驗(yàn)應(yīng)進(jìn)行3～4 次，動(dòng)作應(yīng)平穩(wěn)。
（5）連接軟線(xiàn)檢查。 受電弓鉸鏈處或可動(dòng)部位均安裝軟線(xiàn)，目的是保持良好的導(dǎo)電性，防止燒損部件。 檢查時(shí)注意軟線(xiàn)是否有破損，折斷應(yīng)不大于15%，端子要緊固，無(wú)松動(dòng)現(xiàn)象。
（6）托架檢查。 檢查連接銷(xiāo)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(dòng)作要靈活，壓縮空氣要順利通過(guò)，緩沖閥調(diào)整要有效。 得失電時(shí)要檢查電磁閥漏氣情況，必要時(shí)更換閥墊。
（8）絕緣推拉桿檢查。 包括絕緣狀態(tài)良好，表面無(wú)裂紋、油灰等雜物；強(qiáng)度良好；長(zhǎng)度調(diào)整有效。經(jīng)過(guò)以上步驟整體調(diào)試后， 新型集電器可以正常投入到電力機(jī)車(chē)上。
3 經(jīng)濟(jì)效益分析
（1）殘值計(jì)算。 原集電器已使用多年，早已過(guò)了報(bào)廢周期，單臺(tái)質(zhì)量為0.4 t，廢鋼鐵價(jià)格為0.22 萬(wàn)元/t，24 臺(tái)機(jī)車(chē)集電器的總殘值A(chǔ)=0.4×0.22×24=2.1（萬(wàn)元）。
（2）每年檢修費(fèi)用計(jì)算。 如果不采用新型集電器，則按單臺(tái)每月計(jì)算，集電器本身檢修投入材料備件0.63 萬(wàn)元， 銅滑板更換投入0.12 萬(wàn)元， 每年檢修費(fèi)用B=24×（0.63+0.12）=18 （萬(wàn)元）。
（3）損失費(fèi)計(jì)算。 如果不采用新型集電器，根據(jù)2001～2006 年的統(tǒng)計(jì)， 包括電氣設(shè)備燒損等各項(xiàng)損失平均每年損失費(fèi)C為7.6萬(wàn)元。
（4）每年更換牽引網(wǎng)架線(xiàn)費(fèi)用計(jì)算。 原來(lái)牽引網(wǎng)架線(xiàn)現(xiàn)大修更換周期為3～5年， 共有架線(xiàn)150 km，每米銅線(xiàn)價(jià)格75 元，全部更換價(jià)格D =150×1 000×75/10 000=1 125（萬(wàn)元）。
原來(lái)按4 a一個(gè)周期， 投入價(jià)值D1=1 125/4=281.25（萬(wàn)元）。
而采用浸金屬碳滑板后更換周期達(dá)到15～20 a，提高 4 倍周期，按 16 a 一個(gè)周期，投入價(jià)值D2=1 125/16=70.31（萬(wàn)元）。
每年節(jié)省費(fèi)用 D′=D1-D2=281.25-70.31=210.94（萬(wàn)元）。
（5）更換新型集電器費(fèi)用計(jì)算。 采用新型集電器后，單弓（加上一年維修費(fèi)用）2.1 萬(wàn)元，按10 a 使用期，則每年投入（2.1-0.2）/10=0.19（萬(wàn)元）。
24 臺(tái)車(chē)費(fèi)用 E=0.19×24+0.2×24=9.36 （萬(wàn)元）。
則總效益W = D′+C+B-A-E=210.94+7.6+18-2.1-9.36=225.08（萬(wàn)元）。
4 結(jié)論
新型集電器在電力機(jī)車(chē)上的應(yīng)用，給企業(yè)帶來(lái)了很大的經(jīng)濟(jì)效益， 浸金屬碳滑板的采用及對(duì)自動(dòng)降弓裝置的改造， 使設(shè)備技術(shù)性能得到提高。 通過(guò)這次設(shè)備改造，無(wú)論是管理人員的決策能力、科技人員的技術(shù)水平，還是一線(xiàn)檢修、運(yùn)維人員的認(rèn)識(shí)，都得到了相當(dāng)大的提高。
