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成本降低超60%,每年节省电费约10亿元,国产“高铁生命线”有何秘诀

次 2020-9-29

截至2019年底,中国高铁里程达3。5万公里,高铁网越织越密!

有人不禁要问:电气化高速铁路的电从哪里来?答案很简单——电网。但是,因为高铁比较特殊,需要将电厂发出来的电通过接触网供给铁路,才能使列车在行驶过程中,源源不断地获取电源。在高铁站,当你走近列车,可以看到,车辆上方悬挂着两根铜线,一根是承力索,另外一根就是承担着“供电”重任的接触线。在高铁这个复杂系统中,接触线就好比是“身体的血管”一样重要。

针对高铁接触线,上海理工大学刘平教授团队用了近20年的时间,专注研发“高速铁路用高性能铜合金接触线关键技术”,荣获2019年度上海市科技进步奖一等奖。这一技术的应用,带来了可观的经济效益——近三年新增产值超过30亿元,新增利润超过2亿元,每年可为高速铁路运行节省电费至少10亿元。

何为电气化铁路?

电气化铁路,是指能供电力火车运行的铁路,因这类铁路的沿线都需要配套相应的电气化设备为列车提供电力保障而得名。电气化铁路是伴随着电力机车的出现而产生的,因为电力机车本身不自带能源,需要铁路沿途的供电系统源源不断地为其输送电能来驱动车辆。由于电力机车相比内燃机车有更强的运力优势,所以相同规模下电气化铁路的运输能力远超过非电气化铁路,成为现代化铁路的主流类型。

电气化铁路是当代最重要的一种铁路类型,沿途设有大量电气设备为电力机车(含动车组和非动车组)提供持续的动力能源。电力机车本身不带能源,所需电能由电力牵引供电系统提供。牵引供电系统主要是由牵引变电所和接触网(或供电轨)两大部分组成。变电所设在铁道附近,它将从发电厂经高压输电线或高压输电缆送过来的电流送到铁路上空的接触电网或铁轨旁边的供电轨道中,接触网或供电轨则是向电力机车直接输送电能的电气设备,电力机车通过集电弓或导电车轮从接触网或供电轨中获得所需电能。电气化铁路最早来源于有轨电车,后经过多年的发展演变不断地拓展运用至其他种类的铁路系统中。

牵引供电系统主要是指牵引变电所和接触网两大部分。变电所设在铁道附近,它将从发电厂经高压输电线送来的电能,送到铁路上空的接触网上;接触网是向电力机车直接输送电能的设备。沿着铁路线的两旁,架设着一排支柱,上面悬挂着金属线,即为接触网,它也可以被看作是电气化铁路的动脉。电力机车利用车顶的受电弓从接触网获得电能,牵引列车运行,牵引供电制式按接触网的电流制有直流制和交流制两种。我国电气化铁路的牵引供电制式从一开始就采用单相工频(50赫)25千伏交流制,这一选择有利于今后电气化铁路的发展。

和传统的蒸汽机车或柴油机车牵引列车运行的铁路不同,电气化铁路是指从外部电源和牵引供电系统获得电能,通过电力机车牵引列车运行的铁路。电气化铁路具有运输能力大、行驶速度快、消耗能源少、运营成本低、工作条件好等优点,对运量大的干线铁路和具有陡坡、长大隧道的山区干线铁路实现电气化,在技术上、经济上均有明显的优越性。

成本降低超60%

众所周知,接触线是电气化高速列车牵引供电系统的核心环节,也是我国发展高速铁路所面临的关键技术之一,直接影响到列车的运行安全和速度。通过接触线向高速列车输送电能并使其得到源源不断的能量,才有可能创造列车“贴地飞行”的速度。

研发“高速铁路用高性能铜合金接触线关键技术”的核心专家上海理工大学刘平教授在接受采访时表示,这一由30项专利组成的研究成果打破了国外技术垄断与封锁,带动了整个接触线制造行业的发展,为我国高速铁路的发展做出重要贡献。

“最初的接触线技术都是从欧洲、日本引进的。” 身为刘平研究团队成员之一的上海理工大学教师周洪雷告诉记者,随着高铁的快速发展,高速运行的列车受电弓对接触线提出更高强度、更优导电性能的要求。但是,当时相关技术由国外企业垄断,技术受限、产量受限、高昂的原料加工费,令大家感到“国产化”刻不容缓。

从2002年开始,刘平教授带领着二十多人的团队开始着手研究,2007年开始和企业合作,进行产业化。如今,非但高铁接触线的性能比原来从国外引进的接触线性能更加优越,加工费也一降再降,成本大约降低约60%。

零的突破

为何性能有如此大的提升?周洪雷解释,主要在成分上进行了微调,加入了微量的合金元素,使得接触线的强度、导电性、耐磨性得到了提高。

“通过开发微合金协同强化技术,突破了铜合金接触线高导电与高强度,以及与高耐磨、抗软化等性能协同优化的技术难题。”刘平团队成员之一的上海理工大学教师陈小红告诉记者,经过反复实验研究,研制出了铜锡、铜镁、铜银、铜铬锆四个系列的高性能铜合金接触线,开发了高效率、低成本、大规模、易推广的高性能铜合金接触线制备关键技术。

十多年来,刘平团队全面展开研发工作,改进合金比例,改良制造设备,发明了铜银、铜镁微合金协同强化和成分精准控制技术,实现了接触线的导电与强度、耐磨及抗软化性能的协同提升。其中,把高强度、高活性的“镁”和高导电性的“铜”结合在一起,在提高强度的同时确保高导电性能,这些“铁人三项”障碍关口被逐一攻破。

这其中最大的技术难点在于:客观条件需要同时提升材料性能,但强度和导电率是一个矛盾。现在要达到“双赢”,即在保障强度不降低的情况下提高导电率,十分不容易。尽管这个方向研究的人很多,但是因为合金成分不同,用的方法不一样,加工技术也不同,性能更有所差异。再加上,合金的熔炼过程,会出现开裂、夹杂、起皮、断杆等现象,只能在现场试验过程中,不断调整工艺,逐步解决。

不仅如此,实际应用场合中必须确保接触线能满足使用长度要求,接触线的平均长度约1。5公里,不能有断点、焊接、缺陷,所以要“一气呵成”。通过大量的试验、改进,铜镁接触线的导电率达73%IACS(国际退火铜标准)、抗拉强度达555兆帕。

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