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每年为高铁节省10亿电费!中国科学家奋斗18年自主研发高铁“生命线”

发布时间:2020-05-20 16:29:39 来源:东方网 作者:傅文婧
一根不起眼的“接触线”却能为每年的高速铁路运行节省至少10亿元电费,18年的专注与打磨,只为给接触线加上“中

东方网记者傅文婧5月20日报道:一根不起眼的“接触线”却能为每年的高速铁路运行节省至少10亿元电费,18年的专注与打磨,只为给接触线加上“中国制造”的标签。上海理工大学刘平教授带领的电功能材料团队凭借“高速铁路用高性能铜合金接触线关键技术及产业化”项目日前获得了2019年度上海市科技进步奖一等奖。

每年为高铁节省10亿电费!中国科学家奋斗18年自主研发高铁“生命线”

在列车高速运行的过程中,需要通过上方的一根接触线与受电弓滑动摩擦向列车输送动力电源,接触线性能的好坏直接影响电力机车的运行安全,因此它又被称为高铁的“生命线”。然而,在十多年前,接触线只能依靠国外进口,为了打破这种局面,上海理工大学刘平教授带领的电功能材料团队早在2002年便开始对高速铁路接触线进行研究。

注入“新基因”,强化“生命线”

“在材料领域,‘强度’和‘导电性’是相互矛盾的。”团队成员材料学院周洪雷老师介绍,随着我国电气化铁路运行速度的提升,从100km/h到250km/h,再到350km/h、400km/h,这给接触线提出了更高的性能要求——既需要有良好的导电性,还应具有较高的机械强度,同时兼顾耐高温性、耐磨性能。

那么,该如何兼得“强度”与“导电性”呢?电功能材料团队通过在铜合金中加入一些微量合金元素来优化合金体系,使得他们制备的铜合金接触线实现了导电与强度、高耐磨与抗软化性能的协同提升。如今,该团队已研制出了Cu-Ag(铜银合金)、Cu-Mg(铜镁合金)、Cu-Cr-Zr(铜铬锆合金)三个系列的高性能铜合金接触线。“对比德国的同类产品,如今我们做出的Cu-Mg(铜镁合金)接触线,在抗拉强度提升了5.5%的同时,导电率也提高了7.5%。”周洪雷说道。

每年为高铁节省10亿电费!中国科学家奋斗18年自主研发高铁“生命线”

创新加工工艺,拉长“生命线”长度

在研发的接触线材料性能已经达到理想要求后,一个新的问题又出现了——用何种加工工艺才能满足我国高铁接触线的标准且适合工业化生产?

使用传统水平连铸的加工方法生产出的产品长度受限,生产成本高,而高铁的接触线有长度要求,且不能通过焊接的方式增加。是否有什么技术能够解决这个问题呢?这时他们发现,如果将“上引连铸+连续挤压”的方式应用于铜合金接触线制备中,则能够实现连续化生产,具有高效率、低成本、大规模、易推广的优势。最终,团队研发出了这项具有国际先进水平的接触线制备关键技术。团队成员材料学院陈小红老师表示:“与水平连铸生产技术相比,目前我们的技术可直接降低成本40%,降低能耗35%,提高成材率9%。”

每年为高铁节省10亿电费!中国科学家奋斗18年自主研发高铁“生命线”

上海理工大学刘平教授

反复实验比较,提升“生命线”韧度

在铜铬锆合金的熔炼过程中,由于锆元素具有易烧损的特性,如何将锆元素添加进合金中?应该在熔炼的什么阶段添加?通过什么形式添加?如何防止锆元素的烧损?如何保证合金元素的成分均匀?……一项研究成果的背后,其实隐藏了数不清的重复实验。团队成员通过不断地调整熔铸工艺,反复实验了几十次,才找到了锆元素的成分稳定控制技术,使得连续化生产的铜铬锆合金成分均匀、质量稳定。“对我们来说,解决这些时常出现的小问题其实只是科研工作里的‘常态’。一项新技术,从发明到成熟其实就是一个不断改进的过程。”陈小红说。

经过十余年的打磨,团队研发的高质量、低成本铜合金接触线已投入到越来越多的高速铁路建设中去。武广铁路、京沪铁路、哈大高铁……目前,项目接触线产品架设里程占国内350 km/h高速铁路建设总里程的70 %。团队历经18年进行产学研合作研究,研制出的高性能铜合金接触线填补了我国高铁接触线最关键技术的空白,也打破了国外技术垄断与封锁。

在接下来的日子里,这条“生命线”的守护者们将继续优化材料性能,努力跟上我国电气化铁路进一步提速的脚步。刘平表示:“继续研发是为了中国高铁保持领先地位,作为一名材料人,我们也希望将初心写在纵横四方的高铁网络上,写在不断向前奔跑的中国制造上!”

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