2020-05-22 星期五
日期检索 本期头版  本期内容导航 

上理工刘平团队“高速铁路用高性能铜合金接触线关键技术”获市科技进步奖一等奖

每年可为高铁运行节省电费10亿元

2020年05月22日   09: 上海   稿件来源:解放日报  


■本报记者 李蕾

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,才能使列车在行驶中源源不断获取电源。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,接触线就像“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近20年时间,专注研发“高速铁路用高性能铜合金接触线关键技术”,并荣获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。

性能更优成本降六成

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”的核心专家刘平表示,这一由30项专利组成的研究成果打破国外技术垄断与封锁,带动整个接触线制造行业发展,为我国高速铁路的发展做出重要贡献。

“最初的接触线技术从欧洲、日本引进。”研究团队成员之一、上海理工大学教师周洪雷说,随着高铁快速发展,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。但当时相关技术由国外企业垄断,技术受限、产量受限、原料加工费高昂,大家感到“国产化”刻不容缓。

从2002年开始,刘平带领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,成本降低约60%。

技术难点被逐一攻破

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

“通过开发微合金协同强化技术,突破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。”团队成员之一、上海理工大学教师陈小红说,经过反复实验研究,研制出铜锡、铜镁、铜银、铜铬锆四个系列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,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,实现接触线的导电与强度、耐磨及抗软化性能协同提升。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。

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对矛盾。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,只能在现场试验中,不断调整工艺,逐步解决。

不仅如此,实际应用场合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,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。

此外,刘平团队还开发了350千米/小时以上高速铁路用的高强高导铜铬锆合金接触线的上引连铸关键技术,实现产业化中锆元素的收得率超过68%,产品抗拉强度达600兆帕、导电率达80%IACS和伸长率达10.2%。

近20年的持续研发和改进,刘平团队开发了具有国际先进水平的高质量、低成本、连续化制备接触线的关键技术,实现具有自主知识产权的高性能铜合金接触线国产化制备。与同水平连铸生产技术相比,直接降低成本40%,降低能耗35%,提高成材率9%。

近十年来,成果已在我国京津、京张、郑西、武广、哈大等80%的高铁项目中使用,上海轨道交通2号线、7号线、8号线、9号线,北京地铁16号线等多条地铁线路上也得到推广应用,并出口白俄罗斯、韩国、澳大利亚等国家。