截至2019年底，中國高鐵里程達3.5萬公里，高鐵網越織越密！
有人不禁要問：電氣化高速鐵路的電從哪裡來？答案很簡單——電網。但是，因為高鐵比較特殊，需要將電廠發出來的電通過接觸網供給鐵路，才能使列車在行駛過程中，源源不斷地獲取電源。在高鐵站，當你走近列車，可以看到，車輛上方懸掛著兩根銅線，一根是承力索，另外一根就是承擔著“供電”重任的接觸線。在高鐵這個複雜系統中，接觸線就好比是“身體的血管”一樣重要。
針對高鐵接觸線，上海理工大學劉平教授團隊用了近20年的時間，專注研發“高速鐵路用高性能銅合金接觸線關鍵技術”，榮獲2019年度上海市科技進步獎一等獎。這一技術的應用，帶來了可觀的經濟效益——近三年新增產值超過30億元，新增利潤超過2億元，每年可為高速鐵路運行節省電費至少10億元。
何為電氣化鐵路？
電氣化鐵路，是指能供電力火車運行的鐵路，因這類鐵路的沿線都需要配套相應的電氣化設備為列車提供電力保障而得名。電氣化鐵路是伴隨著電力機車的出現而產生的，因為電力機車本身不自帶能源，需要鐵路沿途的供電系統源源不斷地為其輸送電能來驅動車輛。由於電力機車相比內燃機車有更強的運力優勢，所以相同規模下電氣化鐵路的運輸能力遠超過非電氣化鐵路，成為現代化鐵路的主流類型。
電氣化鐵路是當代最重要的一種鐵路類型，沿途設有大量電氣設備為電力機車（含動車組和非動車組）提供持續的動力能源。電力機車本身不帶能源，所需電能由電力牽引供電系統提供。牽引供電系統主要是由牽引變電所和接觸網（或供電軌）兩大部分組成。變電所設在鐵道附近，它將從發電廠經高壓輸電線或高壓輸電纜送過來的電流送到鐵路上空的接觸電網或鐵軌旁邊的供電軌道中，接觸網或供電軌則是向電力機車直接輸送電能的電氣設備，電力機車通過集電弓或導電車輪從接觸網或供電軌中獲得所需電能。電氣化鐵路最早來源於有軌電車，後經過多年的發展演變不斷地拓展運用至其他種類的鐵路系統中。
牽引供電系統主要是指牽引變電所和接觸網兩大部分。變電所設在鐵道附近，它將從發電廠經高壓輸電線送來的電能，送到鐵路上空的接觸網上；接觸網是向電力機車直接輸送電能的設備。沿著鐵路線的兩旁，架設著一排支柱，上面懸掛著金屬線，即為接觸網，它也可以被看作是電氣化鐵路的動脈。電力機車利用車頂的受電弓從接觸網獲得電能，牽引列車運行，牽引供電制式按接觸網的電流制有直流制和交流制兩種。我國電氣化鐵路的牽引供電制式從一開始就採用單相工頻（50赫）25千伏交流制，這一選擇有利於今後電氣化鐵路的發展。
和傳統的蒸汽機車或柴油機車牽引列車運行的鐵路不同，電氣化鐵路是指從外部電源和牽引供電系統獲得電能，通過電力機車牽引列車運行的鐵路。電氣化鐵路具有運輸能力大、行駛速度快、消耗能源少、運營成本低、工作條件好等優點，對運量大的幹線鐵路和具有陡坡、長大隧道的山區幹線鐵路實現電氣化，在技術上、經濟上均有明顯的優越性。
成本降低超60%
眾所周知，接觸線是電氣化高速列車牽引供電系統的核心環節，也是我國發展高速鐵路所面臨的關鍵技術之一，直接影響到列車的運行安全和速度。通過接觸線向高速列車輸送電能並使其得到源源不斷的能量，才有可能創造列車“貼地飛行”的速度。
研發“高速鐵路用高性能銅合金接觸線關鍵技術”的核心專家上海理工大學劉平教授在接受採訪時表示，這一由30項專利組成的研究成果打破了國外技術壟斷與封鎖，帶動了整個接觸線製造行業的發展，為我國高速鐵路的發展做出重要貢獻。
“最初的接觸線技術都是從歐洲、日本引進的。” 身為劉平研究團隊成員之一的上海理工大學教師周洪雷告訴記者，隨著高鐵的快速發展，高速運行的列車受電弓對接觸線提出更高強度、更優導電性能的要求。但是，當時相關技術由國外企業壟斷，技術受限、產量受限、高昂的原料加工費，令大家感到“國產化”刻不容緩。
從2002年開始，劉平教授帶領著二十多人的團隊開始著手研究，2007年開始和企業合作，進行產業化。如今，非但高鐵接觸線的性能比原來從國外引進的接觸線性能更加優越，加工費也一降再降，成本大約降低約60%。
零的突破
為何性能有如此大的提升？周洪雷解釋，主要在成分上進行了微調，加入了微量的合金元素，使得接觸線的強度、導電性、耐磨性得到了提高。
“通過開發微合金協同強化技術，突破了銅合金接觸線高導電與高強度，以及與高耐磨、抗軟化等性能協同優化的技術難題。”劉平團隊成員之一的上海理工大學教師陳小紅告訴記者，經過反覆實驗研究，研製出了銅錫、銅鎂、銅銀、銅鉻鋯四個系列的高性能銅合金接觸線，開發了高效率、低成本、大規模、易推廣的高性能銅合金接觸線製備關鍵技術。
十多年來，劉平團隊全面展開研發工作，改進合金比例，改良製造設備，發明了銅銀、銅鎂微合金協同強化和成分精準控制技術，實現了接觸線的導電與強度、耐磨及抗軟化性能的協同提升。其中，把高強度、高活性的“鎂”和高導電性的“銅”結合在一起，在提高強度的同時確保高導電性能，這些“鐵人三項”障礙關口被逐一攻破。
這其中最大的技術難點在於：客觀條件需要同時提升材料性能，但強度和導電率是一個矛盾。現在要達到“雙贏”，即在保障強度不降低的情況下提高導電率，十分不容易。儘管這個方向研究的人很多，但是因為合金成分不同，用的方法不一樣，加工技術也不同，性能更有所差異。再加上，合金的熔鍊過程，會出現開裂、夾雜、起皮、斷杆等現象，只能在現場試驗過程中，不斷調整工藝，逐步解決。
不僅如此，實際應用場合中必須確保接觸線能滿足使用長度要求，接觸線的平均長度約1.5公里，不能有斷點、焊接、缺陷，所以要“一氣呵成”。通過大量的試驗、改進，銅鎂接觸線的導電率達73%IACS（國際退火銅標準）、抗拉強度達555兆帕。
近20年的專注
此外，劉平團隊還開發了350千米/小時以上高速鐵路用的高強高導銅鉻鋯合金接觸線的上引連鑄關鍵技術，實現了產業化中鋯元素的收得率超過68%，產品抗拉強度達600兆帕、導電率達80%IACS和伸長率達10.2%。
近20年的持續的研發和改進，劉平團隊開發了具有國際先進水平的高質量、低成本、連續化製備接觸線的關鍵技術，實現了具有自主知識產權的高性能銅合金接觸線國產化製備。與同水平連鑄生產技術相比，直接降低成本40%，降低能耗35%，提高成材率9%。
近十年來，成果已在我國京津、京張、鄭西、武廣、哈大等80%的高鐵項目中使用，上海軌道交通2號線、7號線、8號線、9號線，北京地鐵16號線等多條地鐵線路上也得到推廣應用，並出口白俄羅斯、韓國、澳大利亞等國家。
欄目主編：徐瑞哲
文字編輯：李蕾
製圖：葉田媛 文中圖片：受訪者提供
