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[衣食住行] 每一天,我们坐的高铁都在跟鸟和空气作战

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发表于 2021-12-13 20:08 | 显示全部楼层 |阅读模式

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2021
12/11
19:16
冰点周刊


每年,全国高铁要清理超过20万个鸟窝,拆掉一个鸟窝平均成本上千元。有人曾尝试用大风扇把鸟窝从高铁接触网上吹走,可鸟类是天生的建筑专家,它们搭的窝非常符合工程力学。
车速不高时,列车前进就像人在微风中行走,几乎感受不到阻力。但当列车时速在300公里以上,让时速每提高20公里,困难程度就好比让奥运会的一个“百米飞人”跑进10秒后,将速度再提高0.01秒。

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 楼主| 发表于 2021-12-13 20:09 | 显示全部楼层

                               
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当地时间12月3日,老挝首都万象,一列从昆明站始发的中老铁路列车抵达。当日,中老铁路全线开通运营。视觉中国供图
记者|胡春艳
编辑|张国

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 楼主| 发表于 2021-12-13 20:10 | 显示全部楼层
沿着铁路线架设的输电线路又称接触网,很多鸟儿喜欢在这种高压电流通过的网上筑巢。
每年,全国高铁线要清理超过20万个鸟巢,铁路牵引供电系统专家王立天说。他是天津中铁电气化设计研究院首席专家、总工程师。他供职的单位参与了中国高铁诞生以来的设计、建设和发展。
王立天对中青报·中青网记者解释,鸟类尤其让人头疼。坚固的接触网是它们理想的安家之所。鸟儿不辞劳苦衔来的树枝、铁丝、草秆,统统都会成为良好的导体,可能导致短路,进而带来停电和停运。

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 楼主| 发表于 2021-12-13 20:10 | 显示全部楼层
其他威胁还包括被风吹上天的农用地膜、彩钢板、防尘网、菜市场的塑料包装袋,以及断线风筝的细线。2021年5月1日,河北定州的一块旧塑料布被风卷到接触网上,导致北京至广州的高铁连锁反应式的大面积延误。这只是众多同类事件中的一起。
多年以来,王立天的工作就是与那些阻挡铁路前进的障碍对抗。
中国逐渐铺开高铁线路以后,他的“敌人”多了一个:空气。

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 楼主| 发表于 2021-12-13 20:10 | 显示全部楼层

                               
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12月2日,黑龙江省牡丹江市,一列动车组列车行驶在沈佳高铁牡丹江至佳木斯段。12月6日,我国最东端高铁——牡佳高铁正式开通运营,进一步完善了我国东北地区高速铁路网。 视觉中国供图
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 楼主| 发表于 2021-12-13 20:10 | 显示全部楼层
简单来说,用电驱动一列火车与点亮一盏台灯的过程差不多:国家电网提供稳定的电流,电线把它送到头顶,一个庞然大物获得了动力。
火车通过车顶的弓形装置“受电弓”——相当于“插头”,来与头顶的电线接触。工程师们让受电弓和接触网“握手”,以此使列车获得动力。
接触网不是一张网,除去一些零件和支撑装置,它其实是一根直径1.4厘米左右的导线,悬挂在铁轨上方6米高的半空。列车经过时,受电弓“伸出手”,滑过导线,把电流引入车内。

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 楼主| 发表于 2021-12-13 20:11 | 显示全部楼层
140多年前,电气化铁路在英国诞生,自此之后,工程师对改善弓网关系的研究就没有停止过。正如自从有了铁路,对车轮与轨道的持续改进就永无止境。
但在慢吞吞的绿皮火车时代,空气并不是需要特别考虑的障碍。车速不高时,列车前进就像人在微风中行走,几乎感受不到阻力。
但当列车时速在300公里以上,让时速每提高20公里,王立天打比方说,困难程度就好比让奥运会的一个“百米飞人”跑进10秒后,将速度再提高0.01秒。

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 楼主| 发表于 2021-12-13 20:12 | 显示全部楼层
列车时速在250公里以下时,常用的纯铜导线就可以带来足够的动力。而时速300公里以上时,情形不一样了,空气阻力急速攀升,如同人置身于八级以上大风中逆行。
摆脱阻力的办法就是给高铁送去更大的牵引力。功率加大,瞬时穿过导线的电流成倍增加,但导线并不能加粗,“否则将带来一系列复杂的工程问题”,王立天说,这种情况下,纯铜导线不够用,必须找到导电率更高的电线。

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 楼主| 发表于 2021-12-13 20:12 | 显示全部楼层
中国高铁的设计时速是从200多公里一步迈入350公里的。2008年,北京和天津之间时速350公里的城际铁路通车,被视为中国迈入高铁时代的起点。
高速带来很多意想不到的麻烦。列车举着受电弓,以每秒100米的速度滑过上方导线时,前弓向上抬升摩擦导线,会引起共振产生振波,振波又沿导线传导到后弓。当列车跑得比振动波还快,导线就会在受电弓表面上下跳跃,无法稳定获取电力,“一旦弓网脱离,轻则摩擦出电火花,重则出现安全事故”。

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 楼主| 发表于 2021-12-13 20:12 | 显示全部楼层
据王立天介绍,导线振动波的传播速度要达到车速的1.4倍以上,才能让弓网保持紧密接触,这就需要导线更大的张力、更高的强度。
严格来说,列车的最高运行速度取决于这条电线——一个公认的结论是,导线的电导率和强度决定了接触网载流能力和张力的极限,也就决定了最高车速。
但问题在于,按照金属材料的物理性质,导电率和强度是成反比的,同一种材料,要想提高一方面的性能,就必须牺牲另一方面。

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 楼主| 发表于 2021-12-13 20:12 | 显示全部楼层
王立天要挑战这个物理学原理,同时提高两个反向指标。那就要给金属“加点料”——把不同金属“揉”在一起形成新的合金,改变原有的物理性质。
京津城际铁路通车,日本东海道新干线已开行了半个世纪。为了给京津城际铁路选出一条能满足350公里时速的导线,王立天作为当时的铁道部认定的高铁牵引供电领域的主谈专家,与当时拥有先进高铁技术的日本、法国、德国专家一起坐到谈判桌边。

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 楼主| 发表于 2021-12-13 20:12 | 显示全部楼层
德法专家推荐的是当时国际上比较流行的镁铜合金导线,日本专家拿出的是铜包钢导线。前者的抗拉强度470兆帕,导电率62%;后者强度高达580兆帕,可导电率只有50%。王立天对两种都不怎么满意。铜包钢导线的导电率太低,无法满足中国高铁列车编组长、载重大对动力的需求;而国际先进的铜镁导线在350公里时速已达安全极限,未来再提速,必须要研发出更高强度、更高导电率的下一代导线。
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 楼主| 发表于 2021-12-13 20:13 | 显示全部楼层
最终中标的是德国人,王立天等中方专家配合德方完成了电力系统的设计。但日本人称,他们正在研究更高强度、更高导电率的铬锆铜导线,只是不能卖给中国,一小段样品都不行。
这段谈判经历让王立天感到强烈震撼,他形容“那是一种很深的屈辱感”。他体会到,最好的技术,花钱也买不来。中国要发展,必须自力更生、科技自强,别无他法。
查阅了大量国际前沿学术研究之后,王立天发现,各国都在投入巨资研究铜铬锆接触网导线,这是高铁牵引供电技术中公认的难题。

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 楼主| 发表于 2021-12-13 20:13 | 显示全部楼层
他开始在国内各高校和科研院所走访。得知浙江大学教授孟亮研究出一种高强高导材料,王立天当天下午就坐到了孟亮办公室的椅子上。
那是一根银铜合金导线,教授对数据很满意——导电率90%、强度接近900兆帕。王立天一看,心凉了半截。这根导线中,银占比达30%,这意味着成本极高,根本无法大范围应用。
“工程导线必须便宜,是吧?”王立天直截了当说,“铬锆铜导线能不能研究出来?”
教授回答:特别难。

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 楼主| 发表于 2021-12-13 20:13 | 显示全部楼层
铬和锆是金属里特别容易挥发的元素,一碰到其他元素,它很轻易就会与之发生化学反应。王立天对记者解释,“比如氧气、氮气、氢气……(它)跟空气中所有的元素几乎都能发生化学反应”,这就导致冶炼过程很困难,“还没炼,它基本上就挥发掉了。”
孟亮知道高强高导是全世界研究者的目标,但当时并不清楚到底能干什么用。
“我想把这根导线用到中国高铁上”,王立天讲起自己之前与国外代表谈判的经历。

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 楼主| 发表于 2021-12-13 20:13 | 显示全部楼层
成天在实验室埋头与金属元素打交道的孟亮抬起头,盯着他看了几秒钟,说,“那我们试一试。”
半年后,一根指标很漂亮的铬锆铜导线在实验室诞生了。“我当时兴奋得不得了。”王立天回忆。不过他很快发现,那基本上是一场空欢喜,因为实验室研究和实现产业化“相差了十万八千里”,“假如说产业化要走100步,那么实验室可能只走了前面5步到10步。”
没人知道去哪儿能找到一个工厂,把这根导线生产出来。

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 楼主| 发表于 2021-12-13 20:13 | 显示全部楼层

                               
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 楼主| 发表于 2021-12-13 20:14 | 显示全部楼层
当时不存在那样一个工厂:拥有足够大且耐超高温的各种冶炼炉、冷却结晶器及高强度的模具。而这是生产单根1500米长且零缺陷的超长导线不可或缺的。
在河北邢台的一家工厂,王立天带着一群年轻技术员从各种生产工具开始设计。这位电化院的总工程师成了守在加工炉边时间最长的人。
在他眼里,把几十吨重的铜和其他金属冶炼加工成细细长长的电线,其实与做一碗面条的工序大体相同。

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 楼主| 发表于 2021-12-13 20:14 | 显示全部楼层
他做出一个打鸡蛋的动作来演示和面的过程,“如果把鸡蛋加到面粉里,和出来的面就更劲道,这其实就是加杂质的过程,目的是强化,我们加入铬和锆,这是第一步。”
他开始“揉面”,“面要使劲揉,把里面的面疙瘩都揉开”。对金属而言,就是要让里面的结晶体在挤压后变得更小,拉出来的“面条”就能更加光滑。
接下来是关键一步——让导电率和强度同时改善,这支团队提出了析出强化是实现铜合金高强高导的思路。这个过程,如同把面条放进开水里煮熟。

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 楼主| 发表于 2021-12-13 20:14 | 显示全部楼层
原本铬锆铜三种元素混在一起的“金属面条”,经过2个小时以上400摄氏度高温加热,其中铬和锆达到饱和析出,金属原子重新整齐地排在一起,就像钢筋混凝土中一根根钢筋彼此相连,支撑起合金的整体强度;而铜金属则变得更加纯净,让电子可以顺畅地快速通过。
来自面条的灵感,让这支团队走出了一条与国外传统铸造工艺完全不同的办法,独创了铜铬锆导线“连铸连挤连拉”制备技术。他们不断尝试简化制作流程,让工艺更优、成本更低。

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