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皇‘huang’冠平台出租:每一天,我们 men[坐{zuo}的高铁都在跟鸟‘niao’和空气作

admin2021-12-1227

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。

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

一位心细的高铁乘客如果向窗外留意,天气和运气都不错的话,可以看到,架在半空的输电线路上,有时会挂着一条塑料蛇、一个“蜘蛛侠”玩偶,或者生鸡爪之类的奇怪物件。

现代高铁采用的这种自保方式与农田里的稻草人在原理上别无二致:对鸟类产生震慑力。

每一天,全世界的铁路工人和电力工人都在与鸟类作不屈不挠的斗争。北京铁路局集团工人杨红杰说,他们经常要利用凌晨时间去清理电线上的树枝、丝线以及鸟巢。

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。

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。

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

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。

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。

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。

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”。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。

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。

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。

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。

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。

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。

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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王立天 受访人供图

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。

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。

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。

设计者们遇到了各种意想不到的困难。他们不得不逐一设计出塞满整整一个工厂的装备,那些大家伙都是生产小小导线必不可少的。

为了给真空冶炼炉找到合适的材料做炉壁,他们几乎把全世界能找到的材料都试了一遍。花了200万元定做的透热炉,刚放进第一根金属棒,温度升至900摄氏度时,金属棒突然加速旋转,瞬间把炉子打碎,支离破碎的残骸四处飞溅。

越来越多人提出质疑,觉得这条路走不通。有同行冷嘲热讽,认为“王立天就是在忽悠”;团队里的一些年轻博士、硕士也纷纷离开。

一位年轻人临走前问王立天,“日本人已经干了20年了,到现在还没上线,我们中国人能干出来吗?”

他没有回答。

如今回过头来看,很多当初看起来无法解决的难题,不过是捅破一层窗户纸的事。

王立天“捅破窗户纸”那天,差点丢了性命。实验做到了深夜,零点过后,突然有技术人员跑去告诉他,结晶器漏水了。如果水进入炉子,碰到1000多摄氏度高温,会迅速分解成氢气和氧气,发生爆炸,整个楼都会炸掉,每个人都死无葬身之地。他们跑过去一看,吃了一惊,漏水的结晶器意外地拉出了一段非常光滑的电线。

王立天跟厂长商量,“我们再等5到10分钟,看看能不能出来好东西。”作出这个决定时,站在上千摄氏度高温的炉子旁,他感到后背发凉,“要么就成了,要么就炸上西天”。没人说话,也没人离开。最后产生的那一段电线,检测结果显示所有指标都达到预期。

他们意识到,原来是结晶器设计的水场分布不合理,而漏水恰好使得水路重新分布,阴错阳差带着他们走出困境。

此时,距离截止期限只剩2个月,团队几乎已经被逼到悬崖边上。按照计划,他们希望这条导线在2010年的京沪高铁先导段上使用。

当时40岁出头的王立天,头发白了很多,“头发大把掉,人老得没法看”。看着价值上千万元的铜一次次变成废料,他对身边的厂长开玩笑,“真做不成,咱俩只能一起跳楼了”。

还有些代价是无法挽回的。因为迟迟做不出合适的导线,孟亮教授急得突发脑出血,做了开颅手术才保住性命。

一位大学刚毕业的小伙子,操作时不慎把手卷入金属削皮机里,“当场四个指头都没了”。

王立天向后靠向椅背,深深叹了一口气,“有时候总觉得欠别人的情。”

2010年,这根铬锆铜导线被用于京沪线先导段,推动着中国高铁跑出了486.1公里的当时世界最高时速。几乎同一时间,日本研发的同类导线也上线运行。

“他们用了18年,我们不到4年,而且成本更低。”王立天说,研发铬锆铜导线的同时,团队按照创新工艺同步研发了国产镁铜导线,以及与两种导线匹配的接触网全套产品。

此后10多年间,中国高铁不断扩张。今天,在中国版图上纵横交错的高铁线路总长已超过3.79万公里,这些线路其中一半是在最近5年完成的。

高铁开多远,导线就有多长。在今天的中国,高铁接触网导线的总长,差不多可以绕地球赤道一圈。

“可以说,我们研发的铬锆铜导线和镁铜导线支撑了我国高铁的建设。”王立天说。这支团队研发的系列导线产品已在京沪、武广等30多条线路上使用,覆盖运营里程超过1.3万公里,影响着三分之一中国高铁的运行。2010年至今,因国产化替代减少的工程造价逾100亿元。

自京沪高铁开始,中国高铁牵引供电技术实现了完全自主创新和技术装备产品国产化。

2020年,王立天的团队凭借“高速铁路用高强高导接触网导线关键技术及应用”项目,获得了国家科技进步二等奖。

按照京沪线测算,使用铬锆铜导线全生命周期的成本,只有镁铜导线的一半。

繁忙的京沪线把80%以上的线路铺在桥上,让列车跨越山河湖海和人口稠密的城市,串起中国经济最活跃城市间的黄金通道。

某种意义上,这根导线牵引着一个加速奔跑的国家。

在幅员辽阔的中国,高铁穿过崇山峻岭、城镇村庄,一天之内就可能经历烈日风雪、四季变换,全程必须保证持续安全的电力驱动。

“子弹头”列车上的乘客其实是在陆地飞行,高铁在几分钟内就能提速到飞机起飞时的速度。

据王立天介绍,对这根导线的研究一直在持续。新一代铬锆铜导线的导电率和强度再次刷新了世界纪录,且更节能、成本更低,已经为发展时速400公里以上的高速铁路提供了技术支撑。

近几年,王立天主持研发了高铁接触网的防雷系统,眼下正着手研究用于接触网施工、维修的智能机器人,总之,要想尽一切办法守好这根“高铁生命线”。

多年后,他仍不时想起那个年轻人退出时的发问,“我们中国人能干出来吗?”

他说,自己内心的答案一直没变。

不过,这个世界上最大强度和张力的接触网依然有脆弱的时候。尽管每年耗费了大量的人力物力,但依然无法避免一些五花八门的入侵者的威胁。人们尝试用闪光灯或者噪音吓唬过鸟儿,只起到短暂的效果。

王立天说,有国外同行曾尝试用大风扇把鸟窝从接触网上吹走,可鸟类是天生的建筑专家,它们搭的窝非常符合工程力学,“10级大风都吹不动”。拆除这些鸟窝需要一笔不小的花费。工人只能在断电停运时干活儿,根据测算,平均每拆一个鸟窝的成本在千元左右。

在更高的车速区间内,这些工程师战胜了空气,但对于鸟类的挑衅,科学暂时无可奈何。

(记者耿学清对本文有贡献)

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