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推动中国智造迈向“更高、更深、更远”

来源:  发布时间:2022-05-20

——记长安大学工程机械学院机电系副主任、

机电液一体化研究所所长曹学鹏

谭 凯

 

人类社会进入工业时代后,已经经历了3次工业革命。工业化无疑是现代化的基础,而强大的制造业则支撑着现代化的经济体。

2013年工业4.0战略的提出到第四次工业革命浪潮的出现,距今已有近十年。无论是“工业互联网”、“工业4.0”,还是“中国制造2025”,其核心都是通过数字化的转型,提高制造业的水平。作为提高制造业产品质量和劳动生产率的重要手段,机电液一体化在制造领域得到了普遍应用,这一技术正以前所未有的速度发展,前景十分广阔。

简单来讲,机电液一体化就是:电气控制液压,液压驱动机械,机械在运动中通过电气信号反馈回来再控制液压。它是机械工程、电子工程、计算机科学等多学科交叉融合之后形成的学科。

“打个比方,机械设备就像人类一样,具有大脑、心脏、神经、躯干、四肢等这些基本构造。它的运转也要在大脑统一协调下,通过神经传导并协调躯体。人除了可以完成吃饭、喝水等基本活动外,还可以进行读书、写字、画画这些高级活动。机械设备也一样,机电液一体化这个学科的功能就是围绕现代机械设备,研究机械的结构、执行、动力,还有信息感知和逻辑控制等环节。”长安大学工程机械学院机电系副主任、机电液一体化研究所所长曹学鹏用通俗易懂的话向记者介绍,“这个学科既研究机器的心脏动力,又分析它的躯体构造,还会通过传感器、控制器,实现各个机械部件的协调控制,让机械像人一样可以灵活地运作。”深耕这一领域多年,曹学鹏在极端环境下特殊装备的设计与开发、机电液系统理论分析及工程应用等方面建树颇多。

 

缘起痴迷

 

能够在一个领域深耕多年依旧充满激情,一定是怀着对这项事业深沉的热爱,曹学鹏也不例外。这份热爱与痴迷,至今已有20余年。

2001年,曹学鹏以优异的成绩被西南交通大学机械工程及自动化专业录取。从小痴迷于工业尤其自动化的他,在填报高考志愿时清一色地选择了带有“自动化”这3个字的专业。第一志愿就被录取的他,自此开启了机械工程科研之旅。

近年来,人工智能、大数据等技术迅猛发展,但在20世纪初,它们还较为前沿。西南交通大学当时是国内少数几个开设相关课程的高校,并且设置了一个新的专业方向——驱动技术与智能系统。2005年,曹学鹏硕博连读所选择的专业就是这个前沿的智能化专业。博士期间,他和团队开展深海电液比例液压源关键技术及工作特性研究,为以后的研究奠定了良好的基础。

此后,无论是开展博士后研究,还是参加国际交流活动,都为曹学鹏在专业方向上不断精进做了充足的铺垫与储备。尤其是2018年开始,在芬兰坦佩雷理工大学智能液压与自动化研究所(IHA)为期1年的访学,给他带来了新的体验。在那里,曹学鹏聚焦液压串联柔性执行元件及应用研究,这一年的科研探索之旅,不仅为他带来了在专业上与国际大咖切磋的机会,更使他体验了不同思维模式的碰撞。

事实上,曹学鹏近年来已在该领域收获了一系列成果。他先后承担国家“863计划”、国家自然科学基金,陕西省重点研发计划项目、陕西省自然科学基金及企业课题十余项;其间,发表学术论文40余篇,其中《科学引文索引》和《工程索引》(SCI/EI)检索10多篇;获国家专利60多项,其中授权发明专利12项。同时,他也获得了很多荣誉:被列入江苏省“企业博士集聚计划”博士后人才计划;获得长安大学优秀毕业设计指导教师、全国大学生机械创新设计大赛陕西赛区优秀指导教师等荣誉称号;他指导的本科生荣获第八届全国大学生机械创新设计大赛国家二等奖,陕西省第八、第九两届“机创”赛一等奖2项。

如今,曹学鹏还担任工程机械学会液压技术分会秘书、《机电液工程学报》(International Journal of Hydromechatronics)期刊青年编委等社会职务,从多个角度为行业发展贡献力量。在聚焦研究领域深度的同时,他也不断拓宽自己所热爱的这份事业的宽度和广度,做好其在相关行业的应用,回馈社会。

 

挺进高空

 

我国交通运输事业在过去的几十年实现了跨越式的发展。从基础设施薄弱,到如今建成了世界一流的现代化交通运输基础设施;从学习国外技术,到如今我国自主创新技术应用的交通工程屡获大奖……随着交通运输事业发展,人们的日常生产生活也发生了翻天覆地的变化。而在交通设施的养护过程中,高空作业车的技术水平和应用便捷性十分关键。此前,大高度混合高空作业车领域长期被欧美发达国家所垄断。

“高空作业车属于载人作业设备,而工作台调平技术是其一项关键技术,直接关乎到操作人员的安全。国内20米以下的工作台采用机械或纯液压式调平,虽然平稳性好、可靠性高,但快速响应性差、调平精度低,难以满足混合臂高空作业车在大空间作业时的调平要求。而大高度消防车采用的电液伺服调平方法,具有控制精度高、动态反应快等优点,但元件制造精度高、造价昂贵、对油液敏感且维护费用高,所以也不适合。”曹学鹏介绍。

2011年至2014年,曹学鹏在徐州工程机械集团有限公司博士后工作站工作时,以江苏省“企业博士集聚计划”博士后人才计划为依托,联合徐工集团开展了大高度混合臂架高空作业车电液控制系统及自动调平研究。此举旨在攻克电液控制系统及自动调平等方面的“卡脖子”关键技术,提升国内高空作业车的作业空间和灵活性,抢占国内大高度高空作业车发展的制高点,进而满足高空灯具安装和清洗、高空消防、风电装置维护、石油管道检修等更大高度范围内应用需求。

项目中,曹学鹏和团队针对该型高空作业车要求调平输出角大、快速响应性高、调平精度和稳定性好等技术难题,经过两年多的技术攻关,提出了采用电液比例控制的主从复合双级自动调平方法和基于臂架约束的自动调平系统及控制方法等关键技术,解决了双级伸缩带飞臂的混合臂高空作业车中调平油缸输出摆动角度受限制的问题,实现工作臂变幅角在260°的大空间范围内工作台的调平功能,并且通过电液比例调平方式有效提高了调平系统的快速响应性和调平精度。

基于相关技术方法,曹学鹏及其团队成功研制了大高度混合臂高空作业车,与国外同类型性能接近的高空作业车相比,成本降低一半以上,具有良好的社会经济效益。而曹学鹏自己也在这个项目中寻求了一次科研思路的转变,化被动为主动;实现了一次过渡和升华——从之前的偏理论研究,到理论和实践相结合。

 

扎根深海

 

深海蕴藏着人类社会可持续发展的战略资源,如多金属结核矿、深海钙磷土、油气资源、可燃冰等。这些深海资源的开发离不开现代化的水下作业装备,如海上采矿设备、深水钻探设备、海底采油装置、各种载人和非载人潜水器、水下作业及维护设备等。以液体为介质(主要是矿物油和水)的液压传动由于其独特的优势,在深海装备上得到广泛的应用,液压动力源是核心部件。然而,已有的陆用液压元件设计方法难以适应于深海特殊工况。于是,2016年至2018年,曹学鹏主持的国家自然科学基金青年科学基金项目就将触角深入这一领域。他和团队开展变深环境对大深度油压源动态特性的作用机制及迁移规律研究,预测变深环境下大深度油压源的工作性能,为环境适应性深海液压源的研制打下基础。

由于深海环境极端多变,密度、黏度、体积弹性模量等液压介质的理化性会发生极大的改变。“如深海6000米,当液压系统工作压力为21MPa时,在低温、高压的环境作用下,液压介质的黏度增加大约18倍,压缩量达3.6%左右。”曹学鹏介绍,液体黏度增加轻则导致液体流动过程的摩擦损耗增加,工作效率下降,严重则造成液压源吸油不畅,甚至无法正常工作。为此,在项目中,他深入研究了深海环境作用下液压介质的黏度、压缩性、密度等物理参数的动态变化规律,并形成相关研究成果,在《润滑与密封》期刊上发表了3篇系列论文,为深海液压介质的择选、特性预测打下基础。

而后,曹学鹏又基于介质变黏-弹特征研究油液介质特性改变对油压源系统内部特性的影响规律,以及变参数建模方法和流体控制理论构建油压源系统的流量控制和压力调节的线性变参数模型,完成了液压泵压力、流量控制性能研究。这些成果先后在国内外高水平期刊上发表SCI/EI检索论文3篇。通过理论分析和实验测试,他揭示出变深下油压源动特性迁移规律,为深水工况下液压泵的性能分析、适应性液压泵的研制及工作水深的性能预测奠定理论基础。除了理论研究外,曹学鹏还在这个项目中开展了极具工程应用价值的研究工作,并申请了5项专利。

“在深海低温、压力的复合作用下,造成相配合的摩擦副的结构形变。以液压泵为例,油压元件正常工作时摩擦副的间隙变化在2050μm之间,一旦结构变形超过该量级,必然造成精密配合的形变失调,短时间内将导致很大的磨损,使得摩擦副的流场特性(压力场、速度场、温度场等)、液体流态发生很大改变,液压泵的效率、扭矩、温升以及控制阀的动静态流量压力特性发生改变,元件的振动和噪声发生变化,极大地缩短液压元件的使用寿命。”曹学鹏介绍,针对这些问题,他和团队开展了深海工况下柱塞泵滑靴副、柱塞副、配油盘副3对关键摩擦副的润滑特性分析。“我们采用计算流体动力学(CFD)方法建立各自的流体动力润滑模型,分析了不同水深下3对摩擦副的油膜厚度、压力场分布、摩擦力、泄漏量等润滑特性变化规律,并提出了相应的适应性润滑副设计方法。”项目成果不仅为深海液压泵的研制和性能预测等提供了一种较为系统的理论分析模型和性能分析方法,还为深海适应性液压泵的研制提供了有益的指导。

 

拥抱团队

 

采访中,曹学鹏经常提及他所在的团队。他说,他所有的荣耀都与这个战斗力极强的创新团队密切相关。

这是一个由3名教授、5名副教授和4名中级职称教师组成的机电液一体化科研团队,依托于公路养护装备国家工程实验室研究平台和长安大学工程机械学院机电液一体化研究所,是学校重要的科研创新团队之一。其主要研究方向包括:流体动力与机电系统及应用、特殊环境下机电液融合理论及工程应用,以及具有环境感知的机器智能作业及加工技术。

“这个学科有交叉融合的优势,也有它的难点。这就要求我们把每个学科的顶尖人才聚在一起,这样大家才能有针对性地把整个系统做好,做成一件大事。”曹学鹏介绍。近5年,团队科研经费总额超过1000万元,发表学术论文近100篇,获得国家专利120多项。而随着团队主要成员纷纷入选陕西省绿色智能公路养护装备创新团队、机械电子工程专业陕西省教学团队等,该团队已成为陕西省一支十分重要的科研创新团队。此外,团队成员还承担了国家科技支撑计划、“863计划”、国家自然科学基金、陕西省重点研发计划等项目/课题20余项,并承担了多项企业横向课题。

“我们旨在建设具有国内先进水平的机电液一体化工程研究基地,为国家培养具有过硬专业素养和科研实力的机电工程领域高端人才,服务于我国制造企业转型升级与国家地方经济发展。”曹学鹏信心满怀地表示,这个目标正在逐步实现。而未来,他和团队将继续秉承初心,为实现从“中国制造”到“中国智造”加油助力!

 (责编:关弋)


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2022年6月

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