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气动擎起“制造强国梦”——记2017年度国家科技进步二等奖获得者蔡茂林教授

点击数:    |    加入时间:2018-03-20

气动擎起“制造强国梦”

——记2017年度国家科技进步二等奖获得者蔡茂林教授

记者 史越

近日,“中国制造”闪耀新加坡航展,去年5月惊艳首飞的C919再成亮点。这项写入十九大报告的科技成果,让老百姓坐上我国自主设计制造的大飞机指日可待,其中也凝聚了诸多科研团队的心血。例如,飞行在万米高空时,空气密度很低,机舱需要密闭加压供氧,以使乘客像在地面一样舒适,听似并不复杂,实际操作起来困难重重。

“条件挺苛刻的”,带领团队研制国产客机机舱气密性检测设备控制系统的蔡茂林如是说。密闭机舱加压过程的控制要求精确,一旦加压超调,机体就会报废,同时加压过程中气温的微小变化也会对判断是否漏气造成干扰。责任重大,使命光荣,蔡茂林率队出色完成了任务,为C919、ARJ21等国产客机翱翔蓝天保驾护航。

机舱气密性检测,本质上是一种“泄漏性检测”。流量、能效和泄漏,正是“气动元件关键共性检测技术”的三大方面。小到气缸,大到机舱,莫不如是。

2018年1月8日上午,中共中央、国务院在北京隆重举行国家科学技术奖励大会。北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院蔡茂林教授团队联合北京理工大学,国家气动产品质量监督检验中心,无锡气动所有限公司等单位,共同研究提出的“气动元件关键共性检测技术及标准体系”摘得国家科技进步二等奖。

蔡茂林在2017年度国家科学技术奖励大会现场

这项成果解决了我国气动元件检验检测中的多项关键技术难题,部分达到国际先进水平,提高了我国气动元件的检验检测水平,有力擎起“中国制造2025”的强国梦。蔡茂林怀揣一颗赤诚报国心,十数年如一日潜心钻研气动领域,方有今日成果“丰茂如林”。

气动元件:“工业自动化的肌肉”

高铁已经成为人们日常出行不可或缺的交通工具。在享受高速与便捷的同时,你可能想不到,正是“气动”作用带来了舒适的乘坐体验。

“高铁车厢下面有气动减震弹簧,通过该装置可以把铁轨高低起伏带来的高低频震动减掉,你就感受不到了。”蔡茂林举例说明气动元件在生活中的普遍性。“可能我们生活中看得很少,其实气动元器件几乎无处不在。”

气动系统是工业三大动力系统(电/气/液)之一,它是以空气压缩机为动力源、以压缩空气为工作介质,进行能量传递或信号传递的工程技术,具有防火防爆、高可靠、无污染等优点,广泛应用于各行业制造业的自动化及工艺控制装备中。蔡茂林将其形象地比喻为“工业自动化的肌肉”。

2015年,我国提出《中国制造2025》,成为实施制造强国战略第一个十年的行动纲领。文件主笔屈贤明认为,工业强基是《中国制造2025》最难解决的瓶颈。“中国制造要由大变强,关键就是要解决基础的零部件、基础的材料、基础的工艺,还有就是技术基础,比如标准。”

气缸、换向阀、减压阀、过滤器等气动元件,正属于屈贤明口中的“基础零部件”,品种过万,规格数量达千万,量大面广,更是支撑高端装备的关键零部件,单一元件性能失效会导致整个装备的故障,如高铁气动减震弹簧及其伺服控制阀、载人飞行器供氧减压阀、微电子高真空组件等。气动元件是我国“强基工程”的重点提升对象,其质量保障体系构建是发展我国先进制造技术的一个重要基础,也是衡量一个国家制造水平及先进性的一项重要指标。

我国气动行业的发展却较为滞后。“我们是从2002年开始研究的,当时国产品牌只能满足低端需求,在高端产业是集体缺位的。而国内标准数量只有该领域强国——日本的1/8。”蔡茂林说。由于气动产品质量控制上不去,高性能元件全部依赖进口,造成了我国制造业大而不强。同时,随着对元件性能要求的日益严格,原有检测技术也无法满足需求,高频流量动态特性、能效指标等关键性能的检测在国际上也缺乏手段,这严重制约着高端装备的发展。

攻坚克难:“我们已建成完整标准体系”

祖国的需要,就是北航人的选择。蔡茂林团队决心破解“气动”难题。他们立足产学研合作,开展从研发、制造到使用各环节的关键检测方法与技术的创新,并从事满足高性能器件技术标准的研究。

团队针对缺失的检测技术和标准,研究建立了气动元件基础通用、产品、方法标准构成的具有国际先进水平的完整标准体系。

“以前这个行业同质化竞争很厉害,有了质量标准,对行业的规范和进步促进很大,产品出口量也在快速上升。”蔡茂林说,自己合作的很多企业现在近半产量用于出口,“这在很多年前不可想象”。他介绍,依托项目成果参与组建的国家气动产品质量监督检验中心也是本次获奖的完成单位之一,其检验范围涵盖气动元件390个检测项目,已成功应用于航空航天等高端装备,打破国际垄断,开始出口,有力推进了“强基工程”。

天道酬勤。标准的修订和建立,方法的开创和革新,在书斋里拍脑袋是想不出来的,必须依靠大量的工业现场实验和调查,其中辛苦自不必说。以“机舱气密性检测项目”为例,团队成员之一、彼时还师从蔡茂林读博士的北航自动化科学与电气工程学院副教授石岩,笑着回忆当时的生活是“每天与蚊子抗争到天明”。

石岩介绍,这一项目从2010年开始方案设计,历经仿真分析、模拟联调试验、真机联调试验等多环节试验、测试、验收等阶段。2011年暑期,团队驻扎到宁波,“7、8月份正是酷暑难当,我们在简易招待所里一住就是两个月。”石岩回忆,团队白天在厂房中进行设备联调、收集试验数据,晚上在没有空调的临时会议室里聚在一起分析试验数据,仿真优化控制参数,“加班到凌晨是家常便饭。”2012年,项目通过验收,检测设备正式用于ARJ21型飞机的机舱气密性检测工作,也为团队科研成果提供了第一手数据。

苦心人,天不负。“气动元件关键共性检测技术及标准体系”项目获发明45项、实用新型106项、软件著作权10项,出版专著1本,发表SCI论文46篇、EI论文50篇,被包括IEEE/ASME Fellow在内的学者引用307次。项目先后获得2013、2016年中国机械工业科学技术奖一等奖。

后来者居上。“在标准制定上,中国已经进入到第一阵列了。”蔡茂林自豪地说。如今,我国在相关领域的标准数量达到55项,已赶超美国和欧盟。蔡茂林团队十余年来制修订标准34项,贡献了“半壁江山”。

破旧立新:“科学只有一个答案”

全球范围内,日本是气动领域最为先进的国家之一,相关标准总数最多,有68项。1997年,《京都议定书》在日本签署,旨在限制发达国家温室气体排放量以抑制全球变暖,节能减排逐渐成为全人类的共识。

这一年,蔡茂林正在全球最大的气动研发基地---日本SMC筑波技术中心从事气动学习和研究。随后,他进入东京工业大学攻读博士学位,师从日本流体动力系统学会原会长香川利春教授。

香川利春的专业领域是压缩性流体计量,蔡茂林却另辟蹊径,想研究气动能量评价理论。“一开始导师不同意,因为跟他的研究方向不一致。但这部分的研究当时是空白的,我很想试一试。”蔡茂林说,一年多后,初见成效,“但是当时大家几乎都不认可”。原来,蔡茂林的评价方法与传统做法相差甚大,评价数据也远不如之前“光鲜亮丽”。全球市场占有率第一的世界气动元件综合制造商的技术负责人甚至约谈蔡茂林,对他的研究成果表示质疑。

日本SMC株式会社社长高田芳行来参观实验室,蔡茂林介绍科研成果

不过,蔡茂林并没有气馁。“科学只有一个答案。哪怕被人质疑,没有关系,要经过时间的检验。”他不断完善自己的理论雏形,不断发表论文,最终证明了其正确性。2002年,蔡茂林的博士论文获得日本流体动力系统学会学术论文奖(当年气动领域唯一的一项)。他首创的“气动功率(Pneumatic Power)”概念,解决了困扰气动界多年的能量评价问题,为查明气动系统内的能量损失提供了量化理论基础。经过多年的完善与检验,其团队提出的气动元件能效评价及其检测方法被采纳制定为我国GB国家标准(GB30833),并于2014年正式颁布实施。“本研究成果也被日本采纳制定为日本行业标准(JFPS2018标准),最近我们团队正在把它做成ISO国际标准。”蔡茂林说。

十年日本学习研究,理论建树之外,蔡茂林也养成了扎实严谨的做事风格。“日本的工程师,他的小口袋里一定会放一把尺、一把计算器,所有东西都要量化,写成数字。”蔡茂林说,自己的理论做出来,也为方便量化气体的能量损失,进行诊断,从而实现产品质量提升之外、另一项泽被后世的效益:节能。

心怀报国:“发挥作用空间更大”

2006年,我国颁布“十一五”规划纲要,首次提出“单位国内生产总值能源消耗(单位GDP能耗)降低20%左右”这一量化指标。“节能减排”一词也出自纲要文本,如今已是深入人心。正是这一年,蔡茂林做出了回国的决定。

“回国的原因其实很简单,在国内我们能发挥作用的空间更大。”蔡茂林说,在70年代初石油危机和97年京都会议带来的相继两次节能运动后,日本国内的基础已经“相当好了”。“但是你回国一看,浪费极其严重。很多人觉得空气嘛,随便用,免费的,其实空气是最昂贵的资源,因为压缩空气要用电。”蔡茂林说,以空气压缩机为例,一年的能耗是3000多亿度电,相当于全国总用电量的6%、工业总用电量的9%。“北京市一年的耗电量大概也就900亿度。”蔡茂林说,“这说明看似跟我们生活没有交集的‘气动’,其实能耗非常大,这里面节能的空间是巨大的。”

1997年亚洲金融危机后,大量制造业企业进入中国内地。建厂初期追求“多快好省”,生产线包括气动系统设计大都非常粗放。近年来,随着行业产能饱和,利润下降,高昂的运行成本成为企业沉重的负担。“在国家宣传、政策要求下,大家对节能的重视程度越来越高。怎么把‘历史硬伤’治了,这个工作正是我们擅长的,也是我们应该给社会做的贡献。”蔡茂林说。

2006年,34岁的蔡茂林被海外直聘为北航教授、博导。但在日企SMC公司两年工作经历,让他的思维始终与社会脉搏相连。“所有的研发应该以服务于社会生产力的进步为终极目标,而不仅仅是写论文。”在校园,他从事工业空压系统的节能研究,是基础性科研、技术攻关及应用推广工作。他又不局限于书斋,而是全国奔走宣教,参加国内外学术交流及演讲20余次,为全国100多家企业做过免费能耗评估与节能知识宣传。

蔡茂林在企业指导研发

在我国最新颁布的《“十三五”节能减排综合工作方案》中,重申要“加强工业节能”。“以前很多人想做节能,但是没有理论基础,无从量化分析能量损失,也就无的放矢。”蔡茂林说,现在标准体系建立了,大家拿着就可以用,只要翻一翻国家标准,相关的评测方法都写得很清楚。蔡茂林团队曾为甘肃某冶金企业做节能方案,使之日均节电量达到2.7万度。

开枝散叶:“学科就慢慢起来了”

在中国近百年来的发展历史进程中,无数“海归”靠着自己的智慧和力量为祖国的建设添砖加瓦。相较于日本东京工业大学副教授岗位优越的收入和科研生活条件,蔡茂林坦言,“当时回国的条件挺艰苦的”。但他甘之如饴,为自己能有所贡献感到心潮澎湃。

日本东京工业大学香川利春教授来访

他回国后一开始堪称“光杆司令”,2007年才招了第一个学生。十余年耕耘,他也培养了10余位博士生,近一半在高校工作。学生以第一完成人获得过中国机械工业科学技术奖一等奖。石岩说,自己“完全继承了蔡老师的衣钵”,延续蔡茂林的研究方向,重点解决ICU病人的呼吸支持治疗时呼吸气流的精密检测与控制技术。

在学生眼里,“蔡老师是一位神一样存在的人”,“严谨得让人折服”,“每周的科研例会雷打不动”。“蔡老师一直教诲我们脚踏实地,勤勤恳恳工作,科研没有捷径,更不容含糊,实验研究必须严格遵守各元件的工况,不允许有假设和忽略。”石岩对自己发表的第一篇学术论文记忆犹新,“是蔡老师帮我一个字一个字改出来的”。

说起自己的学生,蔡茂林也难掩自豪之情,对他们取得的成绩如数家珍。此次获得国家二等奖,完成人名单中的石岩、许未晴、虞启辉,均是以北航博士生身份参研。

获奖后,团队的喜悦溢于言表。大家的庆祝方式很简单,回家大睡一觉,充分休整,再启征程。蔡茂林说,技术和标准还需要随着实践不断更新,任重道远。而他主编的《压缩空气系统节能技术》一书也即将付梓,内容通俗,旨在让更多人掌握并受益。

研究气动技术,制定行业规范,宣教企业节能,培育有生力量……蔡茂林学以致用,笃定前行,把论文写在祖国大地,为擎起“制造强国梦”做出了深远贡献。北航人的脚步,永不止息!

编辑:史越

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