向鐵路科學(xué)技術(shù)的深度和廣度進(jìn)軍

馬夢(mèng)珂

夯基壘石，基礎(chǔ)研究是科技創(chuàng)新的源頭。2020年，在中國科學(xué)家座談會(huì)上，習(xí)近平總書記提出，要持之以恒加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，廣大科學(xué)家和科技工作者要堅(jiān)持面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)、面向國家重大需求、面向人民生命健康，不斷向科學(xué)技術(shù)廣度和深度進(jìn)軍。

“四個(gè)面向”是中國科技工作的新坐標(biāo)。近年來，在中國鐵路工程領(lǐng)域科學(xué)家的不懈努力下，以高速動(dòng)車組、大功率機(jī)車、鐵路貨車、城市軌道車輛為代表的中國制造系列產(chǎn)品，已達(dá)到世界先進(jìn)水平，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的地理環(huán)境，滿足多樣化的市場(chǎng)需求。尤其是在高速列車車體技術(shù)、全線鋪設(shè)無砟軌道、鐵路數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)、高速鐵路列車運(yùn)行控制系統(tǒng)、列車調(diào)度和安全監(jiān)控等硬件軟件和工程應(yīng)用領(lǐng)域，都處于全球領(lǐng)先水平。

無論是硬實(shí)力還是軟實(shí)力，中國鐵路的發(fā)展歸根結(jié)底要靠科技人才的實(shí)力。西南交通大學(xué)材料與工程學(xué)院博士生導(dǎo)師茍國慶教授在前輩引領(lǐng)下，帶領(lǐng)年輕的科研團(tuán)隊(duì)，致力于解決鐵路機(jī)車的焊接結(jié)構(gòu)無損檢測(cè)技術(shù)、焊接工藝的研究及成果轉(zhuǎn)化等，形成了一系列創(chuàng)新研究理念，在中國高速發(fā)展的鐵路事業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。

深度攻關(guān)“殘余應(yīng)力”

內(nèi)應(yīng)力又稱殘余應(yīng)力，是指金屬或非 金屬材料在機(jī)械加工過程中殘留在內(nèi)部的應(yīng)力，內(nèi)應(yīng)力如果達(dá)到了一定的數(shù)值，就有可能造成關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)失效，材料、部件脫落斷裂。殘余應(yīng)力是影響軌道車輛服 役安全可靠性的重要因素。歷史上有許多因殘余應(yīng)力過大導(dǎo)致的災(zāi)難性事故，如美國歷史上發(fā)生的橋梁垮塌，1998年德國高速列車車輪斷裂導(dǎo)致列車脫軌等。甚至包括日本福島核電站的核泄漏，其中也有著殘余應(yīng)力的影響。

西南交通大學(xué)致力于軌道交通列車關(guān)鍵科學(xué)問題的研究，以及先進(jìn)技術(shù)的研發(fā)，是中國鐵道領(lǐng)域創(chuàng)新研究的頂尖高校。茍國慶2006年從西南交通大學(xué)材料加工工程專業(yè)碩士畢業(yè)后留校任教，隨后又獲得材料學(xué)專業(yè)博士學(xué)位，他對(duì)磁懸浮列車等產(chǎn)品的殘余應(yīng)力、疲勞和腐蝕、斷裂等問題有較深的見解，和團(tuán)隊(duì)提出了一系列創(chuàng)新研究的理念，相關(guān)研究成果均在中車下屬企業(yè)廣泛應(yīng)用。

茍國慶團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，以鋁合金為主要材料的軌道車輛，其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力峰值可達(dá)140MPa以上。準(zhǔn)確獲得高速列車關(guān)鍵部位的殘余應(yīng)力分布狀態(tài)及數(shù)值，對(duì)于評(píng)估高速列車的安全可靠性及保障其安全運(yùn)行是非常有必要的。然而研究表明，高速列車的材料屬性、微觀組織、表面粗糙度，甚至不同的殘余應(yīng)力檢測(cè)方法都會(huì)帶來較大的測(cè)試誤差，給獲得準(zhǔn)確的數(shù)值帶來了困難。

傳統(tǒng)上，相對(duì)成熟的殘余應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)主要有中子衍射法、X射線衍射法、小孔法，但由于受到測(cè)試材料、結(jié)構(gòu)尺寸、表面質(zhì)量、檢測(cè)費(fèi)用、測(cè)試精度等制約，不同的檢測(cè)方法均有一定的局限性。其中X射線法是目前國際上公認(rèn)的一種快速、準(zhǔn)確的無損檢測(cè)方法，包括上海交通大學(xué)姜傳海教授、西安交通大學(xué)何家文教授在內(nèi)的一大批頂級(jí)專家都為X射線法在檢測(cè)重大裝備殘余應(yīng)力方面作出了巨大的貢獻(xiàn)。

殘余應(yīng)力的超聲波檢測(cè)技術(shù)因其無損、快速、安全、成本低等優(yōu)點(diǎn)受到國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注。包括北京理工大學(xué)徐春廣教授、哈爾濱工業(yè)大學(xué)方洪淵教授在內(nèi)的國內(nèi)外頂級(jí)專家都為超聲波法檢測(cè)重大裝備的殘余應(yīng)力、螺栓預(yù)緊力作出了重大的貢獻(xiàn)，推動(dòng)了超聲波法檢測(cè)應(yīng)力的快速應(yīng)用。而茍國慶及其團(tuán)隊(duì)研發(fā)了高速列車關(guān)鍵結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力的超聲檢測(cè)技術(shù)、發(fā)明了殘余應(yīng)力實(shí)時(shí)測(cè)量方法、研制了超聲波殘余應(yīng)力檢測(cè)及在線監(jiān)測(cè)裝備系統(tǒng)、建立了殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)庫。

2014年，茍國慶參與了中國高鐵標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組結(jié)構(gòu)件及部件的相關(guān)測(cè)試研究，時(shí)速350公里下，標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組的殘余應(yīng)力情況及對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性影響如何，是他和團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)研究的課題。茍國慶帶著團(tuán)隊(duì)成員和博士、碩士研究生們，聚焦標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組相關(guān)部件從原材料到大部件組裝、整車生產(chǎn)及在線服役，從底架到側(cè)墻、車頂?shù)剿緳C(jī)室，都進(jìn)行了大量深入分析、測(cè)試、研究，最終為中國高鐵標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組的安全運(yùn)行提供了一份沉甸甸的可行性研究報(bào)告。

成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用廣泛

“首先是基礎(chǔ)性的研究，研究焊接結(jié)構(gòu)，腐蝕產(chǎn)生的原因及帶來的缺陷，評(píng)估其發(fā)生斷裂的概率和對(duì)壽命的影響。其次是把相關(guān)研究成果進(jìn)行工程化轉(zhuǎn)化，在中車青島四方、中車唐山、中車南京浦鎮(zhèn)、中車廣東、中車株洲等生產(chǎn)單位中應(yīng)用。”無論是“頂天”的基礎(chǔ)科學(xué)研究，還是“立地”的應(yīng)用轉(zhuǎn)化研究，在茍國慶的眼中一直都是相輔相成的必要研究，多年“頂天立地”做科研，收獲的是碩果滿園。

早在博士階段，茍國慶的論文就是針對(duì)殘余應(yīng)力的相關(guān)研究。同時(shí)，他又參與到大量國家級(jí)、省部級(jí)的研究項(xiàng)目中，獲得了一系列基礎(chǔ)性的研究數(shù)據(jù)，深入了解了各種車型的應(yīng)力分布情況、接頭的設(shè)計(jì)情況，結(jié)構(gòu)的疲勞情況、斷裂情況和腐蝕情況，以及應(yīng)力的主要影響因素等。針對(duì)同樣的車型應(yīng)該使用什么樣的材料，他在實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)都做了大量的實(shí)驗(yàn)。在導(dǎo)師陳輝教授和專業(yè)創(chuàng)始人王元良教授的支持和幫助下，經(jīng)過多年打磨，茍國慶和團(tuán)隊(duì)寫出了《高速列車中的殘余應(yīng)力》一書。2015年12月份該書編撰出來以后就一直在西南交通大學(xué)本科生和研究生的課堂教學(xué)中使用。2017年，茍國慶和團(tuán)隊(duì)參與研發(fā)的“高速列車關(guān)鍵部件激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)”獲得了四川省科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，其中殘余應(yīng)力的研究就是最為重要和關(guān)鍵的貢獻(xiàn)之一。

在飛機(jī)等某些特殊裝備上，相關(guān)部件的組裝靠的是螺栓而非焊接。使用螺栓連接時(shí)，通常需要施加一個(gè)“預(yù)緊力”，又被稱為軸向力或扭矩。在使用過程中，由于環(huán)境的變化，預(yù)緊力可能會(huì)逐漸減弱、消失，螺栓就容易發(fā)生松動(dòng)，最終導(dǎo)致相關(guān)部件隨之脫落，飛機(jī)也發(fā)生失效。如果受到外力影響，預(yù)緊力過大，螺栓就可能被擰斷，同樣會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)發(fā)生失效。

在軌道列車的生產(chǎn)研發(fā)中，茍國慶和團(tuán)隊(duì)深度參與、深入研究，針對(duì)軌道列車中的螺栓預(yù)緊力進(jìn)行檢測(cè)分析。“檢測(cè)過程中不僅需要有相應(yīng)的檢測(cè)設(shè)備，還要有足夠靈敏的傳感器、晶片，并結(jié)合5G技術(shù)的應(yīng)用等。”在新西蘭奧克蘭大學(xué)訪問時(shí)，茍國慶曾跟隨新西蘭皇家科學(xué)院兼工程院院士高唯教授研究學(xué)習(xí)，隨后共同參與研究螺栓預(yù)緊力的檢測(cè)分析。他們率先建立了基于5G和北斗定位技術(shù)的螺栓預(yù)緊力檢測(cè)系統(tǒng)，如今已在中國中車下屬的多家企業(yè)、國家電網(wǎng)和三峽電站等單位中得到了廣泛應(yīng)用。

“我們現(xiàn)在給其中一個(gè)水電站做的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，已經(jīng)監(jiān)測(cè)到將近1億個(gè)數(shù)據(jù)，極大地降低了企業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也使工人的勞動(dòng)強(qiáng)度得到了極大的緩解。”茍國慶說，水電機(jī)組都在地下，有將近400米的深度，以往工人要乘坐電梯深入100多層去手工操作判斷上千顆螺栓的運(yùn)行是否可靠，工作量大、環(huán)境惡劣，給工人施工作業(yè)造成了極大困擾。有了螺栓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，工人基本可以每隔一兩個(gè)月再下去施工作業(yè)。

科技創(chuàng)造是創(chuàng)新發(fā)展的重要支撐，科技應(yīng)用是創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)化的媒介。無論是基于超聲波的殘余應(yīng)力檢測(cè)和在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還是針對(duì)螺栓預(yù)緊力的檢測(cè)和在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如今都已經(jīng)得到了比較廣泛的應(yīng)用。在茍國慶看來，未來這兩套系統(tǒng)在核電、航空航天等領(lǐng)域也將進(jìn)一步加強(qiáng)推廣。截至目前，茍國慶和團(tuán)隊(duì)主持、參與了多達(dá)30余個(gè)科研項(xiàng)目，積累了相關(guān)國家專利30余項(xiàng)，累計(jì)研究經(jīng)費(fèi)近2000萬元。其團(tuán)隊(duì)研發(fā)的超聲波螺栓預(yù)緊力檢測(cè)系統(tǒng)、超聲波殘余應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)也得到了市場(chǎng)的青睞，上市公司達(dá)威股份就對(duì)這些產(chǎn)品關(guān)注度極高，并且進(jìn)行了投資，相關(guān)產(chǎn)品也正在依托四川優(yōu)安協(xié)創(chuàng)科技有限公司進(jìn)行市場(chǎng)化推廣。該團(tuán)隊(duì)的“超聲法螺栓預(yù)緊力無損檢測(cè)”項(xiàng)目獲得了第六屆“創(chuàng)客中國”四川省中小企業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽暨第四屆“創(chuàng)客天府”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽全省總決賽二等獎(jiǎng)的好成績(jī)，并即將參加全國總決賽。

堅(jiān)定中國科研自信

人是科技創(chuàng)新最關(guān)鍵的因素，創(chuàng)新的事業(yè)呼喚創(chuàng)新的人才。西南交通大學(xué)肇 建于1896年的山海關(guān)北洋鐵路官學(xué)堂， 此后雖屢遷校址，數(shù)度更名，卻以唐山交通大學(xué)揚(yáng)名海內(nèi)外，素有“東方康奈爾”之美譽(yù)，尤以土木、礦冶兩學(xué)科獨(dú)樹一幟。茅以升、竺可楨、林同炎、黃萬里、姚桐斌、陳能寬都是西南交通大學(xué)聞名遐邇的校友。1952年經(jīng)院系調(diào)整，更名為唐山鐵道學(xué)院，專事軌道交通人才培養(yǎng)。1972年起定名為西南交通大學(xué)并沿用至今。

從“天眼”探空到“蛟龍”探海，從頁巖氣勘探到量子計(jì)算機(jī)研發(fā)，眾多重大科技成果的問世，莫不源于科技工作者的忘我投入、奮力攻關(guān)。西南交通大學(xué)焊接專業(yè)的創(chuàng)始人之一——王元良教授是茍國慶的授業(yè)恩師之一，曾參與過南京長(zhǎng)江大橋、武漢長(zhǎng)江大橋等重大項(xiàng)目的焊接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、疲勞評(píng)價(jià)等工作。92歲高齡的他依然精神矍鑠，在80多歲的時(shí)候仍然堅(jiān)持每個(gè)月寫一篇文章、每年出一本書。“85歲的時(shí)候，他帶著一幫年輕的老師和學(xué)生，研發(fā)出一個(gè)太陽能的焊接車。前兩年，他還經(jīng)常把我叫到家里去訓(xùn)話，指導(dǎo)我做的一些研究需要怎樣改進(jìn)。”茍國慶說。專業(yè)的另一位創(chuàng)始人王一戎教授同樣是茍國慶在科研道路上的引路人。他80多歲的時(shí)候耳不聾、眼不花，經(jīng)常做運(yùn)動(dòng)，有年輕學(xué)生不認(rèn)識(shí)他，還在實(shí)驗(yàn)室里埋頭做實(shí)驗(yàn)。去做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，他還熱心地幫年輕學(xué)生磨試樣。一次，茍國慶發(fā)現(xiàn)磨樣很好，問學(xué)生是誰磨的，學(xué)生回答是“老師傅磨的”，有些學(xué)生甚至不認(rèn)識(shí)王一戎教授。茍國慶告訴他們“這可是我們焊接專業(yè)的創(chuàng)始人”。焊接專業(yè)的學(xué)科帶頭人陳輝教授是茍國慶的恩師，他長(zhǎng)期工作在科研一線，非常熟悉和了解高速列車、高速鐵路的科技前沿的發(fā)展動(dòng)態(tài)，經(jīng)常幫助茍國慶、劉艷、朱宗濤等年輕老師和學(xué)生梳理前沿科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)難題，促使西南交通大學(xué)的焊接專業(yè)始終走在國際前列。

2013年、2017年分別赴加拿大多倫多大學(xué)、新西蘭奧克蘭大學(xué)訪問學(xué)習(xí)期間，茍國慶不僅了解了更多國際前沿的研究工作，在科研理念和人才培養(yǎng)上也有了更多思考。在加拿大時(shí)，他的合作導(dǎo)師王執(zhí)銳教授是我國首批出國留學(xué)的研究生之一，在研究材料的疲勞、斷裂方面具有極高的學(xué)術(shù)造詣。在世界頂級(jí)大學(xué)多倫多大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室里面，茍國慶深刻地感受到了科學(xué)研究的魅力，更加堅(jiān)定了投身科學(xué)研究的信心。在新西蘭時(shí)，院士導(dǎo)師高唯希望他去做一些特別前瞻性的研究工作，如納米壓電晶片、納米傳感器……在導(dǎo)師指導(dǎo)下，茍國慶做了大量的研究工作，并參加了多次相關(guān)領(lǐng)域的國際會(huì)議。后來，在開發(fā)殘余應(yīng)力檢測(cè)和在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及針對(duì)螺栓預(yù)緊力的檢測(cè)和在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，茍國慶不買成品，只買原材料，讓自己的學(xué)生團(tuán)隊(duì)自己編制軟件、自己做硬件，學(xué)生們因此大受鍛煉，不僅懂硬件也懂軟件，不僅懂電路還懂調(diào)試。這成為茍國慶團(tuán)隊(duì)的特色。在治學(xué)理念上，他倡導(dǎo)融匯交流、互學(xué)互鑒甚至可以相互“批判”，導(dǎo)師給學(xué)生提供理念上和框架上的建議，同時(shí)也吸收學(xué)生的創(chuàng)新思維?！案鷮W(xué)生接觸過程中，我覺得不僅自己有付出，我從學(xué)生那兒也學(xué)到了很多東西，許多年輕學(xué)生的想法可能更先進(jìn)。有時(shí)候我們進(jìn)行項(xiàng)目交流或者研究時(shí)，我會(huì)鼓勵(lì)他們提出批判性的意見建議，希望他們?cè)谧约旱难芯糠较蛏媳任腋訉I(yè)、理念更加先進(jìn)?！逼垏鴳c說。

科研之外，茍國慶鼓勵(lì)學(xué)生要有一個(gè)良好的身體素質(zhì)，甚至“強(qiáng)迫”自己的學(xué)生每天必須堅(jiān)持跑步，保持良好的身體素質(zhì)和充沛的精力。其次，他鼓勵(lì)自己的學(xué)生要“能吃虧”，有正確的價(jià)值觀。此外，他認(rèn)為團(tuán)隊(duì)的核心精神在于團(tuán)結(jié)，只有團(tuán)結(jié)的科研團(tuán)隊(duì)，才能產(chǎn)生更多的創(chuàng)新成果。他常鼓勵(lì)學(xué)生說：“既然老天安排你學(xué)了這個(gè)專業(yè)，你只要能夠堅(jiān)持，有一個(gè)好的身體和好的心態(tài)，幾十年如一日地去做一件事情，你就一定會(huì)取得成功的?！比缃?，茍國慶正帶領(lǐng)學(xué)生在關(guān)于殘余應(yīng)力等領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究中不斷向深度和廣度探索。

作為西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)的博士生導(dǎo)師，茍國慶深知，自己在帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)做好重大科研創(chuàng)新和成果轉(zhuǎn)化的同時(shí)，也承擔(dān)著培養(yǎng)青年科技人才，打造高水平創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的重任。一方面是艱巨的科研任務(wù)，另一方面是擔(dān)任研究生導(dǎo)師，此外還要承擔(dān)本科生的課程、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)等，盡管非常忙碌，但茍國慶仍常對(duì)自己的學(xué)生講述中國科研的“大時(shí)政”話題，讓學(xué)生對(duì)中國的科技創(chuàng)新有信心、對(duì)自己的科研方向有信心。在他看來，黨的十八大以來，中國堅(jiān)持創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的實(shí)質(zhì)是人才驅(qū)動(dòng)，不斷改善人才發(fā)展環(huán)境、激發(fā)人才創(chuàng)造活力，大力培養(yǎng)造就了一大批具有全球視野和國際水平的戰(zhàn)略科技人才、科技領(lǐng)軍人才、青年科技人才和高水平創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)。人才的問題解決了，技術(shù)被“卡脖子”的問題也不斷得到解決，中國學(xué)者的科研自信也越來越堅(jiān)定?！?0多年來我們國家在科技上取得了這么偉大的成就，無數(shù)的先輩做了大量的工作，我們有必要讓學(xué)生對(duì)此充滿自信?！逼垏鴳c說。

茍國慶，西南交通大學(xué)材料與工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，擔(dān)任材料先進(jìn)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任。本科、碩士、博士均畢業(yè)于西南交通大學(xué)，獲材料科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)士學(xué)位、材料加工工程專業(yè)碩士學(xué)位、材料學(xué)專業(yè)博士學(xué)位。2013年赴加拿大多倫多大學(xué)訪問，2017年赴新西蘭奧克蘭大學(xué)訪問。美國焊接學(xué)會(huì)注冊(cè)焊接檢驗(yàn)師（CWI）、中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)殘余應(yīng)力委員會(huì)會(huì)員、四川省機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接專業(yè)委員會(huì)會(huì)員、四川省腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)會(huì)員、四川省增材制造學(xué)會(huì)理事、四川省科技協(xié)同創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)先進(jìn)材料專委會(huì)秘書長(zhǎng)。Corrosion Science、Materials and Design、Jourimal of Alloys and Compounds等期刊審稿人。曾獲四川省科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、成都市科技進(jìn)步獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)、天府焊接杰青獎(jiǎng)、四川省教學(xué)成果獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)、西南交通大學(xué)唐立新優(yōu)秀學(xué)者獎(jiǎng)，擁有相關(guān)國家專利30余項(xiàng)，其中發(fā)明專利20項(xiàng)。