推動中國智造邁向“更高、更深、更遠”
——記長安大學工程機械學院機電系副主任、機電液一體化研究所所長曹學鵬

譚 凱

人類社會進入工業(yè)時代后，已經(jīng)經(jīng)歷了3次工業(yè)革命。工業(yè)化無疑是現(xiàn)代化的基礎，而強大的制造業(yè)則支撐著現(xiàn)代化的經(jīng)濟體。

從2013年工業(yè)4.0戰(zhàn)略的提出到第四次工業(yè)革命浪潮的出現(xiàn)，距今已有近十年。無論是“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”、“工業(yè)4.0”，還是“中國制造2025”，其核心都是通過數(shù)字化的轉(zhuǎn)型，提高制造業(yè)的水平。作為提高制造業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量和勞動生產(chǎn)率的重要手段，機電液一體化在制造領域得到了普遍應用，這一技術正以前所未有的速度發(fā)展，前景十分廣闊。

簡單來講，機電液一體化就是：電氣控制液壓，液壓驅(qū)動機械，機械在運動中通過電氣信號反饋回來再控制液壓。它是機械工程、電子工程、計算機科學等多學科交叉融合之后形成的學科。

“打個比方，機械設備就像人類一樣，具有大腦、心臟、神經(jīng)、軀干、四肢等這些基本構(gòu)造。它的運轉(zhuǎn)也要在大腦統(tǒng)一協(xié)調(diào)下，通過神經(jīng)傳導并協(xié)調(diào)軀體。人除了可以完成吃飯、喝水等基本活動外，還可以進行讀書、寫字、畫畫這些高級活動。機械設備也一樣，機電液一體化這個學科的功能就是圍繞現(xiàn)代機械設備，研究機械的結(jié)構(gòu)、執(zhí)行、動力，還有信息感知和邏輯控制等環(huán)節(jié)?！遍L安大學工程機械學院機電系副主任、機電液一體化研究所所長曹學鵬用通俗易懂的話向記者介紹，“這個學科既研究機器的心臟動力，又分析它的軀體構(gòu)造，還會通過傳感器、控制器，實現(xiàn)各個機械部件的協(xié)調(diào)控制，讓機械像人一樣可以靈活地運作?！鄙罡@一領域多年，曹學鵬在極端環(huán)境下特殊裝備的設計與開發(fā)、機電液系統(tǒng)理論分析及工程應用等方面建樹頗多。

緣起癡迷

能夠在一個領域深耕多年依舊充滿激情，一定是懷著對這項事業(yè)深沉的熱愛，曹學鵬也不例外。這份熱愛與癡迷，至今已有20余年。

2001年，曹學鵬以優(yōu)異的成績被西南交通大學機械工程及自動化專業(yè)錄取。從小癡迷于工業(yè)尤其自動化的他，在填報高考志愿時清一色地選擇了帶有“自動化”這3個字的專業(yè)。第一志愿就被錄取的他，自此開啟了機械工程科研之旅。

近年來，人工智能、大數(shù)據(jù)等技術迅猛發(fā)展，但在20世紀初，它們還較為前沿。西南交通大學當時是國內(nèi)少數(shù)幾個開設相關課程的高校，并且設置了一個新的專業(yè)方向——驅(qū)動技術與智能系統(tǒng)。2005年，曹學鵬碩博連讀所選擇的專業(yè)就是這個前沿的智能化專業(yè)。博士期間，他和團隊開展深海電液比例液壓源關鍵技術及工作特性研究，為以后的研究奠定了良好的基礎。

此后，無論是開展博士后研究，還是參加國際交流活動，都為曹學鵬在專業(yè)方向上不斷精進做了充足的鋪墊與儲備。尤其是2018年開始，在芬蘭坦佩雷理工大學智能液壓與自動化研究所（IHA）為期1年的訪學，給他帶來了新的體驗。在那里，曹學鵬聚焦液壓串聯(lián)柔性執(zhí)行元件及應用研究，這一年的科研探索之旅，不僅為他帶來了在專業(yè)上與國際大咖切磋的機會，更使他體驗了不同思維模式的碰撞。

曹學鵬訪學芬蘭坦佩雷理工大學

事實上，曹學鵬近年來已在該領域收獲了一系列成果。他先后承擔國家“863計劃”、國家自然科學基金，陜西省重點研發(fā)計劃項目、陜西省自然科學基金及企業(yè)課題十余項；其間，發(fā)表學術論文40余篇，其中《科學引文索引》和《工程索引》（SCI/EI）檢索10多篇；獲國家專利60多項，其中授權(quán)發(fā)明專利12項。同時，他也獲得了很多榮譽：被列入江蘇省“企業(yè)博士集聚計劃”博士后人才計劃；獲得長安大學優(yōu)秀畢業(yè)設計指導教師、全國大學生機械創(chuàng)新設計大賽陜西賽區(qū)優(yōu)秀指導教師等榮譽稱號；他指導的本科生榮獲第八屆全國大學生機械創(chuàng)新設計大賽國家二等獎，陜西省第八、第九兩屆“機創(chuàng)”賽一等獎2項。

如今，曹學鵬還擔任工程機械學會液壓技術分會秘書、《機電液工程學報》（

International Journal of Hydromechatronics

）期刊青年編委等社會職務，從多個角度為行業(yè)發(fā)展貢獻力量。在聚焦研究領域深度的同時，他也不斷拓寬自己所熱愛的這份事業(yè)的寬度和廣度，做好其在相關行業(yè)的應用，回饋社會。

挺進高空

我國交通運輸事業(yè)在過去的幾十年實現(xiàn)了跨越式的發(fā)展。從基礎設施薄弱，到如今建成了世界一流的現(xiàn)代化交通運輸基礎設施；從學習國外技術，到如今我國自主創(chuàng)新技術應用的交通工程屢獲大獎……隨著交通運輸事業(yè)發(fā)展，人們的日常生產(chǎn)生活也發(fā)生了翻天覆地的變化。而在交通設施的養(yǎng)護過程中，高空作業(yè)車的技術水平和應用便捷性十分關鍵。此前，大高度混合高空作業(yè)車領域長期被歐美發(fā)達國家所壟斷。

“高空作業(yè)車屬于載人作業(yè)設備，而工作臺調(diào)平技術是其一項關鍵技術，直接關乎到操作人員的安全。國內(nèi)20米以下的工作臺采用機械或純液壓式調(diào)平，雖然平穩(wěn)性好、可靠性高，但快速響應性差、調(diào)平精度低，難以滿足混合臂高空作業(yè)車在大空間作業(yè)時的調(diào)平要求。而大高度消防車采用的電液伺服調(diào)平方法，具有控制精度高、動態(tài)反應快等優(yōu)點，但元件制造精度高、造價昂貴、對油液敏感且維護費用高，所以也不適合?！辈軐W鵬介紹。

2011年至2014年，曹學鵬在徐州工程機械集團有限公司博士后工作站工作時，以江蘇省“企業(yè)博士集聚計劃”博士后人才計劃為依托，聯(lián)合徐工集團開展了大高度混合臂架高空作業(yè)車電液控制系統(tǒng)及自動調(diào)平研究。此舉旨在攻克電液控制系統(tǒng)及自動調(diào)平等方面的“卡脖子”關鍵技術，提升國內(nèi)高空作業(yè)車的作業(yè)空間和靈活性，搶占國內(nèi)大高度高空作業(yè)車發(fā)展的制高點，進而滿足高空燈具安裝和清洗、高空消防、風電裝置維護、石油管道檢修等更大高度范圍內(nèi)應用需求。

項目中，曹學鵬和團隊針對該型高空作業(yè)車要求調(diào)平輸出角大、快速響應性高、調(diào)平精度和穩(wěn)定性好等技術難題，經(jīng)過兩年多的技術攻關，提出了采用電液比例控制的主從復合雙級自動調(diào)平方法和基于臂架約束的自動調(diào)平系統(tǒng)及控制方法等關鍵技術，解決了雙級伸縮帶飛臂的混合臂高空作業(yè)車中調(diào)平油缸輸出擺動角度受限制的問題，實現(xiàn)工作臂變幅角在260°的大空間范圍內(nèi)工作臺的調(diào)平功能，并且通過電液比例調(diào)平方式有效提高了調(diào)平系統(tǒng)的快速響應性和調(diào)平精度。

基于相關技術方法，曹學鵬及其團隊成功研制了大高度混合臂高空作業(yè)車，與國外同類型性能接近的高空作業(yè)車相比，成本降低一半以上，具有良好的社會經(jīng)濟效益。而曹學鵬自己也在這個項目中尋求了一次科研思路的轉(zhuǎn)變，化被動為主動；實現(xiàn)了一次過渡和升華——從之前的偏理論研究，到理論和實踐相結(jié)合。

扎根深海

深海蘊藏著人類社會可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略資源，如多金屬結(jié)核礦、深海鈣磷土、油氣資源、可燃冰等。這些深海資源的開發(fā)離不開現(xiàn)代化的水下作業(yè)裝備，如海上采礦設備、深水鉆探設備、海底采油裝置、各種載人和非載人潛水器、水下作業(yè)及維護設備等。以液體為介質(zhì)（主要是礦物油和水）的液壓傳動由于其獨特的優(yōu)勢，在深海裝備上得到廣泛的應用，液壓動力源是核心部件。然而，已有的陸用液壓元件設計方法難以適應于深海特殊工況。于是，2016年至2018年，曹學鵬主持的國家自然科學基金青年科學基金項目就將觸角深入這一領域。他和團隊開展變深環(huán)境對大深度油壓源動態(tài)特性的作用機制及遷移規(guī)律研究，預測變深環(huán)境下大深度油壓源的工作性能，為環(huán)境適應性深海液壓源的研制打下基礎。

深海液壓裝備實驗現(xiàn)場

由于深海環(huán)境極端多變，密度、黏度、體積彈性模量等液壓介質(zhì)的理化性會發(fā)生極大的改變?！叭缟詈?000米，當液壓系統(tǒng)工作壓力為21MPa時，在低溫、高壓的環(huán)境作用下，液壓介質(zhì)的黏度增加大約18倍，壓縮量達3.6%左右?！辈軐W鵬介紹，液體黏度增加輕則導致液體流動過程的摩擦損耗增加，工作效率下降，嚴重則造成液壓源吸油不暢，甚至無法正常工作。為此，在項目中，他深入研究了深海環(huán)境作用下液壓介質(zhì)的黏度、壓縮性、密度等物理參數(shù)的動態(tài)變化規(guī)律，并形成相關研究成果，在《潤滑與密封》期刊上發(fā)表了3篇系列論文，為深海液壓介質(zhì)的擇選、特性預測打下基礎。

而后，曹學鵬又基于介質(zhì)變黏-彈特征研究油液介質(zhì)特性改變對油壓源系統(tǒng)內(nèi)部特性的影響規(guī)律，以及變參數(shù)建模方法和流體控制理論構(gòu)建油壓源系統(tǒng)的流量控制和壓力調(diào)節(jié)的線性變參數(shù)模型，完成了液壓泵壓力、流量控制性能研究。這些成果先后在國內(nèi)外高水平期刊上發(fā)表SCI/EI檢索論文3篇。通過理論分析和實驗測試，他揭示出變深下油壓源動特性遷移規(guī)律，為深水工況下液壓泵的性能分析、適應性液壓泵的研制及工作水深的性能預測奠定理論基礎。除了理論研究外，曹學鵬還在這個項目中開展了極具工程應用價值的研究工作，并申請了5項專利。

“在深海低溫、壓力的復合作用下，造成相配合的摩擦副的結(jié)構(gòu)形變。以液壓泵為例，油壓元件正常工作時摩擦副的間隙變化在20～50μm之間，一旦結(jié)構(gòu)變形超過該量級，必然造成精密配合的形變失調(diào)，短時間內(nèi)將導致很大的磨損，使得摩擦副的流場特性（壓力場、速度場、溫度場等）、液體流態(tài)發(fā)生很大改變，液壓泵的效率、扭矩、溫升以及控制閥的動靜態(tài)流量壓力特性發(fā)生改變，元件的振動和噪聲發(fā)生變化，極大地縮短液壓元件的使用壽命?！辈軐W鵬介紹，針對這些問題，他和團隊開展了深海工況下柱塞泵滑靴副、柱塞副、配油盤副3對關鍵摩擦副的潤滑特性分析?！拔覀儾捎糜嬎懔黧w動力學（CFD）方法建立各自的流體動力潤滑模型，分析了不同水深下3對摩擦副的油膜厚度、壓力場分布、摩擦力、泄漏量等潤滑特性變化規(guī)律，并提出了相應的適應性潤滑副設計方法?！表椖砍晒粌H為深海液壓泵的研制和性能預測等提供了一種較為系統(tǒng)的理論分析模型和性能分析方法，還為深海適應性液壓泵的研制提供了有益的指導。

擁抱團隊

采訪中，曹學鵬經(jīng)常提及他所在的團隊。他說，他所有的榮耀都與這個戰(zhàn)斗力極強的創(chuàng)新團隊密切相關。

這是一個由3名教授、5名副教授和4名中級職稱教師組成的機電液一體化科研團隊，依托于公路養(yǎng)護裝備國家工程實驗室研究平臺和長安大學工程機械學院機電液一體化研究所，是學校重要的科研創(chuàng)新團隊之一。其主要研究方向包括：流體動力與機電系統(tǒng)及應用、特殊環(huán)境下機電液融合理論及工程應用，以及具有環(huán)境感知的機器智能作業(yè)及加工技術。

路燈清潔裝置及研究團隊

“這個學科有交叉融合的優(yōu)勢，也有它的難點。這就要求我們把每個學科的頂尖人才聚在一起，這樣大家才能有針對性地把整個系統(tǒng)做好，做成一件大事?！辈軐W鵬介紹。近5年，團隊科研經(jīng)費總額超過1000萬元，發(fā)表學術論文近100篇，獲得國家專利120多項。而隨著團隊主要成員紛紛入選陜西省綠色智能公路養(yǎng)護裝備創(chuàng)新團隊、機械電子工程專業(yè)陜西省教學團隊等，該團隊已成為陜西省一支十分重要的科研創(chuàng)新團隊。此外，團隊成員還承擔了國家科技支撐計劃、“863計劃”、國家自然科學基金、陜西省重點研發(fā)計劃等項目/課題20余項，并承擔了多項企業(yè)橫向課題。

“我們旨在建設具有國內(nèi)先進水平的機電液一體化工程研究基地，為國家培養(yǎng)具有過硬專業(yè)素養(yǎng)和科研實力的機電工程領域高端人才，服務于我國制造企業(yè)轉(zhuǎn)型升級與國家地方經(jīng)濟發(fā)展?！辈軐W鵬信心滿懷地表示，這個目標正在逐步實現(xiàn)。而未來，他和團隊將繼續(xù)秉承初心，為實現(xiàn)從“中國制造”到“中國智造”加油助力！