科研―競賽融合賦能機械類研究生創(chuàng)新實踐培養(yǎng)

伊 鵬，田興輝，李福來

（中國石油大學(xué)（華東） 山東 青島 266580）

研究生是我國高層次人才培養(yǎng)的重要來源[1]，2009 年教育部推出了“全日制專業(yè)型碩士”的研究生培養(yǎng)新模式[2]。與學(xué)術(shù)型碩士相比，專業(yè)學(xué)位碩士研究生直接面向社會經(jīng)濟建設(shè)，具有較強的職業(yè)性與專業(yè)性[3]。近年來，專業(yè)學(xué)位碩士研究生招生規(guī)模逐漸擴大，如何增強研究生的學(xué)術(shù)素養(yǎng)以及科研創(chuàng)新能力，提高專業(yè)學(xué)位碩士研究生的培養(yǎng)質(zhì)量，以滿足經(jīng)濟發(fā)展的需求，已成為學(xué)術(shù)界廣泛討論和研究的課題。

由于機械學(xué)科的學(xué)科交叉和通用性，機械類科研背景在理工類科研項目和工程相關(guān)行業(yè)等方面均發(fā)揮著較強的基礎(chǔ)學(xué)科作用，提高機械類研究生的創(chuàng)新實踐能力，是推動中國制造、提升我國裝備研發(fā)和制造業(yè)水平的重要舉措[4]。在專業(yè)碩士的培養(yǎng)上應(yīng)更加注重其技術(shù)攻關(guān)能力和科研創(chuàng)新能力的提高，將科學(xué)研究成果與科技創(chuàng)新能力轉(zhuǎn)化為實際生產(chǎn)力[5]。產(chǎn)教融合是解決高等院校人才培養(yǎng)與產(chǎn)業(yè)需求脫節(jié)問題的有效途徑。2020 年，教育部指出，要強化產(chǎn)教融合育人機制，加強專業(yè)學(xué)位研究生實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[6]，將科研課題融入研究生教學(xué)培養(yǎng)過程，拓展研究方向，同時與學(xué)科競賽相融合，充分發(fā)揮學(xué)科競賽的引導(dǎo)作用，實現(xiàn)理論與實踐相結(jié)合[7]，提高研究生的創(chuàng)新實踐能力，構(gòu)建高素質(zhì)、應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式和方法。

科研活動和實踐是專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)的主要載體，將科研課題、創(chuàng)新成果、學(xué)科競賽、實踐應(yīng)用進行有機融合，是提升研究生培養(yǎng)質(zhì)量的重要探索[8]，因此本文以具體的科研課題為導(dǎo)入、以創(chuàng)新成果參與學(xué)科競賽為提升，探索科研―競賽融合賦能的創(chuàng)新實踐培養(yǎng)方法及其路徑。依托油氣裝備行業(yè)背景，將中石化勝利油田科研項目與中國研究生能源裝備創(chuàng)新大賽相融合，實現(xiàn)科研活動和研究生培養(yǎng)在時間和空間上的有效互動，促進研究生將理論知識和實驗室成果轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用，能夠激發(fā)學(xué)生科研創(chuàng)新的內(nèi)驅(qū)動力，推動研究生實踐創(chuàng)新能力的提升，切實提高機械類碩士研究生培養(yǎng)質(zhì)量，推動機械工程專業(yè)高質(zhì)量創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標(biāo)的實現(xiàn)。

1 科研課題―學(xué)科競賽融合方法

1.1 陀螺穩(wěn)態(tài)鉆具研發(fā)

鉆井作業(yè)中鉆頭會受到?jīng)_擊和振動，嚴(yán)重影響鉆井效率、增加鉆井成本，項目組依托中石化勝利油田科研課題，提出利用陀螺自穩(wěn)原理，開發(fā)陀螺穩(wěn)態(tài)鉆井工具，對鉆井振動進行主動抑制。首先建立鉆具的三維模型；然后對關(guān)鍵部件進行強度校核、仿真分析，并對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，對鉆具整體進行了減振性能分析；對陀螺鉆具的磁力耦合裝置進行性能實驗，對實際工況進行模擬；最后通過現(xiàn)場應(yīng)用實驗對性能進行分析。

陀螺穩(wěn)態(tài)鉆井工具以鉆井液為動力，使用渦輪組進行驅(qū)動，磁力耦合器傳動，保證傳動過程平穩(wěn)不打滑，使陀螺機構(gòu)高速旋轉(zhuǎn)。利用陀螺旋轉(zhuǎn)的自穩(wěn)性，對鉆井過程中產(chǎn)生的振動進行抑制，穩(wěn)定鉆頭受到的擺動。

1.1.1 陀螺結(jié)構(gòu)及磁力耦合分析

陀螺機構(gòu)的形狀、制作陀螺的材料性質(zhì)，以及陀螺的轉(zhuǎn)速等因素，對陀螺的穩(wěn)定性都有著重要的影響。因此需要分別對陀螺機構(gòu)的材料密度以及陀螺形狀進行仿真分析，探究不同的材料密度以及錐形陀螺和柱形陀螺兩種陀螺形狀對整體的影響，通過仿真分析得出密度大的陀螺在減振作用上優(yōu)勢明顯，柱形陀螺機構(gòu)具有更優(yōu)的抗沖擊穩(wěn)定性能。

在對磁力耦合器參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計的過程中，需要根據(jù)傳動系統(tǒng)對磁力耦合器的要求，提出磁力耦合器的性能指標(biāo)，選擇磁力耦合器的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)、配合參數(shù)和材料參數(shù)，從而對磁力耦合器進行仿真分析實驗。以磁力耦合器轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)差方程式為基礎(chǔ)，獲取不同參數(shù)條件下磁力耦合器的機械特性曲線，分析這些參數(shù)對其性能指標(biāo)的影響，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩隨銅環(huán)厚度增大，先增大后減小，取最大值2.5mm；轉(zhuǎn)矩隨著氣隙增大而減小，但由于結(jié)構(gòu)限制，取能夠取到的最小值8mm；轉(zhuǎn)矩隨內(nèi)徑的增大而減小，但過小的永磁體內(nèi)徑會導(dǎo)致固定永磁體的內(nèi)軸強度不足，故取13mm，最終完成銅環(huán)厚度、氣隙、永磁體內(nèi)徑這幾個關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化過程。

1.1.2 渦輪結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化

渦輪副是由渦輪定子和渦輪轉(zhuǎn)子組成，動力液通過渦輪內(nèi)部，帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生軸上的扭矩以驅(qū)動整個裝置。

渦輪定、轉(zhuǎn)子葉片進出口液流角是渦輪性能的重要影響因素，液流角的設(shè)計非單個因素可以確定，與多個變量之間都有關(guān)系。軸向速度系數(shù)、沖擊度系數(shù)ma 和環(huán)流系數(shù)三個無因次系數(shù)是影響渦輪葉片結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)。通過對這三個系數(shù)的確定，就可以相應(yīng)得出渦輪葉片的出入口液流角。

通過對葉片基本參數(shù)設(shè)計的計算，得出葉片的五次多項式曲線方程，進行MATLAB 計算以及配合CAD 軟件完成對葉片型線的繪制。根據(jù)以上對渦輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)的詳細(xì)計算，以及Fluent 流場分析結(jié)果，對渦輪線型進行優(yōu)化，最后使用SolidWorks 繪制渦輪三維模型。

1.1.3 陀螺穩(wěn)態(tài)工具減振性能分析

對陀螺的動力學(xué)模型進行簡化，由實際方案的結(jié)構(gòu)出發(fā)，建立邊界條件，在陀螺鉆具外軸上施加轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)速達到2000rpm，并且對外殼底部施加大小為2T 水平方向的沖擊力，在陀螺機構(gòu)旋轉(zhuǎn)和靜止的兩種狀態(tài)下，分別進行沖擊下的動力學(xué)分析。鉆具底部受到水平?jīng)_擊力，陀螺不轉(zhuǎn)時位移幅度較大，且穩(wěn)定所需時間較長。陀螺旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，位移變化曲線峰值明顯減小，穩(wěn)定速度明顯加快。因此，陀螺的旋轉(zhuǎn)對鉆具的振動抑制效果明顯，減震幅值很快達到40%以上。

1.2 現(xiàn)場應(yīng)用試驗測試

對陀螺穩(wěn)態(tài)鉆井工具進行現(xiàn)場鉆井應(yīng)用性能實驗。其中，鉆進井段為352m―2677m，井斜為0°―15.9°；鉆具組合為215.9mm鉆頭、172mm1.25°單彎動力鉆具、172mm陀螺穩(wěn)態(tài)鉆井工具158.8mm 無磁鉆鋌1 根、MWD+158.8mm鉆鋌2根、127mm加重鉆桿30根以及127mm鉆桿。實驗過程中連續(xù)入井2 次，總進尺2325m，循環(huán)鉆進共計148.5h，機械鉆速17.15m/h。

在使用陀螺穩(wěn)態(tài)鉆井工具鉆井后，為了探究陀螺穩(wěn)態(tài)鉆具在鉆井過程中對振動的抑制效果，于是在下趟鉆中不使用陀螺穩(wěn)態(tài)鉆井工具，僅帶172mm 測量短節(jié)，除此之外鉆具組合不做變動，鉆井深度為2677m―2881m。分別讀取使用陀螺穩(wěn)態(tài)鉆井工具和不使用陀螺穩(wěn)態(tài)鉆井工具時的測量短節(jié)數(shù)據(jù)并進行對比，表明使用該工具后徑向振動平均值減小了42.2%，表明陀螺的旋轉(zhuǎn)對鉆具的振動具有明顯的抑制作用。

1.3 參加高水平學(xué)科競賽

學(xué)科競賽在研究生的培養(yǎng)過程中發(fā)揮著舉足輕重的作用，以該項目為依托，筆者項目組參加了“車谷杯”第九屆中國研究生能源裝備創(chuàng)新設(shè)計大賽，并獲國家級三等獎。該競賽于2014 年由中國石油大學(xué)（華東）發(fā)起設(shè)立，是裝備行業(yè)廣泛認(rèn)可的國家級、高層次重要賽事。賽事圍繞能源裝備的技術(shù)創(chuàng)新，打造研究生創(chuàng)新交流實踐平臺，滿足國家機械裝備制造業(yè)對高層次人才的需求，促進國家能源裝備業(yè)創(chuàng)新發(fā)展。因此，對于參加該競賽并獲得國家級獎勵的科技作品而言，具備較強的創(chuàng)新性是必不可少的條件之一。

參賽作品想要從眾多參賽作品中脫穎而出，除了要具備較強的創(chuàng)新性外還要將作品內(nèi)容進行整合與理論升華，于是撰寫一份具有較高質(zhì)量的作品報告書是非常有必要的，這個環(huán)節(jié)能夠很好地培養(yǎng)以及提高參賽研究生的論文撰寫水平。參賽研究生還需要進行答辯，這就要求項目組內(nèi)研究生按照主辦方要求準(zhǔn)備相應(yīng)答辯材料，能夠在規(guī)定時間內(nèi)簡明扼要地介紹參賽作品的內(nèi)容，并且闡明參賽作品的可行性、實用性和創(chuàng)新性等亮點。

此外，參加高水平學(xué)科競賽可以拓寬研究生視野，增加其知識儲備，打破固有思維[9]，使研究生了解學(xué)科前沿現(xiàn)狀從而明確自身定位，增強對于科技創(chuàng)新的熱情，提高科研素養(yǎng)，為研究生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)打下堅實的基礎(chǔ)。

2 結(jié)語

實踐表明，科研課題與高水平學(xué)科競賽相結(jié)合的研究生培養(yǎng)方式對專業(yè)學(xué)位碩士研究生的培養(yǎng)具有重大的意義。本項目組機械工程專業(yè)碩士研究生的科研課題―學(xué)科競賽相融合的培養(yǎng)過程包括機械設(shè)計、三維建模、仿真分析等一系列內(nèi)容，涵蓋機械、計算機、自動化等各個方面，并且需要撰寫科研論文、準(zhǔn)備比賽資料以及順利通過答辯，要求研究生除了要掌握相關(guān)內(nèi)容的基礎(chǔ)理論知識外，還要具備團隊協(xié)作能力、實踐設(shè)計能力、口頭表達能力、邏輯思辨能力以及學(xué)術(shù)交流能力。在形成個人成果的同時，其科研能力也得到了提升，現(xiàn)場經(jīng)驗變得豐富、理論知識得到了實踐，推動其科技創(chuàng)新意識的形成，對于研究生的科研創(chuàng)新能力以及整體素質(zhì)是一個極大的提高。

由此可見，科研課題―學(xué)科競賽融合賦能的培養(yǎng)方式，能夠完成對機械工程專業(yè)碩士研究生整體素質(zhì)以及科技創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和提升。依托科研課題―學(xué)科競賽融合賦能的培養(yǎng)方式開展專業(yè)學(xué)位碩士研究生人才培養(yǎng)，可以使高校充分發(fā)揮科研過程的導(dǎo)向作用，使得科研和研究生培養(yǎng)過程相互促進，提高研究生的創(chuàng)新實踐能力，從而培養(yǎng)出社會緊缺的高層次創(chuàng)新型專業(yè)人才，滿足新時代社會經(jīng)濟發(fā)展對高層次人才的需要。