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媒体南航丨《新华日报》专访我校周瑾教授、赵万忠教授

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2021,是南航人奋勇前进的一年,是令人充满期许的一年,2021是中国航天大年,载人航天、重型火箭研制、火星探测进展...南航人的声音随处可听,南航人逐梦空天的身影随处可见。接下来,让我们一起走进【媒体南航】,一起记录南航人的点滴故事,感受南航人“志在长空,与国同行”坚定信仰的力量,领略南航人“锐意进取,砥砺前行”的卓越风采。

媒体同期声

《新华日报》专访我校周瑾教授、赵万忠教授

编者按:《新华日报》科技周刊星光版以《江苏青年科研人,跑出创新“加速度”》为题,以近整版的篇幅报道我校周瑾教授、赵万忠教授在磁悬浮领域和线控底盘领域,解锁“中国制造”关键技术的科研事迹。

解锁“中国制造”关键技术的新支点 ——

01

江苏青年科研人, 跑出创新“加速度”

时速600公里的磁悬浮列车、无人驾驶汽车……这些最具速度感、未来感的前沿科技,背后需要强大的制造业实力。在日新月异的中国,“中国制造”正以全新的姿态展示于世界舞台,但在先进制造领域的一些关键领域还亟待追赶。

近日,《科技周刊》记者走访了两位优秀的青年科技工作者,他们的工作与磁悬浮、无人驾驶息息相关,却少为人知。对他们而言,再“炫”的科技也要向下扎根、做“实”产业,瞄准“卡脖子”问题,青年科研人正在新一轮的全球创新竞赛中跑出青春“加速度”,闯出生机勃勃的产业新天地。

02

关节“可控”,她让高端装备转出高速度

跟飞机赛跑的磁悬浮列车,正不断刷新世界时速。其实,伴随着人类的速度和梦想,磁悬浮技术已有了百年历史,除了列车以外的另一项高科技应用——磁悬浮轴承,在国外历经40年产业化发展,广泛用于能源、流体机械、武器装备等领城。

在机械装备中,轴承体积虽小却是重要零部件,被称为机械产品的“关节”,决定着重大装备和主机产品的性能、质量和可靠性。磁悬浮轴承是划时代的革命产品。

“从自行车、汽车,到发电机、汽轮机,但凡是有转动的机械部件都需要轴承。” 国际磁悬浮委员会会士、南京航空航天大学机电学院教授周瑾专注磁悬浮智能机电装备20年,她为记者科普道,传统的轴承包括滚动轴承和滑动轴承,比如自行车车轮和轴之间的滚珠,就是一个简易的轴承,降低了摩擦阻力,让自行车动了起来。

传统轴承,由于存在机械摩擦,能达到每分钟上万转速已经比较高速。周瑾告诉记者,磁悬浮轴承依靠的是磁力,将转子“悬浮”在设定位置,无机械接触、无摩擦、免润滑,“理论上可达到每分钟上百万的转速,效率大大提高,节能、环保,振动噪声小。”

周瑾举例,比如医院CT设备里的电机,用的是几万块一个的普通轴承,磨损频繁,几年就要“大卸八块”地更换一次,如果用磁悬浮轴承免维护寿命可以超过20年。再比如制作芯片的光刻机,保证制造精度不超几个纳米,“如果是普通支承,周边环境稍有振动,就会影响其工作精度,采用智能可控的磁悬浮技术既可提供支承又可主动隔振。”

高端磁悬浮轴承重要性可见一斑,但长期依赖进口。周瑾说,自己是机缘巧合进入团队,扎根在这个领域,不仅是觉得工作很有挑战,更重要的是与国计民生密切相关,“不仅是南航,国内好几所高校都在代代传承做相关研究。”

周瑾告诉记者,时至今日,国内磁悬浮轴承产业化也是刚起步,产品种类很少,周瑾说,在鼓风机、制冷压缩机等方面有一些产品,“这两年一些家电行业纷纷探索应用于空调的磁悬浮压缩机,节能降耗在20%以上,振动和噪声也明显减小。”但是,目前在燃气轮机、膨胀机、化工压缩机方面的磁悬浮产业化产品还非常少,仍然受制于欧美国家的禁运制约。

专注于企业的卡脖子技术,是周瑾团队的攻关方向。周瑾记得,她在团队参与的一个成果转化项目,也恰逢国家对企业能效提出新要求,与一家企业合作制造污水处理厂用的曝气鼓风机,“鼓风机24小时运行,能耗很大,我们利用主动式磁悬浮轴承系统,对鼓风机进行无接触、无磨损的悬浮支承。”周瑾说,这个磁悬浮产业化应用也是首次用自主知识产权打破了国际垄断,第一次成功打开国内市场。“确实很艰难,当时企业也是下定决心,足足七八年才实现盈利,但一旦成功后,国外就开始降价了,很多厂家跟进后,降价就更厉害了。”

“见证了这个案例后,我更加坚定,市场和科研是相互促进的。”周瑾表示,一个高端产品,当只有实验室原理样机时,是不会被工业界认可的。市场规模越大,技术认可度才越高,高校科研也就会发现应用基础研究的更多关键科学问题。

多年来,周瑾团队发力高端装备,攻关磁悬浮轴承、磁悬浮电机的多项产品, “轴承必须要与装备集成匹配,满足装备不同性能、工况的需求,牵涉机械、控制、动力学、电机、电磁学等综合知识。”

“我们在做不同类型产品时,发现工况变化后,设备会出现一系列问题是实验室研究所没有预料到的,这都是自主创新中必须蹚过的坑。”周瑾告诉记者,在与企业的一个项目合作中,她发现了一个比较新奇的现象,当零部件之间的接触界面状态发生轻微改变,其振动就会发生有和无的变化,这实际上也是一个普遍存在的工程困扰,“相同零部件前后两次装配状态存在差异,就好比航空发动机一次装备成功率只有50%,这背后一定有基础科学原理,不摸索这个基本规律,就无法形成可靠产品。”

如今,周瑾团队的系列化产品已广泛应用于西气东输、污水处理、石油化工等多个工业领域,130多个国内外龙头企业,产生了很大的经济效益和社会效益。

“很多人说我一路还是很顺的,其实自己才知道,失败的次数远比成功的次数多,很多申请书、指南都是石沉大海。”周瑾经常用自己的经历勉励学生,做科研和产业化,要注重过程,很多结果都不是自己所能掌控的,付出不见得有预期结果,但所经历的过程都不会白费,“作为科研者的幸福,不是得到多少,而体现在为社会贡献的价值。”周瑾笑道,如果压缩机、膨胀机等所有行业都能用上磁悬浮轴承,那可以节省好几个三峡大坝的发电量呢!

“令人高兴的是,近两年来,我国很多企业都开始意识到卡脖子问题,在高端轴承方面,我们必须有自主的国内供应商。现在几乎每周都有企业来跟我们沟通,有的企业需求还相当迫切。”周瑾说,她明显感觉到国内企业自立自主意识的增强,“要推动这项技术的发展,市场还有巨大的工作等待我们科技工作者去奋斗。”

03

换道超车,他为商用车装上智能“四肢”

无人驾驶市场是未来汽车发展趋势,如今已成为国内外群雄争霸的新战场。无人驾驶要落地,汽车的线控底盘是前提,也是无人驾驶的三大关键技术之一。

南京航空航天大学能源与动力学院副院长赵万忠教授专注线控底盘研究多年,他告诉记者,进入无人驾驶时代,首先要实现汽车电气化,给汽车装上没有机械连接的线控系统。“线控系统不同于传统的机械或液压驱动系统,它是将驾驶员的各项指令转化成电气信号来控制车辆状态。”换句话说,线控系统就像是智能车的“小脑”和遍布全身的“神经网络”,参与和调整车辆的整个运动控制过程。线控技术的成熟度,直接影响着自动驾驶的最终落地。

从博士生涯开始,赵万忠就在轿车线控底盘研究领域默默积淀,这源于他从小的汽车梦。

1982年出生的他,读书时经常在颠簸石子路上骑几十里自行车到学校,爆胎是隔三差五的“家常便饭”,但是当时的民用汽车还完全依赖进口,让民族汽车在全球跑起来,在他心中种下了种子。

到南航工作后,在坚持线控底盘研究方向的同时,他果断将自己的研究重心从家用轿车转向商用车,这也是他经过市场调查后的果断决定。

“我们发现,中国汽车工业的盘子很大,而商用车具有生产资料属性,伴随国家经济发展需求很大。”赵万忠告诉记者,根据测算,到2025年,装配智能化底盘部件的商用车占比将达30%,市场规模超过1200亿元。尤为重要的是,商用车由于体积、吨位较大,目前国内外都缺乏线控底盘技术的研究和产业化,但最可能在第一阶段实现无人驾驶的恰恰是商用车,“比如说矿用车和港口车辆,行驶路线相对固定,参与实际生产作业近在眼前。”赵万忠表示,研究重心的转向,是为了满足商用车现有的线控改装需求和未来全新的平台架构升级,为民族汽车填补空白,实现“换道超车”。

在赵万忠看来,要实现“换道超车”,首先不能“闭门造车”,“否则不知道自己的研究意义到底有多大”。因此,从开始工作起,赵万忠坚持去企业做博士后,如今他更与学生一起走出校园,探索成果转化和科技创业的道路。他认为,只有真正了解企业和市场的需求,将研究成果及时推广应用并反馈成效,才能让科研成果更有含金量。

33岁时,赵万忠就破格获评了教授,他觉得这与企业的密切合作分不开,“确实有校企合作难的说法,如果单纯是想将实验室产品卖个好价钱,那可能磨合困难;但如果设身处地,给企业解决问题,合作起来又是比较简单的。”赵万忠说,设身处地为企业想办法,不仅使产品立足国内外市场前沿,而且能让企业迅速挖掘产品价值并真正应用起来。

比如团队最新研发的成果——新型电液复合转向系统,将传统商用车的液压助力系统改造为合成系统,“合成系统同时包含液压系统和电动系统,可以在两种模式中进行切换。在转向助力需求较小时,车辆采用电动模式,可大幅降低转向能耗,总体能耗降低50%左右;同时这套系统具有响应快、精度高等优点,可满足未来无人驾驶的需求,填补现有商用车线控转向技术的空白。”

如今,赵万忠团队开发的电动转向、主动转向、电液智能转向等系列成果,已经打破了国外技术垄断,在一汽、宇通、金龙等主流主机厂得到推广应用,助推多家零部件企业成功上市,取得了显著的经济和社会效益。团队申请和授权发明专利200余项,PCT国际专利19项,入选首批高价值专利组合,积极推动成果落地,产生直接和间接经济效益数十亿元。

为了更快实现线控底盘的推广应用,2018年3月,赵万忠与学生在南京“两落地一融合”的政策东风下,共建了天航智能装备研究院,至今已整三年。

赵万忠主动把超过50%的股权让给了学生,让负责“天航”日常工作的“大管家”博士生栾众楷获得了市政府高层次人才“百万安家红包”,解决了在南京持续工作的后顾之忧。“成果转化的过程很长,从技术到产品,包括制造、工艺、财务、管理等各项工作。”赵万忠说,产业化之路虽然很难,但团队也成长很快,大家有信心,有雄心,正一步步实现民族汽车的强国梦。

“智能化”的线控底盘就像车辆强壮的“四肢”,让车跑得更快更远更精准。“天航智能”团队培育的“智能商用车线控底盘”项目,历经数百次设计方案的迭代,突破了商用车电液线控底盘技术瓶颈,成功研制出线控底盘核心控制器等产品,引领了中国自主品牌的汽车底盘智能化发展。产品得到了中国机械工业联合会,以及著名车辆专家孙逢春院士等多位专家的高度评价,也在厦门金龙、宇通客车、奇瑞商用车等龙头企业得到应用,销售额达到4000余万元。

传承精神,追求卓越

航空报国,砥砺前行

南航和南航人的故事还在继续

我们将继续逐梦前行

谱写未来新的篇章

-END-

素材来源:南京航空航天大学官网

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