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杨华勇:用电液技术推动工程机械 创新发展的新科院士(下)
发布时间:2016-02-24        浏览次数:675        返回列表

 杨华勇:用电液技术推动工程机械 创新发展的新科院士(下)

 

 

 

破解“三失”难题

 

  实现盾构机的“中国制造

  本月10日上午,习近平总书记到中国最大、全球第二的盾构机研发和制造基地--中铁装备制造有限公司视察。期间,他提出装备制造业是一个国家制造业的脊梁,要推动中国制造向中国创造转变、中国速度向中国质量转变、中国产品向中国品牌转变。盾构机再度引起社会关注,但外界却少有人知,推动中国盾构事业创新发展的关键人物之一就是杨华勇教授。

  盾构机是集机械、电气、液压、信息、控制等技术于一体的大型隧道掘进高端装备。在护盾钢筒结构的掩护下,盾构能够连续同步实现切削、排碴、衬砌等隧道一体化掘进作业,具有安全、高效和快速的优点,从而彻底改变高风险、高强度、低效率的传统人工开挖作业方式,主要运用于城市地铁、公路、铁路、市政、矿山、水利以及国防等重大工程项目。近年来,中国盾构的需求量占全球市场近半,但十年前,我国盾构领域基本是“洋盾构”的天下,且关键技术长期被德美日等国垄断,盾构装备产品价格昂贵,而且还经常发生多种工程和装备事故与故障,时常造成人员伤亡、装备损坏与工程延期等问题。

 

杨华勇指导盾构电液控制系统综合实验平台建设

  杨华勇于1998年进入盾构研发领域。他与他的“全断面大型掘进装备关键技术”创新团队,在国家自然基金、863计划、973计划的支持下,与中铁隧道装备制造有限公司等企业进行了长期稳定的产学研合作,历时十多年最终实现了盾构的中国自主设计制造这一“中国梦”。

闲来麻将  如何打破“洋盾构”在我国市场的垄断?创新是关键。“之前在盾构掘进过程中, 80%的事故是由一直没有得到根本解决的国际三大技术难题所引起的,即界面失稳引起的地面坍塌、载荷突变造成的装备失效以及方向失准导致的隧道掘进偏离设计轴线等。”杨华勇说:“因此攻克‘三失’是盾构技术进步的关键”。

  杨华勇认为,要想从根本上解决“三失”,就需要自主研发独立的电液驱动、推进和控制系统,而 “电液与控制系统是盾构的‘心脏’,也是国外技术封锁最严密的部分,杨华勇带领他的团队与企业的技术人员一道经过七年的研究,找到前方地面的失稳主要是由于盾构密封舱内控制压力不能与舱外随时变化的水土压力保持始终平衡所引起的。

  “我考虑如果能够建立一个压力分布数学模型,通过压力检测与压力参数解耦、准确计算出密封舱的整体压力分布,同时进行多系统协调控制,精确控制进出土量,这样就可以使密封舱内的压力更为精确地与舱外的水土压力相平衡。” 杨华勇说。

  为了进一步实现对进出土量的精确控制,杨华勇还发明了密封舱压力动态平衡控制系统,并主持研制出进出土控制系统,通过单元系统与施工技术的结合,有效地避免了施工掘进围堰地面的坍塌或隆起。

  接着杨华勇又针对掘进中突变载荷对盾构动力系统所带来的冲击导致关键部件失效损坏这一难题,首次提出盾构掘进系统载荷顺应性设计方法,主持研制推进及驱动等子系统,使掘进过程中的突变载荷对装备的冲击减少了30%以上,有效地保护了关键部件,减少了盾构的停工换件时间,提高了施工的速度和效率。

  盾构是一种大型的工程机械成套装备,若掘进方向稍微有所偏差,就有可能使一公里长的隧道“差之数米”。在国外,盾构纠偏的普遍做法是事后纠偏。但由于盾构体积较大,惯量也比较大,事后纠偏会使隧道较大幅度偏离设计轴线,为此他与项目组成员反复试验,终于提出了基于油缸压力检测的姿态预测性纠偏方法,将单一流量控制变为流量压力复合精确控制,发明了盾构推进流量压力快速纠偏技术,并研制出盾构推进方向快速纠偏电液推进系统,成功解决因掘进方向失准而造成的盾构掘进偏离设计轴线较大的难题。

  “三失”难题关键技术的成功攻克,使我国在盾构关键技术上拥有了发言权,成为继欧美日之后进入盾构设计制造的先进国家行列。“在这些技术的成果之上,我们还建成了盾构装备关键技术集成平台。”杨华勇表示:“这个平台是我们日后研发土压、泥水及复合盾构三大系列产品的基础。”

  据中国工程机械工业协会提供的数据,2012年中国市场销售盾构141台,而杨华勇团队长期技术合作的中铁装备、铁建重工、上海隧道等企业生产了67台,占国内年新增全部市场的一半;2013年仅中铁装备和铁建重工就交货了86台,占国内市场60%以上。

  杨华勇及其产学研团队的“盾构装备自主设计制造关键技术及产业化”项目,当之无愧地荣获了2012年度国家科技进步一等奖(杨华勇排第一),这也是浙江大学1998年四校合并以来获得的第一个国家科技进步一等奖。

  提起获得的国家奖,杨华勇并没有说太多,倒是对在研发途中遇到的困难与经历记忆犹新:“盾构研制的中国自主化不仅需要技术的攻关,还需要惊人的勇气与魄力。”杨华勇笑言。

 

杨华勇在上海隧道与随行人员进行技术探讨

  2003年,上海地铁2号线延长段(古北路-虹桥机场)的隧道施工项目使用的还是六千多万一台的德国海瑞克“洋盾构”,项目承接单位中铁隧道认为这个“大家伙”很神秘。“当时这个隧道工程项目还准备实施国家863项目单元技术课题,而我们是863项目的参与单位之一,负责‘洋盾构’液压单元技术的攻克,”杨华勇说。

  但是,当杨华勇等人把研制好的电液系统样机与全套施工掘进预案都做好、并运到现场安装完毕后,施工项目组却不让切换:“我们一群人围在现场,嘴皮子也磨破了,但是施工的项目经理就是不让切换。”杨华勇回忆说:“他们害怕国产系统的首台样机会有问题,怎么也不放心。”

  隧道工程项目施工组是依据每天掘进多少米来计算收入的,不让国产首台套系统的切换自有自己的理由;但杨华勇认为,既然获得了国家863项目的资助,就应该替国家技术攻关分忧。在最后一次沟通的时候,发怒的杨华勇直接在通话中把电话撂了,双方几乎快到撕破脸摊牌的地步。

  第二天中铁隧道项目负责人主动打电话表示同意切换,而最终试行的效果非常不错,以至于后来对方兴奋地向杨华勇询问是否还有别的系统,他们随时欢迎试用。

重视试验  杨华勇成功的秘诀

  杨华勇曾经说过:“我从来都没有离开过液压行业,虽然会因国家需要以及行业发展需求而关注一些细分下游主机产品——如工程机械设备、电梯及后来的盾构,但实际上这些装备的切入点还就是液压系统,包括盾构的电液控制与集成系统,它归根到底都是液压系统。”

  2001年,杨华勇筹建国家电液控制工程技术研究中心,带领其团队以优秀的成绩通过2003年的验收和2011年的评估;他还两任2007年与2012年的973项目首席科学家;2008年成为教育部创新团队的负责人。在开展学术研究和技术创新的同时,杨华勇致力于人才的培养与基地的建设,已培养博士与博士后30余人,其中7人已成为上海隧道、中铁装备、西子电梯等企业的技术负责人,深受企业与科研机构的欢迎。他还参与策划建成了中铁隧道“盾构与掘进技术国家重点实验室”,以及上海隧道“国家泥水平衡盾构工程技术研究中心”。

  杨华勇善于从复杂的工程实践中提炼共性理论问题,通过理论与技术攻关指导工程问题的解决。他坦率地说:“没有什么特别的招数,解决难题的办法就是建立试验台。”

 

杨华勇指导盾构电液控制系统综合实验平台建设

  杨华勇策划的第一个试验台是与上海隧道股份合作的盾构推进与驱动试验台,东南大学、同济大学等几家高校都参与了这个项目,其中同济大学主攻土箱,东南大学负责控制部分,而杨华勇团队则负责完成液压系统部分,由于盾构的推进与驱动系统都是液压的,所以他所带的浙大团队在研制过程中与企业一起“唱了主角”。

  在此次项目前的盾构试验台主要是直径为二三十厘米的模拟试验台,而杨华勇将其直径扩大到1.5米,虽然花费近900万元,但却使试验台更加贴近实际。

  这种大幅度跨越式研制试验台最初策划讨论时并不为企业所看好,甚至认为太浪费、没有必要。但实践证明,技术难关的攻克只有经过最贴近实际的试验台的验证才更有把握投入工程使用,而当初不被看好的试验台直到如今还在使用,很多单位都委托其做试验。

闲来麻将  “在黄浦江外滩一带,上个世纪二三十年代修建楼房时打入了5000多根木桩,具体的地质资料战乱和年代久远早已丢失了,如今要穿过这一带修建地铁隧道。” 提及自己记忆深刻的上海黄浦江的地铁盾构改进试验时,杨华勇解释说:“这就意味着,只要隧道工程项目开始施工就会碰到木桩,而原本的盾构是用来掘进土的,但现在它不仅需要掘进土还得具备切木头的功能,而且是被水泡了几十年的木头。” 怎么办?只有在试验台上做试验。

  “当时上海地铁公司给了上海隧道股份500万让他们做试验,”杨华勇回忆说:“他们马上设计新型的切刀及不同材质的刀,并探索盾构刀群的布置,在试验台上做试验切被水泡过的木头。这样的实际用途在实验台策划时根本没有想到的事。”

  上海试验台只是杨华勇及其团队参与策划研制的第一个试验台,此后他们还帮助中铁隧道在河南新乡完成了1.8米直径的盾构控制系统试验台,其控制参数超过千点,是至今为止最大的盾构控制系统试验台。

  “在教学过程中,也必须要使用试验台。”杨华勇非常重视试验台的建设及团队实际动手能力的提升,在浙江大学也建立了自己的原理试验台:“我们跟浙大土木系一起合作建成了可用于盾构掘进实验的行业最大的土箱试验台,并且还独立研制了一比一的盾构液压推进系统。”

  下个十年 努力实现液压关键件的自主创新设计制造

  时光如梭,如今的杨华勇已到知天命的年纪。谈及未来,他表示主要精力将会放在工程机械行业。

  “早在七、八年前我们就开始与中联重科合作了。”杨华勇说:“我们与中联重科中央研究院共同合作研发了很多液压相关的项目,从液压阀、系统到试验台。”

  事实上,杨华勇还有更大的雄心:“我希望为工程机械行业必不可少的关键液压件的自主设计制造做出贡献。”

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