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为交通水利国防锻造“利器”
——访国家科技进步奖一等奖获得者杨华勇教授

发布时间:2013-01-23 阅读数:6940

 

人物名片
杨华勇教授,现任浙江大学国家电液控制工程技术研究中心主任,十五十一五十二五”863计划先进制造主题/领域/专项专家组成员,浙江大学流体传动与控制国家重点实验室、上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室和华中科技大学数字化设计和制造国家重点实验室学术委员会委员。中国机械工程学会流体传动与控制分会副主任,中国力学学会流体传动与控制分会副理事长,中国电梯协会理事,岩石力学与工程学会隧道掘进机工程应用分会常务理事。曾经先后4次获得省自然科学基金各类项目的支持,是2004年国家自然科学基金杰出青年基金获得者,2005年教育部长江学者特聘教授,2007年和2012年先后两次任973项目首席科学家,2008年入选浙江省特级专家。
在浙江省31个获奖项目中,唯一的国家科技进步一等奖由浙江大学机械工程学系杨华勇教授牵头的产学研项目组获得。项目研发的成果结束了洋盾构在国内一统天下的局面,实现了盾构中国设计制造的跨越发展,并在国内外各类隧道工程中大显身手。
2012年度国家科学技术奖颁奖前后,记者两次来到浙江大学,探访这一重大科技成果的锻造历程。

 

洋盾构中突围
记者:杨教授,随着城市对地下空间的利用越来越多,盾构与我们的生活日益密切。由于盾构主要在地下作业,不少人对盾构并不了解,您能否介绍一下盾构的功能?
杨华勇:盾构是国家地铁、公路、铁路、水利和国防等基本建设急需的重大装备,它能24小时不间断埋头掘进,一次性同时完成切削、排碴、衬砌等隧道掘进作业,将高风险、高强度、低效率的人工开挖,转变为安全、高效、连续的工厂化作业,是加快地铁、高铁、高速公路等隧道工程建设唯一有效的现代化大型复杂机电装备。
记者:您和您的科研团队为什么会选择这个项目进行研究?
杨华勇:10年前,隧道掘进装备基本是洋盾构的天下,中国企业只担当了施工队加工装配队的角色。盾构的价格是按直径来计算的,直径1米的就需要100万美元。德国、美国、日本等少数跨国公司掌握着盾构的核心技术,在我国市场赚取了高额利润,同时我国重大工程的建设也因此长期受制于人。我们的目标是改变长期依赖国外的局面,争取掌握自主设计制造盾构的能力,不再受制于人。
记者:您的团队是什么时候开始这项研究的?
杨华勇:从1999年正式开始着手研究。2002年在国家863计划先进制造领域的支持下,我们与上海隧道工程股份有限公司、中国中铁隧道集团有限公司、中国中铁隧道装备制造有限公司和杭州锅炉集团股份有限公司等单位进行了长期稳定的产学研合作,经过持续12年的关键技术攻关,走过了研究-设计-制造-工程-产业化的全部过程,终于实现了盾构中国设计制造的目标。

 

解决盾构三大国际难题
记者:盾构技术研发要攻克的难题主要有哪些?
杨华勇:经过7年关键技术攻关,2007年在973计划综合交叉领域的支持下,我们凝练出了盾构装备失稳、失效、失准三大国际性行业难题。盾构掘进中,失稳会引起地面塌陷,失效会引发装备关键部件故障、影响掘进工效,而失准则会导致掘进方向偏离、影响隧道建设质量。
记者:您的团队在改进盾构装备关键技术方面主要有哪些创新?
杨华勇:我的科研团队主要从事电液驱动和控制系统的研发,这是盾构的心脏,是国外技术封锁最严的部分,也是盾构隧道工程施工中,解决失稳、失效、失准三大国际难题的核心所在。我们围绕三失难题,攻克了压力稳定性、载荷顺应性、多系统协调性三大关键技术,突破了装备内部密封舱压力动态平衡控制、载荷顺应性系统设计、功率自适应电液驱动、姿态测量与实时预测、推进纠偏与复合控制5个技术难点,研制了密封舱压力控制、机构和驱动、推进与纠偏三大系统。
记者:这些创新成果对解决三大国际难题有哪些突破?
杨华勇:我们项目组经过联合攻关,发明了密封舱压力动态平衡控制技术,能实时监控盾构密封舱的压力,进行多系统协调控制,让盾构始终处在密封舱压力与水土压力相平衡的状态下工作,有效避免了地面塌陷或隆起,这是施工正常推进的基本保障。我们还提出了掘进系统载荷顺应性设计方法,据此研制出刀盘刀具、推进及驱动等子系统,使掘进中突变载荷对装备的冲击减少了30%以上,从而使装备关键部件的故障率下降了4个百分点,减少了停工换件时间,保证了正常的掘进速度。项目组还实现了盾构姿态的实时精准控制与推进姿态预测性纠偏,解决了因掘进方向失准造成盾构掘进偏离设计轴线的难题。产学研项目组先后获得授权发明专利77项,软件登记16项,制定国家及行业标准2项,发表了一批高水平的论文和出版专著3部。在此基础上,研发出土压、泥水和复合三大类盾构系列产品。

 

自主设计制造产品占国内新增市场六成
记者:项目的研究成果已经在国内实现了产业化吗?
杨华勇:是的,这些成果已用在全国4家盾构整机龙头生产企业,实现了盾构装备自主设计和产业化批量生产与应用,形成了上海、郑州、重庆、西安等多个盾构产业化基地,打破了洋盾构一统天下的局面。
记者:应用本项目研究成果生产的国产盾构在实际工程中的表现如何?
杨华勇:利用自主技术研制的中国中铁一号是我国第一台复合式盾构,在天津地铁3号线营口道-和平站标段中,它穿越了瓷房子、渤海大楼等对地面变形特别敏感的标志性建筑,局部地表变形小于2毫米,地面建筑完好无损。2009年,上海隧道工程公司和浙大等单位联合设计制造的进越号泥水盾构样机直径达到11.22米,按时圆满完成了上海世博会重大配套工程——打浦路隧道复线的掘进任务。这台盾构创造了同等直径泥水盾构最小的转弯半径380米的隧道施工世界纪录。
记者:目前自主研制的国产盾构已占到多少市场份额?
  杨华勇:近三年(2009~2011年)应用项目成果所生产的盾构已达132台,由于技术和价格优势明显,自主制造的盾构迅速占领市场,2011年已占到当年国内盾构新增市场的60%以上,这些盾构产品完成了京、津、沪、穗、杭、港等26个城市以及新加坡、印度、马来西亚等国家共300多个地铁、公路、铁路等隧道工程。预计自主设计制造产品到2015年可占国内新增市场的75%以上。
记者:您怎么看国内盾构市场的发展前景?您的科研团队下一个研究方向是什么?
杨华勇:当前我国已经是盾构需求最大的国家,占到全球市场的60%。未来10年,我国还将新建隧道1万公里以上,需要新增盾构超过1000台,带动相关投资将超过1万亿元。目前,我们产学研项目组正在向硬岩和超大直径掘进机进发,所研制的新产品将更多应用于高速公路大直径隧道和西部多岩地区的长隧道工程的掘进。
 
 
图为技术人员正在对盾构装置进行出厂前的调试。
 

(来源:科技金融时报;编辑:王颖)

 

 

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