中國制造下的密封力量

本刊記者　于曉杰

郭飛與學(xué)生進(jìn)行研究交流

“我們制造，帶來繁榮與成長(zhǎng)；我們創(chuàng)造，走向自主和強(qiáng)大”這是大型紀(jì)錄片《大國重器》的片頭里的一句經(jīng)典臺(tái)詞，為了這一夢(mèng)想，多年來，我國一直在這條道路上穩(wěn)步前行著。

2015年，“中國制造2025”的提出，激發(fā)了人們做強(qiáng)“中國制造”前所未有的凝聚力。然而，在發(fā)展過程中，部分關(guān)鍵核心技術(shù)缺失、高端產(chǎn)品重要零部件與關(guān)鍵材料對(duì)外依存度高等問題依舊存在，如何破解“大而不強(qiáng)”的困局依然是頂層設(shè)計(jì)方案中不得不面對(duì)的一道難題，這也是國家提出“工業(yè)強(qiáng)基”戰(zhàn)略的原因所在。

工業(yè)基礎(chǔ)直接決定著產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，是工業(yè)整體素質(zhì)和核心競(jìng)爭(zhēng)力的根本體現(xiàn)，是制造強(qiáng)國建設(shè)的重要基礎(chǔ)和支撐條件。而密封技術(shù)作為一項(xiàng)能有效提高設(shè)備的可靠性、使用壽命，同時(shí)也能夠在一定程度上節(jié)能降耗的綜合性技術(shù)，是現(xiàn)代工業(yè)安全、穩(wěn)定發(fā)展的重要技術(shù)手段之一。特別是在“中國制造2025”背景下，以橡塑密封為代表的密封技術(shù)就在國家重大裝備及關(guān)鍵基礎(chǔ)零部件的設(shè)計(jì)需求中，起著至關(guān)重要的作用。

對(duì)于清華大學(xué)機(jī)械工程系助理研究員郭飛而言，從事密封領(lǐng)域的研究工作是他畢生的追求。多年來，他在橡塑密封及水潤滑技術(shù)等方向的研究工作中創(chuàng)新前行，為我國的裝備制造業(yè)、密封可靠性等領(lǐng)域的發(fā)展貢獻(xiàn)著屬于一名青年研究者的科研力量?？茖W(xué)技術(shù)無大小之分，在研究中履行自己作為一名科研人員的使命，為我國的創(chuàng)新發(fā)展注入能量，便是郭飛及其團(tuán)隊(duì)成員不竭前行的動(dòng)力。

步履不停，不斷前行的科研人生

“雖然在大多數(shù)人看來，密封技術(shù)在機(jī)械領(lǐng)域、工程工業(yè)領(lǐng)域，總是顯得微不足道，比如一個(gè)密封圈，即便做得再好，對(duì)一個(gè)大機(jī)器來講，它的存在感也很低，但是它真的是一個(gè)非常關(guān)鍵的核心零部件，甚至能夠起到?jīng)Q定性作用，例如美國挑戰(zhàn)者號(hào)失事就是由一個(gè)O型圈失效引起的連鎖反應(yīng)導(dǎo)致的?！惫w說。雖然一開始，郭飛對(duì)此類研究并不是十分熟悉，但是深入其中之后，他越發(fā)體味到了這一領(lǐng)域研究工作的意義所在。

2010年，郭飛從哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)本科畢業(yè)后，憑借優(yōu)異的學(xué)習(xí)成績(jī)，被成功保送至清華大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè)攻讀博士學(xué)位，師從國內(nèi)密封領(lǐng)域唯一的院士——王玉明教授。記者了解到，2008年王玉明院士來到清華之后，創(chuàng)立了密封與潤滑研究室，組建了一支由11位在職教師和30余位碩士、博士研究生在內(nèi)的研究團(tuán)隊(duì)，專門從事各種密封形式的研究，包括機(jī)械密封、橡塑密封、磁性液體密封、刷式密封、迷宮密封等方向。而郭飛的主要研究方向就是橡塑密封。

近些年來，隨著能源資源危機(jī)的加劇以及環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，研制新能源發(fā)展環(huán)境友好性資源已然成為了各個(gè)領(lǐng)域亟需解決的戰(zhàn)略性問題，從而驅(qū)動(dòng)了當(dāng)代機(jī)械工程學(xué)科追求人與自然和諧的設(shè)計(jì)及制造模式，推動(dòng)了傳統(tǒng)機(jī)械的技術(shù)革新并催生出了許多新的研究領(lǐng)域。水潤滑技術(shù)就是在此背景下發(fā)展壯大起來的，并成為了當(dāng)今摩擦學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。在這一發(fā)展趨勢(shì)下，2013—2014年左右，研究室又發(fā)展了水潤滑軸承技術(shù)，而郭飛也在博士后研究階段，接觸到了水潤滑軸承方向的研究。因?yàn)橄鹚苊芊夂退疂櫥S承的研究工作中，必然要面臨著摩擦學(xué)基礎(chǔ)的研究，因此，郭飛又發(fā)展摩擦學(xué)的基礎(chǔ)研究，作為自己致力的研究方向。

從事科研多年來，郭飛已在密封與水潤滑領(lǐng)域發(fā)表了SCI論文20余篇，EI等論文近10篇，申請(qǐng)了30余項(xiàng)發(fā)明專利，其中10項(xiàng)已授權(quán)，主持了多項(xiàng)國家級(jí)科研項(xiàng)目以及航空航天、軍工等企業(yè)委托課題。在項(xiàng)目研究中不斷前行、收獲了極大的成長(zhǎng)。

直視差距，開展密封領(lǐng)域自主創(chuàng)新研究

近些年來，我國橡塑密封行業(yè)的發(fā)展取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，在一些特殊領(lǐng)域達(dá)到或超過了國際先進(jìn)水平，如核電系統(tǒng)的密封。但是，在國民經(jīng)濟(jì)很多量大面廣的領(lǐng)域還處于令人尷尬的落后局面，如工程機(jī)械高壓往復(fù)密封，轎車動(dòng)力總成系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)變速器油封等。

目前，我國大型工程機(jī)械所需35MPa以上高性能液壓密封元件幾乎全部依賴進(jìn)口，但諸如航空航天、武器裝備等關(guān)乎國防安全的重要領(lǐng)域所需高端密封件，西方國家明確禁止對(duì)中國出口，小小的密封件已然成為了制約我國高性能主機(jī)裝備國產(chǎn)化的瓶頸。因此，對(duì)高參數(shù)高性能往復(fù)密封開展自主化研究已迫在眉睫，具有重要的戰(zhàn)略意義。

在這一現(xiàn)狀之下，郭飛深感責(zé)任之重大，他一直希望能夠通過自己的研究來攻克這一難題。2018年，他和團(tuán)隊(duì)又開始了新的征程。他們將研究重點(diǎn)集中在“高壓高速往復(fù)密封工作機(jī)理研究及長(zhǎng)效性優(yōu)化設(shè)計(jì)”上，并以此為課題申請(qǐng)?zhí)峤涣藝易匀豢茖W(xué)基金面上項(xiàng)目。在這一研究中，郭飛將以往復(fù)式橡塑組合密封為研究對(duì)象，研究高壓高速條件下往復(fù)密封工作機(jī)理，建立密封性能預(yù)測(cè)方法，進(jìn)而探索密封失效行為和誘發(fā)機(jī)理；從材料配方、工藝方法、產(chǎn)品設(shè)計(jì)等進(jìn)行一體化解決，改善界面摩擦、潤滑性能，提高密封效果，從而達(dá)到延緩密封失效提高可靠性的目的，形成密封領(lǐng)域開展基礎(chǔ)研究的理論體系和方法。同時(shí)，基礎(chǔ)研究成果將對(duì)提高國內(nèi)密封行業(yè)的技術(shù)水平及解決工業(yè)領(lǐng)域“跑、冒、滴、漏”問題具有重要的實(shí)踐指導(dǎo)價(jià)值。

科研征程永不停息，面對(duì)密封領(lǐng)域的關(guān)鍵科研問題，郭飛始終孜孜不倦。特別是在密封失效等問題的研究中，他就和團(tuán)隊(duì)積累了一系列研究經(jīng)驗(yàn)。

密封失效會(huì)導(dǎo)致能源浪費(fèi)、環(huán)境污染、設(shè)備損壞及停機(jī)等帶來的巨大經(jīng)濟(jì)損失。良好的密封設(shè)計(jì)需要具備密封、潤滑和泵送三重功能，實(shí)現(xiàn)這些功能的行為均發(fā)生于密封件與對(duì)偶件之間的接觸界面。而密封接觸區(qū)的表面形貌特征以及表面性能是影響接觸界面潤滑介質(zhì)流動(dòng)特性的決定性因素，因此表面形性變化必然會(huì)引起密封性能的改變。

在國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目“表面形性演變對(duì)動(dòng)態(tài)橡膠密封性能的影響研究”的資助下，郭飛就以動(dòng)態(tài)橡膠密封為對(duì)象，研究服役過程密封表面形性演變規(guī)律對(duì)密封性能的影響機(jī)制，進(jìn)而分析密封失效行為和機(jī)理，可有效避免機(jī)械事故的發(fā)生。在此基礎(chǔ)上，他提出了密封表面改性和軸表改形的界面優(yōu)化方法，改善密封性能延緩失效時(shí)間提高壽命和可靠性。

成果轉(zhuǎn)化，開展產(chǎn)學(xué)研合作研究

“從歷史發(fā)展來看，近30年來，我國‘重整機(jī)、輕配件’的研究和發(fā)展思路，導(dǎo)致了橡塑密封系統(tǒng)等研究與應(yīng)用還不夠多?！惫w說。但是隨著我國經(jīng)濟(jì)與科技水平的進(jìn)步，我國已經(jīng)到了要把配件做上去的時(shí)機(jī)。在這種形勢(shì)之下，進(jìn)行產(chǎn)學(xué)研結(jié)合便是最好的方式。

近些年來，郭飛團(tuán)隊(duì)一直在利用自身的優(yōu)勢(shì)，深入開展基礎(chǔ)研究，然后把成果或?qū)＠D(zhuǎn)讓給產(chǎn)業(yè)化能力強(qiáng)的企業(yè)，利用團(tuán)隊(duì)人才優(yōu)勢(shì)，接受企業(yè)委托開發(fā)新產(chǎn)品。

往復(fù)運(yùn)動(dòng)類液壓作動(dòng)器，是飛機(jī)作動(dòng)系統(tǒng)和飛行控制系統(tǒng)的重要組成部分，其密封性能的好壞直接影響飛機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性以及安全性。在航空航天企業(yè)委托自主研究課題中，郭飛團(tuán)隊(duì)通過研究摸清了國內(nèi)常用航空橡塑材料的力學(xué)和摩擦學(xué)性能，熟悉了典型外購密封件的使用技巧，掌握了高壓密封系統(tǒng)的仿真方法和技巧，建立了密封性能參數(shù)影響數(shù)據(jù)庫，對(duì)于指導(dǎo)液壓產(chǎn)品設(shè)計(jì)和密封失效預(yù)測(cè)，具有重要的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。

除此之外，他們還與國內(nèi)核電有限公司開展了對(duì)核電站小流量上充泵柱塞的密封可靠性研究。在研究中，他們通過聯(lián)合國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)對(duì)密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化、柱塞基材改性、表面處理等開展了一系列探索。通過不斷攻關(guān)，提高了密封件和柱塞的匹配性，降低了柱塞與密封件的摩擦系數(shù)，提高了密封件的耐磨性及使用壽命，預(yù)期柱塞泵連續(xù)運(yùn)行周期提高2倍以上。

創(chuàng)新發(fā)展、不斷探索，一直是讓科研保持活力的基礎(chǔ)。密封的整個(gè)性能不僅僅是由密封件決定的，包括密封軸、潤滑介質(zhì)等構(gòu)成的整個(gè)密封系統(tǒng)都要考慮到。因此，郭飛所在的科研團(tuán)隊(duì)也在進(jìn)行整個(gè)密封系統(tǒng)的研究工作，并向著智能密封這一方向不斷前行。在郭飛的講述中，記者了解到智能密封代表著國際密封領(lǐng)域、摩擦學(xué)領(lǐng)域的研究前沿。它是從整體的角度出發(fā)，通過檢測(cè)密封泄漏的具體位置，實(shí)現(xiàn)信息化，然后再通過智能調(diào)控，使其實(shí)現(xiàn)再次密封的功能，延長(zhǎng)密封系統(tǒng)的壽命。此外，他們還要從原材料的角度進(jìn)行分析，然后進(jìn)行密封工藝設(shè)計(jì)，將密封系統(tǒng)的研究深入化。

漫長(zhǎng)科研路，郭飛及其團(tuán)隊(duì)成員始終永葆對(duì)科學(xué)研究的熾熱之情。不忘初心，求索不輟，他們一直在路上，創(chuàng)造著科研領(lǐng)域的新突破！