向鐵路科學(xué)技術(shù)的深度和廣度進(jìn)軍
——記西南交通大學(xué)材料與工程學(xué)院教授茍國慶

馬夢珂

夯基壘石，基礎(chǔ)研究是科技創(chuàng)新的源頭。2020年，在中國科學(xué)家座談會上，習(xí)近平總書記提出，要持之以恒加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，廣大科學(xué)家和科技工作者要堅持面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康，不斷向科學(xué)技術(shù)廣度和深度進(jìn)軍。

“四個面向”是中國科技工作的新坐標(biāo)。近年來，在中國鐵路工程領(lǐng)域科學(xué)家的不懈努力下，以高速動車組、大功率機(jī)車、鐵路貨車、城市軌道車輛為代表的中國制造系列產(chǎn)品，已達(dá)到世界先進(jìn)水平，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的地理環(huán)境，滿足多樣化的市場需求。尤其是在高速列車車體技術(shù)、全線鋪設(shè)無砟軌道、鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)、高速鐵路列車運(yùn)行控制系統(tǒng)、列車調(diào)度和安全監(jiān)控等硬件軟件和工程應(yīng)用領(lǐng)域，都處于全球領(lǐng)先水平。

無論是硬實力還是軟實力，中國鐵路的發(fā)展歸根結(jié)底要靠科技人才的實力。西南交通大學(xué)材料與工程學(xué)院博士生導(dǎo)師茍國慶教授在前輩引領(lǐng)下，帶領(lǐng)年輕的科研團(tuán)隊，致力于解決鐵路機(jī)車的焊接結(jié)構(gòu)無損檢測技術(shù)、焊接工藝的研究及成果轉(zhuǎn)化等，形成了一系列創(chuàng)新研究理念，在中國高速發(fā)展的鐵路事業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。

深度攻關(guān)“殘余應(yīng)力”

內(nèi)應(yīng)力又稱殘余應(yīng)力，是指金屬或非金屬材料在機(jī)械加工過程中殘留在內(nèi)部的應(yīng)力，內(nèi)應(yīng)力如果達(dá)到了一定的數(shù)值，就有可能造成關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)失效，材料、部件脫落斷裂。殘余應(yīng)力是影響軌道車輛服役安全可靠性的重要因素。歷史上有許多因殘余應(yīng)力過大導(dǎo)致的災(zāi)難性事故，如美國歷史上發(fā)生的橋梁垮塌，1998年德國高速列車車輪斷裂導(dǎo)致列車脫軌等。甚至包括日本福島核電站的核泄漏，其中也有著殘余應(yīng)力的影響。

西南交通大學(xué)致力于軌道交通列車關(guān)鍵科學(xué)問題的研究，以及先進(jìn)技術(shù)的研發(fā)，是中國鐵道領(lǐng)域創(chuàng)新研究的頂尖高校。茍國慶2006年從西南交通大學(xué)材料加工工程專業(yè)碩士畢業(yè)后留校任教，隨后又獲得材料學(xué)專業(yè)博士學(xué)位，他對磁懸浮列車等產(chǎn)品的殘余應(yīng)力、疲勞和腐蝕、斷裂等問題有較深的見解，和團(tuán)隊提出了一系列創(chuàng)新研究的理念，相關(guān)研究成果均在中車下屬企業(yè)廣泛應(yīng)用。

西南交通大學(xué)

茍國慶團(tuán)隊研究發(fā)現(xiàn)，以鋁合金為主要材料的軌道車輛，其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力峰值可達(dá)140MPa以上。準(zhǔn)確獲得高速列車關(guān)鍵部位的殘余應(yīng)力分布狀態(tài)及數(shù)值，對于評估高速列車的安全可靠性及保障其安全運(yùn)行是非常有必要的。然而研究表明，高速列車的材料屬性、微觀組織、表面粗糙度，甚至不同的殘余應(yīng)力檢測方法都會帶來較大的測試誤差，給獲得準(zhǔn)確的數(shù)值帶來了困難。

傳統(tǒng)上，相對成熟的殘余應(yīng)力檢測技術(shù)主要有中子衍射法、X射線衍射法、小孔法，但由于受到測試材料、結(jié)構(gòu)尺寸、表面質(zhì)量、檢測費(fèi)用、測試精度等制約，不同的檢測方法均有一定的局限性。其中X射線法是目前國際上公認(rèn)的一種快速、準(zhǔn)確的無損檢測方法，包括上海交通大學(xué)姜傳海教授、西安交通大學(xué)何家文教授在內(nèi)的一大批頂級專家都為X射線法在檢測重大裝備殘余應(yīng)力方面作出了巨大的貢獻(xiàn)。

殘余應(yīng)力的超聲波檢測技術(shù)因其無損、快速、安全、成本低等優(yōu)點受到國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注。包括北京理工大學(xué)徐春廣教授、哈爾濱工業(yè)大學(xué)方洪淵教授在內(nèi)的國內(nèi)外頂級專家都為超聲波法檢測重大裝備的殘余應(yīng)力、螺栓預(yù)緊力作出了重大的貢獻(xiàn)，推動了超聲波法檢測應(yīng)力的快速應(yīng)用。而茍國慶及其團(tuán)隊研發(fā)了高速列車關(guān)鍵結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力的超聲檢測技術(shù)、發(fā)明了殘余應(yīng)力實時測量方法、研制了超聲波殘余應(yīng)力檢測及在線監(jiān)測裝備系統(tǒng)、建立了殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)庫。

應(yīng)力在線檢測

2014年，茍國慶參與了中國高鐵標(biāo)準(zhǔn)動車組結(jié)構(gòu)件及部件的相關(guān)測試研究，時速350公里下，標(biāo)準(zhǔn)動車組的殘余應(yīng)力情況及對結(jié)構(gòu)的安全性影響如何，是他和團(tuán)隊重點研究的課題。茍國慶帶著團(tuán)隊成員和博士、碩士研究生們，聚焦標(biāo)準(zhǔn)動車組相關(guān)部件從原材料到大部件組裝、整車生產(chǎn)及在線服役，從底架到側(cè)墻、車頂?shù)剿緳C(jī)室，都進(jìn)行了大量深入分析、測試、研究，最終為中國高鐵標(biāo)準(zhǔn)動車組的安全運(yùn)行提供了一份沉甸甸的可行性研究報告。

成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用廣泛

“首先是基礎(chǔ)性的研究，研究焊接結(jié)構(gòu)，腐蝕產(chǎn)生的原因及帶來的缺陷，評估其發(fā)生斷裂的概率和對壽命的影響。其次是把相關(guān)研究成果進(jìn)行工程化轉(zhuǎn)化，在中車青島四方、中車唐山、中車南京浦鎮(zhèn)、中車廣東、中車株洲等生產(chǎn)單位中應(yīng)用。”無論是“頂天”的基礎(chǔ)科學(xué)研究，還是“立地”的應(yīng)用轉(zhuǎn)化研究，在茍國慶的眼中一直都是相輔相成的必要研究，多年“頂天立地”做科研，收獲的是碩果滿園。

早在博士階段，茍國慶的論文就是針對殘余應(yīng)力的相關(guān)研究。同時，他又參與到大量國家級、省部級的研究項目中，獲得了一系列基礎(chǔ)性的研究數(shù)據(jù)，深入了解了各種車型的應(yīng)力分布情況、接頭的設(shè)計情況，結(jié)構(gòu)的疲勞情況、斷裂情況和腐蝕情況，以及應(yīng)力的主要影響因素等。針對同樣的車型應(yīng)該使用什么樣的材料，他在實驗室和現(xiàn)場都做了大量的實驗。在導(dǎo)師陳輝教授和專業(yè)創(chuàng)始人王元良教授的支持和幫助下，經(jīng)過多年打磨，茍國慶和團(tuán)隊寫出了《高速列車中的殘余應(yīng)力》一書。2015年12月份該書編撰出來以后就一直在西南交通大學(xué)本科生和研究生的課堂教學(xué)中使用。2017年，茍國慶和團(tuán)隊參與研發(fā)的“高速列車關(guān)鍵部件激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)”獲得了四川省科技進(jìn)步獎一等獎，其中殘余應(yīng)力的研究就是最為重要和關(guān)鍵的貢獻(xiàn)之一。

在飛機(jī)等某些特殊裝備上，相關(guān)部件的組裝靠的是螺栓而非焊接。使用螺栓連接時，通常需要施加一個“預(yù)緊力”，又被稱為軸向力或扭矩。在使用過程中，由于環(huán)境的變化，預(yù)緊力可能會逐漸減弱、消失，螺栓就容易發(fā)生松動，最終導(dǎo)致相關(guān)部件隨之脫落，飛機(jī)也發(fā)生失效。如果受到外力影響，預(yù)緊力過大，螺栓就可能被擰斷，同樣會導(dǎo)致飛機(jī)發(fā)生失效。

在軌道列車的生產(chǎn)研發(fā)中，茍國慶和團(tuán)隊深度參與、深入研究，針對軌道列車中的螺栓預(yù)緊力進(jìn)行檢測分析。“檢測過程中不僅需要有相應(yīng)的檢測設(shè)備，還要有足夠靈敏的傳感器、晶片，并結(jié)合5G技術(shù)的應(yīng)用等。”在新西蘭奧克蘭大學(xué)訪問時，茍國慶曾跟隨新西蘭皇家科學(xué)院兼工程院院士高唯教授研究學(xué)習(xí)，隨后共同參與研究螺栓預(yù)緊力的檢測分析。他們率先建立了基于5G和北斗定位技術(shù)的螺栓預(yù)緊力檢測系統(tǒng)，如今已在中國中車下屬的多家企業(yè)、國家電網(wǎng)和三峽電站等單位中得到了廣泛應(yīng)用。

“我們現(xiàn)在給其中一個水電站做的監(jiān)測系統(tǒng)，已經(jīng)監(jiān)測到將近1億個數(shù)據(jù)，極大地降低了企業(yè)的安全風(fēng)險，同時也使工人的勞動強(qiáng)度得到了極大的緩解。”茍國慶說，水電機(jī)組都在地下，有將近400米的深度，以往工人要乘坐電梯深入100多層去手工操作判斷上千顆螺栓的運(yùn)行是否可靠，工作量大、環(huán)境惡劣，給工人施工作業(yè)造成了極大困擾。有了螺栓在線監(jiān)測系統(tǒng)，工人基本可以每隔一兩個月再下去施工作業(yè)。

科技創(chuàng)造是創(chuàng)新發(fā)展的重要支撐，科技應(yīng)用是創(chuàng)新驅(qū)動轉(zhuǎn)化的媒介。無論是基于超聲波的殘余應(yīng)力檢測和在線監(jiān)測系統(tǒng)還是針對螺栓預(yù)緊力的檢測和在線監(jiān)測系統(tǒng)，如今都已經(jīng)得到了比較廣泛的應(yīng)用。在茍國慶看來，未來這兩套系統(tǒng)在核電、航空航天等領(lǐng)域也將進(jìn)一步加強(qiáng)推廣。截至目前，茍國慶和團(tuán)隊主持、參與了多達(dá)30余個科研項目，積累了相關(guān)國家專利30余項，累計研究經(jīng)費(fèi)近2000萬元。其團(tuán)隊研發(fā)的超聲波螺栓預(yù)緊力檢測系統(tǒng)、超聲波殘余應(yīng)力檢測系統(tǒng)也得到了市場的青睞，上市公司達(dá)威股份就對這些產(chǎn)品關(guān)注度極高，并且進(jìn)行了投資，相關(guān)產(chǎn)品也正在依托四川優(yōu)安協(xié)創(chuàng)科技有限公司進(jìn)行市場化推廣。該團(tuán)隊的“超聲法螺栓預(yù)緊力無損檢測”項目獲得了第六屆“創(chuàng)客中國”四川省中小企業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽暨第四屆“創(chuàng)客天府”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽全省總決賽二等獎的好成績，并即將參加全國總決賽。

堅定中國科研自信

人是科技創(chuàng)新最關(guān)鍵的因素，創(chuàng)新的事業(yè)呼喚創(chuàng)新的人才。西南交通大學(xué)肇建于1896年的山海關(guān)北洋鐵路官學(xué)堂，此后雖屢遷校址，數(shù)度更名，卻以唐山交通大學(xué)揚(yáng)名海內(nèi)外，素有“東方康奈爾”之美譽(yù)，尤以土木、礦冶兩學(xué)科獨樹一幟。茅以升、竺可楨、林同炎、黃萬里、姚桐斌、陳能寬都是西南交通大學(xué)聞名遐邇的校友。1952年經(jīng)院系調(diào)整，更名為唐山鐵道學(xué)院，專事軌道交通人才培養(yǎng)。1972年起定名為西南交通大學(xué)并沿用至今。

從“天眼”探空到“蛟龍”探海，從頁巖氣勘探到量子計算機(jī)研發(fā)，眾多重大科技成果的問世，莫不源于科技工作者的忘我投入、奮力攻關(guān)。西南交通大學(xué)焊接專業(yè)的創(chuàng)始人之一——王元良教授是茍國慶的授業(yè)恩師之一，曾參與過南京長江大橋、武漢長江大橋等重大項目的焊接機(jī)構(gòu)設(shè)計、疲勞評價等工作。92歲高齡的他依然精神矍鑠，在80多歲的時候仍然堅持每個月寫一篇文章、每年出一本書。“85歲的時候，他帶著一幫年輕的老師和學(xué)生，研發(fā)出一個太陽能的焊接車。前兩年，他還經(jīng)常把我叫到家里去訓(xùn)話，指導(dǎo)我做的一些研究需要怎樣改進(jìn)。”茍國慶說。專業(yè)的另一位創(chuàng)始人王一戎教授同樣是茍國慶在科研道路上的引路人。他80多歲的時候耳不聾、眼不花，經(jīng)常做運(yùn)動，有年輕學(xué)生不認(rèn)識他，還在實驗室里埋頭做實驗。去做實驗的時候，他還熱心地幫年輕學(xué)生磨試樣。一次，茍國慶發(fā)現(xiàn)磨樣很好，問學(xué)生是誰磨的，學(xué)生回答是“老師傅磨的”，有些學(xué)生甚至不認(rèn)識王一戎教授。茍國慶告訴他們“這可是我們焊接專業(yè)的創(chuàng)始人”。焊接專業(yè)的學(xué)科帶頭人陳輝教授是茍國慶的恩師，他長期工作在科研一線，非常熟悉和了解高速列車、高速鐵路的科技前沿的發(fā)展動態(tài)，經(jīng)常幫助茍國慶、劉艷、朱宗濤等年輕老師和學(xué)生梳理前沿科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)難題，促使西南交通大學(xué)的焊接專業(yè)始終走在國際前列。

焊接結(jié)構(gòu)健康管理及評估研究團(tuán)隊

2013年、2017年分別赴加拿大多倫多大學(xué)、新西蘭奧克蘭大學(xué)訪問學(xué)習(xí)期間，茍國慶不僅了解了更多國際前沿的研究工作，在科研理念和人才培養(yǎng)上也有了更多思考。在加拿大時，他的合作導(dǎo)師王執(zhí)銳教授是我國首批出國留學(xué)的研究生之一，在研究材料的疲勞、斷裂方面具有極高的學(xué)術(shù)造詣。在世界頂級大學(xué)多倫多大學(xué)的實驗室里面，茍國慶深刻地感受到了科學(xué)研究的魅力，更加堅定了投身科學(xué)研究的信心。在新西蘭時，院士導(dǎo)師高唯希望他去做一些特別前瞻性的研究工作，如納米壓電晶片、納米傳感器……在導(dǎo)師指導(dǎo)下，茍國慶做了大量的研究工作，并參加了多次相關(guān)領(lǐng)域的國際會議。后來，在開發(fā)殘余應(yīng)力檢測和在線監(jiān)測系統(tǒng)及針對螺栓預(yù)緊力的檢測和在線監(jiān)測系統(tǒng)時，茍國慶不買成品，只買原材料，讓自己的學(xué)生團(tuán)隊自己編制軟件、自己做硬件，學(xué)生們因此大受鍛煉，不僅懂硬件也懂軟件，不僅懂電路還懂調(diào)試。這成為茍國慶團(tuán)隊的特色。在治學(xué)理念上，他倡導(dǎo)融匯交流、互學(xué)互鑒甚至可以相互“批判”，導(dǎo)師給學(xué)生提供理念上和框架上的建議，同時也吸收學(xué)生的創(chuàng)新思維。“跟學(xué)生接觸過程中，我覺得不僅自己有付出，我從學(xué)生那兒也學(xué)到了很多東西，許多年輕學(xué)生的想法可能更先進(jìn)。有時候我們進(jìn)行項目交流或者研究時，我會鼓勵他們提出批判性的意見建議，希望他們在自己的研究方向上比我更加專業(yè)、理念更加先進(jìn)。”茍國慶說。

科研之外，茍國慶鼓勵學(xué)生要有一個良好的身體素質(zhì)，甚至“強(qiáng)迫”自己的學(xué)生每天必須堅持跑步，保持良好的身體素質(zhì)和充沛的精力。其次，他鼓勵自己的學(xué)生要“能吃虧”，有正確的價值觀。此外，他認(rèn)為團(tuán)隊的核心精神在于團(tuán)結(jié)，只有團(tuán)結(jié)的科研團(tuán)隊，才能產(chǎn)生更多的創(chuàng)新成果。他常鼓勵學(xué)生說：“既然老天安排你學(xué)了這個專業(yè)，你只要能夠堅持，有一個好的身體和好的心態(tài)，幾十年如一日地去做一件事情，你就一定會取得成功的。”如今，茍國慶正帶領(lǐng)學(xué)生在關(guān)于殘余應(yīng)力等領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究中不斷向深度和廣度探索。

作為西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)的博士生導(dǎo)師，茍國慶深知，自己在帶領(lǐng)團(tuán)隊做好重大科研創(chuàng)新和成果轉(zhuǎn)化的同時，也承擔(dān)著培養(yǎng)青年科技人才，打造高水平創(chuàng)新團(tuán)隊的重任。一方面是艱巨的科研任務(wù)，另一方面是擔(dān)任研究生導(dǎo)師，此外還要承擔(dān)本科生的課程、本科畢業(yè)設(shè)計的指導(dǎo)等，盡管非常忙碌，但茍國慶仍常對自己的學(xué)生講述中國科研的“大時政”話題，讓學(xué)生對中國的科技創(chuàng)新有信心、對自己的科研方向有信心。在他看來，黨的十八大以來，中國堅持創(chuàng)新驅(qū)動的實質(zhì)是人才驅(qū)動，不斷改善人才發(fā)展環(huán)境、激發(fā)人才創(chuàng)造活力，大力培養(yǎng)造就了一大批具有全球視野和國際水平的戰(zhàn)略科技人才、科技領(lǐng)軍人才、青年科技人才和高水平創(chuàng)新團(tuán)隊。人才的問題解決了，技術(shù)被“卡脖子”的問題也不斷得到解決，中國學(xué)者的科研自信也越來越堅定。“70多年來我們國家在科技上取得了這么偉大的成就，無數(shù)的先輩做了大量的工作，我們有必要讓學(xué)生對此充滿自信。”茍國慶說。