东华软件青年学者丨冯凯:为机械装备“智造”“关节”

时间:2019-11-22 09:04 点击:


人物名片:冯凯,1982年出生,机械与运载工程学院副院长,教授,博士生导师。国家高层次人才计划入选者。日本东京大学工学博士,曾任日本东京工业大学精密工学研究所助理教授。多年来一直从事高端机械设备润滑和传动系统的研究。

2012年回国以来发表第一作者或通信作者SCI论文60余篇,授权发明专利20余项。研究工作获得了10余项国家或省部级科研项目的持续资助,主持项目包括重点研发计划课题、科技支撑计划子课题、国家自然科学基金(3项)、教育部总装预紧基金(2项)、湖南省杰出青年基金、上海市科委重点项目课题等。担任中国振动工程学会转子动力学分会常务理事、全国气体润滑与干气密封委员会副主任委员、增压技术国防国家重点实验室学术委员等。Tribology Transactions(SCI)、IJEM等多个杂志副主编或编委。


你玩过指尖陀螺吗?当你旋转陀螺看它在指尖“舞蹈”,亦或你骑着自行车穿梭在大街小巷,还有坐着火车纵情畅游名山大川时,乘坐飞机翱翔蓝天时,你是否想过,它们是靠什么顺利前行?

有人说,这都得益于人类历史上最伟大的发明之一:轴承。

轴承是机器中的关键基础元件,广泛应用于各行各业的机械产品中,被誉为机器的“关节”。再高大上的机器装备,只要一个小小的轴承出了问题,就可能导致机毁人亡的惨剧。

这小轴承里就暗藏着这样的大乾坤。

在机械与运载工程学院,冯凯教授10余年就专注于这小轴承里的大天地。

“超能力”:真正实现转到飞起!

“你知道电风扇能转多快?每分钟几百转。飞机发动机能转多快?每分钟8000-10000转。我们能让轴承转多快?每分钟10万转以上!真的是快到飞起!”

在机械与运载工程学院,学生们都知道,冯凯团队拥有一种“超能力”——真正实现了转到飞起!

冯凯说,这就像飞机起飞,当飞机相对于地面的速度达到一定程度以后,飞机就可以悬浮在空气中。而他们研发的设备也是如此,当转动设备的转轴到达一定转速后,就可以不需要外部辅助设备的情况下,悬浮在空气中。这就是冯凯多年聚焦的“高端气体悬浮技术”。

长期以来,人们按照力传导方式的不同,将轴承分为滑动轴承和滚动轴承两大类,前者依靠滑动传导力,后者依靠滚动传导力。而冯凯研究的“高端气体悬浮技术”,使得轴承有了“第三类”——“气浮轴承”。

“身经百战”:极端环境下从容作业

正因为转速快,所以“气浮轴承”单位能量密度特别高,因而可以做到体积很小;加之悬浮在气体中,所以对温度不敏感,可以实现极端环境下的作业。

以航空发动机轴承为例,其工作环境堪称“炼狱”:它们不仅要以每分钟上万转的速度长时间高速运转,还要承受着各种形式的应力挤压、摩擦与极端温度。对于一些精度不高的结构部件来说,即便出现轻度裂纹也可以保证安全使用(专业上称为损伤容限),而航空发动机主轴承这样关键传动部件,不存在损伤容限一说,其在使用过程中绝不允许出现裂纹等任何形式的损伤,因而对其的加工精度、以及材料强度要求是非常苛刻的。

正因如此,高端轴承被誉为“机械工程的高山”,而航空发动机更是被誉为“高山中的喜马拉雅”。高端轴承的制造水平,是一个国家的综合工业实力的真正体现。

正如征服喜马拉雅山的只能是极少数勇士一样,高端轴承的制造也融合了当今顶尖的工程技术:不仅涉及材料、油脂及润滑、制造、设计等一系列技术难题,还涉及接触力学、润滑理论、摩擦学、疲劳与破坏、热处理与材料组织等基础科学研究和交叉学科。

能效高、体积小、耐高温、寿命长……“气浮轴承”“身手不凡”,就从容应对了这些难题。

不仅如此,“气浮轴承”在能源动力系统中可谓“身经百战”:在新能源汽车——氢燃料电池汽车领域,它把氧气泵进能源设备,通过氢气与氧气的反应,提供动能;利用“气浮技术”研发超临界二氧化碳发电系统,为坦克、航母提供动力;它的长寿命、免维护特性还能应用在深空探测的核电系统;制造集成电路的所需光刻机,也可利用“气浮”零摩擦的特性,实现精密制造……

此外,在我们身边的中央空调,污水处理厂、纺织厂、水泥厂所需的空气压缩机,甚至隧道里的供气系统,都可以用到“气浮轴承”。


破局垄断:让气浮技术在中国“开花结果”

“在这个世界上,除了地球以外,凡是需要转动的,都需要轴承。”

轴承,几乎存在于我们生活的每一个角落:从满地都是的共享单车、到掠过头顶的民航客机,从鱼翔浅底的核潜艇,到巡天遥看的空间站,再到电冰箱、洗衣机、电脑散热风扇、抽油烟机……轴承无处不在。

轴承虽然重要,却一直是国人心中的痛。

多年来,我国虽然拥有接近世界顶尖水平的制轴工艺,但却做不出高端轴承。因此,我国的高端轴承行业一直被“卡脖子”。

“美国、欧洲、日本、还有韩国,这些国外的轴承巨头们在中国建立基地,运用他们的核心技术生产高端轴承,然后以昂贵的价格卖给中国企业。”冯凯说。

2019年,冯凯承担了国内第一个空气轴承的重点研发课题,在国内率先开发出气浮高速永磁电机、车用气浮涡轮增压器、燃料电池用高速空压机等设备,相关技术已经或逐步应用于高速电机、微型燃气轮机、高速涡轮发电机等民用及航空航天设备中。

冯凯现在还记得,2012年,他从日本东京大学完成博士学业回国,当他参加学术会议,向大家介绍“气浮轴承”时,大家向他投来的“怀疑”目光。而如今,“气浮轴承”开始在国内多行业多领域应用,他的团队,更被大家称为“气浮轴承”的“黄埔军校”。

“气浮技术,带来的是设备技术的革新,它可能会衍生、催化更多的新技术、新装备。”冯凯期待,气浮技术能在我国更多领域“开花结果”,助力中国制造。

来源:宣传部

记者:李妍蓉

责任编辑:蒋鼎邦

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