基于服役性能评价的智能装备产业高质量创新发展研究.pdf

IM主题策划 Theme Plan42 2024年第1期基于服役性能评价的智能装备产业高质量创新发展研究梁治国1，闫松涛1，金莹1，李晨光2（1.北京科技大学国家材料服役安全科学中心，北京 100083；2.北方工业大学经济管理学院，北京 100144）摘要：本文以终端用户需求为导向，关注实际应用场景，制订针对性的测试服务和数据积累策略，最大程度地激发设施在测试评价和创新支持方面的潜力。结合智能装备目前越来越呈现出新制造工艺、新材料、新设计、新结构等特征，深入剖析了设施在进行相关智能装备设计研发与产品化过程中所发挥的关键作用。本文研究成果提供了解决产业技术瓶颈的有效策略，将材料服役安全领域的应用基础研究与工程科学研究相结合，构建创新双驱动的新途径，为大科学设施在促进智能装备产业高质量创新发展中的作用提供理论基础和实践支撑。关键词：大科学设施；智能装备；高质量发展；服役安全 中图分类号：G311文献标志码：A1引言随着智能装备产业高速发展，我国制造业发展面临新的挑战，相对于传统工业装备，智能装备产业面临着更加恶劣复杂的作业环境及超长的工作时间，核心零部件越来越多地受到材料失效的威胁，核心部件材料的失效会导致灾难性的后果和不可估量的经济损失。无人系统智能装备越来越成为推动传统产业转型的关键核心，而高质量、高可靠性、高稳定性已经成为智能装备实现产业替代的重中之重。在我国智能装备产业快速发展的进程中，提升产品质量与可靠性评估能力已成为确保国产核心部件和关键技术实现自主可控的一项关键任务1。核心部件的可靠性和服役性能评估若受限于国内的测试评估能力，往往会成为制约我国制造业高质量发展的瓶颈。因此，智能装备可靠性提升已成为一项必须长期投入的系统性工程。2智能装备发展面临的问题及突破点由于工程领域越来越趋向于大型化、服役环境复杂化、构件工况苛刻化、寿命需求长期化发展，智能装备需要具有高可靠性和服役性能，就要求对关键核心零部件在真实工况环境和真实载荷条件下的性能和失效行为有真实的数据作为支撑。经过十余年的精心打造，我国首个直接服务产业发展的国家重大科技基础设施重大工程材料服役安全研究评价设施，已经成为推进相关行业高质量发展的重要引擎。以工程材料服役安全大科学设施为案例，深入剖析了其在推动我国智能装备产业投稿网站：Theme Plan 主题策划IM 2024年第1期 43高质量创新发展中解决技术瓶颈问题的实践和效果。2.1智能装备关键核心材料面临巨大的工程挑战我国国民经济正处于高速发展阶段，无人系统智能装备在很多社会生产生活领域广泛应用，很多装备呈现出“结构尺寸超大”“材料性能超强”“服役环境极端化、多因素耦合化”和“多种失效形式共存、交互影响”的新特点，还有一些民用小型化智能装备呈现出“人机协同可靠性”“全天候全域”等运行服役特征，这些都给智能装备结构材料及功能材料系统带来新的挑战，主要表现在：功能需求带来设计结构越来越复杂；结构尺寸越来越大；实际服役工况越来越苛刻，多种环境因素（力学环境、化学环境和场环境等）相互交织、互相耦合；失效形式（疲劳、断裂、腐蚀、磨损和老化等）更加复杂，共存、交互影响严重。用于精确控制的信息系统、驱动系统、感知系统等出现结构性失效同样会带来严重的安全隐患。2.2智能装备服役性能的核心关键数据仍是短板长期以来，国内外相继建立了大量的常规尺寸材料实验研究条件，对材料的各种失效机理和失效行为进行了较为深入的研究，积累了丰富的材料性能数据，建立了一些安全评价和寿命预测模型，对材料的安全服役提供了一定的技术支撑2。但是，越来越多的工程实践表明：常规尺寸材料试样或缩比模型在单一或简单耦合环境下和有限时间内所表现出的性能特征与工程结构材料在实际工况下的真实服役性能存在很大差异。目前影响我国制造领域主要存在两个方面的问题：一方面，过去一个时期，我国各工业领域均一定程度存在着“弯道超车”方式情况，其积极意义在于实现了生产制造能力的跨越式发展，但在底层数据特别是超长时服役、复杂极端环境服役性能数据方面依旧存在着数据不完备、不系统的问题；另一方面，随着大量全新的智能制造应用场景出现，目前的服役性能数据难以真实反映零部件的真实服役性能，在此基础上建立的设计规范、评价准则和预测预报方法不能科学地判定和预测构件和智能装备整机的失效和服役安全性。特别是在一些关乎我国核心领域智能装备装备，这方面数据尤为缺乏，不少核心零部件依旧依赖进口。2.3材料服役安全大科学设施建设指导思想该设施围绕我国工程结构材料安全服役所面临的重大需求和共性、关键的失效形式，以多尺度关联、多因素耦合、加速模拟试验及相关性、失效过程的经时非线性行为，以及预测预报方法等研究试验方法为突破点，通过自主设计和集成创新，建设了以可重构、分布式、多尺度、多因素耦合为特色的工程结构材料损伤试验装置和仿真试验系统，构筑重大工程结构材料服役安全试验装置，形成材料试验与大尺寸工程结构材料试验相互结合、物理模拟与数字仿真互为补充的科学研究试验条件，使之成为国际上综合功能突出、整体水平达到世界一流的大型科学研究试验装置，大幅度提升我国工程结构材料服役安全研究的试验能力和水平，为建立服役安全研究的试验方法、预测预报方法和促进新材料的发展奠定坚实的科学基础，为建立我国工程结构材料服役安全评价体系，保障社会公共安全和建设资源节约型、风险防范型社会奠定科学技术基础。3服务与推动智能装备产业高质量发展路径对于需要高可靠性的智能装备制造来说，只有掌握核心技术环节，突破价值链中高增值环节的进入壁垒，推动核心零部件的研发，才能突破“低端锁定”效应，实现价值链的优化升级并在全球价值链的分工中占据相对主导地位3。当前，我国智能装备领域，部分核心关键零部件依赖进口，突破关键零部件制造技术的核心并非材料科学基础理论和工艺技术问题，主要是针对实际服役工况的材料及构件性能数据，特别是多环境与复杂载荷耦合条件下从微观到宏观尺度性能数据不完备，关键核心数据缺乏。材料服役安全大科学设施正是基于开展针对性物理与仿真协同试验，从而真正提升我国制造业核心竞争力。3.1提升智能装备结构材料研发应用能力工程结构材料的研发、制造和应用的协调发展是一个国家材料产业健康发展的前提。长期以来，我国在新材料的研发、制备方面投入了大量的人力、物力和财力，为我国工程建设的发展奠定了很好的基础，但是在工程结构材料应用的相关领域研究相对落后，制约了我国材料产业的整体发展。重大工程结构材料服役安全试验装置使我国摆脱目前工程关键材料研发与工程应用严重脱节的困境，逐步建立以工程结构材料实际应用为需求的新材料研发机制，提升工程结构材料的环境适应性和可靠性，提升我国工程结构材料选材、设计、制造的科学性和合理性和使用工程中的可靠性，促进相关标准、规IM主题策划 Theme Plan44 2024年第1期范体系的建设进程，大幅度提升我国工程结构材料设计、制造和应用的能力和水平。3.2提升智能装备综合安全性能评估能力智能装备除了其物理结构可靠性以外，其控制系统、感知系统、驱动系统和计算系统等功能材料越来越呈现出系统庞杂、器件繁多、耦合性大的情况，各系统保持高可靠性方能使整个装备处于稳定运行状态，而大量全新应用场景特别是处于野外作业的智能制造，其功能材料系统也同样经受着复杂恶劣工况环境及多种载荷耦合的考验。深入、系统、全面的对智能装备功能材料各系统及整体运行服役状态的研究，分析其失效模式、原因、规律和机理，探索各系统物理结构形式、连接方法对智能装备服役性能、使用寿命及作业强度的多因素重要影响，建立智能装备综合服役可靠性的新理论、新原理和新方法，发展新的失效模型和判据，将大幅度提高对智能装备寿命预测预报的科学性和正确性。3.3大科学设施助力智能装备创新加速促进智能装备高质量创新发展的核心是将新材料、新工艺、新技术等创新成果产业化规模化运用于工业化规模生产。目前，大量科技创新成果与产业化之间最大的瓶颈问题并非在实验室条件下制备困难的问题，而是在实现规模化、产业化、产品化过程中，如何解决其在真实工业环境中可持续稳定健康运行的问题。当前，各工业制造领域要解决的已不是制造不出的问题，更多是能否用的好的问题，在这两者之间，存在一个关键环节，即我们制造的智能装备产品，是否能够量化其在不同的服役环境下的服役性能，而量化的关键是掌握失效行为关键数据。4典型机电产品新设计、新产品的概念验证与快速投用案例分析北京 2022 年冬奥会是奥运历史上首次采用氢气作为主火炬燃料，同时也是首次将最后一棒作为主火炬，氢燃料供应系统配套的储氢、减压装置和姿态调整执行机构均无低温环境使用先例，其低温性能必须保证万无一失。我中心自然环境腐蚀实验站拥有自主设计的大型综合环境试验舱，该舱可将温度、湿度、淋雨、盐雾、光照和污染气氛等多环境因素进行耦合，开展从材料到器件和整机的环境适应性评价与测试4，如图 1 所示。利用该装置，实验团队开展了一系列主火炬氢燃料供应系统从方案验证、关键部件筛选到长时间连续运行低温环境可靠性评价工作。评价测试合格后的整个系统直接运往鸟巢、张家口等冬奥现场服役使用，完成了主火炬氢燃料供应系统低温环境可靠性评价任务。图 1自然大气环境结构材料试验装置投稿网站：Theme Plan 主题策划IM 2024年第1期 455大科学设施服务智能装备产业路径展望讨论5.1加强产教双向驱动，针对智能装备研发痛点难点精准发力充分发挥大科学设施装备与科研优势，服务和支撑产业高质量发展，首先需要结合产业发展趋势和当前难点、堵点和痛点，开展联合攻关。目前工业企业对基本上都已具备“质量意识”，能够普遍针对产品质量开展相关检测工作，但我们也应当看到，在很多关键核心领域，特别是对于产品服役性能方面，很多高端产品依旧被国外产品所垄断，很多核心性能参数依旧是我们进行产品开发和创新的短板。针对这种情况，企业往往迫于经营压力，对于对标国际高端产品进行开发的动力略显不足，对自身产品存在的客观性能短板往往避而不谈。而大科学设施的试验与评价能力需要对行业痛点和共性关键技术有针对性的开展精准试验与数据积累，首先需要和企业一起梳理痛点，才有可能通过科研和试验设计，找到提升产品服役性能的技术解决路线，通过联合开展攻关，结合现场在役装备数据，最终达到提升产品综合性能、形成自主创新路径的效果。5.2瞄准智能装备应用场景开展精准对接，强化和引导核心需求不同行业和生产领域对于智能装备的服役性能需求不同，生产工艺流程和实际工况的千差万别也决定了创新路径大相径庭。材料服役安全大科学设施面向不同类型智能装备研发与生产企业的创新与服役安全评价需求，在开展测试评价与科研服务的同时，进行服务模式与开发路径研究。一方面需要不断深入企业，对企业遇到的问题和困难结合不同的工艺流程进行分析梳理，寻找技术突破口；另一方面，也需要引导企业、设计单位和科研机构结合智能装备产业发展趋势和创新需求，学习和掌握材料服役安全科学与大科学设施在创新过程中的功能和优势所在，从而和国家科学中心更好的开展协同创新、联合攻关。为此，国家科学中心自验收建成以来，广泛开展面向各行业的学术与技术交流研讨，目前针对智能装备产业如无人车、大型风电系统等陆续面向相关技术人员群体开展了大科学设施测试与评价业务培训，产教融合效果正在逐步显现。6结束语材料服役安全大科学设施经历了十余年的规划设计与建设，整体建设和测试评价能力处于国际一流水平，核心和关键在于紧盯终端用户和终端应用场景，同各行业创新链上的企业、设计单位和科研机构开展广泛且有针对性的对接，不断提升测试与评价服务能力，针对不同类型的智能装备创新需求提供技术解决路径与方案。同时充分发挥十余年在大科学设施研制开发与服役评价方面的经验，支撑与协助当前在长三角、大湾区等地区逐步形成具有特色的世界级智能装备产业集群创新高地，有效支撑我国高端制造产业由大到强。参考文献1 加快提升产品可靠性水平，助力制造业高质量发 展 J上海质量，2023(7)：4-5.2 万勇，董金鑫，冯瑞华，等全球新材料领域基础研究发展态势及对我国的启示 J世界科技发展与研究，2023(45)：409-517.3 刘会政，朱光中国装备制造业国际分工地位及提升路径研究 J国际商务对外经济贸易大学学报，2018(5)：13-23.4 丁佳，廖洋我国腐蚀损失 N中国科学报，2016-06-03.收稿日期：2024-01-02