让科技之光照亮梦想

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2021-04-21

40多年前,车间工人的经历在王虹心中撒下了一粒种子——希望能通过科技改变底层工人的现状。
40多年后的今天,早已成为中国煤炭科工集团首席科学家的王虹,目标还是没变——希望通过科技创新,为我国煤炭安全高效绿色智能开采进一步做出贡献。
对于王虹而言,时间、荣誉、奖励,在他身上似乎并没有产生多大影响,所思所想所做一如当初。但也正因如此,他才能向着心中的梦想一步步前进,将之变成现实……
科学的春天
对于很多人来说,1977年恢复高考是段不可磨灭的记忆,因为有它的存在,许多人的人生被改写,王虹正是其中之一。
“每次回想的时候都觉得非常感慨,真心感谢这次机会,给我们带来了一个非常难得的机遇。”王虹说道。
在恢复高考之前,因高中毕业后无书可读,王虹曾有3年四处辗转的经历。那时,万分迷茫的他曾先后尝试过多个职业,最后被分配到一家炼钢厂当工人。每天开着机车在车间循环往复的日子里,王虹一度觉得这辈子可能都将在车间度过——幸好,这样的日子在1977年迎来了转折。当收到恢复高考的消息时,王虹知道,自己终于有机会改变命运了。
得益于此前扎实的基础与考前的挑灯夜读,1978年的秋天,王虹成功考入了中国矿业学院机械设计专业就读。填报志愿前,再次回想此前炼钢厂车间的经历,王虹深刻体会到了底层工人的艰辛:一方面,繁重的体力劳动让人身心受损;另一方面,低水平的机械装备也带来了极大的安全隐患,安全事故频发,令人触目惊心。
“当时我就想,如果我能在机械设计方面有专长的话就好了,不仅能设计更加可靠的设备,还能解放劳动力。”就是这样的想法促使王虹选择了中国矿业学院机械设计专业,并且在后来的工作生涯中持续钻研了近40年。对于王虹而言,这一年不仅是科学的春天、人才的春天,更是他科研事业的春天——在这个季节,他撒下了科研事业的种子。
为了让这颗种子茁壮成长,大学四年,王虹与其他老师同学一起度过了非常难忘的学习时光。因为一场十年的浩劫,重新聚在大学校园里的这群人万分珍惜来之不易的学习机会,清晨林间、夜晚走廊,总能听到同学们朗朗的读书声,那是一个让人十分向往的求学年代。
为响应清华大学老校长蒋南翔“为祖国健康工作50年”的号召,那时在用功读书之外,他们还刻苦锻炼身体。强健的体魄正是实现梦想的根基,有了革命的本钱才能传承终身事业。
“我们的大学时代真的非常有意思,班级里我的年龄属于中等偏小,有一些大我一轮以上的大哥哥、大姐姐,他们对社会的理解、对重新学习的理解比我们更深,所以在学习上也更加刻苦,给我们做了非常好的榜样。”王虹笑着回忆。
不仅是同学,教师们同样如此。此前10年的大学人才培养断层,这些知识渊博的学者没有可发挥的平台,心中的抑郁更不用言说。当再回到三尺讲台前,他们心中唯一的愿望就是将知识的种子薪火相传。
“大学期间,我们所感受到的精神与知识的洗礼影响终身。”王虹说道,对他而言,大学最重要的并不是学科知识的积累,而是学习提出问题、分析问题与解决问题的能力。“这样的能力锻炼对我后来的职业生涯产生了极大影响。”王虹说。
1982年,从中国矿业学院毕业的王虹被分配到煤炭科学研究总院太原分院。10年的人才断层,把以王虹为代表的第一批优秀高材生迅速推到舞台前。很快,他就迎来了扬帆起航的契机——被任命为“八五”期间重点科技攻关项目“EBJ-160重型懸臂式掘进机”课题副组长,之后又成为了组长。
在煤炭开采领域,我国综掘技术发展严重滞后于综采技术,大型掘进机长期依赖国外进口。由于我国煤矿地质条件复杂,国外设计理论不适合国内掘进机研发。20世纪80年代以来,采用国外经验公式设计的掘进机,存在非常严重的截齿磨损严重、齿座崩裂、排屑困难等问题。正因如此,我国首台重型掘进机项目“EBJ-160重型悬臂式掘进机”于“八五”期间应运而生,王虹赶上了最好的时代。
机遇越大,挑战也越大。由于此前10年的人才断档,彼时的煤炭科学研究总院太原分院,人才水平参差不齐,年龄差距也大,如何以一个刚工作不久的年轻人的身份管理这样的团队?王虹面临的压力着实不小。思考良久之后,他决定采取“两头抓”策略:一方面让团队成员自由思考,提出他们的解决方案;另一方面则是通过不断向老一辈科学家学习,提出自己的方案。这样一来,团队集思广益,想的问题更加全面,视野也更加开阔起来。
“学习非常重要,当时院里有一批非常优秀的老专家,跟着他们学到了很多宝贵经验。”王虹说道,“不过要想把团队管理好,最重要的还是要有担当。作为团队带头人,首先就要有身先士卒的决心和勇气,不怕脏不怕累,绝不能投机取巧。”
正如他所言,在牵头组建国内第一个重型掘进机研发团队之后,王虹投入到了日夜攻关的艰难岁月中。那时,国内掘进机处于刚刚起步阶段,所有资料都是空白,国外试验方法与检验标准也面临严格保密状态,王虹与团队陷入了一穷二白的攻关状态。
“设计必须要有自己的理论体系,否则根据外形设计出来的只能是‘山寨’。”没有可供参考的资料,他们便根据试验来建立自己的标准体系,通过不断设计、试验的过程来找出规律。在开展大量试验研究之后,他带领团队构建了截齿转角、仰角、倒角、打击角、单刀力、截线间距6个截割能力主控参数的力学模型,揭示了高效低比能耗岩石截割机理,首次建立岩石截割单刀力计算方法,提高了破岩能力。之后还开发出三螺旋线截齿布局的抛物线截割滚筒,通过自主研发的齿座自动定位系统保证了齿尖定位精度,优化了截割块度,滚筒寿命提高1倍,截割比能耗降低30%以上。
10余年的日夜攻关终于取得了巨大成功——我国首台EBJ-160重型悬臂式掘进机诞生了。在王虹的带领下,团队解决了重型掘进机适应狭长空间的小体积大功率传动技术难题,同体积掘进机装机功率提高60%。在同煤马脊梁矿岩石硬度f8.8~10.9、岩石比例52%、平均断面15m2条件下,月进尺从80m提高到280m,创国内同类条件掘进进尺新纪录。1999年,“EBJ-160重型悬臂式掘进机”项目获得了该年度国家科技进步奖二等奖。   第一个重大项目就让王虹站在了国家科学技术奖励的舞台,在常人无法想象的荣誉中,王虹却只感觉到了更加深刻的紧迫性,“对我来说,这个项目最大的收获其实是知道了掘进机是一个需要终身研究的课题。研究越深入,越感觉前面的路还有很长。”
向世界高峰发起挑战
一次重大成果、一项国家科学技术奖励究竟代表什么?在王虹看来,这其实只是一个加油站,要想真正改变中国长期落后的综掘技术与装备局面,只有通过持续不断的创新。一次成果不行,那就两次、三次……
20世纪末,在EBJ-160重型悬臂式掘进机刚研发成功之时,王虹又紧锣密鼓带领团队投入到了下一个更大的课题中去——研发EBJ-120TP型掘进机。
彼时,尽管国内已引进了26种世界先进国家的掘进机,有些掘进机在一些功能方面具有优势,但在其他方面又有明显不足,普遍存在截割硬度低、功率小、可靠性差等问题。基于前期EBJ-160十余年的攻关经验,王虹深知,此时已到了集大成掘进机的诞生时机。为此,他带领团队义无反顾地向这一世界高峰发起了挑战。
作为煤炭开采的核心装备,掘进机核心作用就是截割岩石。在研发掘进机过程中,其所携带的齿间单刀力的设计至关重要,单刀力越大时切割岩石的能力也就越大。为此,他带领团队在这一核心领域不断开拓创新。
在多方探索尝试之后,针对硬岩截割对截齿高强度钎焊的要求,他们研发了“三高”大直径合金齿尖,首次开发了真空炉钎焊淬火连续工艺,提高了截齿综合机械性能,截齿消耗降低65%;针对截割头破岩能力低的问题,提出了基于高可靠性焊接强度的小直径滚筒大单刀力设计方法,单刀力提高30%以上。
针对截割岩石产生的火花和粉尘问题,他们还发明了高可靠性内喷雾旋转水封浮动装置,水封寿命提高10倍以上,保证了作业环境和安全;针对装运机构故障率高的问题,发明了液压马达直接驱动星轮机构,替代传统锥齿轮减速箱驱动蟹爪机构,实现掘进机连续装载的技术变革,故障率下降50%以上;针对大坡度条件适应性差的问题,研发了碟形弹簧制动器替代球面蜗杆自锁机构,实现掘进机16°坡度正常作业……
2000年年初,国内首台高普适性EBJ-120TP型掘进机终于研发成功,其截割岩性和断面适应性显著提高,在平煤集团月进尺从平均195m提高到400m以上,达到了国内外同类机型最好水平。该机还创造了单一型号掘进机应用1500台的世界纪录,推动了掘进机全面国产化,实现了我国巷道掘进从炮掘到综掘的飞跃。
不仅如此,EBJ-120TP型掘进机诞生之后,还以进口价格三分之一的成绩迅速占领国内外市场。性能更强、价格更低,在它的带动下,国际掘进机的价格开始不断下滑。而在国内取代进口的同时,EBJ-120TP型掘进机还同时实现了掘进装备“走出去”,为提升我国装备制造能力做出了重要贡献。
2004年,“EBJ-120TP型掘进机的研制与应用”项目获得了2004年度国家科技进步奖二等奖。短短几年时间,王虹团队再一次创造了奇迹。
“EBJ-120TP型掘进机到现在还在生产,相信在很长一段时间内它的世界纪录都将持续保存下去。”王虹介绍。不过,尽管对于EBJ-120TP型掘进机而言,研发工作已告一段落,但对王虹团队来说,创新却永无止境。
在EBJ-160型掘进机与EBJ-120TP型掘进机之外,这些年来,王虹还带领团队开展了多项创新研究:主持EM1A-30型掘进机研制、完善提高EBJ-160型掘进机履带可靠性研究、重型采掘锚机组前期研究及提高硬岩截割头可切割性和耐磨性研究;国家“七五”科技攻关项目EBJ-110型半煤岩掘进机;国家“八五”攻关项目EBH-132型掘进机、提高AM50型掘进机电气系统主要元部件可靠性研究;山西省经济结构调整“1311规划”重点高新技术项目短壁机械化开采关键设备;科技部项目大功率重型刮板输送机、转载机、破碎机开发研究;国家发改委国家十大重大装备研制项目年产600万吨大采高综采成套技术与装备……
30余年来,由王虹团队开发的掘进技术装备已在全国42个矿区成功应用,累计销售超过3000台,推动了掘进技术装备水平不断进步,掘进效率和安全保障程度大幅提升。从2000年到2017年,我国综掘机械化程度从12.8%提高到54.0%,掘进速度提高3倍以上,掘进作业人员减少60%以上。相關产品在取代进口的同时,实现掘进装备“走出去”,先后出口到印度、澳大利亚、俄罗斯等国家,提高了掘进装备的全球市场占有率,支撑我国成为掘进机研发制造大国,全球90%以上的掘进机由国外制造转变为中国制造。研究成果引领了世界掘进技术装备发展,实现了掘进技术的跨越,为推动我国掘进装备从单一到成套、从机械化到智能化发挥了不可替代的作用。
“一次成功不难,难的是不断突破、不断创新。”王虹用实际行动向国内外证明了中国团队的自主创新实力!
用技术“顶天立地”
我国经济快速发展背后,其实隐藏着的还有能源过度消耗的现实。当今世界,积极发展可再生能源已成为世界各国的战略共识。但尽管如此,作为一个“富煤少气贫油”的国家,煤炭工业仍然占据着我国能源的绝对主导地位。
“为了能源可持续发展,近年来我国已不断调整能源使用战略,出台了多项可再生能源鼓励政策,尽管如此,煤炭能源的使用仍然超过了50%,剩下石油、天然气只占据了百分之十几,可再生能源同样如此,中国的能源安全离不开煤炭。”王虹介绍。也正是在这样的严峻现状下,煤炭能源高效绿色开采显得更加至关重要起来。
在煤矿开采过程中,巷道掘进是井下开采的先行基础工程。我国煤炭赋存条件复杂多样,国外综掘装备不能满足国内煤矿现场需求。数10年前,我国综掘技术发展严重滞后于综采技术,半煤岩及岩巷综掘工作面单进不足目前水平的1/3,且用人多、安全性差,采掘严重失衡,巷道掘进成为煤炭安全高效开采的“卡脖子”环节。为了这一核心关键技术,王虹持续开展了近40年攻关。   40年前,刚从炼钢厂车间出来的王虹,希望能通过先进技术减轻底层工人的负担,现在同样如此。对他而言,在煤炭能源领域,先进的技术及装备设施,“上”可以提高煤炭能源高效清洁开采水平,保障国家能源安全;“下”还能减轻煤炭工人的负担,降低煤矿事故隐患。这一“顶天立地”的梦想促使着王虹持续创新,不断前行。
“这些年一直在提倡智能制造,在我看来,煤矿是最需要实现智能化的领域。”王虹说道。
从20世纪新一轮工业革命至今,煤矿开采发生的安全事故一桩桩、一件件,令人触目惊心。王虹也曾亲眼见证,不久前还在与他谈笑风生的工人转眼间却深埋于矿山之中。那样的经历,足够令人终身铭记。科技的发展,最大的目的不就是为人类服务吗?越深入钻研其中,王虹越感觉到身为科研人员的责任与义务,尤其是在与人类生命安全相关的领域。“所有的智能化领域,煤矿最需要且必须要实现。”王虹掷地有声地说道。
在他的想象中,未来的智慧矿山应该是“井下无人、井上无煤”的场景。所谓“井下无人”就是矿山之下再不需要工人操作,所有的任务都由机器人进行,这样一来再也不用担心矿工的安全;而“井上无煤”即煤炭开采实现全流程封闭化,最大程度解决了煤炭能源另一隐患污染问题,真正实现煤矿高效绿色安全开采。
在这一目标的驱动下,王虹带领团队在煤矿智能化领域开始了持续创新。为解决掘进机问世后掘进和支护不能平行作业的“卡脖子”环节,在突破掘进机单机的基础上,他们首次提出掘支运时空转换模式和不同围岩条件临时支护方式,在保证控顶区域安全的前提下实现掘锚平行作业,并于国内外首创了掘支运“三位一体”快速掘进模式,提高了掘进效率,有力保障了矿井采掘接续和安全高效生产。
以“井下无人”为目标,他们开发的以掘锚机为龙头的快速成巷核心装备,首次将掘锚机组、智能锚护机器人、柔性运输系统、跨骑式转载机、机载式除尘装置用于快速掘进系统,平行作业时间由不足25%提高到90%;开发的掘锚机组超前临时支护系统,将空顶距由1.2m减至0.4m,为安全掘进提供了保障;发明了首台锚杆作业机器人,可根据煤岩特性动态调整扭矩,实现锚护连续安全作业,锚护人员减少50%以上。
而在“井上无煤”阶段,为提高快速掘进系统复杂地质条件适应性,他们还提出了“柔性运输+锚杆锚索多排多臂同时作业+协同控制”快掘系统后配套方式,实现了掘支运智能化协同作业,月进尺显著提高;开发了辅助运输系统,实现车辆智能调度,保证了掘进作业快速稳定推进,大大减轻掘进工人劳动强度,减少辅助运输人员50%以上;并发明了机载式除尘装置,工作面总粉尘浓度降低98%以上,呼吸性粉尘浓度降低95%以上,作业环境显著改善。
2006年,王虹及团队主持的项目“CMM25-4型四臂锚杆钻车”获得了山西省科技进步奖一等奖;2009年,“年产600万吨大采高综采成套技术与装备”项目又获国家科技进步奖二等奖。在他的带领下,团队一次次破解世界级难题,研发的大断面快速掘进系统在神东矿区最高月进尺就达3088m,创造了新的世界纪录,并成功推广到黄陵矿业、陕能汇森等大型煤炭企业。
40年来,从研发出我国首个大型综合掘进试验台开始,王虹带领团队真正实现了我国综合掘进机从跟跑、并跑到领跑的飞跃。如今,世界领先早已不是王虹团队的目标,因为包括掘进机在内,团队每研发出一台机器都已是世界级记录,中国的采掘装备站在了全球战略制高点,而他们的目标也已瞄准了国外市场,要将中国装备推向全球!
有团队就有未来
科技是国家强盛之基,创新是民族进步之魂。但在浩荡无垠的天地间,个人的力量再强大也如蜉蝣沧粟,转瞬间便湮没在历史的长河。在这40年漫长的科研时光中,如果还有让王虹有深切体会的地方,那就是团队。“我们的科技创新,成果只是一个表象,更重要的其实是你的团队。”王虹感慨道。
三获国家科技进步奖、多次创造世界纪录,这些年来,王虹带领团队取得的科研成果在令无数人感到惊叹之时,也不禁产生了疑问:为何他与团队能持续不断地创造世界纪录?
在王虹看来,这背后的关键一方面在于产学研用结合,另一方面就在于团队。产学研用,即要求他们与实际应用现场紧密结合。这些年来,为了研发出行业真正需要的产品,王虹带领团队每年辗转于各大煤矿现场,深入一线钻研探索研究,一边考察、一边研发。用他的话说,“如果我们的研究只停留在实验室而不与现场相结合的话,出來的产品只能与实际需求南辕北辙。在采掘装备研发方面,深入现场是第一要素。”
除此之外,对于王虹来说,实现持续创新的核心“武器”可能还是在于团队。“拥有一支综合实力过硬的团队比出一项成果、获得一项荣誉更加重要,因为有了这支团队,你才能源源不断地进行创新和产出。”作为国内第一个重型掘进机研发团队的组建者,王虹对此深有体会。在他看来,一支综合实力强大的团队,一定是专业配置合理、年龄结构合理的团队。
自20世纪信息技术诞生以来,学科之间的交叉越来越明显,单纯依靠个人的能力已很难再跟上行业的快速发展。正如掘进机研发过程,就需要分析、拆解、设计、组装等各部分不同人才来进行。
为了打破思维定势,获得创新助力,近年来,王虹所在的中国煤炭科工集团便将科技人才设立了四个层次,分别为院士、一级首席科学家、二级首席科学家、三级首席科学家,并同时成立了中央研究院,其组织机构主要包括建设关键共性技术研究机构、新兴产业技术研究机构、海外研发机构3类研发机构和1类功能性资源与服务中心,共同为集团科技创新服务。而基于数十年源源不断的创新力以及杰出的管理能力,王虹被任命为中央研究院首任院长。
为了进一步加强公司科研工作者创新能力的提高,他与集团还积极鼓励和发展跨专业、跨区域、跨单位的学术交流、科技交流及人才交流活动,并公费选派12名青年科研学者赴德进行为期1年的访学;与澳大利亚联邦科学与工业研究院建立了长期合作关系,并就导航系统、硬岩截割方面展开了合作;定期开展“煤炭开采技术发展高峰论坛”……   “个人的力量总是有限,科研的事业需要更多年轻人传承。”这些年来,为了培养更多优秀的年轻人持续创新,王虹不断探索实践,利用自身经验与知识,努力为年轻人创造更多可供发挥的舞台。
大学期间,自由包容的学术氛围一直让王虹深有所感。因此,后来数十年的团队管理中,他也一直积极倡导年轻人敢想敢问,挑战权威。
“敢于提出不同意见,不管是对年轻人自己还是项目而言都非常重要。”在王虹看来,向领导提出不同意见之前,他本人一定经过了一番思想斗争。在这样深思熟虑之后还是决定提出,首先就证明了他的勇气。“我认为能把问题表述清楚已经是一种进步。而要是有人提出了高质量的想法,对我们整体课题研发也将起到积极促进作用。”王虹说道。
在他的倡导下,团队会议讨论时总能听到不同的声音。在这里,所有人不分岗位、不分年龄,向着同一个目标前进。
“我希望團队成员都能有自己的目标和想法,这样才有可能在未来成为出类拔萃的人才。不过,在志存高远的同时,也不能忘记脚踏实地,这一点非常关键。”王虹提到。
基于自身经历,王虹总是鼓励年轻人勇担重任,在实际项目中锻炼综合素质,并积极为他们创造平台。在他的影响下,团队一批又一批年轻人迅速成长起来,并成为我国巷道采掘领域中流砥柱。
“事不必躬亲,给年轻人更多的机会锻炼,他们才能成长。”尽管作为团队负责人,王虹却从未想过一直立在前面。在他看来,个人的能力终究有限,而他想做的从来不是一个人的事业。
巷道掘进,作为井工煤矿安全高效开采的核心环节,需要更多人进行传承。昨天的世界纪录只能停留在书页,只有持续不断的创新才能保持领先。并且,他们的终极目标也从不在争夺第一,而是通过科技为人类服务。智慧矿山的畅想还没实现,需要他们的地方还有很多……

THE END

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