向铁路科学技术的深度和广度进军

马梦珂

夯基垒石，基础研究是科技创新的源头。2020年，在中国科学家座谈会上，习近平总书记提出，要持之以恒加强基础研究，广大科学家和科技工作者要坚持面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求、面向人民生命健康，不断向科学技术广度和深度进军。

“四个面向”是中国科技工作的新坐标。近年来，在中国铁路工程领域科学家的不懈努力下，以高速动车组、大功率机车、铁路货车、城市轨道车辆为代表的中国制造系列产品，已达到世界先进水平，能够适应各种复杂的地理环境，满足多样化的市场需求。尤其是在高速列车车体技术、全线铺设无砟轨道、铁路数字移动通信系统、高速铁路列车运行控制系统、列车调度和安全监控等硬件软件和工程应用领域，都处于全球领先水平。

无论是硬实力还是软实力，中国铁路的发展归根结底要靠科技人才的实力。西南交通大学材料与工程学院博士生导师苟国庆教授在前辈引领下，带领年轻的科研团队，致力于解决铁路机车的焊接结构无损检测技术、焊接工艺的研究及成果转化等，形成了一系列创新研究理念，在中国高速发展的铁路事业中得到广泛应用。

深度攻关“残余应力”

内应力又称残余应力，是指金属或非 金属材料在机械加工过程中残留在内部的应力，内应力如果达到了一定的数值，就有可能造成关键部件结构失效，材料、部件脱落断裂。残余应力是影响轨道车辆服 役安全可靠性的重要因素。历史上有许多因残余应力过大导致的灾难性事故，如美国历史上发生的桥梁垮塌，1998年德国高速列车车轮断裂导致列车脱轨等。甚至包括日本福岛核电站的核泄漏，其中也有着残余应力的影响。

西南交通大学致力于轨道交通列车关键科学问题的研究，以及先进技术的研发，是中国铁道领域创新研究的顶尖高校。苟国庆2006年从西南交通大学材料加工工程专业硕士毕业后留校任教，随后又获得材料学专业博士学位，他对磁悬浮列车等产品的残余应力、疲劳和腐蚀、断裂等问题有较深的见解，和团队提出了一系列创新研究的理念，相关研究成果均在中车下属企业广泛应用。

苟国庆团队研究发现，以铝合金为主要材料的轨道车辆，其关键结构的残余应力峰值可达140MPa以上。准确获得高速列车关键部位的残余应力分布状态及数值，对于评估高速列车的安全可靠性及保障其安全运行是非常有必要的。然而研究表明，高速列车的材料属性、微观组织、表面粗糙度，甚至不同的残余应力检测方法都会带来较大的测试误差，给获得准确的数值带来了困难。

传统上，相对成熟的残余应力检测技术主要有中子衍射法、X射线衍射法、小孔法，但由于受到测试材料、结构尺寸、表面质量、检测费用、测试精度等制约，不同的检测方法均有一定的局限性。其中X射线法是目前国际上公认的一种快速、准确的无损检测方法，包括上海交通大学姜传海教授、西安交通大学何家文教授在内的一大批顶级专家都为X射线法在检测重大装备残余应力方面作出了巨大的贡献。

残余应力的超声波检测技术因其无损、快速、安全、成本低等优点受到国内外学者关注。包括北京理工大学徐春广教授、哈尔滨工业大学方洪渊教授在内的国内外顶级专家都为超声波法检测重大装备的残余应力、螺栓预紧力作出了重大的贡献，推动了超声波法检测应力的快速应用。而苟国庆及其团队研发了高速列车关键结构焊接残余应力的超声检测技术、发明了残余应力实时测量方法、研制了超声波残余应力检测及在线监测装备系统、建立了残余应力数据库。

2014年，苟国庆参与了中国高铁标准动车组结构件及部件的相关测试研究，时速350公里下，标准动车组的残余应力情况及对结构的安全性影响如何，是他和团队重点研究的课题。苟国庆带着团队成员和博士、硕士研究生们，聚焦标准动车组相关部件从原材料到大部件组装、整车生产及在线服役，从底架到侧墙、车顶到司机室，都进行了大量深入分析、测试、研究，最终为中国高铁标准动车组的安全运行提供了一份沉甸甸的可行性研究报告。

成果转化应用广泛

“首先是基础性的研究，研究焊接结构，腐蚀产生的原因及带来的缺陷，评估其发生断裂的概率和对寿命的影响。其次是把相关研究成果进行工程化转化，在中车青岛四方、中车唐山、中车南京浦镇、中车广东、中车株洲等生产单位中应用。”无论是“顶天”的基础科学研究，还是“立地”的应用转化研究，在苟国庆的眼中一直都是相辅相成的必要研究，多年“顶天立地”做科研，收获的是硕果满园。

早在博士阶段，苟国庆的论文就是针对残余应力的相关研究。同时，他又参与到大量国家级、省部级的研究项目中，获得了一系列基础性的研究数据，深入了解了各种车型的应力分布情况、接头的设计情况，结构的疲劳情况、断裂情况和腐蚀情况，以及应力的主要影响因素等。针对同样的车型应该使用什么样的材料，他在实验室和现场都做了大量的实验。在导师陈辉教授和专业创始人王元良教授的支持和帮助下，经过多年打磨，苟国庆和团队写出了《高速列车中的残余应力》一书。2015年12月份该书编撰出来以后就一直在西南交通大学本科生和研究生的课堂教学中使用。2017年，苟国庆和团队参与研发的“高速列车关键部件激光-电弧复合焊接技术”获得了四川省科技进步奖一等奖，其中残余应力的研究就是最为重要和关键的贡献之一。

在飞机等某些特殊装备上，相关部件的组装靠的是螺栓而非焊接。使用螺栓連接时，通常需要施加一个“预紧力”，又被称为轴向力或扭矩。在使用过程中，由于环境的变化，预紧力可能会逐渐减弱、消失，螺栓就容易发生松动，最终导致相关部件随之脱落，飞机也发生失效。如果受到外力影响，预紧力过大，螺栓就可能被拧断，同样会导致飞机发生失效。

在轨道列车的生产研发中，苟国庆和团队深度参与、深入研究，针对轨道列车中的螺栓预紧力进行检测分析。“检测过程中不仅需要有相应的检测设备，还要有足够灵敏的传感器、晶片，并结合5G技术的应用等。”在新西兰奥克兰大学访问时，苟国庆曾跟随新西兰皇家科学院兼工程院院士高唯教授研究学习，随后共同参与研究螺栓预紧力的检测分析。他们率先建立了基于5G和北斗定位技术的螺栓预紧力检测系统，如今已在中国中车下属的多家企业、国家电网和三峡电站等单位中得到了广泛应用。

“我们现在给其中一个水电站做的监测系统，已经监测到将近1亿个数据，极大地降低了企业的安全风险，同时也使工人的劳动强度得到了极大的缓解。”苟国庆说，水电机组都在地下，有将近400米的深度，以往工人要乘坐电梯深入100多层去手工操作判断上千颗螺栓的运行是否可靠，工作量大、环境恶劣，给工人施工作业造成了极大困扰。有了螺栓在线监测系统，工人基本可以每隔一两个月再下去施工作业。

科技创造是创新发展的重要支撑，科技应用是创新驱动转化的媒介。无论是基于超声波的残余应力检测和在线监测系统还是针对螺栓预紧力的检测和在线监测系统，如今都已经得到了比较广泛的应用。在苟国庆看来，未来这两套系统在核电、航空航天等领域也将进一步加强推广。截至目前，苟国庆和团队主持、参与了多达30余个科研项目，积累了相关国家专利30余项，累计研究经费近2000万元。其团队研发的超声波螺栓预紧力检测系统、超声波残余应力检测系统也得到了市场的青睐，上市公司达威股份就对这些产品关注度极高，并且进行了投资，相关产品也正在依托四川优安协创科技有限公司进行市场化推广。该团队的“超声法螺栓预紧力无损检测”项目获得了第六届“创客中国”四川省中小企业创新创业大赛暨第四届“创客天府”创新创业大赛全省总决赛二等奖的好成绩，并即将参加全国总决赛。

坚定中国科研自信

人是科技创新最关键的因素，创新的事业呼唤创新的人才。西南交通大学肇 建于1896年的山海关北洋铁路官学堂， 此后虽屡迁校址，数度更名，却以唐山交通大学扬名海内外，素有“东方康奈尔”之美誉，尤以土木、矿冶两学科独树一帜。茅以升、竺可桢、林同炎、黄万里、姚桐斌、陈能宽都是西南交通大学闻名遐迩的校友。1952年经院系调整，更名为唐山铁道学院，专事轨道交通人才培养。1972年起定名为西南交通大学并沿用至今。

从“天眼”探空到“蛟龙”探海，从页岩气勘探到量子计算机研发，众多重大科技成果的问世，莫不源于科技工作者的忘我投入、奋力攻关。西南交通大学焊接专业的创始人之一——王元良教授是苟国庆的授业恩师之一，曾参与过南京长江大桥、武汉长江大桥等重大项目的焊接机构设计、疲劳评价等工作。92岁高龄的他依然精神矍铄，在80多岁的时候仍然坚持每个月写一篇文章、每年出一本书。“85岁的时候，他带着一帮年轻的老师和学生，研发出一个太阳能的焊接车。前两年，他还经常把我叫到家里去训话，指导我做的一些研究需要怎样改进。”苟国庆说。专业的另一位创始人王一戎教授同样是苟国庆在科研道路上的引路人。他80多岁的时候耳不聋、眼不花，经常做运动，有年轻学生不认识他，还在实验室里埋头做实验。去做实验的时候，他还热心地帮年轻学生磨试样。一次，苟国庆发现磨样很好，问学生是谁磨的，学生回答是“老师傅磨的”，有些学生甚至不认识王一戎教授。苟国庆告诉他们“这可是我们焊接专业的创始人”。焊接专业的学科带头人陈辉教授是苟国庆的恩师，他长期工作在科研一线，非常熟悉和了解高速列车、高速铁路的科技前沿的发展动态，经常帮助苟国庆、刘艳、朱宗涛等年轻老师和学生梳理前沿科学问题和关键技术难题，促使西南交通大学的焊接专业始终走在国际前列。

2013年、2017年分别赴加拿大多伦多大学、新西兰奥克兰大学访问学习期间，苟国庆不仅了解了更多国际前沿的研究工作，在科研理念和人才培养上也有了更多思考。在加拿大时，他的合作导师王执锐教授是我国首批出国留学的研究生之一，在研究材料的疲劳、断裂方面具有极高的学术造诣。在世界顶级大学多伦多大学的实验室里面，苟国庆深刻地感受到了科学研究的魅力，更加坚定了投身科学研究的信心。在新西兰时，院士导师高唯希望他去做一些特别前瞻性的研究工作，如纳米压电晶片、纳米传感器……在导师指导下，苟国庆做了大量的研究工作，并参加了多次相关领域的国际会议。后来，在开发残余应力检测和在线监测系统及针对螺栓预紧力的检测和在线监测系统时，苟国庆不买成品，只买原材料，让自己的学生团队自己编制软件、自己做硬件，学生们因此大受锻炼，不仅懂硬件也懂软件，不仅懂电路还懂调试。这成为苟国庆团队的特色。在治学理念上，他倡导融汇交流、互学互鉴甚至可以相互“批判”，导师给学生提供理念上和框架上的建议，同时也吸收学生的创新思维。“跟学生接触过程中，我觉得不仅自己有付出，我从学生那儿也学到了很多东西，许多年轻学生的想法可能更先进。有时候我们进行项目交流或者研究时，我会鼓励他们提出批判性的意见建议，希望他们在自己的研究方向上比我更加专业、理念更加先进。”苟国庆说。

科研之外，苟国庆鼓励学生要有一个良好的身体素质，甚至“强迫”自己的学生每天必须坚持跑步，保持良好的身体素质和充沛的精力。其次，他鼓励自己的学生要“能吃亏”，有正确的价值观。此外，他认为团队的核心精神在于团结，只有团结的科研团队，才能产生更多的创新成果。他常鼓励学生说：“既然老天安排你学了这个专业，你只要能够坚持，有一个好的身体和好的心态，几十年如一日地去做一件事情，你就一定会取得成功的。”如今，苟国庆正带领学生在关于残余应力等领域的基础研究和应用研究中不断向深度和广度探索。

作为西南交通大学材料科学与工程专业的博士生导师，苟国庆深知，自己在带领团队做好重大科研创新和成果转化的同时，也承担着培养青年科技人才，打造高水平创新团队的重任。一方面是艰巨的科研任务，另一方面是担任研究生导师，此外还要承担本科生的课程、本科毕业设计的指导等，尽管非常忙碌，但苟国庆仍常对自己的学生讲述中国科研的“大时政”话题，让学生对中国的科技创新有信心、对自己的科研方向有信心。在他看来，党的十八大以来，中国坚持创新驱动的实质是人才驱动，不断改善人才发展环境、激发人才创造活力，大力培养造就了一大批具有全球视野和国际水平的战略科技人才、科技领军人才、青年科技人才和高水平创新团队。人才的问题解决了，技术被“卡脖子”的问题也不断得到解决，中国学者的科研自信也越来越坚定。“70多年来我们国家在科技上取得了这么伟大的成就，无数的先辈做了大量的工作，我们有必要让学生对此充满自信。”苟国庆说。

茍国庆，西南交通大学材料与工程学院教授、博士生导师，担任材料先进技术教育部重点实验室副主任。本科、硕士、博士均毕业于西南交通大学，获材料科学与工程专业学士学位、材料加工工程专业硕士学位、材料学专业博士学位。2013年赴加拿大多伦多大学访问，2017年赴新西兰奥克兰大学访问。美国焊接学会注册焊接检验师（CWI）、中国机械工程学会残余应力委员会会员、四川省机械工程学会焊接专业委员会会员、四川省腐蚀与防护学会会员、四川省增材制造学会理事、四川省科技协同创新促进会先进材料专委会秘书长。Corrosion Science、Materials and Design、Jourimal of Alloys and Compounds等期刊审稿人。曾获四川省科技进步奖一等奖、成都市科技进步奖三等奖、天府焊接杰青奖、四川省教学成果奖二等奖、西南交通大学唐立新优秀学者奖，拥有相关国家专利30余项，其中发明专利20项。