□毛艳玲
2011年6月14日，在苏州昆仑重型装备制造公司（KHM）的3万吨液压机现代化的厂房内，一个3万吨缸，即液压缸（简称KHM—30000），内径达φ2060mm，工作介质压力达900大气压，长度达3.5米超大直径、超高压预应力工作缸通过了45分钟的保压实验。这是世界液压缸工程史上的一件大事。此前这一纪录为德国奥托福克斯公司（OTT OFUCHS）于上世纪60年代完成的3万吨液压缸（OTT OFUCHS—30000）所保持。综合功能、缸体结构、内压、材料、价格诸因素，完全可以肯定KHM—30000吨油缸超过了OTT OFUCHS—30000而成为世界第一缸。
消息传出，颜永年笑了，了解他的人都知道，他终于达成了心中的夙愿——突破了德国OTT OFUCHS公司的超大直径液压缸的整体锻造设计制造原则。
三花并蒂 绽放夺目光彩
颜永年，清华大学机械系教授、博士生指导老师，现任苏州昆仑先进制造技术装备有限公司和苏州昆仑重型装备制造有限公司总经理。
他师出名门，在清华学习的日子里塑造了他顽强拼搏的科研品格。毕业后，他时刻围绕国家需求确定研究方向，稳稳地站在科技的前沿。
重型金属成形制造装备与技术是颜永年最初研究的方向。新中国成立后，薄弱的经济基础决定其只能先行发展某些行业，重型液压机及重型锻件的领域虽为国家急需，但属技术条件不成熟的范畴，这也在一定程度上影响了新中国飞机产业的发展。随着经济实力的增强，国家开始加大此方面的投入，颜永年和课题组已经等待多时。对于能够从事国家急需的重型锻压设备的设计与制造工作，颜永年感到很幸福。他提出并采用了智能缠绕—坎合独创技术，使得近年来陆续制造完成的重型装备与国外同类设备相比具有明显的优势。
颜永年作为总设计师主持并亲自参与了当代我国有重要影响的5台世界级的模锻/挤压液压机：4万吨钣料成形压机（广州投产）、3.6万吨重型钢管垂直挤压机（包头投产）、1.5万吨闭式镦粗/穿孔压机（包头投产）、4.0万吨航空模锻液压机（西安2011年底投产）、3.0万吨精密锻/挤液压机（昆山2011年7月投产）。采用本团队转让的技术，我国科达机电集团于2010年生产了1200台4800～7800吨压机，其中许多为出口产品，创造产值约20亿元，为世界压机业界之最。
快速成形制造技术是颜永年的第二个主攻方向。1987年初，颜永年被公派到美国加州大学洛杉矶分校做访问学者。在那里他对美国3D Systems公司展出的世界上第一台快速成形设备产生了浓厚的兴趣。1988年底回国后，他在国内马上进行了普及工作，并邀请美国的J. Keverin教授等知名专家在国内巡回演讲。很快，有关快速成形制造技术的研究在国内兴起。1992年，颜永年在国内率先成立激光快速成形中心。几年的时间，课题组以绝对的优势获得了国家自然科学基金（包括重点基金）、国家“863”计划主题产品重大项目、国家攻关计划项目的支持，并取得多项成果。
此后，颜永年又提出采用多工艺平台、技术集成的研发路线，完成了我国第一台多工艺RP平台，同时完成了SL、LOM和SLS三种工艺的应用基础研究和早期开发，发展速度令国外同行惊叹。开发的多功能快速成形制造系统（M-RPMS）也因此获得2002年国家科学技术进步奖二等奖。在深入进行微滴喷射技术研究的基础上，他率领团队首次成功开发出国内第一台熔融沉积制造设备，并且已经做到产业化，占据国内主要市场，产品在产业界受到好评。他认为，必须立足于具有自主知识产权的技术，才能在参与国际竞争中占据主动。与数控制造技术相比，RPM技术的发展道路具有启迪意义。1997年，我国成立了全国快速成形技术委员会，颜永年被推举为主任。在此期间，他与张人佶等合作共召开了四次全国RPM学术会议和三次国际RPM学术会议。
生物制造工程研究是颜永年的第三大研究方向。世纪之交，他将制造科学引入生命科学和医学领域，探索生物制造（Bio-Manufacturing，BM）工程学科概念和框架体系，为制造科学的发展提出了新方向。其核心是把RPM技术中的离散/堆积原理应用于材料微滴、蛋白、细胞和分子单元的受控组装，用以探索活体组织、人体器官的修复与制造，以及仿生产品的制造。在国家“863”计划、国家自然科学基金和中港合作基金等的支持下，颜永年带领课题组在这个新兴的领域完成多项研究。他们提出了生物材料冷冻干燥快速成形等新工艺并开发了相应设备，研制出可进行细胞三维微滴组装操作的设备，使我国在该领域的多项研究走在了世界前列。
得偿所愿 问鼎世界之巅
颜永年和他的团队，从上世纪70年代就接触到重型容器和液压缸，他们一直考虑一个问题：整体缸如此多的问题，限制了许多重型装备的研制，为什么不能突破德国OTT OFUCHS公司的超大直径液压缸的整体锻造设计制造原则呢？
今天，颜永年和他的团队用KHM—30000吨油缸的问世，给出了肯定的答案。
学术上的突破
作为团队学术带头人的颜永年长期从事金属疲劳研究与教学工作，多年的工作经验，让他察觉到重型铸造结构件的抗疲劳能力可以通过施加合理的预应力而大幅度地提高，著名的疲劳分析High图充分说明了这一点。在循环载荷作用下，当铸造结构件上的平均应力小于零的情况下，可大幅度增加其抗疲劳强度，苏联原尺寸（M1∶1）试件证明ZG35疲劳极限可提高2.5倍。为什么不能用预应力的铸造结构件代替非预应力的锻件呢？缸体上，切向是第一主方向（最大主应力方向）、径向是第三主方向（最小主应力方向）而轴向是第二主方向（中间主应力）。采用钢丝缠绕施加预应力可使第一主应力换位，并大幅度下降。足够大的预应力可保证在额定内压作用下，原第一主应力既不大于零且该主方向上的拉应变也小于零。这就为课题组用预应力铸造结构代替锻造结构件提出了新的机理，奠定了提高抗疲劳抗力的理论基础。
有了这一理论认识，颜永年课题组在世界上第一个提出缸体剖分为四个1/4圆弧子结构，经巨大的钢丝层施加外压而组合（坎合）成一个完整轴对称的缸体，这是一个“柔性体”，在严重超载和偏载下，通过子件间压缩量的调整来保护整个缸体，这是剖分组合的坎合结构在强度科学方向的根本优势，这一观点反映了该团队和我国学者在这一领域的世界领先水平。
之后颜永年及其团队又解决了依据各层钢丝的剪应力等强还是拉应力等强来设计钢丝层的问题，推导了全套等剪应力缠绕理论，并经过大量的工程实践完善了设计规范。
2007年，颜永年带领清华大学重型装备团队成功地完成了世界上第一个剖分—坎合的实验预应力缸体，突破了这一工程上的禁区。2008年，颜永年分别带领中冶集团京唐重型装备设计团队和苏州昆仑重工设计团队，联合清华大学团队完成内径φ2960mm（内压为600大气压）和φ2060mm（内压为900大气压）两个世界领先的超大直径、超高压坎合液压缸的设计。
前者正在加工，将于2011年底完成试压；后者于2011年6月14日完成了试压，成为世界第一缸。
工程上的突破
苏州昆仑重工KHM—30000液压缸的成功研制，在工程上取得了宝贵的经验，积累了大量的工程学数据，是我国重型装备领域的宝贵财富。
该团队的设计和制造方法无须重型装备的“7654”技术路线（700吨钢水能力、600吨铸锭能力、500吨铸件能力和400吨锻件能力）的支持，彻底打破了工程上的不合理垄断现象。制造周期大大缩短，剖分—坎合的液压缸与整体锻缸相比，经济性十分显著，其造价可达到2.5万元/吨，为目前重型液压缸5万元/吨的水平降低一半。制造周期从1.5年降为半年。
KHM—30000液压缸为世界第一个剖分—坎合超高压液压缸，通过制造、预紧缠绕、安装、调试、试压过程，积累了大量的工程学数据，如缸体坎合体与芯筒预紧配合的关系，重型大间隙密封及导向结构和允许安装公差、活塞安装导入及间隙、导向套与缸体和柱塞两类间隙的协调与控制，原位装配和试压技术。此外，3万吨至数万吨力值标定与测试也是全新的工程和技术问题。KHM—30000吨液压缸的成功研制，应该说标志着我国工程界、重机界已处于世界该领域的领先地位。
光明的应用前景
KHM—30000虽然是一个液压缸，但其设计理念、制造方法和工程学数据在相当广阔的领域中，将被广泛应用，将贡献于世界重机界。
如超大直径超高压滑动密封补偿原理、计算分析、制造装配和测试，不但对φ2000的缸径，可扩大至更大的缸径。苏州昆仑KHM就完成15万吨的液压缸（内直径φ4600mm，内压900大气压）的密封补偿结构和整体缸体的设计。φ8000～φ10000mm的深海模拟器端口密封补偿设计也从KHM—30000得到支持。
又如具有预热和冷却实时闭环控制功能的重型挤压筒，剖分成4个子件通过预紧缠绕后形成了一个高技术挤压筒，比普通挤压筒轻60%以上；Equal Channel Extrusion装置也可以吸取上述剖分—坎合原理，更合理地分为若干子件，经预紧形成一个无应力集中，对超载具有极大冗余能力的复杂挤压装备。
重型热、温、冷锻和挤压模具，其圆角处必将引发不同程度的应力集中，是静强度、疲劳强度和高温强度的薄弱环节，采用KHM—30000相同的技术，在危险处剖分然后坎合起来不但降低了上述各种风险，加快制造进度，还使成本大大下降。
总而言之，颜永年和他的团队用自己的科研实力，向世界证明了：中国，“缸”强！
《科学时报》 (2011-07-01 A13 贺建党九十华诞 展科技创新风采)