科研―競賽融合賦能機械類研究生創新實踐培養

伊 鵬，田興輝，李福來

（中國石油大學（華東） 山東 青島 266580）

研究生是我國高層次人才培養的重要來源[1]，2009 年教育部推出了“全日制專業型碩士”的研究生培養新模式[2]。與學術型碩士相比，專業學位碩士研究生直接面向社會經濟建設，具有較強的職業性與專業性[3]。近年來，專業學位碩士研究生招生規模逐漸擴大，如何增強研究生的學術素養以及科研創新能力，提高專業學位碩士研究生的培養質量，以滿足經濟發展的需求，已成為學術界廣泛討論和研究的課題。

由于機械學科的學科交叉和通用性，機械類科研背景在理工類科研項目和工程相關行業等方面均發揮著較強的基礎學科作用，提高機械類研究生的創新實踐能力，是推動中國制造、提升我國裝備研發和制造業水平的重要舉措[4]。在專業碩士的培養上應更加注重其技術攻關能力和科研創新能力的提高，將科學研究成果與科技創新能力轉化為實際生產力[5]。產教融合是解決高等院校人才培養與產業需求脫節問題的有效途徑。2020 年，教育部指出，要強化產教融合育人機制，加強專業學位研究生實踐創新能力的培養[6]，將科研課題融入研究生教學培養過程，拓展研究方向，同時與學科競賽相融合，充分發揮學科競賽的引導作用，實現理論與實踐相結合[7]，提高研究生的創新實踐能力，構建高素質、應用型創新人才培養模式和方法。

科研活動和實踐是專業學位研究生培養的主要載體，將科研課題、創新成果、學科競賽、實踐應用進行有機融合，是提升研究生培養質量的重要探索[8]，因此本文以具體的科研課題為導入、以創新成果參與學科競賽為提升，探索科研―競賽融合賦能的創新實踐培養方法及其路徑。依托油氣裝備行業背景，將中石化勝利油田科研項目與中國研究生能源裝備創新大賽相融合，實現科研活動和研究生培養在時間和空間上的有效互動，促進研究生將理論知識和實驗室成果轉化為實際應用，能夠激發學生科研創新的內驅動力，推動研究生實踐創新能力的提升，切實提高機械類碩士研究生培養質量，推動機械工程專業高質量創新人才培養目標的實現。

1 科研課題―學科競賽融合方法

1.1 陀螺穩態鉆具研發

鉆井作業中鉆頭會受到沖擊和振動，嚴重影響鉆井效率、增加鉆井成本，項目組依托中石化勝利油田科研課題，提出利用陀螺自穩原理，開發陀螺穩態鉆井工具，對鉆井振動進行主動抑制。首先建立鉆具的三維模型；然后對關鍵部件進行強度校核、仿真分析，并對結構進行優化設計，對鉆具整體進行了減振性能分析；對陀螺鉆具的磁力耦合裝置進行性能實驗，對實際工況進行模擬；最后通過現場應用實驗對性能進行分析。

陀螺穩態鉆井工具以鉆井液為動力，使用渦輪組進行驅動，磁力耦合器傳動，保證傳動過程平穩不打滑，使陀螺機構高速旋轉。利用陀螺旋轉的自穩性，對鉆井過程中產生的振動進行抑制，穩定鉆頭受到的擺動。

1.1.1 陀螺結構及磁力耦合分析

陀螺機構的形狀、制作陀螺的材料性質，以及陀螺的轉速等因素，對陀螺的穩定性都有著重要的影響。因此需要分別對陀螺機構的材料密度以及陀螺形狀進行仿真分析，探究不同的材料密度以及錐形陀螺和柱形陀螺兩種陀螺形狀對整體的影響，通過仿真分析得出密度大的陀螺在減振作用上優勢明顯，柱形陀螺機構具有更優的抗沖擊穩定性能。

在對磁力耦合器參數進行優化設計的過程中，需要根據傳動系統對磁力耦合器的要求，提出磁力耦合器的性能指標，選擇磁力耦合器的重要結構參數、配合參數和材料參數，從而對磁力耦合器進行仿真分析實驗。以磁力耦合器轉矩轉差方程式為基礎，獲取不同參數條件下磁力耦合器的機械特性曲線，分析這些參數對其性能指標的影響，發現轉矩隨銅環厚度增大，先增大后減小，取最大值2.5mm；轉矩隨著氣隙增大而減小，但由于結構限制，取能夠取到的最小值8mm；轉矩隨內徑的增大而減小，但過小的永磁體內徑會導致固定永磁體的內軸強度不足，故取13mm，最終完成銅環厚度、氣隙、永磁體內徑這幾個關鍵參數的優化過程。

1.1.2 渦輪結構設計和優化

渦輪副是由渦輪定子和渦輪轉子組成，動力液通過渦輪內部，帶動轉子旋轉，產生軸上的扭矩以驅動整個裝置。

渦輪定、轉子葉片進出口液流角是渦輪性能的重要影響因素，液流角的設計非單個因素可以確定，與多個變量之間都有關系。軸向速度系數、沖擊度系數ma 和環流系數三個無因次系數是影響渦輪葉片結構的主要參數。通過對這三個系數的確定，就可以相應得出渦輪葉片的出入口液流角。

通過對葉片基本參數設計的計算，得出葉片的五次多項式曲線方程，進行MATLAB 計算以及配合CAD 軟件完成對葉片型線的繪制。根據以上對渦輪的結構參數的詳細計算，以及Fluent 流場分析結果，對渦輪線型進行優化，最后使用SolidWorks 繪制渦輪三維模型。

1.1.3 陀螺穩態工具減振性能分析

對陀螺的動力學模型進行簡化，由實際方案的結構出發，建立邊界條件，在陀螺鉆具外軸上施加轉矩，使轉速達到2000rpm，并且對外殼底部施加大小為2T 水平方向的沖擊力，在陀螺機構旋轉和靜止的兩種狀態下，分別進行沖擊下的動力學分析。鉆具底部受到水平沖擊力，陀螺不轉時位移幅度較大，且穩定所需時間較長。陀螺旋轉狀態下，位移變化曲線峰值明顯減小，穩定速度明顯加快。因此，陀螺的旋轉對鉆具的振動抑制效果明顯，減震幅值很快達到40%以上。

1.2 現場應用試驗測試

對陀螺穩態鉆井工具進行現場鉆井應用性能實驗。其中，鉆進井段為352m―2677m，井斜為0°―15.9°；鉆具組合為215.9mm鉆頭、172mm1.25°單彎動力鉆具、172mm陀螺穩態鉆井工具158.8mm 無磁鉆鋌1 根、MWD+158.8mm鉆鋌2根、127mm加重鉆桿30根以及127mm鉆桿。實驗過程中連續入井2 次，總進尺2325m，循環鉆進共計148.5h，機械鉆速17.15m/h。

在使用陀螺穩態鉆井工具鉆井后，為了探究陀螺穩態鉆具在鉆井過程中對振動的抑制效果，于是在下趟鉆中不使用陀螺穩態鉆井工具，僅帶172mm 測量短節，除此之外鉆具組合不做變動，鉆井深度為2677m―2881m。分別讀取使用陀螺穩態鉆井工具和不使用陀螺穩態鉆井工具時的測量短節數據并進行對比，表明使用該工具后徑向振動平均值減小了42.2%，表明陀螺的旋轉對鉆具的振動具有明顯的抑制作用。

1.3 參加高水平學科競賽

學科競賽在研究生的培養過程中發揮著舉足輕重的作用，以該項目為依托，筆者項目組參加了“車谷杯”第九屆中國研究生能源裝備創新設計大賽，并獲國家級三等獎。該競賽于2014 年由中國石油大學（華東）發起設立，是裝備行業廣泛認可的國家級、高層次重要賽事。賽事圍繞能源裝備的技術創新，打造研究生創新交流實踐平臺，滿足國家機械裝備制造業對高層次人才的需求，促進國家能源裝備業創新發展。因此，對于參加該競賽并獲得國家級獎勵的科技作品而言，具備較強的創新性是必不可少的條件之一。

參賽作品想要從眾多參賽作品中脫穎而出，除了要具備較強的創新性外還要將作品內容進行整合與理論升華，于是撰寫一份具有較高質量的作品報告書是非常有必要的，這個環節能夠很好地培養以及提高參賽研究生的論文撰寫水平。參賽研究生還需要進行答辯，這就要求項目組內研究生按照主辦方要求準備相應答辯材料，能夠在規定時間內簡明扼要地介紹參賽作品的內容，并且闡明參賽作品的可行性、實用性和創新性等亮點。

此外，參加高水平學科競賽可以拓寬研究生視野，增加其知識儲備，打破固有思維[9]，使研究生了解學科前沿現狀從而明確自身定位，增強對于科技創新的熱情，提高科研素養，為研究生創新能力的培養打下堅實的基礎。

2 結語

實踐表明，科研課題與高水平學科競賽相結合的研究生培養方式對專業學位碩士研究生的培養具有重大的意義。本項目組機械工程專業碩士研究生的科研課題―學科競賽相融合的培養過程包括機械設計、三維建模、仿真分析等一系列內容，涵蓋機械、計算機、自動化等各個方面，并且需要撰寫科研論文、準備比賽資料以及順利通過答辯，要求研究生除了要掌握相關內容的基礎理論知識外，還要具備團隊協作能力、實踐設計能力、口頭表達能力、邏輯思辨能力以及學術交流能力。在形成個人成果的同時，其科研能力也得到了提升，現場經驗變得豐富、理論知識得到了實踐，推動其科技創新意識的形成，對于研究生的科研創新能力以及整體素質是一個極大的提高。

由此可見，科研課題―學科競賽融合賦能的培養方式，能夠完成對機械工程專業碩士研究生整體素質以及科技創新能力的培養和提升。依托科研課題―學科競賽融合賦能的培養方式開展專業學位碩士研究生人才培養，可以使高校充分發揮科研過程的導向作用，使得科研和研究生培養過程相互促進，提高研究生的創新實踐能力，從而培養出社會緊缺的高層次創新型專業人才，滿足新時代社會經濟發展對高層次人才的需要。