走基层“接地气”的机械设计专家——访我校数字化设计与自动机械产品开发研究所所长、机械动力工程学院张元教授

新型低噪声高效内置自吸水泵、外置自吸式水泵、高地隙自走式喷药机、管道内壁除瘤机器人、医用脑健康治疗仪、医用抑郁症治疗仪、小型中药煎煮制丸机、300T全自动免烧砖机、路面刨冰雪装置、小型卫星空间对接机构、地面六自由度对接试验平台……

这些名称放到一起，你能联想到什么？它们之间有什么联系呢？

我来告诉你，这些设备都出自一个人的发明，他就是我校数字化设计与自动机械产品开发研究所所长、机械动力工程学院机械设计及自动化专业张元教授。

一位脚踏实地的“机械设计师”

张元教授出生于1966年，中共党员，硕士生导师，机械设计及理论学科省级领军人才梯队后备带头人。张元老师十分重视研究成果的转化与工程应用研究工作，直接为地方企业服务，相继与哈尔滨工业大学航天学院、哈尔滨汽轮机股份有限公司、哈尔滨电力设备总厂、哈尔滨奥博公司、哈尔滨博深科技、哈尔滨庆功林泵业、深圳广联药业等开展了卓有成效的产品开发和成果转化工作，取得了较好的经济效益和社会效益。

张元大学时期主修机械设计专业，1990年大学毕业后，他被分配到齐齐哈尔和平厂工作。当时的和平厂以军工项目为主，经济效益不是很好，工厂为了维持运转，承接了部分民用项目。虽然张老师是一名刚出校门的大学生，但是凭借他对机械设计与制造领域的浓厚兴趣，工厂承接的每一个项目他都跟着师傅亲自操作，认真学习，得到了很好的锻炼。来到我校工作以后，学术环境和科研条件都比工厂优越得多，他的天赋和才华更有了用武之地。

自吸式水泵是张元老师最早开发的系列产品，据他介绍，这种水泵可以直接安放到高于水面的位置，只要保证泵中心到水面的落差小于8.5米就可以正常工作。它可以直接与机动车的动力输出端相连，不需要电动机，这就加大了水泵的应用范围，尤其是针对道路积水等突发情况，可以在短时间内将水排出，减少事故损失。这种水泵可广泛应用于油田、电厂、煤矿、消防、城市给排水、农田灌溉、抗洪排涝等领域。多年来，张元老师根据客户使用中发现的问题和反馈的情况不断地优化自吸式水泵结构与性能，已经对水泵进行了多次系列化技术改良和产品更新，目前使用的是最近两代更新产品。

在与哈尔滨工业大学航天学院合作过程中，张元老师承接了小型卫星空间对接机构的研发项目。据他介绍，小型卫星为了保持持续的在轨道运行，需要适期地补充燃料，通过再派一颗追踪星携带燃料上天与之对接并输入燃料，其中对接机构的研发存在很多技术难题。在没有现成的参考物情况下，只能通过国外成功案例的外形图片去思考卫星对接的工作原理，他和团队用了四年时间，相继研发了三套空间对接机构和一套六自由度地面试验平台，并取得了成功。此外，他还对某种型号的导弹系统设计了一套快速拆装与维护装置，已得到了委托方的初步认定。

2015年9月，校党委书记赵国刚到机械学院调研时，专程来到了张元老师的实验室。张老师说：“赵书记第一次来到实验室的时候，我非常惊喜，没想到赵书记也曾长期从事金属材料工程应用方面的研究工作，以新材料开发及表面工程技术为主攻方向，是一位名副其实的专家型领导。对于我和团队的研究领域，赵书记非常感兴趣，那天与我倾谈了近2个小时，提出了很多指导性意见，对我的帮助很大，使我受益良多。”

观察和思考已成为习惯

张元老师的发明创造遍及机械工程、农业、医疗、航天等诸多领域。当被问及为什么能够涉猎这么广泛，而且学科领域跨度这么大时，他谦虚地说：“我并不是一个多领域专家，我只是对机械设计与制造尤其感兴趣，尽管涉及的产品种类较多，但是机械结构的设计原理是触类旁通的。凡是和机械设计相关的，都可以用近似的理念去解决。”

据张元老师介绍，在每一次开始设计之前，他都会静心地思考、联想，判断可成功的几率，然后在可能的条件下细心观察类似机器的工作过程，分析它的工作原理，结合用户的具体需求来设计产品。他指着医用脑健康治疗仪的图片说：“这是为哈尔滨奥博公司设计的一款产品，该企业的董事长孙作东先生是我校88届校友。学校60周年校庆前夕，孙作东校友为母校捐赠了价值100万元的医疗设备、10万元现金以及1万元图书。孙作东校友找到我，向我介绍了企业的发展情况，希望我能与他的公司合作，为企业设计新产品。我被孙作东校友的慷慨捐助和诚恳态度所打动，愉快地接受了合作邀请。”

张元老师指导团队只用了不到一个月的时间，就完成了该种产品的二维、三维设计和仿真等工作。并陆续为他们公司设计了5种类型的产品，孙作东董事长对张元老师的设计非常满意，他最终选择了两款主打产品进行批量生产并投放市场。张元老师设计的医用脑健康治疗仪可以根据实际需要调节它的高矮和宽度，以适应使用者头型。通电以后通过对人体皮肤的刺激作用将某种具有特殊功能的药水渗入人体，达到治疗的目的。几年来，张元老师设计的这两款产品为哈尔滨奥博公司带来了较高的经济效益。

谈到水泵项目，张元老师说：“以往水泵在工作前都要建地下泵房，将水泵放置在低于水面的泵房里，让水倒灌进去之后，排出气体，水泵才可以工作，不但工程造价高，而且电器容易受到腐蚀。如果采用外置真空泵等辅助设备又会额外占用空间并浪费能源，所以只有让水泵自身能够解决吸气、排水问题，才能克服上述诸多不利因素，这也是我当初研制自吸式水泵的初衷。”

在设计高地隙自走式喷药机之前，张元老师亲自到农户田地里认真观察，发现已有产品中，国外的产品造价高、大型喷药机不适合农户自家使用，而中小型三轮式喷药机在地头转弯时容易栽倒且占据空间大。在深入分析后发现，容易栽倒的原因在于发动机太重，转弯时发动机随转向器一同转动，经常发生重心偏离，而且两个后轮间距固定，不能伸缩。考虑到这些因素之后，张元老师在设计新产品时查阅了大量的相关资料。为了保持喷药机转弯时的稳定性，他将发动机设计成与机体固定，不随转向器转动，将两个后轮设计成可伸缩式。同时，将喷药机的喷药量与车体的行进速度间进行匹配设计，即车快多喷、车慢少喷、车停不喷。不但提高了作业效率，还降低了成本，受到了广大农户的广泛欢迎。

张元老师说：“灵感不是来源于天生，爱好并不断地追求才会产生灵感。要想设计出接地气的产品，需要不断更新理论知识，经常观察研究，积累经验。每次合作都是企业方面找到我，跟我谈他们的想法，并提供给我产品的所需功能、尺寸等设计指标，我再用相关的理论、经验去发明、创造，实现他们的想法。”

教学科研结硕果

张元教授目前承担着3门本科生及1门研究生课程，每年都有课程设计、毕业设计等实践教学任务。他积极指导学生参加各类课外学科竞赛活动并取得优异成绩。他从事的主要科研方向集中于“虚拟样机与多学科仿真技术” “机械结构优化及创新设计”两个前沿方向。

张元教授每年指导硕士研究生3人左右，由于他的实验室里有很多已经研究成型的产品，学生们初次进入实验室就会被深深地吸引住，很多学生会非常兴奋，马上就有了浓厚的学习兴趣。张元老师会根据学生们的特点进行指导，经常让学生们参与到他的各类项目中来。据张元老师介绍，他的学生们都很优秀，近一半的毕业生选择了继续攻读博士学位，有的同学去了高校、研究院工作，有的去了国有大型企业，还有的去了高科技民营企业。令他欣慰的是有几位毕业生得到了他的“真传”，也在从事着产品的独立开发设计工作，而且经常联系张老师请教产品设计方面的问题。

近5年来，张元老师作为负责人已主持完成国家“863”项目子课题1项、黑龙江省教育厅科技项目1项、企事业单位委托研发项目8项；作为主要承担人已完成国家自然科学基金1项、中保国际合作项目1项、黑龙江省自然科学基金重点项目1项、黑龙江省杰出青年基金1项；作为第一作者已发表学术论文16篇，期中EI检索13篇；主编教材1部；目前作为主持人正在承担国家自然科学基金1项、黑龙江省自然科学基金1项、企事业单位委托研制项目2项。

他坚信：创新永远在路上

李大勇校长在讲话中多次提出，哈尔滨理工大学要培养“具备完整知识结构、较强实践能力和突出创新意识”的学生，必须对教师在知识结构、实践能力和创新能力方面提出更高的要求，教师要以教会学生为更高目标制定自我提升的研修计划，持续改进教学方法，不断提高教学水平。

2015年10月，张元教授随同学校科研处领导一起去了丹阳与南京走访。在丹阳与相关企业洽谈了几个自动线方面的合作意向，并于2016年1月同江苏迅捷装具科技有限公司签订了“自动储药发药柜”项目的设计开发合同，目前设计工作正处于紧张阶段。他说：“近几年，学校领导很重视横向的校企科研合作，给广大教师创造了优越的条件。现在研究所有很浓厚的科研和学术环境，感谢学校各级领导的关怀和厚爱，我一定发挥所长，为强校建设贡献力量。”

在张元老师的办公室，有一台正处于功能调试阶段的全自动小型中药煎煮制丸机。笔者刚刚进入他的办公室时，张元老师正全神贯注地凝视着它。据张元老师介绍，这种小型中药煎煮制丸机在国内外市场上都是空白，属于开发性创造。它的工作过程是：把适量的中药通过过滤器放进设备中，加适量水蒸煮、搅拌、负压蒸发、冷却、刮料、气压供送，通过阀体进入下一环节，然后加入固体粉状纤维素及适量蜂蜜等，再经过搅拌、压实、导入、搓球等工序最终制成中药丸，以方便储存。按照张老师的设计思路，全自动小型中药煎煮制丸机可以根据需要制成汤剂和丸剂两种形态，以满足不同病人的需求。据上海一家医药企业测算，该设备如果能够实现批量生产，将会走进全国各地的药店，市场前景非常广阔。届时，广大患者将会根据医生处方，到中药店选好中药原材料，放入全自动小型中药制丸机中，短时间内就可以加工成药丸或汤剂，免去了患者回家自己熬中药的麻烦。

张元老师自20世纪90年代开始就重视申请专利，他作为第一发明人已获得国家发明专利3项、实用新型专利10余项。张元教授说：“永远不要停下创新的脚步，别人可能在你的基础上稍做改动就会有新的专利产生，所以我要不断地创新，永远走在别人前面，只有这样才有可能不被超越。”

在整个访谈过程中，张元老师给人的感觉就是谦虚、朴实和睿智。他说：“我只是一位普通教师，平时喜欢搞点设计工作，也没什么可张扬的。我要感谢学校为我搭建的这些平台，对我和我团队的工作与发展都是很大的促进。”

结束采访，走出张元老师办公室所在的南楼，笔者看到了理工大道旁边矗立的王大珩老校长铜像。不禁想起老校长的十六字经验——“面向需求，务实求是；传承辟新，寻优勇进”。相信张元老师一定能够继续践行老校长的优良传统，在大众创业、万众创新的大潮中，设计出更多的“接地气”产品，培育更多的英才，取得更辉煌的成就。