20MN基準測力機

任（rèn）務的由來

1975年鞍山鋼鐵公司、本溪鋼鐵公（gōng）司的1700熱連軋機組自動化所需的20MN(2000tf)測壓儀標定問題（tí）迫在眉睫（jié）；七（qī）機部（bù）大（dà）型火（huǒ）箭推力的（de）測量也需要標定1000tf 以上的力傳感器。因此（cǐ）冶金部和七機部分別要求國家標準計（jì）量（liàng）局建立2000tf標準測力機。造船、建築、原子能發電（diàn）、海洋石油開采等行業，也有此需要。

1975年10月，國家標準計量局在京召（zhào）開專（zhuān）題會（huì）議，討論大力值標準的建立問題，到會的有一機部、冶金（jīn）部、六機部、七機部、國家建委（wěi）、工程兵等代表。

根據會議討論精神，一機（jī）部、冶金部、國（guó）家標（biāo）準計量局於1976年（nián）5月2日聯合給國家計劃委員會發（fā）文，題為《關於（yú）解決軋鋼自動化中測壓儀標定問題的報告》。文中第（dì）一次正式提出要建立“2000tf～3000tf 液壓式（shì）標準測力機”。

1977年4月15日國（guó）家計（jì）委以(77)計生字86號文，複“關於軋鋼自動化（huà）中測（cè）壓儀標（biāo）定問題的報告”。原則同意，並指出“建立大力值標準測試能力，是關係到獨立自主、自力更生地（dì）發展我國社會主義經濟和（hé）國防建設的一項重要（yào）任務。”

1977年國家（jiā）計委將研製（zhì）“2000tf液壓式標準測（cè）力機” 列入國家重大項目計劃。

赴PTB考察

研製“2000tf液壓式（shì）標準測力機”(以下簡稱“2000tf測力機”)的任務，由（yóu）中國計量科學研（yán）究院(以下（xià）簡稱“中國計量院”)承擔，1978年由我和施昌（chāng）彥等組成課題組。同（tóng）年9月，我和施昌彥到德國聯邦物理技術研究院(PTB)考察1650tf標準測力機，由PTB測力室主任（rèn）彼得斯博士接待。當時世界上最大的液壓式標準測力機正在工作，主機非常雄（xióng）偉，結構非常複雜。但（dàn）操作時有測力機的加荷砝碼撞擊聲，到（dào）高壓時，液（yè）壓（yā）波動度很大。

彼得斯博士介（jiè）紹:“這台設備由MAN公司製造。從1961年開始（shǐ）研究，原來是單缸結構，由（yóu）於油缸尺寸過大，製造時達不到設計（jì）的準（zhǔn）確度要求，結（jié）果（guǒ）失敗了。1965年改用4缸並聯結構，於1969年完成設計。1971年在MAN公司進行初步試（shì）車後，即運到PTB安裝，至（zhì）1973年調試完畢，前後經曆13年。此後又對（duì）液壓及電控係統進行改進，目前仍在做提高準確度、性能等工作。”

這次考（kǎo）察收獲很大，對我們（men）的設計思路有很大的啟迪，同時留下極深刻的（de）印象。像（xiàng）原西德（dé）這樣（yàng）技術、工業都為第一流的發達國家，建造這樣一台設備，尚花了這麽長的時間，這麽大的精力。我國的科技、工業實力（lì）那時比（bǐ）他們差得多了，卻（què）要建造比他們更大的測力機，其困（kùn）難可想而知。但我們沒有被困難（nán）嚇倒，知難而進。

大膽創新

在進行技術方案構思時，我們從原理上進行（háng）創新。

液（yè）壓式（shì）測（cè）力機（jī）大油缸很長的原因是由於（yú）采用了“動壓潤滑（huá）原理”的結果。全世界液壓式測力（lì）機都采用這種原理。

關鍵時（shí）刻，我（wǒ）們想到了科（kē）學上的逆向思維，即由“動”變“靜”，就是不采用“動壓潤滑（huá）原理”，改為采用（yòng）“靜壓潤滑原理”，這是一個大膽的設想和創新（xīn），它導致了這項研（yán）究工作不僅研（yán）究成功而且達到國際領先水平。它開辟了建立液壓式測力機的另一條途徑。但在測力機中采用靜壓潤滑原理，能否保證（zhèng）工（gōng）作（zuò）活塞與大油缸之間不產生機械摩擦（cā）？這是關鍵，必須獲得證實才能采用。當時，靜壓（yā）潤滑（huá）技術在機床上已獲得（dé）應（yīng）用，國內研究靜壓潤滑技術（shù）的權威機構之一是廣州機床研究所。我們專程去（qù）請教，他們也說不準，因（yīn）為用於測力機，世界上沒有這種先例。為此，我們（men）必須自己進行（háng）模擬試驗，取得切實可行的證明，才可（kě）進行技術設計。這樣，必須要有（yǒu）承製廠的配合，才能進行模擬試驗。

落（luò）實承製廠

選擇一個合適的（de）承製廠（chǎng），是順利研製2000tf測力機的必要條件。我們選擇了上海重型機床廠（chǎng）(以下簡稱“上重（chóng）廠”)，因為他們生產過500tf測力機，質量好，有經驗，上海的（de）協作（zuò）條件好。但從1977年12月起，我一直與一機部、上海機電一局、上重廠（chǎng）聯（lián）係，由於上重廠不願承擔（dān），所以（yǐ）前後談了8次，均未成功。

1979年7月，一機部擬（nǐ）把這項任務下達到青海重型機床廠(以下簡稱“青（qīng）重廠”)，青重廠也願意接受。8月我們去青重廠實地考（kǎo）察（chá），認為青重廠的加工條件雖比上重廠好，但缺乏經驗，更重（chóng）要的是協作條件差，將來有不少困難。

從青重（chóng）廠回來後，我又去上重廠聯係，上重廠藉（jiè）口準備與西（xī）德合作生產機床為（wéi）由，加以拒絕。

在這種情況下，同（tóng）年10月15日，一機部發文致青海省機械局，由青重廠試製生產2000tf標準測力機。

1980年8月，我們再度到青重廠考察，並商談研製費用、模擬試（shì）驗等事項。了解到青重廠周圍不僅沒（méi）有協作條件，也不具備做模擬試驗條件，要價又太（tài）高，總之不適合承製（zhì）。

回京後，我向國家計量總局匯（huì）報去青重廠的情況，並建議繼（jì）續爭取上重廠承擔，有的領導表示這（zhè）有困難，因為青重廠試製已（yǐ）是定下來的事，最後白景中局（jú）長表了態:“讓老蔡再去試一試吧! ”所以9月（yuè）、10月我兩次（cì）去上重廠，第一次，他們表示“尚需研究”；第二次又明確拒絕。

至此，已（yǐ）是山重水複疑（yí）無路，隻待柳暗花明（míng）又一（yī）村。

老天不負有心人，在這關鍵時刻，奇跡出（chū）現了，上重廠換了新的黨委書（shū）記（jì），1980年（nián）11月下旬，我找新的書記（jì）商（shāng）談。他深明（míng）大義，說:“既然國家（jiā）這麽需要（yào），我們同意承擔。”廠長呂江、總工田澤也表示同意，這時一貫堅決反對的副廠長（zhǎng）也默認了。

1981年2月1日，我和田澤（zé）分（fèn）別代表中國計（jì）量院和（hé）上重廠（chǎng）簽訂了“關於（yú）研製2000tf標準測力（lì）機的協議”。至（zhì）此承製廠（chǎng）落實了。

1981年4月下旬，我們與國家科委辦理了“科技三項費用專項合同”。合（hé）同（tóng）編號為439。這個項目（mù）正式列入國家重大科研（yán）項目。

該合同（tóng）的研製經費（fèi）共300萬。至此，研製經費也落實了（le）。

1981年6月，中國計量（liàng）院賠償青重（chóng）廠經費，與青重廠關係到此為（wéi）止。

模擬試驗

1981年3月31日，我與上重廠簽訂（dìng）了“2000tf標準測力機工作缸塞（sāi）係統模擬試驗任務書”。

中國計量院（yuàn）的500tf測力機還在上重廠的裝配車（chē）間內（nèi），這給做模擬（nǐ）試驗創（chuàng）造了（le）最好的（de）條件。我們就在這（zhè）台測力機上進行模擬試驗。模擬試驗的工作油缸（gāng）、工作活塞的（de）內外徑尺（chǐ）寸（cùn）與（yǔ）500tf測力機的工作（zuò）缸塞基本一致。

1981年（nián）12月模擬試驗結束。

模（mó）擬試驗不僅（jǐn）證明靜壓潤滑可行，而且計量（liàng）性能（néng）比動壓潤滑有了大幅度提高。

通過模擬試驗，同時（shí）取得了各項設計（jì）參數，這是本研究課題一個最重大的突破。

接著，課題組於1982年2月完成了技術設計。

施工設計

為（wéi）了使施工設計的圖紙更切合上重廠（chǎng）的實際，我們與上重廠成立了一個聯合施工設計技術組，設（shè）計地（dì）點在上重廠地下室。明確設計由中國計量院負責，廠方（fāng）派出（chū）人員的工作由院方（fāng）安排。

1982年3月，課題組蔡正平、施昌彥、李振民、周宏、易本忠、沈京全部去上重廠。上重廠派出金仁法、章富元（yuán）、陶仁法、沈利、袁金如。

我國從1981年8月起，計量單位製采用了國際單（dān）位製，力的單位改為牛頓(N)，所以2000tf(2000噸力)標準測力機改為:20MN(20兆牛)標準測力（lì）機。

經過一年努力，於1983年4月完成了（le）施工設（shè）計。

圖1  日本20MN標準測力機

赴日本考察

1984年9月，我到日本參加國際會議並到日本計量研究所參觀當時世界上最大的20MN 標準測力機(見圖1)。這台設（shè）備當時沒有運轉，隻能參觀外表。這台測力機在1977年立項，到1982年建成，該機采用了傳統的單缸結構和動壓潤滑原理，所以大油缸長度（dù）為3.5m，主（zhǔ）機高約12m，僅能（néng）做壓向力檢定。這台測力機耗資9億日元。

曲折的（de）試製過程

從1985年開始，進入加工階段。加工過程涉及南（nán）京（jīng）汽輪電機廠、上海江（jiāng）南（nán）造船廠、上海汽（qì）輪機廠、上海造紙機械廠、上海機床廠、上海重型機器廠、上海球墨鑄（zhù）鐵廠（chǎng）、北京重型機器廠、洛陽軸承廠、杭州汽輪機廠等10餘個（gè）大廠的協作。

1985年1月27日，大（dà）油缸在南京汽輪電機廠加工時，發現其內孔（kǒng）壁麵有（yǒu）大小不勻的白斑和（hé）黑斑，經專家分析，認為是由（yóu）於鍛造時鋼錠（dìng）冒口切除太少，及鑄造時合金元素未充分熔化而嚴重（chóng）偏析所致。這（zhè）樣嚴重的質量事故，理（lǐ）應報廢。但由於大油缸加工周期最長，費用最大，又無備件，下（xià）不了決心報廢，隻能繼續進行加工。大（dà）油（yóu）缸最後一道是珩磨工序，由於（yú）找不（bú）到珩（héng）磨協作廠，這道工序也未（wèi）進行。這樣直接導致了大油缸與大活塞組裝（zhuāng）時，發生了極為嚴重（chóng）的（de）事故。

1987年6月下旬，當大油缸與大活塞進行組裝時，發生了缸塞卡死的重大事故。我接到電（diàn）報後，速赴上重廠，見大家情緒（xù）低（dī）落，很多人認為這下（xià）完了，研製失敗了。這是研製過程中最困難、最黑暗的階段，必須采取正確的（de）態（tài）度和思想（xiǎng），咬著牙，挺過去。首先要研究如何（hé）把大活塞從大油缸（gāng）中取出（chū），當時有兩（liǎng）種意見: 一種是活塞向下壓出（chū）；一種是活塞向上頂出。上重（chóng）廠請我拍板，我決定采用（yòng）“上頂”的辦法，當油壓加到62kgf/cm2時，才取出活塞。根據活塞、油缸的傷勢，如采（cǎi）用“下（xià）壓”法，活塞根本取不出來，這樣麻煩就太大了。

8月31日召開專題會議，研究大油缸塞卡死事件，廠方以副廠長為首11人參加，院方我和李振民2人。會（huì）議（yì）開始時氣（qì）氛（fēn）緊張（zhāng），廠方（fāng）一致把矛頭指向（xiàng）我方（fāng），認為選材不當所致。實際上是由於大（dà）油缸（gāng）該報廢（fèi）而沒有報廢所致。這時指責誰的（de）責任，隻能加劇廠、院雙方的對立，對以後的工作進展非（fēi）常不利。我提議:“當前（qián）最主要的是團結一致，恢複信心，采取切實可行的補救措施。”會後成立了修複小（xiǎo）組，研（yán）究出妥善的解決辦法（fǎ）。

1988年12月，修複（fù）後的大活塞與大油缸成功地進行組裝(見圖2)，取（qǔ）得了突破性進（jìn）展。

圖2  修複後大（dà）活塞（sāi）與大油缸進行組裝

1989年5月，零件均加工好了，進行整機裝配，9月整（zhěng）機裝好，進行機、電（diàn）、液聯機調試，一切正常，9月20日進行22MN 滿（mǎn）負（fù）荷試驗，運轉正常，這意味（wèi）著這項（xiàng）研究成果基本上已經研製成功。

匯報會

這時，上重廠廠長對我說:“到目前為止，300萬經費已用（yòng）完，廠裏已（yǐ）墊（diàn）資，至（zhì）少要增加80萬費用。”這一點我很理解，費用確實不夠（gòu），我建議:“先開一次匯報會，邀請（qǐng）國家（jiā）科委等有關領導來現場看20MN測力機進（jìn）展情況，當他們看到成功在（zài）望時，增資問題自然可以商（shāng）量。”廠長同意我的意見。

主要意見如下（xià）:

1.主（zhǔ）要技術指標均優（yōu）於合同要求

力值不確定（dìng）度優於±0.01%(合同要求±0.05～±0.1%)；力值變動度優於0.01% ( 合同要求0.05% ～0.1%)；靈敏限優於0.002%(合同要求0.02%)；液壓波動（dòng）度5分鍾優（yōu）於0.005%(合同無此要求)。