20MN基準測力機

任務(wù)的由來(lái)

1975年鞍山鋼鐵公司、本溪鋼鐵公司的1700熱連軋機組自動(dòng)化所需的20MN(2000tf)測壓儀標定問(wèn)題迫在眉睫；七機部大型火箭推力的測量也需要標定1000tf 以上的力傳感器。因此冶金部和七機部分別要求國家標準計量局建立2000tf標準測力機。造船、建筑、原子能發(fā)電、海洋石油開(kāi)采等行業(yè)，也有此需要。

1975年10月，國家標準計量局在京召開(kāi)專(zhuān)題會(huì )議，討論大力值標準的建立問(wèn)題，到會(huì )的有一機部、冶金部、六機部、七機部、國家建委、工程兵等代表。

根據會(huì )議討論精神，一機部、冶金部、國家標準計量局于1976年5月2日聯(lián)合給國家計劃委員會(huì )發(fā)文，題為《關(guān)于解決軋鋼自動(dòng)化中測壓儀標定問(wèn)題的報告》。文中第一次正式提出要建立“2000tf～3000tf 液壓式標準測力機”。

1977年4月15日國家計委以(77)計生字86號文，復“關(guān)于軋鋼自動(dòng)化中測壓儀標定問(wèn)題的報告”。原則同意，并指出“建立大力值標準測試能力，是關(guān)系到獨立自主、自力更生地發(fā)展我國社會(huì )主義經(jīng)濟和國防建設的一項重要任務(wù)?！?/span>

1977年國家計委將研制“2000tf液壓式標準測力機” 列入國家重大項目計劃。

赴PTB考察

研制“2000tf液壓式標準測力機”(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“2000tf測力機”)的任務(wù)，由中國計量科學(xué)研究院(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“中國計量院”)承擔，1978年由我和施昌彥等組成課題組。同年9月，我和施昌彥到德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院(PTB)考察1650tf標準測力機，由PTB測力室主任彼得斯博士接待。當時(shí)世界上最大的液壓式標準測力機正在工作，主機非常雄偉，結構非常復雜。但操作時(shí)有測力機的加荷砝碼撞擊聲，到高壓時(shí)，液壓波動(dòng)度很大。

彼得斯博士介紹:“這臺設備由MAN公司制造。從1961年開(kāi)始研究，原來(lái)是單缸結構，由于油缸尺寸過(guò)大，制造時(shí)達不到設計的準確度要求，結果失敗了。1965年改用4缸并聯(lián)結構，于1969年完成設計。1971年在MAN公司進(jìn)行初步試車(chē)后，即運到PTB安裝，至1973年調試完畢，前后經(jīng)歷13年。此后又對液壓及電控系統進(jìn)行改進(jìn)，目前仍在做提高準確度、性能等工作?！?/span>

這次考察收獲很大，對我們的設計思路有很大的啟迪，同時(shí)留下極深刻的印象。像原西德這樣技術(shù)、工業(yè)都為第一流的發(fā)達國家，建造這樣一臺設備，尚花了這么長(cháng)的時(shí)間，這么大的精力。我國的科技、工業(yè)實(shí)力那時(shí)比他們差得多了，卻要建造比他們更大的測力機，其困難可想而知。但我們沒(méi)有被困難嚇倒，知難而進(jìn)。

大膽創(chuàng )新

在進(jìn)行技術(shù)方案構思時(shí)，我們從原理上進(jìn)行創(chuàng )新。

液壓式測力機大油缸很長(cháng)的原因是由于采用了“動(dòng)壓潤滑原理”的結果。全世界液壓式測力機都采用這種原理。

關(guān)鍵時(shí)刻，我們想到了科學(xué)上的逆向思維，即由“動(dòng)”變“靜”，就是不采用“動(dòng)壓潤滑原理”，改為采用“靜壓潤滑原理”，這是一個(gè)大膽的設想和創(chuàng )新，它導致了這項研究工作不僅研究成功而且達到國際領(lǐng)先水平。它開(kāi)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，能否保證工作活塞與大油缸之間不產(chǎn)生機械摩擦？這是關(guān)鍵，必須獲得證實(shí)才能采用。當時(shí)，靜壓潤滑技術(shù)在機床上已獲得應用，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(zhuān)程去請教，他們也說(shuō)不準，因為用于測力機，世界上沒(méi)有這種先例。為此，我們必須自己進(jìn)行模擬試驗，取得切實(shí)可行的證明，才可進(jìn)行技術(shù)設計。這樣，必須要有承制廠(chǎng)的配合，才能進(jìn)行模擬試驗。

落實(shí)承制廠(chǎng)

選擇一個(gè)合適的承制廠(chǎng)，是順利研制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(jiǎn)稱(chēng)“上重廠(chǎng)”)，因為他們生產(chǎn)過(guò)500tf測力機，質(zhì)量好，有經(jīng)驗，上海的協(xié)作條件好。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)系，由于上重廠(chǎng)不愿承擔，所以前后談了8次，均未成功。

1979年7月，一機部擬把這項任務(wù)下達到青海重型機床廠(chǎng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“青重廠(chǎng)”)，青重廠(chǎng)也愿意接受。8月我們去青重廠(chǎng)實(shí)地考察，認為青重廠(chǎng)的加工條件雖比上重廠(chǎng)好，但缺乏經(jīng)驗，更重要的是協(xié)作條件差，將來(lái)有不少困難。

從青重廠(chǎng)回來(lái)后，我又去上重廠(chǎng)聯(lián)系，上重廠(chǎng)藉口準備與西德合作生產(chǎn)機床為由，加以拒絕。

在這種情況下，同年10月15日，一機部發(fā)文致青海省機械局，由青重廠(chǎng)試制生產(chǎn)2000tf標準測力機。

1980年8月，我們再度到青重廠(chǎng)考察，并商談研制費用、模擬試驗等事項。了解到青重廠(chǎng)周?chē)粌H沒(méi)有協(xié)作條件，也不具備做模擬試驗條件，要價(jià)又太高，總之不適合承制。

回京后，我向國家計量總局匯報去青重廠(chǎng)的情況，并建議繼續爭取上重廠(chǎng)承擔，有的領(lǐng)導表示這有困難，因為青重廠(chǎng)試制已是定下來(lái)的事，最后白景中局長(cháng)表了態(tài):“讓老蔡再去試一試吧! ”所以9月、10月我兩次去上重廠(chǎng)，第一次，他們表示“尚需研究”；第二次又明確拒絕。

至此，已是山重水復疑無(wú)路，只待柳暗花明又一村。

老天不負有心人，在這關(guān)鍵時(shí)刻，奇跡出現了，上重廠(chǎng)換了新的黨委書(shū)記，1980年11月下旬，我找新的書(shū)記商談。他深明大義，說(shuō):“既然國家這么需要，我們同意承擔?！睆S(chǎng)長(cháng)呂江、總工田澤也表示同意，這時(shí)一貫堅決反對的副廠(chǎng)長(cháng)也默認了。

1981年2月1日，我和田澤分別代表中國計量院和上重廠(chǎng)簽訂了“關(guān)于研制2000tf標準測力機的協(xié)議”。至此承制廠(chǎng)落實(shí)了。

1981年4月下旬，我們與國家科委辦理了“科技三項費用專(zhuān)項合同”。合同編號為439。這個(gè)項目正式列入國家重大科研項目。

該合同的研制經(jīng)費共300萬(wàn)。至此，研制經(jīng)費也落實(shí)了。

1981年6月，中國計量院賠償青重廠(chǎng)經(jīng)費，與青重廠(chǎng)關(guān)系到此為止。

模擬試驗

1981年3月31日，我與上重廠(chǎng)簽訂了“2000tf標準測力機工作缸塞系統模擬試驗任務(wù)書(shū)”。

中國計量院的500tf測力機還在上重廠(chǎng)的裝配車(chē)間內，這給做模擬試驗創(chuàng )造了最好的條件。我們就在這臺測力機上進(jìn)行模擬試驗。模擬試驗的工作油缸、工作活塞的內外徑尺寸與500tf測力機的工作缸塞基本一致。

1981年12月模擬試驗結束。

模擬試驗不僅證明靜壓潤滑可行，而且計量性能比動(dòng)壓潤滑有了大幅度提高。

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

接著(zhù)，課題組于1982年2月完成了技術(shù)設計。

施工設計

為了使施工設計的圖紙更切合上重廠(chǎng)的實(shí)際，我們與上重廠(chǎng)成立了一個(gè)聯(lián)合施工設計技術(shù)組，設計地點(diǎn)在上重廠(chǎng)地下室。明確設計由中國計量院負責，廠(chǎng)方派出人員的工作由院方安排。

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(chǎng)。上重廠(chǎng)派出金仁法、章富元、陶仁法、沈利、袁金如。

我國從1981年8月起，計量單位制采用了國際單位制，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)標準測力機。

經(jīng)過(guò)一年努力，于1983年4月完成了施工設計。

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(huì )議并到日本計量研究所參觀(guān)當時(shí)世界上最大的20MN 標準測力機(見(jiàn)圖1)。這臺設備當時(shí)沒(méi)有運轉，只能參觀(guān)外表。這臺測力機在1977年立項，到1982年建成，該機采用了傳統的單缸結構和動(dòng)壓潤滑原理，所以大油缸長(cháng)度為3.5m，主機高約12m，僅能做壓向力檢定。這臺測力機耗資9億日元。

曲折的試制過(guò)程

從1985年開(kāi)始，進(jìn)入加工階段。加工過(guò)程涉及南京汽輪電機廠(chǎng)、上海江南造船廠(chǎng)、上海汽輪機廠(chǎng)、上海造紙機械廠(chǎng)、上海機床廠(chǎng)、上海重型機器廠(chǎng)、上海球墨鑄鐵廠(chǎng)、北京重型機器廠(chǎng)、洛陽(yáng)軸承廠(chǎng)、杭州汽輪機廠(chǎng)等10余個(gè)大廠(chǎng)的協(xié)作。

1985年1月27日，大油缸在南京汽輪電機廠(chǎng)加工時(shí)，發(fā)現其內孔壁面有大小不勻的白斑和黑斑，經(jīng)專(zhuān)家分析，認為是由于鍛造時(shí)鋼錠冒口切除太少，及鑄造時(shí)合金元素未充分熔化而嚴重偏析所致。這樣嚴重的質(zhì)量事故，理應報廢。但由于大油缸加工周期最長(cháng)，費用最大，又無(wú)備件，下不了決心報廢，只能繼續進(jìn)行加工。大油缸最后一道是珩磨工序，由于找不到珩磨協(xié)作廠(chǎng)，這道工序也未進(jìn)行。這樣直接導致了大油缸與大活塞組裝時(shí)，發(fā)生了極為嚴重的事故。

1987年6月下旬，當大油缸與大活塞進(jìn)行組裝時(shí)，發(fā)生了缸塞卡死的重大事故。我接到電報后，速赴上重廠(chǎng)，見(jiàn)大家情緒低落，很多人認為這下完了，研制失敗了。這是研制過(guò)程中最困難、最黑暗的階段，必須采取正確的態(tài)度和思想，咬著(zhù)牙，挺過(guò)去。首先要研究如何把大活塞從大油缸中取出，當時(shí)有兩種意見(jiàn): 一種是活塞向下壓出；一種是活塞向上頂出。上重廠(chǎng)請我拍板，我決定采用“上頂”的辦法，當油壓加到62kgf/cm2時(shí)，才取出活塞。根據活塞、油缸的傷勢，如采用“下壓”法，活塞根本取不出來(lái)，這樣麻煩就太大了。

8月31日召開(kāi)專(zhuān)題會(huì )議，研究大油缸塞卡死事件，廠(chǎng)方以副廠(chǎng)長(cháng)為首11人參加，院方我和李振民2人。會(huì )議開(kāi)始時(shí)氣氛緊張，廠(chǎng)方一致把矛頭指向我方，認為選材不當所致。實(shí)際上是由于大油缸該報廢而沒(méi)有報廢所致。這時(shí)指責誰(shuí)的責任，只能加劇廠(chǎng)、院雙方的對立，對以后的工作進(jìn)展非常不利。我提議:“當前最主要的是團結一致，恢復信心，采取切實(shí)可行的補救措施?！睍?huì )后成立了修復小組，研究出妥善的解決辦法。

1988年12月，修復后的大活塞與大油缸成功地進(jìn)行組裝(見(jiàn)圖2)，取得了突破性進(jìn)展。

圖2  修復后大活塞與大油缸進(jìn)行組裝

1989年5月，零件均加工好了，進(jìn)行整機裝配，9月整機裝好，進(jìn)行機、電、液聯(lián)機調試，一切正常，9月20日進(jìn)行22MN 滿(mǎn)負荷試驗，運轉正常，這意味著(zhù)這項研究成果基本上已經(jīng)研制成功。

匯報會(huì )

這時(shí)，上重廠(chǎng)廠(chǎng)長(cháng)對我說(shuō):“到目前為止，300萬(wàn)經(jīng)費已用完，廠(chǎng)里已墊資，至少要增加80萬(wàn)費用?！边@一點(diǎn)我很理解，費用確實(shí)不夠，我建議:“先開(kāi)一次匯報會(huì )，邀請國家科委等有關(guān)領(lǐng)導來(lái)現場(chǎng)看20MN測力機進(jìn)展情況，當他們看到成功在望時(shí)，增資問(wèn)題自然可以商量?！睆S(chǎng)長(cháng)同意我的意見(jiàn)。

主要意見(jiàn)如下:

1.主要技術(shù)指標均優(yōu)于合同要求

力值不確定度優(yōu)于±0.01%(合同要求±0.05～±0.1%)；力值變動(dòng)度優(yōu)于0.01% ( 合同要求0.05% ～0.1%)；靈敏限優(yōu)于0.002%(合同要求0.02%)；液壓波動(dòng)度5分鐘優(yōu)于0.005%(合同無(wú)此要求)。