20MN基準(zhǔn)測力機(jī)

任務(wù)的由來

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

1975年10月，國家標(biāo)準(zhǔn)計量局在京召開專題會議，討論大力值標(biāo)準(zhǔn)的建立問題，到會的有一機(jī)部、冶金部、六機(jī)部、七機(jī)部、國家建委、工程兵等代表。

根據(jù)會議討論精神，一機(jī)部、冶金部、國家標(biāo)準(zhǔn)計量局于1976年5月2日聯(lián)合給國家計劃委員會發(fā)文，題為《關(guān)于解決軋鋼自動化中測壓儀標(biāo)定問題的報告》。文中第一次正式提出要建立“2000tf～3000tf 液壓式標(biāo)準(zhǔn)測力機(jī)”。

1977年4月15日國家計委以(77)計生字86號文，復(fù)“關(guān)于軋鋼自動化中測壓儀標(biāo)定問題的報告”。原則同意，并指出“建立大力值標(biāo)準(zhǔn)測試能力，是關(guān)系到獨(dú)立自主、自力更生地發(fā)展我國社會主義經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)的一項(xiàng)重要任務(wù)?！?/span>

1977年國家計委將研制“2000tf液壓式標(biāo)準(zhǔn)測力機(jī)” 列入國家重大項(xiàng)目計劃。

赴PTB考察

研制“2000tf液壓式標(biāo)準(zhǔn)測力機(jī)”(以下簡稱“2000tf測力機(jī)”)的任務(wù)，由中國計量科學(xué)研究院(以下簡稱“中國計量院”)承擔(dān)，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(biāo)準(zhǔn)測力機(jī)，由PTB測力室主任彼得斯博士接待。當(dāng)時世界上最大的液壓式標(biāo)準(zhǔn)測力機(jī)正在工作，主機(jī)非常雄偉，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。但操作時有測力機(jī)的加荷砝碼撞擊聲，到高壓時，液壓波動度很大。

彼得斯博士介紹:“這臺設(shè)備由MAN公司制造。從1961年開始研究，原來是單缸結(jié)構(gòu)，由于油缸尺寸過大，制造時達(dá)不到設(shè)計的準(zhǔn)確度要求，結(jié)果失敗了。1965年改用4缸并聯(lián)結(jié)構(gòu)，于1969年完成設(shè)計。1971年在MAN公司進(jìn)行初步試車后，即運(yùn)到PTB安裝，至1973年調(diào)試完畢，前后經(jīng)歷13年。此后又對液壓及電控系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，目前仍在做提高準(zhǔn)確度、性能等工作?！?/span>

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

大膽創(chuàng)新

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

液壓式測力機(jī)大油缸很長的原因是由于采用了“動壓潤滑原理”的結(jié)果。全世界液壓式測力機(jī)都采用這種原理。

關(guān)鍵時刻，我們想到了科學(xué)上的逆向思維，即由“動”變“靜”，就是不采用“動壓潤滑原理”，改為采用“靜壓潤滑原理”，這是一個大膽的設(shè)想和創(chuàng)新，它導(dǎo)致了這項(xiàng)研究工作不僅研究成功而且達(dá)到國際領(lǐng)先水平。它開辟了建立液壓式測力機(jī)的另一條途徑。但在測力機(jī)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(jī)械摩擦？這是關(guān)鍵，必須獲得證實(shí)才能采用。當(dāng)時，靜壓潤滑技術(shù)在機(jī)床上已獲得應(yīng)用，國內(nèi)研究靜壓潤滑技術(shù)的權(quán)威機(jī)構(gòu)之一是廣州機(jī)床研究所。我們專程去請教，他們也說不準(zhǔn)，因?yàn)橛糜跍y力機(jī)，世界上沒有這種先例。為此，我們必須自己進(jìn)行模擬試驗(yàn)，取得切實(shí)可行的證明，才可進(jìn)行技術(shù)設(shè)計。這樣，必須要有承制廠的配合，才能進(jìn)行模擬試驗(yàn)。

落實(shí)承制廠

選擇一個合適的承制廠，是順利研制2000tf測力機(jī)的必要條件。我們選擇了上海重型機(jī)床廠(以下簡稱“上重廠”)，因?yàn)樗麄兩a(chǎn)過500tf測力機(jī)，質(zhì)量好，有經(jīng)驗(yàn)，上海的協(xié)作條件好。但從1977年12月起，我一直與一機(jī)部、上海機(jī)電一局、上重廠聯(lián)系，由于上重廠不愿承擔(dān)，所以前后談了8次，均未成功。

1979年7月，一機(jī)部擬把這項(xiàng)任務(wù)下達(dá)到青海重型機(jī)床廠(以下簡稱“青重廠”)，青重廠也愿意接受。8月我們?nèi)デ嘀貜S實(shí)地考察，認(rèn)為青重廠的加工條件雖比上重廠好，但缺乏經(jīng)驗(yàn)，更重要的是協(xié)作條件差，將來有不少困難。

從青重廠回來后，我又去上重廠聯(lián)系，上重廠藉口準(zhǔn)備與西德合作生產(chǎn)機(jī)床為由，加以拒絕。

在這種情況下，同年10月15日，一機(jī)部發(fā)文致青海省機(jī)械局，由青重廠試制生產(chǎn)2000tf標(biāo)準(zhǔn)測力機(jī)。

1980年8月，我們再度到青重廠考察，并商談研制費(fèi)用、模擬試驗(yàn)等事項(xiàng)。了解到青重廠周圍不僅沒有協(xié)作條件，也不具備做模擬試驗(yàn)條件，要價又太高，總之不適合承制。

回京后，我向國家計量總局匯報去青重廠的情況，并建議繼續(xù)爭取上重廠承擔(dān)，有的領(lǐng)導(dǎo)表示這有困難，因?yàn)榍嘀貜S試制已是定下來的事，最后白景中局長表了態(tài):“讓老蔡再去試一試吧! ”所以9月、10月我兩次去上重廠，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(fù)疑無路，只待柳暗花明又一村。

老天不負(fù)有心人，在這關(guān)鍵時刻，奇跡出現(xiàn)了，上重廠換了新的黨委書記，1980年11月下旬，我找新的書記商談。他深明大義，說:“既然國家這么需要，我們同意承擔(dān)?！睆S長呂江、總工田澤也表示同意，這時一貫堅決反對的副廠長也默認(rèn)了。

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

1981年4月下旬，我們與國家科委辦理了“科技三項(xiàng)費(fèi)用專項(xiàng)合同”。合同編號為439。這個項(xiàng)目正式列入國家重大科研項(xiàng)目。

該合同的研制經(jīng)費(fèi)共300萬。至此，研制經(jīng)費(fèi)也落實(shí)了。

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

模擬試驗(yàn)

1981年3月31日，我與上重廠簽訂了“2000tf標(biāo)準(zhǔn)測力機(jī)工作缸塞系統(tǒng)模擬試驗(yàn)任務(wù)書”。

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

1981年12月模擬試驗(yàn)結(jié)束。

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

通過模擬試驗(yàn)，同時取得了各項(xiàng)設(shè)計參數(shù)，這是本研究課題一個最重大的突破。

接著，課題組于1982年2月完成了技術(shù)設(shè)計。

施工設(shè)計

為了使施工設(shè)計的圖紙更切合上重廠的實(shí)際，我們與上重廠成立了一個聯(lián)合施工設(shè)計技術(shù)組，設(shè)計地點(diǎn)在上重廠地下室。明確設(shè)計由中國計量院負(fù)責(zé)，廠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。上重廠派出金仁法、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(biāo)準(zhǔn)測力機(jī)改為:20MN(20兆牛)標(biāo)準(zhǔn)測力機(jī)。

經(jīng)過一年努力，于1983年4月完成了施工設(shè)計。

圖1  日本20MN標(biāo)準(zhǔn)測力機(jī)

赴日本考察

1984年9月，我到日本參加國際會議并到日本計量研究所參觀當(dāng)時世界上最大的20MN 標(biāo)準(zhǔn)測力機(jī)(見圖1)。這臺設(shè)備當(dāng)時沒有運(yùn)轉(zhuǎn)，只能參觀外表。這臺測力機(jī)在1977年立項(xiàng)，到1982年建成，該機(jī)采用了傳統(tǒng)的單缸結(jié)構(gòu)和動壓潤滑原理，所以大油缸長度為3.5m，主機(jī)高約12m，僅能做壓向力檢定。這臺測力機(jī)耗資9億日元。

曲折的試制過程

從1985年開始，進(jìn)入加工階段。加工過程涉及南京汽輪電機(jī)廠、上海江南造船廠、上海汽輪機(jī)廠、上海造紙機(jī)械廠、上海機(jī)床廠、上海重型機(jī)器廠、上海球墨鑄鐵廠、北京重型機(jī)器廠、洛陽軸承廠、杭州汽輪機(jī)廠等10余個大廠的協(xié)作。

1985年1月27日，大油缸在南京汽輪電機(jī)廠加工時，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)孔壁面有大小不勻的白斑和黑斑，經(jīng)專家分析，認(rèn)為是由于鍛造時鋼錠冒口切除太少，及鑄造時合金元素未充分熔化而嚴(yán)重偏析所致。這樣嚴(yán)重的質(zhì)量事故，理應(yīng)報廢。但由于大油缸加工周期最長，費(fèi)用最大，又無備件，下不了決心報廢，只能繼續(xù)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，這道工序也未進(jìn)行。這樣直接導(dǎo)致了大油缸與大活塞組裝時，發(fā)生了極為嚴(yán)重的事故。

1987年6月下旬，當(dāng)大油缸與大活塞進(jìn)行組裝時，發(fā)生了缸塞卡死的重大事故。我接到電報后，速赴上重廠，見大家情緒低落，很多人認(rèn)為這下完了，研制失敗了。這是研制過程中最困難、最黑暗的階段，必須采取正確的態(tài)度和思想，咬著牙，挺過去。首先要研究如何把大活塞從大油缸中取出，當(dāng)時有兩種意見: 一種是活塞向下壓出；一種是活塞向上頂出。上重廠請我拍板，我決定采用“上頂”的辦法，當(dāng)油壓加到62kgf/cm2時，才取出活塞。根據(jù)活塞、油缸的傷勢，如采用“下壓”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。會議開始時氣氛緊張，廠方一致把矛頭指向我方，認(rèn)為選材不當(dāng)所致。實(shí)際上是由于大油缸該報廢而沒有報廢所致。這時指責(zé)誰的責(zé)任，只能加劇廠、院雙方的對立，對以后的工作進(jìn)展非常不利。我提議:“當(dāng)前最主要的是團(tuán)結(jié)一致，恢復(fù)信心，采取切實(shí)可行的補(bǔ)救措施?！睍蟪闪⒘诵迯?fù)小組，研究出妥善的解決辦法。

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

圖2  修復(fù)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(jī)裝配，9月整機(jī)裝好，進(jìn)行機(jī)、電、液聯(lián)機(jī)調(diào)試，一切正常，9月20日進(jìn)行22MN 滿負(fù)荷試驗(yàn)，運(yùn)轉(zhuǎn)正常，這意味著這項(xiàng)研究成果基本上已經(jīng)研制成功。

匯報會

這時，上重廠廠長對我說:“到目前為止，300萬經(jīng)費(fèi)已用完，廠里已墊資，至少要增加80萬費(fèi)用。”這一點(diǎn)我很理解，費(fèi)用確實(shí)不夠，我建議:“先開一次匯報會，邀請國家科委等有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)來現(xiàn)場看20MN測力機(jī)進(jìn)展情況，當(dāng)他們看到成功在望時，增資問題自然可以商量?！睆S長同意我的意見。

主要意見如下:

1.主要技術(shù)指標(biāo)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%)；液壓波動度5分鐘優(yōu)于0.005%(合同無此要求)。