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回顾世界领先水平的“20MN(2000tf)标准测力机”研制经过

发布时间:2020-08-11 作者:蔡正平​ 来源: 浏览:344

20MN基准测力机


任务的由来

1975年鞍山钢铁公司、本溪钢铁公司的1700热连轧机组自动化所需的20MN(2000tf)测压仪标定问题迫在眉睫;七机部大型火箭推力的测量也需要标定1000tf 以上的力传感器。因此冶金部和七机部分别要求国家标准计量局建立2000tf标准测力机。造船、建筑、原子能发电、海洋石油开采等行业,也有此需要。

1975年10月,国家标准计量局在京召开专题会议,讨论大力值标准的建立问题,到会的有一机部、冶金部、六机部、七机部、国家建委、工程兵等代表。

根据会议讨论精神,一机部、冶金部、国家标准计量局于1976年5月2日联合给国家计划委员会发文,题为《关于解决轧钢自动化中测压仪标定问题的报告》。文中第一次正式提出要建立“2000tf~3000tf 液压式标准测力机”。

1977年4月15日国家计委以(77)计生字86号文,复“关于轧钢自动化中测压仪标定问题的报告”。原则同意,并指出“建立大力值标准测试能力,是关系到独立自主、自力更生地发展我国社会主义经济和国防建设的一项重要任务。”

1977年国家计委将研制“2000tf液压式标准测力机” 列入国家重大项目计划。


赴PTB考察

研制“2000tf液压式标准测力机”(以下简称“2000tf测力机”)的任务,由中国计量科学研究院(以下简称“中国计量院”)承担,1978年由我和施昌彦等组成课题组。同年9月,我和施昌彦到德国联邦物理技术研究院(PTB)考察1650tf标准测力机,由PTB测力室主任彼得斯博士接待。当时世界上最大的液压式标准测力机正在工作,主机非常雄伟,结构非常复杂。但操作时有测力机的加荷砝码撞击声,到高压时,液压波动度很大。

彼得斯博士介绍:“这台设备由MAN公司制造。从1961年开始研究,原来是单缸结构,由于油缸尺寸过大,制造时达不到设计的准确度要求,结果失败了。1965年改用4缸并联结构,于1969年完成设计。1971年在MAN公司进行初步试车后,即运到PTB安装,至1973年调试完毕,前后经历13年。此后又对液压及电控系统进行改进,目前仍在做提高准确度、性能等工作。”

这次考察收获很大,对我们的设计思路有很大的启迪,同时留下极深刻的印象。像原西德这样技术、工业都为第一流的发达国家,建造这样一台设备,尚花了这么长的时间,这么大的精力。我国的科技、工业实力那时比他们差得多了,却要建造比他们更大的测力机,其困难可想而知。但我们没有被困难吓倒,知难而进。


大胆创新

在进行技术方案构思时,我们从原理上进行创新。

液压式测力机大油缸很长的原因是由于采用了“动压润滑原理”的结果。全世界液压式测力机都采用这种原理。

关键时刻,我们想到了科学上的逆向思维,即由“动”变“静”,就是不采用“动压润滑原理”,改为采用“静压润滑原理”,这是一个大胆的设想和创新,它导致了这项研究工作不仅研究成功而且达到国际领先水平。它开辟了建立液压式测力机的另一条途径。但在测力机中采用静压润滑原理,能否保证工作活塞与大油缸之间不产生机械摩擦?这是关键,必须获得证实才能采用。当时,静压润滑技术在机床上已获得应用,国内研究静压润滑技术的权威机构之一是广州机床研究所。我们专程去请教,他们也说不准,因为用于测力机,世界上没有这种先例。为此,我们必须自己进行模拟试验,取得切实可行的证明,才可进行技术设计。这样,必须要有承制厂的配合,才能进行模拟试验。


落实承制厂

选择一个合适的承制厂,是顺利研制2000tf测力机的必要条件。我们选择了上海重型机床厂(以下简称“上重厂”),因为他们生产过500tf测力机,质量好,有经验,上海的协作条件好。但从1977年12月起,我一直与一机部、上海机电一局、上重厂联系,由于上重厂不愿承担,所以前后谈了8次,均未成功。

1979年7月,一机部拟把这项任务下达到青海重型机床厂(以下简称“青重厂”),青重厂也愿意接受。8月我们去青重厂实地考察,认为青重厂的加工条件虽比上重厂好,但缺乏经验,更重要的是协作条件差,将来有不少困难。

从青重厂回来后,我又去上重厂联系,上重厂藉口准备与西德合作生产机床为由,加以拒绝。

在这种情况下,同年10月15日,一机部发文致青海省机械局,由青重厂试制生产2000tf标准测力机。

1980年8月,我们再度到青重厂考察,并商谈研制费用、模拟试验等事项。了解到青重厂周围不仅没有协作条件,也不具备做模拟试验条件,要价又太高,总之不适合承制。

回京后,我向国家计量总局汇报去青重厂的情况,并建议继续争取上重厂承担,有的领导表示这有困难,因为青重厂试制已是定下来的事,最后白景中局长表了态:“让老蔡再去试一试吧! ”所以9月、10月我两次去上重厂,第一次,他们表示“尚需研究”;第二次又明确拒绝。

至此,已是山重水复疑无路,只待柳暗花明又一村。

老天不负有心人,在这关键时刻,奇迹出现了,上重厂换了新的党委书记,1980年11月下旬,我找新的书记商谈。他深明大义,说:“既然国家这么需要,我们同意承担。”厂长吕江、总工田泽也表示同意,这时一贯坚决反对的副厂长也默认了。

1981年2月1日,我和田泽分别代表中国计量院和上重厂签订了“关于研制2000tf标准测力机的协议”。至此承制厂落实了。

1981年4月下旬,我们与国家科委办理了“科技三项费用专项合同”。合同编号为439。这个项目正式列入国家重大科研项目。

该合同的研制经费共300万。至此,研制经费也落实了。

1981年6月,中国计量院赔偿青重厂经费,与青重厂关系到此为止。


模拟试验

1981年3月31日,我与上重厂签订了“2000tf标准测力机工作缸塞系统模拟试验任务书”。

中国计量院的500tf测力机还在上重厂的装配车间内,这给做模拟试验创造了最好的条件。我们就在这台测力机上进行模拟试验。模拟试验的工作油缸、工作活塞的内外径尺寸与500tf测力机的工作缸塞基本一致。

1981年12月模拟试验结束。

模拟试验不仅证明静压润滑可行,而且计量性能比动压润滑有了大幅度提高。

通过模拟试验,同时取得了各项设计参数,这是本研究课题一个最重大的突破。

接着,课题组于1982年2月完成了技术设计。


施工设计

为了使施工设计的图纸更切合上重厂的实际,我们与上重厂成立了一个联合施工设计技术组,设计地点在上重厂地下室。明确设计由中国计量院负责,厂方派出人员的工作由院方安排。

1982年3月,课题组蔡正平、施昌彦、李振民、周宏、易本忠、沈京全部去上重厂。上重厂派出金仁法、章富元、陶仁法、沈利、袁金如。

我国从1981年8月起,计量单位制采用了国际单位制,力的单位改为牛顿(N),所以2000tf(2000吨力)标准测力机改为:20MN(20兆牛)标准测力机。

经过一年努力,于1983年4月完成了施工设计。



图1  日本20MN标准测力机

赴日本考察

1984年9月,我到日本参加国际会议并到日本计量研究所参观当时世界上最大的20MN 标准测力机(见图1)。这台设备当时没有运转,只能参观外表。这台测力机在1977年立项,到1982年建成,该机采用了传统的单缸结构和动压润滑原理,所以大油缸长度为3.5m,主机高约12m,仅能做压向力检定。这台测力机耗资9亿日元。


曲折的试制过程

从1985年开始,进入加工阶段。加工过程涉及南京汽轮电机厂、上海江南造船厂、上海汽轮机厂、上海造纸机械厂、上海机床厂、上海重型机器厂、上海球墨铸铁厂、北京重型机器厂、洛阳轴承厂、杭州汽轮机厂等10余个大厂的协作。

1985年1月27日,大油缸在南京汽轮电机厂加工时,发现其内孔壁面有大小不匀的白斑和黑斑,经专家分析,认为是由于锻造时钢锭冒口切除太少,及铸造时合金元素未充分熔化而严重偏析所致。这样严重的质量事故,理应报废。但由于大油缸加工周期最长,费用最大,又无备件,下不了决心报废,只能继续进行加工。大油缸最后一道是珩磨工序,由于找不到珩磨协作厂,这道工序也未进行。这样直接导致了大油缸与大活塞组装时,发生了极为严重的事故。

1987年6月下旬,当大油缸与大活塞进行组装时,发生了缸塞卡死的重大事故。我接到电报后,速赴上重厂,见大家情绪低落,很多人认为这下完了,研制失败了。这是研制过程中最困难、最黑暗的阶段,必须采取正确的态度和思想,咬着牙,挺过去。首先要研究如何把大活塞从大油缸中取出,当时有两种意见: 一种是活塞向下压出;一种是活塞向上顶出。上重厂请我拍板,我决定采用“上顶”的办法,当油压加到62kgf/cm2时,才取出活塞。根据活塞、油缸的伤势,如采用“下压”法,活塞根本取不出来,这样麻烦就太大了。

8月31日召开专题会议,研究大油缸塞卡死事件,厂方以副厂长为首11人参加,院方我和李振民2人。会议开始时气氛紧张,厂方一致把矛头指向我方,认为选材不当所致。实际上是由于大油缸该报废而没有报废所致。这时指责谁的责任,只能加剧厂、院双方的对立,对以后的工作进展非常不利。我提议:“当前最主要的是团结一致,恢复信心,采取切实可行的补救措施。”会后成立了修复小组,研究出妥善的解决办法。

1988年12月,修复后的大活塞与大油缸成功地进行组装(见图2),取得了突破性进展。

图2  修复后大活塞与大油缸进行组装

1989年5月,零件均加工好了,进行整机装配,9月整机装好,进行机、电、液联机调试,一切正常,9月20日进行22MN 满负荷试验,运转正常,这意味着这项研究成果基本上已经研制成功。


汇报会

这时,上重厂厂长对我说:“到目前为止,300万经费已用完,厂里已垫资,至少要增加80万费用。”这一点我很理解,费用确实不够,我建议:“先开一次汇报会,邀请国家科委等有关领导来现场看20MN测力机进展情况,当他们看到成功在望时,增资问题自然可以商量。”厂长同意我的意见。

1989年11月14日召开20MN测力机汇报会,邀请有关单位的领导和记者参观20MN 测力机运转情况。这台外形酷似万吨水压机,可产生最大压向力为22MN、最大拉向力为10MN,主机高10.5m,净重达200t的特大型精密仪器给大家留下极为深刻的印象。国家科委同意增资80万。
鉴定会
接着我们对测力机进行精密调试,确定准确度、稳定性。写出《研究报告》、《研制简介》、《国内外大力值标准测力机水平和情况介绍》等文件。当时对技术水平的评价,为慎重起见,我们只提“达到国际先进水平”,而没有提“国际领先水平”,因为这要经过中日两国测力机比对后才能下结论。1990年6月15日,在上重厂召开了以王大珩、雷天觉两位院士为首的鉴定会。两位院士赞不绝口,王大珩院士对100%国产化率尤为赞赏。会议代表一致通过“达到国际先进水平”。
中日两国测力机比对
1990年9月~11月,日本计量研究所的专家东城琢郎携带比对传感器来华,在上重厂20MN测力机上进行比对测试。然后我国也派施昌彦、易本忠、李振民携带比对传感器到日本计量所20MN测力机上进行比对测试。比对结果表明:在准确度上两国均达到1×10-4,但在液压波动度上,我国明显优于日本。东城琢郎对我国在世界上首次成功采用单缸静压润滑技术,提高大力值液压式测力机性能十分赞赏。
国际测力专家的现场考察
1991年9月,国际计量测试联合会(IMEKO)的“力与质量测量技术委员会”(TC-3)在京开会,我们邀请TC-3主席德国彼得斯博士和英、日、芬兰等4国的5位国际著名测力专家到上重厂实地考察20MN测力机,彼得斯博士亲自上机操作(见图3,图中前排右一为日本专家,右二为芬兰专家,右五为德国专家彼得斯博士,右七为英国专家)。在现场,彼得斯博士说:“建立大力值标准是件很艰苦的科研工作,你们花了10年,我们德国花了13年。……现在你们实现了单缸静压,是世界上第一家,而投资只有我们的八分之一,所以是值得祝贺的。”日本专家说:“中国的20MN测力机的液压稳定性优于日本,这是中国同行在硬件上采用尖端技术的成果。”其他的专家都给予了高度评价,表明该研制技术已达到世界领先水平。

国家验收会
本课题是由国家科委投资的国家重大项目,所以要由国家科委验收。1991年10月28日,在上重厂召开了国家验收会,国家科委基础研究高技术司司长冯恩键教授亲临现场,并由以机电部总工程师姚福生院士、王大珩院士、雷天觉院士为首的14名专家验收组进行验收。

主要意见如下:

1.主要技术指标均优于合同要求

力值不确定度优于±0.01%(合同要求±0.05~±0.1%);力值变动度优于0.01% ( 合同要求0.05% ~0.1%);灵敏限优于0.002%(合同要求0.02%);液压波动度5分钟优于0.005%(合同无此要求)。


2.鉴于上述指标以及静压润滑技术首次在国际上成功地应用于液压式标准测力机,表明该项研究成果在世界大力值测力机领域居领先水平。至此,20MN标准测力机的研制工作已经圆满完成。从1991年10月29日至1992年1月29日有7家媒体报道了20MN 标准测力机研究水平处于国际领先地位。他们是:《上海电视台》、《人民日报》、《经济参考报》、《中国技术监督报》等。
晋升为“ 基准测力机”
按照我国计量法规的规定,基准器必须由计量最高主管部门批准,而且必须经过一年以上长期稳定性考核,证明性能可靠。自国家验收会后,20MN测力机又经过一年的使用和长期稳定性考核,证明其性能良好。国家技术监督局于1992年2月1日发文,批准“20MN 标准测力机”为“20MN 基准测力机”。
荣获国家科学技术进步奖一等奖
中国计量院为了安装20MN基准测力机,于1992年开始建造测力大厅。1995年春20MN测力机由上重厂运到中国计量院安装。1996年该项目申请国家科技进步奖,于1996年12月,“20MN(2000tf)标准测力机的研制”项目荣获国家科技进步奖一等奖。该设备的研制,上重厂领导、技术人员、工人师傅也都作出很大贡献。所以主要完成人经过协商共14人,其中中国计量院6人,上重厂8人。名次按贡献大小排列如下:蔡正平、施昌彦、李振民、周宏、易本忠、沈利、金仁法、陶仁法、章富元、潘荣祥、潘锡泉、沈伯佐、沈京、洪品璋。20MN测力机自1989年研制成功,至今已有24余年,它仍继续良好地为国民经济和国防建设服务。

本文刊发于《中国计量》杂志2014年第2期

作者:原国家计量局总工程师  蔡正平

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