1975年鞍山鋼鐵公司、本溪鋼鐵公司的1700熱連軋機組自動化所需的20MN(2000tf)測壓儀標定問題迫在眉睫；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、原子能發電、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開專題會議，討論大力值標準的建立問題，到會的有一機部、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日聯合給國家計劃委員會發文，題為《關于解決軋鋼自動化中測壓儀標定問題的報告》。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“關于軋鋼自動化中測壓儀標定問題的報告”。原則同意，并指出“建立大力值標準測試能力，是關系到獨立自主、自力更生地發展我國社會主義經濟和國防建設的一項重要任務。”

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”(以下簡稱“2000tf測力機”)的任務，由中國計量科學研究院(以下簡稱“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邦物理技術研究院(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。但操作時有測力機的加荷砝碼撞擊聲，到高壓時，液壓波動度很大。

彼得斯博士介紹:“這臺設備由MAN公司制造。從1961年開始研究，原來是單缸結構，由于油缸尺寸過大，制造時達不到設計的準確度要求，結果失敗了。1965年改用4缸并聯結構，于1969年完成設計。1971年在MAN公司進行初步試車后，即運到PTB安裝，至1973年調試完畢，前后經歷13年。此后又對液壓及電控系統進行改進，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，同時留下極深刻的印象。像原西德這樣技術、工業都為第一流的發達國家，建造這樣一臺設備，尚花了這么長的時間，這么大的精力。我國的科技、工業實力那時比他們差得多了，卻要建造比他們更大的測力機，其困難可想而知。但我們沒有被困難嚇倒，知難而進。

大膽創新

在進行技術方案構思時，我們從原理上進行創新。

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

關鍵時刻，我們想到了科學上的逆向思維，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”，這是一個大膽的設想和創新，它導致了這項研究工作不僅研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，能否保證工作活塞與大油缸之間不產生機械摩擦？這是關鍵，必須獲得證實才能采用。當時，靜壓潤滑技術在機床上已獲得應用，國內研究靜壓潤滑技術的權威機構之一是廣州機床研究所。我們專程去請教，他們也說不準，因為用于測力機，世界上沒有這種先例。為此，我們必須自己進行模擬試驗，取得切實可行的證明，才可進行技術設計。這樣，必須要有承制廠的配合，才能進行模擬試驗。

落實承制廠

選擇一個合適的承制廠，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(以下簡稱“上重廠”)，因為他們生產過500tf測力機，質量好，有經驗，上海的協作條件好。但從1977年12月起，我一直與一機部、上海機電一局、上重廠聯系，由于上重廠不愿承擔，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下達到青海重型機床廠(以下簡稱“青重廠”)，青重廠也愿意接受。8月我們去青重廠實地考察，認為青重廠的加工條件雖比上重廠好，但缺乏經驗，更重要的是協作條件差，將來有不少困難。

從青重廠回來后，我又去上重廠聯系，上重廠藉口準備與西德合作生產機床為由，加以拒絕。

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

1980年8月，我們再度到青重廠考察，并商談研制費用、模擬試驗等事項。了解到青重廠周圍不僅沒有協作條件，也不具備做模擬試驗條件，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，并建議繼續爭取上重廠承擔，有的領導表示這有困難，因為青重廠試制已是定下來的事，最后白景中局長表了態:“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，已是山重水復疑無路，只待柳暗花明又一村。

老天不負有心人，在這關鍵時刻，奇跡出現了，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。”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簽訂了“關于研制2000tf標準測力機的協議”。至此承制廠落實了。

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”。合同編號為439。這個項目正式列入國家重大科研項目。

該合同的研制經費共300萬。至此，研制經費也落實了。

1981年6月，中國計量院賠償青重廠經費，與青重廠關系到此為止。

模擬試驗

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

中國計量院的500tf測力機還在上重廠的裝配車間內，這給做模擬試驗創造了最好的條件。我們就在這臺測力機上進行模擬試驗。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，而且計量性能比動壓潤滑有了大幅度提高。

通過模擬試驗，同時取得了各項設計參數，這是本研究課題一個最重大的突破。

接著，課題組于1982年2月完成了技術設計。

施工設計

為了使施工設計的圖紙更切合上重廠的實際，我們與上重廠成立了一個聯合施工設計技術組，設計地點在上重廠地下室。明確設計由中國計量院負責，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)標準測力機改為:20MN(20兆牛)標準測力機。

經過一年努力，于1983年4月完成了施工設計。

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時世界上最大的20MN 標準測力機(見圖1)。這臺設備當時沒有運轉，只能參觀外表。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壓潤滑原理，所以大油缸長度為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。

曲折的試制過程

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

1985年1月27日，大油缸在南京汽輪電機廠加工時，發現其內孔壁面有大小不勻的白斑和黑斑，經專家分析，認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重偏析所致。這樣嚴重的質量事故，理應報廢。但由于大油缸加工周期最長，費用最大，又無備件，下不了決心報廢，只能繼續進行加工。大油缸最后一道是珩磨工序，由于找不到珩磨協作廠，這道工序也未進行。這樣直接導致了大油缸與大活塞組裝時，發生了極為嚴重的事故。

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。我接到電報后，速赴上重廠，見大家情緒低落，很多人認為這下完了，研制失敗了。這是研制過程中最困難、最黑暗的階段，必須采取正確的態度和思想，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，當油壓加到62kgf/cm2時，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，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，認為選材不當所致。實際上是由于大油缸該報廢而沒有報廢所致。這時指責誰的責任，只能加劇廠、院雙方的對立，對以后的工作進展非常不利。我提議:“當前最主要的是團結一致，恢復信心，采取切實可行的補救措施?！睍蟪闪⒘诵迯托〗M，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行組裝(見圖2)，取得了突破性進展。

圖2  修復后大活塞與大油缸進行組裝

1989年5月，零件均加工好了，進行整機裝配，9月整機裝好，進行機、電、液聯機調試，一切正常，9月20日進行22MN 滿負荷試驗，運轉正常，這意味著這項研究成果基本上已經研制成功。

匯報會

這時，上重廠廠長對我說:“到目前為止，300萬經費已用完，廠里已墊資，至少要增加80萬費用?！边@一點我很理解，費用確實不夠，我建議:“先開一次匯報會，邀請國家科委等有關領導來現場看20MN測力機進展情況，當他們看到成功在望時，增資問題自然可以商量。”廠長同意我的意見。

1989年11月14日召開20MN測力機匯報會，邀請有關單位的領導和記者參觀20MN 測力機運轉情況。這臺外形酷似萬噸水壓機，可產生最大壓向力為22MN、最大拉向力為10MN，主機高10.5m，凈重達200t的特大型精密儀器給大家留下極為深刻的印象。國家科委同意增資80萬。

鑒定會

接著我們對測力機進行精密調試，確定準確度、穩定性。寫出《研究報告》、《研制簡介》、《國內外大力值標準測力機水平和情況介紹》等文件。當時對技術水平的評價，為慎重起見，我們只提“達到國際先進水平”，而沒有提“國際領先水平”，因為這要經過中日兩國測力機比對后才能下結論。1990年6月15日，在上重廠召開了以王大珩、雷天覺兩位院士為首的鑒定會。兩位院士贊不絕口，王大珩院士對100%國產化率尤為贊賞。會議代表一致通過“達到國際先進水平”。

中日兩國測力機比對

1990年9月～11月，日本計量研究所的專家東城琢郎攜帶比對傳感器來華，在上重廠20MN測力機上進行比對測試。然后我國也派施昌彥、易本忠、李振民攜帶比對傳感器到日本計量所20MN測力機上進行比對測試。比對結果表明:在準確度上兩國均達到1×10^-4，但在液壓波動度上，我國明顯優于日本。東城琢郎對我國在世界上首次成功采用單缸靜壓潤滑技術，提高大力值液壓式測力機性能十分贊賞。

國際測力專家的現場考察

1991年9月，國際計量測試聯合會(IMEKO)的“力與質量測量技術委員會”(TC-3)在京開會，我們邀請TC-3主席德國彼得斯博士和英、日、芬蘭等4國的5位國際著名測力專家到上重廠實地考察20MN測力機，彼得斯博士親自上機操作(見圖3，圖中前排右一為日本專家，右二為芬蘭專家，右五為德國專家彼得斯博士，右七為英國專家)。在現場，彼得斯博士說:“建立大力值標準是件很艱苦的科研工作，你們花了10年，我們德國花了13年?！F在你們實現了單缸靜壓，是世界上第一家，而投資只有我們的八分之一，所以是值得祝賀的?！比毡緦＜艺f:“中國的20MN測力機的液壓穩定性優于日本，這是中國同行在硬件上采用尖端技術的成果。”其他的專家都給予了高度評價，表明該研制技術已達到世界領先水平。

國家驗收會

本課題是由國家科委投資的國家重大項目，所以要由國家科委驗收。1991年10月28日，在上重廠召開了國家驗收會，國家科委基礎研究高技術司司長馮恩鍵教授親臨現場，并由以機電部總工程師姚福生院士、王大珩院士、雷天覺院士為首的14名專家驗收組進行驗收。

主要意見如下:

1.主要技術指標均優于合同要求

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

晉升為“ 基準測力機”

按照我國計量法規的規定，基準器必須由計量最高主管部門批準，而且必須經過一年以上長期穩定性考核，證明性能可靠。自國家驗收會后，20MN測力機又經過一年的使用和長期穩定性考核，證明其性能良好。國家技術監督局于1992年2月1日發文，批準“20MN 標準測力機”為“20MN 基準測力機”。

榮獲國家科學技術進步獎一等獎

中國計量院為了安裝20MN基準測力機，于1992年開始建造測力大廳。1995年春20MN測力機由上重廠運到中國計量院安裝。1996年該項目申請國家科技進步獎，于1996年12月，“20MN(2000tf)標準測力機的研制”項目榮獲國家科技進步獎一等獎。該設備的研制，上重廠領導、技術人員、工人師傅也都作出很大貢獻。所以主要完成人經過協商共14人，其中中國計量院6人，上重廠8人。名次按貢獻大小排列如下:蔡正平、施昌彥、李振民、周宏、易本忠、沈利、金仁法、陶仁法、章富元、潘榮祥、潘錫泉、沈伯佐、沈京、洪品璋。20MN測力機自1989年研制成功，至今已有24余年，它仍繼續良好地為國民經濟和國防建設服務。

本文刊發于《中國計量》雜志2014年第2期

作者：原國家計量局總工程師  蔡正平

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