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。

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)。

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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