孫 烈

(中國科學院 自然科學史研究所，北京 100190)

0引言

大型自由鍛造液壓機是生產曲軸、大型化工容器、軋輥、機器主軸、汽輪機轉子、電機護環(huán)、高壓鍋爐汽包和許多軍工產品的重要零部件的關鍵設備。其數(shù)量、品種、等級和產量，不僅是一些工廠和行業(yè)實力的顯示，也被視作一個地區(qū)或者一個國家的工業(yè)基礎和制造能力的標志。因此，包括萬噸水壓機在內的大型液壓機往往被視為重大技術裝備，備受重視。

冷戰(zhàn)格局形成后，大型液壓機的發(fā)展受到軍備競賽與重工業(yè)發(fā)展的帶動。蘇聯(lián)更是高度重視重型機械制造業(yè)的發(fā)展，蘇聯(lián)共產黨中央委員會和蘇聯(lián)部長會議曾經要求“推廣先進技術，發(fā)展各種先進設備的生產，特別是強大的機械壓力機和液壓機與鍛壓機的生產”［1］。

20世紀50—60年代，蘇聯(lián)技術向中國轉移。相應地，中國重大技術裝備的來源主要有兩種:一是直接從蘇聯(lián)或東歐國家進口，二是測繪仿造或者引進圖紙仿造。50年代初期，工業(yè)部門與軍事部門已考慮到從蘇聯(lián)進口萬噸水壓機的可能性。而且，中國優(yōu)先發(fā)展重工業(yè)與國防工業(yè)，大型水壓機自然受到青睞。鑒于當時薄弱的經濟與技術實力，特別是與水壓機配套的大型鋼鐵廠和機器廠未建成，決策者采取了相對穩(wěn)妥的發(fā)展策略——以引進蘇聯(lián)或捷克的設備為主，從仿制中小型水壓機入手，逐步消化吸收國外重型機器制造技術，最終實現(xiàn)自給。［2］

本文主要依據(jù)國家機械檔案館、江南造船廠檔案館和上海重型機器廠檔案館的資料，并結合沈鴻等編著的具有技術總結性質的《上海12000噸鍛造水壓機安裝手冊》和《12000噸鍛造水壓機》②《上海12000噸鍛造水壓機安裝手冊》為內部手冊，《12000噸鍛造水壓機》初稿約于1963年完成，因“文革”等原因拖延至1980年，由機械工業(yè)出版社正式出版。提供的一些信息，考察了這臺水壓機從技術準備到設計和制造的過程。

1 技術準備

1958年秋，沈鴻挑選了技術實力較強的江南造船廠(以下簡稱“江南廠”)為試制單位。水壓機制成后，將成為新建的上海重型機器廠(以下簡稱“上重廠”)的核心設備。

沈鴻以江南廠的技術力量為主組建了設計班子——上海萬噸水壓機設計室，沈鴻任總設計師。他還抽調國家經委機械局的林宗棠擔當副總設計師，作副手。林宗棠1949年畢業(yè)于清華大學機械系，曾在東北工作期間發(fā)起組織高速金屬切削等技術革新活動，后擔任過沈陽第一機床廠第一副廠長、國家經委副處長。江南廠設計科輪機股副股長徐希文也深受沈鴻賞識，任水壓機設計室技術組組長。徐畢業(yè)于大連工學院，工作后又在上海交大由蘇聯(lián)教授開設的研究生班進修，參加過蘇聯(lián)萬噸輪“西比利采夫”號大修等任務。江南廠的副總工程師邵炳鈞也曾短期參加了水壓機的設計工作③后來因為“03”型潛艇和萬噸“東風”輪等重點任務的需要，邵炳鈞返回到原工作崗位。。設計組中的孫錦榮、戴同鈞、金竹青、宋大有、陳端陽、楊炳炎、黃繩甫、徐承谷、葉俊德、江寶根等技術人員也來自江南廠。為支援水壓機任務，上海機電設計院選派了胡森昌、丁忠堯、陸忠源、夏榮元等人參加進來。在這個充滿朝氣的團隊中，挑大梁的林宗棠32歲，徐希文27歲，其他人多數(shù)?都是30歲上下，年輕、熱情、勤奮、敢干是他們的共同特點。①2007年8月，筆者曾赴上海訪談徐希文先生，得以了解設計組成員的部分信息。

當時國內裝備有水壓機并已形成生產能力的有三家龍頭企業(yè):沈陽重型機器廠、富拉爾基重型機器廠和太原重型機器廠。1958年秋，由沈鴻帶隊，部分設計人員北上調研。在水壓機的生產或施工現(xiàn)場，他們一邊測繪，一邊了解設計、制造和生產中的問題。沈鴻等人還發(fā)現(xiàn)了正在安裝調試的國內最大的鍛壓設備——捷克造的6000噸水壓機，存在潤滑系統(tǒng)不完善、水壓機壓力噸位轉換結構不夠靈活、水壓機的基礎存在設計不合理等問題。更重要的是，他們獲得了不少水壓機的技術資料，其中有蘇聯(lián)的6000噸和10000噸水壓機的總圖與部分零件圖。表1匯集了技術人員在設計過程中常用的一些參考資料(為敘述方便，下文以序號代替對應的資料名稱，例如“資料4”表示《蘇聯(lián)機器制造百科全書》8卷)，囊括了當時所能見到的國內外專業(yè)期刊和公開出版物，其中有些是來自蘇聯(lián)和捷克的資料，有些是國內的工廠和設計單位的技術文檔。

表1 萬噸水壓機設計組搜集的部分參考資料

在設計室剛成立不久，就有人主張走仿造的路線——直接照搬國外的設計［4］。然而，北上調研之后，大家心里對技術上存在的困難認識得更加清楚，主要技術瓶頸歸于以下三個方面:

(1)現(xiàn)有的中小型加工設備無法滿足常規(guī)的制造大型水壓機的技術方案，必須有針對性的突破。國外制造同類機器，大型機床、大型熱處理爐、大型起重機等設施要先齊備，可是這些基礎條件當時在上海尚不具備。

(2)必須在材料選用方面有所突破，否則按常規(guī)方案將無法實現(xiàn)制造。水壓機立柱與橫梁的選材尤為突出。國外大型水壓機的立柱都是整體鍛造，上海當時尚未裝備大水壓機，立柱的用材只能考慮鑄鋼。橫梁的外形巨大，部分零件的重量可達數(shù)百噸，上海雖有不少中小鋼鐵廠，但是都沒有生產大型鑄鍛件的設備和廠房，最大鑄件能力只有十幾噸，再大就不能確保其機械性能。

(3)缺少一手的數(shù)據(jù)和經驗。大型水壓機零部件達上萬個，技術環(huán)節(jié)多而復雜;而且許多零部件在工作中承受大負荷、高溫和高壓，技術性能要求較高。所獲資料和調研結果缺少大量關鍵性的技術細節(jié)。

總之，當時的工業(yè)基礎和技術條件決定了直接照搬照抄現(xiàn)成的技術方案看似簡單，實為一條死路。在沈鴻看來，現(xiàn)實條件決定了自制萬噸水壓機不可能一蹴而就。［5］為了慎重起見，他們前后做了兩臺模型機、一臺1200噸和一臺120噸的試驗水壓機，按照這樣的排序，上海萬噸水壓機可被看作是設計組完成的第五臺水壓機。

2 設計

萬噸機的設計不等同于對試驗機的等比例放大，即便是相同的部件，在材料、結構和使用等方面也會有很大的差別。1959年底取得兩臺試驗機的成功后，萬噸機的設計工作正式啟動。

設計中，總設計師沈鴻抓全面工作，把握大方向，同時負責總體設計、水壓機基礎設計和安裝工藝的設計。副總設計師林宗棠兼任設計組組長，協(xié)助沈鴻抓全面工作;同時，還負責總體設計、下橫梁設計、制造工藝、水壓機測試和試驗等具體的技術任務。徐希文在設計組中任副組長和技術組組長，承擔具體的設計任務也最多，主要負責總體設計、上橫梁和活動橫梁設計、液壓閥的設計、超重運輸車輛設計、水壓機測試和試驗等。林、徐二人專業(yè)基礎好、懂外語的特長在設計中都得到了發(fā)揮。其他技術人員也有明確的分工:孫錦榮負責立柱的設計;宋大有、戴同鈞和金竹青負責焊接工藝設計和焊接試驗;陳端陽主攻熱處理;葉俊德、黃繩甫和徐承谷承擔水壓機電氣設備及控制的設計;丁忠堯、江寶根參與設計主閥和液壓系統(tǒng);楊炳炎、陸忠源和夏榮元等主要負責設計輔助部件;胡森昌參與立柱實驗和部分總體設計;幾位女技術人員主要負責繪圖和一些輔助性工作。①徐希文先生向筆者介紹設計組成員的分工情況。

水壓機一般由本體、動力系統(tǒng)與液壓控制系統(tǒng)三大部分組成。本體即水壓機主機，一般包括機架、液壓缸、運動及導向裝置以及其他輔助裝置。立柱與橫梁是構成水壓機本體的最基本的幾個大件。本體通常都被視為水壓機的主題，而上海萬噸水壓機的本體也是最能體現(xiàn)設計思路和技術特色的部分。

2.1 本體結構的設計

圖1 上海12000噸水壓機結構圖［6］

確定本體的結構是一臺水壓機全部設計的重要基礎。從當時國外已裝備的大型鍛造水壓機的結構設計來看，幾乎都采用立式三橫梁四立柱式。在多數(shù)參考資料中，設計分析與數(shù)據(jù)計算也多以立式三橫梁四立柱結構為例。因此，對上海水壓機設計人員來說，采用這種結構(圖1)進行設計不僅具有技術上的合理性，還可以充分利用搜集到的資料和考察結果，從而在一定程度上降低設計難度。

采用同樣結構的機架，并不意味著設計就可以照抄。特別是分段焊接立柱和“整體焊接式”橫梁一度成為困擾這臺水壓機設計最大的難題。設計人員根據(jù)理論計算并結合實驗，初定以鋼板代用材料和焊接為主的技術方案(表2)。經反復斟酌，沈鴻贊同了這樣的技術路線:

本體的設計受到了廠房高度變更的影響。上海水壓機的設計與廠房的設計同時進行。在本體的初步設計完成后，廠房的高度卻要縮減。降低廠房高度在當時看來實屬“多快好省”之舉。“大躍進”時期，各地基建工程遍地開花。在資源非常有限的條件下，廠房的設計與施工普遍追求“簡易快速，加快建設”。于是，廠房按鋼結構結合鋼混結構建造，高度定為35.6米，行車軌道則從24米高被調整到20米高，降低了4米之多。廠房和行車高度的降低，必然要導致水壓機的高度隨之降低。相應的，四根立柱與三個橫梁的高度也要縮減。在當時看來，這樣的變更毫無疑問是利大于弊的。然而事實上，由此給水壓機的設計造成了始料不及的不利影響。

表2 上海12000噸水壓機主要參數(shù)1)

續(xù)表2

2.2 立柱的設計

水壓機的立柱是整個水壓機最重要的部件之一。立柱不但要連接三個橫梁，構成本體的封閉框架;同時，還要兼具活動橫梁的導向功能。上海萬噸水壓機立柱的設計在吸收、借鑒其他水壓機的同時，也形成了自身“短粗”的特點。

立柱設計的難度之一，就是要使其能夠承受大而復雜多變的載荷。關于解決偏心載荷和立柱的導向功能，在國外文獻中不難找到，特別是資料13和15中有比較詳細的對比分析。設計人員注意到了上述文獻，他們的分析及圖例均是從中直接摘錄來的。(［6］，1—10頁)

上海水壓機的立柱選用了錐套式結構，該結構最大的優(yōu)點在于可以消除下部的應力集中。設計人員之所以如此看重這一因素，源于設計組在前期考察時了解到的一則情況。一重廠水壓機車間蘇聯(lián)造1250噸水壓機因設計缺陷，應力集中造成立柱特別容易斷裂。

國外設計資料為確定立柱的尺寸提供了依據(jù)與參照。資料4的作者推薦“極大型水壓機(10000—20000噸)的機柱，內孔直徑達300—700公厘”。設計人員對比資料1、4和16時發(fā)現(xiàn)，國外設計的中心尺寸與外徑之比(內外徑比)在20%—30%之間，而且中心孔徑不超過250毫米，如表3所示。

表3 幾臺鍛造水壓機的立柱數(shù)據(jù)

但是，設計人員作了大膽嘗試，將上海水壓機內外徑比增加到了43%，遠超出其他的水壓機。如此考慮，主要是針對上海的材料供給情況。因為，消耗相同重量的材料，這樣做可以獲得更大的外徑和更高的強度，利于材料的選擇和使用。

本研究結果顯示，高危因素中發(fā)生率最高為妊娠期高血壓，妊娠期高血壓占比，與其他因素相比，差異具有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）；實驗組產婦的各項指標均顯著優(yōu)于常規(guī)組產婦的各項指標；實驗組新生兒多項結局均優(yōu)于常規(guī)組，差異具有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）。通過本研究結果基本可以明確圍產期保健中妊娠期高血壓的篩查發(fā)生率較高，所以在臨床中必須根據(jù)這一癥狀做到全面性預防和治理措施。

在強度計算時，設計人員至少參考了7種模型與方法。經過比較，最后用羅扎諾夫(Розанов)在資料1中的計算方法(［6］，45—50頁)。這種方法雖然計算起來相對繁雜，但是考慮的因素比較全面，更接近實際的工作狀況。經過驗算，該水壓機的立柱內外徑分別被確定為:外徑930毫米和內徑400毫米。與其他同級水壓機的立柱相比，明顯要粗壯一些。

立柱的縱向尺寸受到了廠房高度的影響。資料4中有四柱式鍛造水壓機的若干設計參數(shù)，將上海水壓機的相關參數(shù)與之并列對照，如表4所示(表中［上海］系指上海萬噸水壓機)。對比可知，上海萬噸水壓機的橫向尺寸，如立柱中心距大致符合資料4的數(shù)據(jù);而縱向尺寸基本上是比照10000噸水壓機的參數(shù)來設計的，顯得略微低矮一些。

表4 上海水壓機與推薦資料的部分參數(shù)比照

立柱的尺寸設計對水壓機的整體以及橫梁的設計影響很大。除去活動橫梁的工作行程、工作臺與上下砧的高度及工件的預留空間外，立柱的上下橫梁相應部位的設計高度值分別只有2.4米與2.5米，應力集中現(xiàn)象比較明顯。

圖2 鍛-焊立柱結構示意圖

設計的立柱長17.69米，重約80噸。設計時，反復推敲了選材和工藝路線。國外一般選用中碳鋼或中碳合金鋼的大型鋼錠(約200噸左右)，用大型水壓機整體鍛造為立柱毛坯。此方案材料性能最好，工藝路線簡單，國外大型水壓機的設計一般首選此方案。但是，這個方法需用約200噸重的鋼錠在萬噸水壓機上鍛制，上海根本沒有選用此方案的可能性，只能放棄。

設計人員受到東北6000噸水壓機的啟發(fā)，決定用焊接法拼接制造大立柱，主要的難點在于合理劃分大立柱，使各部分既利于焊接操作，又能保證整體的機械性能。最初，沈鴻提出順著立柱的縱向進行劃分和拼接，將鍛成扇形斷面的長條鋼，焊接成一個空心圓柱(圖2)。這種所謂“組筷式”劃分方法據(jù)說源于沈鴻受到手中的一把筷子的啟發(fā)［7］。此法雖是奇思妙想，但在工程上并不取巧，其最大問題在于不利于焊接操作，焊接質量也難于保證。另外，鍛造長條鋼需要東北的廠家協(xié)作，成本高，周期長。

用鍛焊法遇到困難后，設計組多方打聽，找到了來華的民主德國冶金專家孔歇爾(von Wolfgang Küntscher und Hanns)。1958至1959年，孔歇爾作為冶金部鋼鐵研究院顧問，指導上海鍋爐廠使用代用材料生產高壓容器。①一機部技術司:《關于統(tǒng)籌安排解決電站設備用鋼立足于國內于采用“拼代”方法解決電站設備大型鑄鍛件等的意見》，1959年，國家機械檔案館，全宗號221，目錄號10，案卷號75:第3頁。據(jù)沈鴻回憶:

有一個德國人說，鑄鋼和鍛鋼沒有本質上的區(qū)別，如果鑄鋼質量好就不比鍛鋼差;如果鍛鋼的質量不好，還不如鑄鋼。水壓機柱子可以分段拼焊起來，這是德國人孔歇爾的意見。②《沈鴻副部長講話(記錄摘要)》，1965年，國家機械檔案館，全宗號221，目錄號6，案卷號58:第9頁。

孔歇爾建議采用20MnV鑄鋼作水壓機立柱的材料，以“分段拼焊”的方法制造整根立柱(圖3)。1959年在上海召開全國焊接會議期間，劉鼎向沈鴻介紹了哈爾濱坦克廠用拼焊工藝制造炮塔的經驗，隨后還從工廠派人去上海進行指導［8］。

圖3 鑄-焊立柱結構示意圖

經兩臺試驗水壓機驗證，選用20MnV鑄鋼在技術上是可行的，并且鑄焊法比鍛焊法對設備的要求低，成本也低。于是，用鑄焊結合“以小拼大”的方法脫穎而出。

2.3 橫梁的設計

水壓機的三個橫梁是指上橫梁、活動橫梁和下橫梁。設計的難點同樣在于材料的選用和結構。大型水壓機橫梁一般都以鑄鋼為材料，每個橫梁的重量都在100—200噸以上，下橫梁甚至達到300噸以上。這樣超大的構件，很難使用整體澆鑄的方法來制造。國外一般都設計為“鑄鋼組合式”的結構，先分塊鑄造，再用大螺栓實現(xiàn)機械組合。

上海萬噸水壓機的三個橫梁最初考慮的也是組合式方案。參照資料3等［9］，設計人員將下橫梁設計為7塊鑄鋼件，用螺栓連接后，總重將達到驚人的540噸。若選取此方案，不僅難以克服制造問題，而且也會面臨運輸和安裝等困難。

在分析、計算和試驗的基礎上，設計人員大膽采用了“整體焊接式”的結構。按照這一方案，鋼板將被直接焊接為橫梁整體，而不再分塊組合。不僅制造工藝將大大簡化，還能省去緊固螺栓等連接件，節(jié)約原材料，減輕橫梁自重。此方案無疑將是一次重大的設計變更，一旦成功實施，三個橫梁和水壓機本體都將為之改變。同時，設計人員也注意到新結構帶給焊接、熱處理和機加工等后續(xù)制造環(huán)節(jié)的壓力。在綜合考量了江南廠的焊接優(yōu)勢，“以小干大”的機械加工方法的可行性，以及整個水壓機的工程進度、性能和造價等因素之后，最終上海萬噸水壓機的三個橫梁都采用了“整體焊接式”的方案。

下橫梁是整個水壓機本體的底座，也是三個橫梁中體積最大的一個，長度可達10米左右。下橫梁不僅要承受水壓機的全部壓力，一般還附設移動式工作臺和頂出器等裝置，其內部應力變化情況復雜，設計難度很大。

根據(jù)國外經驗，橫梁多為中空的箱型結構，內部按照一定的規(guī)律排布大小不等的筋板，以提高剛度，減少應力集中。上海水壓機吸納了國外資料中的有關設計規(guī)范。設計人員為梁體選擇了簡單、常見的兩端懸伸的箱形結構。

橫梁有4個直孔分別對應4根立柱，這4個孔稱之為柱套。為了確保橫梁有足夠的強度和剛度，柱套和橫梁的高度都不宜太小。因此，高度是下橫梁尺寸設計的一處關鍵。蘇聯(lián)的斯托羅熱夫的著作建議下橫梁的高度應是機柱(立柱)直徑的2.5—3.5倍［10］，大型水壓機因受力大，這個比值有時達到4倍左右。根據(jù)這臺水壓機930毫米的立柱直徑，下橫梁柱套的高度應在2.3米至3.7米之間。但是，由于這臺水壓機的整體高度受限，下橫梁柱套的設計高度僅2.4米，遠遠低于其他萬噸級水壓機柱套的高度，見表5。

表5 幾臺大型鍛造水壓機下橫梁主要尺寸比較

為了適當增大下橫梁的高度，梁體被設計成“不等高”型，中段高度達到了3.2米。即便如此，與其他同級水壓機相比，下橫梁的高度仍不算突出。強度和剛度的計算表明，“不等高”的設計雖然改善了橫梁整體的力學性能，但是由于中部比兩側的柱套高出0.8米，導致中部到柱套之間的過渡顯得過陡，在過渡區(qū)會不可避免地存在應力集中區(qū)域。此處的隱患只好留至制造環(huán)節(jié)再想辦法解決。

上橫梁、活動橫梁與下橫梁有相似之處，因各自功能不同，設計也不盡一致。上橫梁連接立柱上端，主要承受鍛壓時的全部反作用力。此外，上橫梁還要安裝工作缸，工作缸的大小、數(shù)量及受力位置的分布等因素在上橫梁設計時，也應一并考慮。

上海萬噸水壓機上橫梁的設計參考了德國建造的10000噸水壓機和捷克的12000噸水壓機的設計，但是它們之間的差別也很大。在表6中，上海萬噸水壓機上橫梁柱套的設計高度為2.5米，而梁體的高度為3.9米，高度差達到1.4米。另兩臺水壓機的高度差分別為0.95米和0.85米。由此不難判斷，上海水壓機上橫梁從柱套至中段會出現(xiàn)比較突出的應力集中問題。

上橫梁過高實屬不得已而為之，目的在于滿足梁體強度和剛度的要求。這臺水壓機有6個工作缸，每個缸都要在上橫梁內部占據(jù)一個大孔腔，再加上設計所需的其他較大的孔腔，如此多的孔腔很容易導致橫梁的性能下降。其次，受所選材料的限制，橫梁的上下底板過于單薄，厚度僅有120毫米。在柱套高度、內部結構和材料機械性能都一時難以提高的情況下，增大上橫梁高度是改善性能的最有效的手段。但也由此造成了上橫梁和柱套的過渡角度太陡，應力過于集中的問題。技術人員只好采取在過渡部位加焊三角形加強筋板、堆焊增大過渡圓角、開孔平衡應力分布，以及對焊縫冷作硬化，提高表面硬度等多種補救措施。

表6 水壓機上橫梁主要尺寸示例(毫米)

設計者除了關注上橫梁的整體性能，許多細節(jié)的設計也煞費苦心。例如，由于工作缸較多，加強筋板的形狀和位置的設計非常不易，既要考慮到工作缸支承面的剛度均勻分布，又要照顧到焊接操作的簡便易行。

活動橫梁是水壓機的幾個大件中，唯一作大行程運動的部件。上海萬噸水壓機活動橫梁的筋板布置不盡合理，這與一次設計變更有關?；顒訖M梁最初的設計比照了12缸的1200噸實驗水壓機，設置筋板也是按12個柱塞支承面區(qū)域來考慮的。萬噸機改為6缸是在活動橫梁的毛坯做好之后，重做一個100多噸的毛坯將會造成很大的經濟損失。權衡之后，設計人員打算就在這個毛坯上做些修改，但是筋板的布置已經無法徹底改變。這就導致了部分筋板不在柱塞支承面受力的中心，橫梁的強度和剛度都受到削弱。此外，由于該水壓機的活動橫梁要連接6個柱塞，橫梁的大開孔較多，這也造成活動橫梁的性能降低。

綜合來看，在上海萬噸水壓機的設計中，立柱、橫梁的獨特結構與選材取得了突破。由于立柱與橫梁等主要部件都采用焊接方案①6只主工作缸也采用鑄-焊工藝。，全焊結構成為這臺大機器重要的技術特征。新結構的提出與江南廠的生產特點也有一定聯(lián)系。近代以來，焊接成為制造艦船的一種重要手段，而船廠一般都擁有一批技術水平較高的焊接專業(yè)人員。1947年江南廠曾采用全部焊接的方式制造了排水量為3255噸的“伯先”號鋼質海輪［11］;1956年該廠也曾按蘇聯(lián)標準成功制造了艇身為全焊結構的03型魚雷潛艇;1958年建成全焊結構的8930噸“和平28號”海輪。受到造船的啟發(fā)，造船廠的技術人員和技術工人在橫梁設計時萌生了全焊的想法。

3 制造

進入到制造階段后，江南廠以生產一線的人員為主力，成立了萬噸水壓機工作大隊，機械加工、焊接、熱處理、起重運輸?shù)榷喙しN加入，技術方面仍由林宗棠和徐希文負責，重要的焊接、機械加工、起重運輸?shù)裙しN則由唐應斌、袁章根、袁斌海和魏茂利等經驗豐富的技師分別負責。

大型零部件的制造，事關上海萬噸水壓機的成敗，立柱和橫梁的加工更是全部制造環(huán)節(jié)中的重中之重。立柱與橫梁的加工采用的主要技術手段是電渣焊接技術和“螞蟻啃骨頭”的機械加工技術。

3.1 電渣焊接技術的運用

萬噸水壓機的幾個大件的焊接操作歸納起來大致有三個特點:

第一是難度大。焊縫普遍存在厚、長、結構復雜的情況。焊縫厚度一般在8厘米至0.3米之間，個別處厚達0.6米;長度一般為1.5至4米，而下橫梁蓋板的一處焊縫就長達10米;立柱接頭處是由環(huán)形斷面組成，橫梁因全部是由鋼板拼接，空間狹窄，丁字型和十字形接頭密布;而且由于都是大件(例如下橫梁重達260噸)，焊接中工件翻身十分困難。

第二是質量要求高。立柱、橫梁和工作缸是水壓機本體的主要部件，絕大多數(shù)的焊縫和接頭都需要承受很大的力，因此要求焊縫必須全部焊透;再者因焊縫多，需控制好結構變形，例如18米立柱的中心偏差須控制在20毫米以內。

第三個是工作量大。以焊接長度來衡量，僅橫梁和立柱的焊縫總長加起來就有1300米左右(［6］，154頁)，全部工件的焊接總量占水壓機全部制造工作量的30%［12］。

焊接這些又厚又長的焊縫，當時常用的電弧焊接，無論是手工焊，還是半自動焊或自動焊，不僅工藝難度極大，而且質量不易保證、效率低下，難以勝任。水壓機設計組提出選用新的焊接方法——電渣焊接。

電渣焊接(也稱熔渣焊)技術源于蘇聯(lián)［13］，是烏克蘭科學院巴頓焊接研究所①另譯為:巴東電焊研究所。于20世紀40年代末的一項重要發(fā)明［14］。電渣焊接技術具備的最大優(yōu)點是可焊工件的厚度很大，而且效率也很高。此項新技術的出現(xiàn)，使得大斷面的焊接成為可能，這就為利用焊接制造大型構件提供了有利條件。

中國于20世紀50年代中期開始從蘇聯(lián)引進這項新技術，在焊接設備、材料和工藝等幾方面尚未完全掌握。雖然國內已有幾家單位開展了電渣焊接的研究，但是成功的實例都是針對某一個零部件，材料和工藝相對單一。對水壓機制造者來說，掌握并熟練運用電渣焊工藝具有挑戰(zhàn)性。制造“全焊結構”的大型水壓機，不僅工作量大，而且材料不同，焊縫復雜，工藝差別大，如此情況即便在蘇聯(lián)也未見先例。

江南造船廠當時只有2臺蘇聯(lián)的電渣焊機，技術人員希望能夠添購幾臺焊機，但是隨著中蘇關系日趨緊張，靠進口已幾乎不可能。江南廠決定，拆其中一臺進行測繪、仿造，共仿了7臺。該廠設備動力科的技術人員有針對性地改造了EAC-1000型自動焊機的機頭部分，使送絲機構和夾持機構更適合橫梁長縫焊接和立柱大截面環(huán)縫焊接的需要。焊接材料的選擇也只能立足于國產，經過不同焊絲和焊劑的比較試驗，選定了上海焊條廠的H10Mn2焊絲和“上焊-102”焊劑。

下橫梁是水壓機一個最大的部件，全重260噸，需由大小不等的100多塊鋼板拼成，焊縫種類很多，既有平焊縫、直焊縫，也有斜焊縫，經常相互交叉，非常復雜。特別是橫梁的蓋板下面有4條10米長的筋板，中間又有不少橫隔板。這樣的結構和焊縫只能用熔嘴電渣焊的方法來焊接。即便如此，如果這四條10米焊縫不能同時焊接同時到頭，整個結構的焊接應力就會過大，會產生變形，甚至崩裂。

立柱和工作缸等鑄鋼件的焊接也有相似的情況發(fā)生。四根立柱每根分作8—11段，每段是直徑為0.95米、重約10噸的空心圓柱，然后用絲極電渣焊逐段焊接在一起。每根立柱的接頭為7—10個，焊接后18米內的中心偏差不得超過20毫米。分段的數(shù)量偏多顯然不利于控制焊接質量，但是對提供鑄鋼件的上鋼三廠來說，10噸的重量已經接近該廠技術能力的極限，難以保證更大鋼錠的質量。

焊接質量是“全焊結構”能否成功的關鍵。宋大有、唐應斌等人從實驗入手，并在生產中總結經驗，逐步掌握了電渣焊的工藝措施與焊接規(guī)范。部分的實驗和試生產在制造1200噸水壓機時就已經開始，隨著工作的不斷深入，許多問題已超出文獻所及。為此，沈鴻稱贊焊接研究室有“許多創(chuàng)造”(［5］，5頁)。其中最具代表性的成果有:長縫與丁字形角接縫的熔嘴電渣焊工藝、熔嘴的尺寸與形狀的選擇、雙絲與三絲的電渣焊機機頭、環(huán)縫焊絲電渣焊工藝、特大軋焊與鑄焊零件的變形控制、熔嘴的定位與絕緣、冷卻成型板及其支撐裝置、環(huán)縫電渣焊的切割與收尾技術，以及正火—回火的熱處理等。為了確保質量，焊接試驗室引進超聲探傷技術。技術人員還自制了“江南I型”超聲探測儀，并摸索出了一套適用的超聲波探傷的使用規(guī)范，再配合理化取樣檢驗等技術手段，確保檢測結果準確可靠。

在確保質量的同時，焊接工藝的設計還需巧妙地照顧工人的操作。尤其是焊接橫梁時，焊工需要進入到梁體內腔操作，工作既辛苦又危險。技術人員在橫梁的上下蓋板上的適當位置割開一些工藝孔?？椎牟课缓苡兄v究，根據(jù)計算結果，受力較大的部位不能開孔，避免降低橫梁的強度。

“全焊結構”的大件注定要使用“超常”的熱處理手段，必須要建成“超常”的熱處理爐。爐子首先要大，能容納10米長、8米寬、重260噸的下橫梁，也能讓18米長的立柱整根放入。其次，爐子的性能須滿足工藝要求，升溫、均溫、保溫、冷卻等各個步驟必須按設定好的時長，而且每個厚大的零件都應均勻受熱。一個流程下來的連續(xù)作業(yè)時間少則20—30小時，多則上百小時。

上海重型機器廠專門組建了大爐子設計小組，負責加熱爐的設計與工程實施。設計人員從多個方案中選擇了兩種簡易的整體單拱式燃煤熱處理爐，一種容積大，一種則更長，分別用于橫梁和立柱的熱處理。

由于沒有專用的起重、運輸設備，只好臨時采取特殊措施運送大件進出爐子。在所有大件中，最難于處理的是體積和重量最大的下橫梁。為此，徐希文巧妙地設計了一臺300噸重載平板軌道車，直接用橫梁本身作車體，用工廠閑置的軸承和輪盤做輪子。實際使用時，技術人員一邊監(jiān)測軸承溫度，一邊實施冷卻和潤滑。經計算和實測，每個軸承的性能都被用到了極限。

水壓機本體的各大件基本上都按照預定的工藝要求，完成了焊后的熱處理。這一耗時耗工的“大活”也出現(xiàn)了幾次小意外?；顒訖M梁和上橫梁進爐后，恰逢雨季，爐溫上不去，梁體個別部位的質量受到影響;處理下橫梁時，出現(xiàn)了鼓風機與抽風機的故障，升溫速度過慢，整個熱處理時間達200個小時。

3.2 “螞蟻啃骨頭”機械加工方法的運用

機械切削加工是制造萬噸水壓機中重要的環(huán)節(jié)，也是所耗工時最多的工藝過程。與焊接過程相似，上海萬噸水壓機的“全焊結構”的設計也給切削加工帶來了極大的困難。

首先，焊后的零件尺寸過大，沒有現(xiàn)成的機床設備能夠滿足加工的需求。焊接后的立柱長近18米，重80噸，而下橫梁的最大長度有10米，重達260噸。這樣的零件均超出既有機床的加工能力，普通的工裝夾具、量具和輔助工具也都不再適用。

其次，質量要求高，技術難度大。其中，橫梁大平面在6米長度內的最大不平度僅0.4毫米，要求機床導軌面的最大水平誤差不得超過每米0.05毫米;橫梁立柱孔的上下端面的中心距誤差不得超過每米0.10毫米，要求加工設備的直線度不得超過每米0.05毫米;立柱端面與中心線嚴格垂直，偏心跳動小于0.05毫米;立柱滑動部分的表面質量接近于鏡面加工的要求①表面粗糙度小于0.8微米。(［6］，227、231 頁)。

加工立柱須有大機床。上重廠雖然新進口了一臺捷克的15米大車床，但是仍不夠立柱的長度。技術人員對它進行了接長改裝，用一個自制的3.5米長的底座安放尾頂針，可以實現(xiàn)車削和滾壓加工?？墒?，這臺機床畢竟不是為生產水壓機而購買的，它沒有加工立柱螺紋所必須的絲杠，只能靠齒條走刀來切削螺紋，而精度則依賴于操作工的能力。另外，滾壓器缺少壓力調節(jié)裝置，進刀量也只能憑經驗近似調節(jié)。在這樣的條件下，袁章根小心翼翼地完成了萬噸水壓機四根立柱的加工，共用時98天。(［6］，234頁)

三個橫梁的加工問題更突出。由于根本找不到合適的大型機床，技術人員只好采取“螞蟻啃骨頭”的機械加工方法。所謂“螞蟻啃骨頭”，簡單地說就是用小機床加工大零件［15］。

合適的小機床是“螞蟻啃骨頭”的基礎。針對加工中的兩大難點——橫梁的大平面和高精度立柱孔，技術人員專門設計了移動式的牛頭銑床與直徑300毫米的活動鏜桿等簡易機床。移動銑床是加工橫梁的幾個大平面的主要設備，可以被放置在橫梁的表面，而無須考慮工件的裝夾等問題?；顒隅M桿又稱“土鏜排”，使用時直接插入橫梁的立柱孔中，加工三個橫梁的12個高精度的立柱孔及柱套的上下端面。另外，技術人員還制作了一些簡易設備和刀具，解決工作缸柱塞和活動橫梁柱塞的加工困難。

相比于特大精密機床，小機床的門檻雖低，但用好卻非常不易。小機床具有靈活、便捷的優(yōu)勢，但也存在效率低下、質量不易控制的缺點。如何讓小機床揚長避短是實施“螞蟻啃骨頭”的關鍵。兩種簡易機床的機身剛度都不高，很容易引起震顫或擺動，影響加工質量，被工人們形容為“油條機床”。技術人員一面設法調整機床，一面制定更合理的切削規(guī)范。加工時只好采取犧牲速度確保質量的思路，降低銑刀的進刀速度。盡管單部機床的加工速度與加工質量不可兼得，多部機床同時使用卻能夠提高效率。這種所謂“螞蟻群”的方式在加工中也得到了運用。借助于表面足夠大的橫梁，3部機床可以被搬到橫梁上同時開工;鏜削立柱孔時，每個橫梁的4個孔也各置一部鏜桿，齊頭并進。因為幾部鏜桿之間不會聯(lián)動或自動校正，所以加工過程中需要反復測量和校正才能將鏜桿調整到位。僅下橫梁孔在最后的精鏜工序之前，袁章根等人就爬上爬下地測量了兩千余次，而完成下橫梁的平面加工則共用了17天時間。(［6］，229頁)當時的一份匯報描述了這些問題:

上、動、下梁立柱孔，主工作缸孔及各小缸孔的鏜削利用土鏜排進行加工。這種鏜排本身也有很多缺陷，本身的加工不夠理想，存在一些較大的高度差和錐度差。……鏜孔的關鍵是須保證在鏜削前中心距測量的正確性，以及鏜削過程中鏜排的穩(wěn)定。在下梁精鏜前的一次校正中，我們共花了九天九夜的時間進行調整。①萬噸水壓機工作大隊:《12000噸鍛造水壓機目前制造情況》，1960年，江南造船廠檔案(未編號)。

加工方法打破了常規(guī)，實施非常不易。整個制造過程用了兩年多的時間，各主要零部件的質量都符合設計要求。1962年6月，安裝好的1.2萬噸鍛造水壓機在上海重型機器廠試車成功②上海重型機器廠:《12000噸鍛造水壓機及水泵站配套設備等聯(lián)動試車說明》，1962年6月22日，上海重型機器廠檔案館。。

4結論

“全焊結構”的本體設計、小設備加工大零件的制造方法是上海萬噸水壓機最突出的技術特征。塑造它們的技術路線可概括為，綜合運用模仿、模型與實驗等方法，有效地集成高、中、低多層次的技術。

在這里，模仿不是指設計者對自然的模擬(imitation of nature)，而是對相關技術或產品的仿效、復制。相對于原創(chuàng)，模仿意味著對參照對象的復制、繼承或延續(xù)，而不是否定、斷裂或飛躍。作為一種類型多樣、用途廣泛的機器設備，水壓機本身并不是中國人原創(chuàng)，在此意義上，具有實用價值的上海萬噸水壓機可算作一次成功的模仿。

然而，單純以模仿來作概括，并不能抓住這臺機器主要的技術特征。不論是從設計思路，還是從制造的技術方案來考量，這臺大機器都不是單純的仿制品。在結構、材料、工藝等多個技術環(huán)節(jié)，技術人員針對特有的難題，分析了已知技術方案的優(yōu)劣，并且以模型與實驗為依據(jù)，進行改進甚至創(chuàng)造。在自制過程中，這種技術路線得以逐步明確。

首先，盡可能地搜集信息，解決設計初期面臨的主要問題。在技術準備階段，沈鴻有意識地強調消化吸收的作用。他的團隊以涸澤而漁的氣勢，最大限度地獲取了可能得到的信息，并且多是當時國內最新的資料，有些在國外也不算落伍。這些資料與現(xiàn)場考察都對最終的設計結果產生了積極的影響。在此意義上可以說，上海萬噸水壓機的設計建立在借鑒和參考其他水壓機設計思路的基礎之上。在占有資料的同時，設計人員非常注重對已有的技術成果的消化吸收，有選擇地借鑒了國外水壓機設計的規(guī)范、經驗和方法，少走了彎路，較快地跨越了對水壓機缺乏系統(tǒng)了解這一障礙。

其次，大膽利用模型與實驗的手段，促使技術人員敢于擺脫對仿制的依賴。在自制中，能否創(chuàng)立新的技術方案離不開一手的數(shù)據(jù)和經驗的支撐。在不能用上計算機的年代，紙模型和木模型雖然略顯粗糙，卻好在因陋就簡，直觀方便。兩臺試驗機都是真的水壓機，通過從設計到使用的完整過程，未來萬噸水壓機在結構、材料和部分元器件的設計上就有了相對充分的依據(jù)。同時，試驗機也可檢驗加工工藝及設備的能力，并為最后制造、安裝萬噸水壓機積累經驗。全焊結構的本體設計、小設備加工大零件的制造方法等關鍵技術莫不來源于此。如果將此前從模型，到1200噸和120噸的試驗機的設計和制造也包括在內，那么全部的設計工作持續(xù)了近3年。在整個過程中，事無巨細，大到功能的選取、材料的選用或結構的設計，小至螺紋的齒形、螺帽的高度或密封圈的形狀，幾乎所有的設計都建立在大量的實驗、嚴謹?shù)姆治龊图氈碌挠嬎愕幕A之上。這些細節(jié)表明，萬噸水壓機的設計不是簡單的技術拼湊，而且通過融會貫通去尋找在已有條件下最適用的技術方案。模型和實驗延長了研制的周期，卻增加了最終方案的可靠性與可行性，使得掌握核心技術、關鍵技術成為可能。

第三，最大限度地發(fā)揮高、中、低不同層次的技術，以技術集成突破技術瓶頸［16］。前文論及的自制水壓機所面臨的技術瓶頸，最突出的就是缺乏足夠的高技術手段。不過，最終的技術路線卻不是創(chuàng)造出新的高端技術，而是集成了幾種既有技術，以適用性和綜合優(yōu)勢取勝。在技術集成中，高、低兩類技術的搭配與協(xié)調往往成為難點?！拔浵伩泄穷^”的加工技術相對簡陋而粗糙，而電渣焊接技術剛從蘇聯(lián)引進，既新穎又先進。這兩種不同層次的技術都不是為水壓機而發(fā)明，它們卻在世界上首次被用于制造大型水壓機。其創(chuàng)造性不在于單項技術的掌握，而在于二者與其他技術并用后形成的“以小攻大”的方案，最終發(fā)揮出了既有工業(yè)基礎的技術潛力，徹底突破了小設備制造大水壓機的藩籬。在制造中，唐應斌、袁章根等能工巧匠也發(fā)揮了不可替代的作用。

毋庸諱言，上海萬噸水壓機的設計和制造都存在不足。比如，橫梁設計存在比較嚴重的應力集中的問題，電渣焊接與“螞蟻啃骨頭”的效率不高，經濟性也較差。不過，這些都不是當時最為突出、急需解決的問題。自制萬噸水壓機的首要目的就是要解決此類重大技術裝備“有”或“無”的問題。正因如此，上海這臺大機器才會被視為中國裝備制造業(yè)，乃至中國工業(yè)發(fā)展史上的一次標志性的成就。

重大技術裝備影響國計民生，與工業(yè)基礎與科技發(fā)展休戚相關。在國際競爭中，能否擁有或制造某些技術裝備，既是國家發(fā)展所需，也是國力的象征。近代以來，中國自制機器設備主要以仿制為主，少有改進與創(chuàng)新。進口和仿制雖能解部分燃眉之急，卻難以克服重大技術裝備涉及的技術壁壘。

上海萬噸水壓機是中國嘗試從仿制走向創(chuàng)制進程中的一座里程碑。這臺大機器的出現(xiàn)固然離不開其獨特的時代背景，但是相比于同期的多數(shù)工農業(yè)建設項目和科研項目所表現(xiàn)出的浮夸與盲目，它的成功又顯得相當?shù)牧眍?。其最可寶貴之處與其說是“總路線、大躍進的產物”［17］，不如說是沈鴻等人恪守理性而摸索到的一條在較低技術起點下自制重大技術裝備的路徑。

1 (蘇聯(lián))重型機器制造業(yè)的當前任務［J］．王鉅明，黃振華譯．重型機械，1956，1:1．

2 孫烈．20世紀五六十年代中國重型機械技術發(fā)展初探［J］．哈爾濱工工業(yè)大學(社會科學版)，2006，8(5):7—14．

3 孫烈，張柏春．沈鴻領導研制萬噸水壓機的社會因素［J］．中國機械工程學會會刊，2006，4:17—27．

4 林宗棠，一萬二千噸水壓機制造成功是毛澤東思想的勝利——在實際工作中學習和運用《矛盾論》《實踐論》的體會［J］．哲學研究，1965，1:33．

5 沈鴻．沈鴻論機械科技［M］．北京:機械工業(yè)出版社，1986.3—6．

6 沈鴻．12000噸鍛造水壓機［M］．北京:機械工業(yè)出版社，1980.12．

7 李永新，張忠文．沈鴻——從布店學徒到技術專家［M］．北京:科學普及出版社，1989.38．

8 吳明遠．勇于實踐大膽創(chuàng)新［A］．李滔，易輝主編．劉鼎［C］．北京:人民出版社，2002.299．

9 米海耶夫．水壓機設備［M］．北京:機械工業(yè)出版社，1957.38．

10 斯托羅熱夫，等．蘇聯(lián)機器制造百科全書［M］．第8卷．北京:機械工業(yè)出版社，1955．XI-32．

11 上海社會科學經濟研究所．江南造船廠廠史［M］．南京:江蘇人民出版社，1983.402．

12 唐應斌，宋大有．12，000噸鍛造水壓機的焊接生產［J］．科學通報，1964，10:881．

13 巴頓．機器制造中的焊接技術［M］．北京:機械工業(yè)出版社，1959.466—467．

14 方衛(wèi)民．談電渣焊接［M］．北京:機械工業(yè)出版社，1958.1．

15 孫烈．“大躍進”時期“螞蟻啃骨頭”的機械加工方法的興起［M］．哈爾濱工業(yè)大學學報(社會科學版)，2007，9(6):6—12．

16 孫烈．上海1.2萬噸水壓機的創(chuàng)新特征及其影響因素［A］．王思明，張柏春．技術:歷史與遺產［C］．北京:中國農業(yè)科學技術出版社，2010.417—418．

17 沈鴻．總路線的產物［N］．解放日報，1964-09-27．