邯郸创业中心爱斯特20年回顾文档格式.docx
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当时在自己拟定的章程里郑重写明:
开发研制先进的X射线应力测定仪;
严格执行国家和部级标准,视优良的产品质量和技术服务为生命线,自觉维护用户利益,为我国残余应力事业贡献力量;
在此过程中使爱斯特研究所发展成长起来。
爱斯特的起步
——依靠本行业专家真诚的支持和帮助
迈出这一步之前,何家文、冉启芳等本行业前辈、我们真诚的朋友都给予坚定的支持,并提供中肯的建议。
1993年3月,大连理工大学孙丰华、房德馨老师在爱斯特研究所尚未注册成功的时候就与我们签订了第一单合同,他们支付的6万元预付款就是研究所的全部启动资金,如此铁定的信任是爱斯特人永远不能忘怀的。
首批用户还有济南第二机床厂、郑州水工机械研究所、哈尔滨大电机研究所、攀枝花钢研院等等单位。
让我们永志不忘的是,本行业前辈之,北京航空材料研究院王仁智研究员,也在爱斯特刚刚起步的时候给予充分信任,寄托厚望,购买了我们的首批产品,并利用它立即展开研究工作。
爱斯特研究所成立第二年,全体成员参加了在湖北宜昌召开了第八届全国残余应力学术交流会,并展示了X-300型便携式X射线应力测定仪,得到专家和会议代表的首肯和赞许。
经何家文、冉启芳等学会领导人的举荐,爱斯特研究所所长吕克茂被确认继续担当全国残余应力学术委员会副秘书长。
1996年在第九届会议上又被推举为秘书长。
担任学术委员会的工作,在为行业学术交流活动尽力的同时,也提高了爱斯特的信誉和知名度。
这无疑都是本行业专家和朋友们对爱斯特的信任、爱护和支持,为爱斯特日后的成长和发展铺设了信誉大道。
X-350A型的诞生
——以前辈的殷切期望为动力,以刻苦学习勤奋创新为路径
爱斯特1993年推出的第一代应力仪为X-300型,按照同倾法原理设计,突出了轻巧便携的特点。
对于水利水电金属结构,以及其他类似的大型构件的现场残余应力测试,这种仪器显得方便而快捷。
然而,面临国内外科学技术飞速发展的局面,我们意识到应当及时引入先进的微电子技术,研发具备更加优良的品质和功能的新型仪器,以此满足材料科学、机械科学实验研究和机械产品与工程质量控制对应力仪提出的更高需求。
这就是研发X-350A型的初衷。
前辈的研究成果和殷切期望
1996年我们制订了研发新型仪器的方案,在第9届全国残余应力会(千岛湖)议期间提请专家审议。
专家们认为这个方案只是“小改小革”,缺乏创新。
第二年7月从西安交通大学寄来一封信,信封里装着何家文、张定铨两位老师的信。
他们在阐述了测量方法、定峰方法等有关问题之后,同时着重指出应该开发以侧倾法(即Ψ法)为主的仪器,把同倾法(即Ω法)当作可选项之一。
何老师在信中说,如果能这样,“那就让人感觉你们的仪器确实是改朝换代,而不是修修补补了”,而且在与国外同类仪器竞争中“有话好说了”。
另外何老师还提议在测角仪上安装微型激光器,用以校准标定距离和方向,并指示被测点。
这两封信的分量是不言而喻的。
但是当时我们想到,在测角仪上,驱动计数管在2θ圆弧导轨上扫描需要一个步进电机,在Ψ导轨上改变X射线管的入射方向需要另一个步进电机;
为了实现侧倾法,则必须在现有的Ψ和2θ两套运动机构之外再增加一套回转半径很大、足以包容上述两套机构的侧倾回转机构和第三个步进电机。
如果是这样,必然使得整机比较庞大而笨重,很难应用于现场,仪器的应用范围就会受到局限。
窘于当时的认知水平,感觉要接受何、张二位老师的建议会有很多困难。
为此,我们久久陷于沉重的思虑之中。
本专业人士都知道侧倾法比同倾法具备更多优越性,固定Ψ法比固定Ψ0法更合理更有用;
中国科学院金属研究所李家宝的文章中明确指出,在侧倾的条件下实施固定Ψ法,吸收因子恒等于1,是最理想的测量方法。
对于全身心投入应力仪研制的人来说,这是何等强烈的诱惑!
所以关于侧倾法和固定Ψ法的构想始终在脑海里萦绕。
θ-θ扫描Ψ测角仪的构思
所幸在较早时候我们曾对固定Ψ法非常感兴趣,在BX85型和X-300型设计中对此法考虑也很多。
当时实现固定Ψ法都是采用θ-2θ扫描方式。
在机械动作设计上,θ-2θ运动是比较麻烦的,需要两个电机、两套传动机构协调动作,而且运动中测角仪的震颤不可避免;
然而其净余效应却是简单明了的——在空间坐标上看,相当于X射线管和探测器等间距地相向而行,各自前进一个θ角。
有没有直接达到这个“净余效应”的办法呢?
终于有一天注意到了机械制图使用的小分规;
用手指捻动中间的小轮,分规的两条腿就会同时分开或合拢。
正是这个司空见惯的绘图小工具给予的灵感,让我们豁然开朗。
于是设计出通过一套装置,使用一个步进电机,实现了驱动X射线管和探测器同步相向而行,十分简便地做到了所谓的θ-θ扫描,严格满足固定Ψ法要求。
有了这个办法,再加一个运动机构,用于将上述θ-θ扫描机构在与之相垂直的平面内改变倾角,就可以实现侧倾法。
也就是说,只用两个步进电机和两套运动机构,实现了原来需要三个步进电机、三套运动机构才能实现的功能,而且直接实现了侧倾固定Ψ法。
当这样的构思形成之时,兴奋和激动之情难于言表。
最初想到的实现二者同步相向扫描的办法是这样的:
步进电机通过小齿轮和齿形带,带动同轴的一对伞形齿轮,于是,一个电机的转动,就此分成同向的两个转动,并且因为是伞形齿轮,便对称地改变了此后传动方向,为后面的圆弧运动提供了可行条件;
接着,这两个伞形齿轮又分别通过齿轮转动两方的蜗杆,二蜗杆分别驱动扇形蜗轮在同一圆弧导轨上做同步相向或相反运动;
两个扇形蜗轮上分别安装的正是X射线管和计数管。
后来,从第一方案出发,我所人员集思广益,想出三级齿轮传动的办法,也可以达到同样的目的。
1997年11月,专程到郑州征求当时机械工业部郑州机械研究所冉启芳高级工程师的意见,并且有幸得到该所机械设计专家李泰安高级工程师的指点。
李高工提出了采用钢带传动、一线带二物作相对往返运动的巧妙方法,还建议采用先进的基础机械元件——圆弧滚动导轨。
回来之后,将这些意见、建议和方法整合加工,纳入原有的方案。
至此,测角仪部分的构思达到一个全新境界。
我们毅然决定封存花费高额成本加工好8套X-300测角仪零件,立即全力以赴投入新型X-350A仪器的设计和制造。
Windows操作系统的生成
在1996年的方案中,电器控制部分的升级目标是采用单片微机。
为此我所技术人员加紧学习单片机原理和汇编语言,刻苦钻研单片机应用的一整套学问,包括键盘输入、人机对话、实时控制、数据采集、数据处理、显示打印等等。
经过一个时期的艰苦努力,完成了以单片机为中心的控制系统硬件原理图,软件部分也形成了比较明晰的思路和详细的方框图,并且开始搭接线路,编写软件,进行局部仿真试验。
1997年春天,残余应力行业知名专家、教授级高工鲍永夫代表海南新大洲摩托车研究所来定购应力仪。
在听取当时的新方案介绍之后,首先提出要求,打印输出不要采用PP40型四色微型打印机,而应当把结果传入PC微机,由通用打印机输出。
然后又明示现在进口的高档仪器都采用PC微机控制,Windows环境操作。
高明用户的一句话像黑夜里突然开启的明灯,让我们心中产生极大的冲击、惊喜和诱惑。
在此之后,立即开始学习C语言,练习在DOS环境下编程。
随着电脑应用的进展,1998年春天转而学习VisualC++,开始编写Windows环境可视化程序。
确定使用PC微机和可视化程序之后,在研发道路上遇到了难以历数的困难和障碍。
首先是如何建立完整的一套内容丰富多样而又保持有机联系的VC系统,包括输入和选择测量条件,按照选定的条件进行各种测量,同时显示数据和图形,进行各式各样的数据处理和图解,自动生成内容翔实、格式规范的实验报告,还有打印、存储和重新加载,还应当有操作运行正确性、正常性的监测、报告和对策等等。
不言而喻,这项工作十分浩繁而又错综复杂。
第二是如何在Windows环境下与外界硬件系统(这里主要指步进电机、探测器等)建立联系;
翻遍VC手册和工具书,也难以找到可以用来解决问题的函数。
这一道难关是非过不可的,否则就无法实现电脑对应力仪的控制;
但是在相当长的一个时期里,却感觉到这个关口简直是无法逾越的。
当时可以买到的VC教材和“高手”、“大全”之类的书籍很多,但是能能够联系到本课题实际应用的资料却很难查找。
有关VC书籍大多是翻译的,或以翻译资料为基础加以编撰而成的。
我们请教过几位作者,往往是答所非问,因为他们有的并没有实际编程经验,或者未接触过与我们课题类似的应用实例。
从另一方面说,整个VC的内容浩如烟海,若要等到学得比较全面、比较深入才来着手解决自己的问题,恐怕为时太晚了。
也曾考虑过借助于别人来完成这个任务,但是可以预料,那样遇到的问题和后遗症会更多。
所以我们的唯一选择就是自力更生,刻苦钻研。
开发软件的人,都经历过夜不成眠、食不甘味、如痴如醉的境界。
经过千百次的调试和修改,终于在1998年10月第十届全国残余应力学术交流会召开之前,完成了我国第一套Windows环境可视化X-射线应力测定程序。
在学术交流会上将此程序作了演示,得到李家宝、胡奈赛(西安交大教授)、鲍永夫等专家和其他代表的好评。
如果说在这个漫长而艰苦的过程之中还有值得记取的经验的话,那就是:
从最简单的实例开始学习VC,很快入门;
把自己面临的课题摆出来,用VC“面向对象”的思想方法,确定几个主要界面的内容和式样,安排各界面之间的转换关系,设计各种对话框、消息框、菜单和工具条,就此建立一整套初步的编程方案和框图;
然后针对这套方案,沿着这个框图所指向的路径,有针对性地深入学习VC,有目标地汲取有用信息,融会贯通,为我所用;
一旦有了新的发现,再用它来修正、提升原有的方案;
在走不通的时候,大胆畅想,多路选择,反复试验,不怕失败。
按照这样的路线,摸着石头过河,在几个月的时间里,边学边干,还算比较顺利地到达彼岸,避开了许多暗礁和弯路。
X-350A型的应用效果
X-350A型研发完成之后,最早的用户是海南新大洲摩托车研究所鲍永夫和上海交通大学材料学院杨于兴,他们都是X射线应力的专家,对这种仪器全新的构思和优异的功能给予赞赏,并立即利用它展开课题研究。
2000年,经过改进、第二批投产的X-350A型仪器在第11届全国会议(绍兴)上亮相,接受观摩和品评,专家和与会代表给予极大的鼓励。
后来的用户在轴承和齿轮的应力和残奥测定、大型钢结构现场测试以及奥氏体钢、铝合金、高温合金、钛合金、硬质合金等等材料的测试中都做出很好的成果。
我们也赖于这种仪器承接了各种材料的测试任务,还将之携带到水电金属结构现场,甚至在条件比较恶劣的环境里进行测试。
截至目前,X-350A型仪器已销售近70台。
比较著名的客户包括清华大学、上海交大、西安交大、北京理工大学、华中科技大学、北京科技大学、华南理工大学、武汉理工大学、中国科学院力学研究所、中国原子能科学研究院、上海材料研究所、上海宝钢、德阳中国二重、哈尔滨汽轮机厂等等。
实践证明这种仪器确实具有如下特性:
1、直接实现侧倾固定Ψ法,吸收因子恒等于1,不论衍射峰是否漫散,它的背底都不会倾斜,峰形基本对称,而且在材料无织构的情况下峰形及强度不随ψ角的改变而变化。
显然这个特点对提高测量精度是十分有利的。
例如采用CrKβ辐射测定奥氏体钢的(311)晶面,衍射峰的峰背比很低,如果采用同倾固定Ψ0法,随着Ψ0角的增大,由于吸收因子的影响,背底越来越倾斜,甚至出现高角背底接近或高于衍射峰的情况。
导致定峰十分困难。
现在采用侧倾固定Ψ法,尽管峰背比依然不高,但是背底基本平直,峰形对称,定峰不再存在如上困难,应力测定的可信度大为提高。
2、在侧倾法的情况下,2θ角和Ψ角在两个相互垂直的平面内,这两个角度在空间上不会发生冲突。
测定应力既可以使用较高的2θ角,有必要、有可能的时候也可以使用稍低的2θ角。
最常见的例子是铝合金、钛合金等。
X-350A型应用于铝合金应力测定,可以选取的衍射峰有:
CrKα辐射(222)晶面2θ=156.7º
K=-92MPa/deg
CrKα辐射(311)晶面2θ=139.5º
K=-162MPa/deg
铝合金材料如果存在一定程度的织构,由于多重性因子的关系,(222)晶面织构表现较强,对应力测试不利;
而(311)晶面织构相对较弱,测试效果要好一些。
上海航海仪器总厂使用X-350A型应力仪,利用(311)晶面测试铝合金陀螺残余应力,所的数据准确可靠,成为该产品日常检验的不可缺少的手段。
众所周知,在同倾法的条件下,因为空间的限制,一般2θ角最低设为140°
,显然无法利用(311)面的139.5°
衍射峰。
钛合金在航空航天机械方面应用越来越多,其残余应力备受关注。
国内外的实践表明,测试钛合金最好的选择是CuKα,(213)晶面的139°
显然采用侧倾法放宽2θ低角范围才能做到。
如果勉强采用同倾法,只有缩小Ψ取值范围,而这样做对测应力测试是不利的。
金刚石:
CrKα辐射,(220)晶面,2θ=130º
,K=-3374MPa/deg
硬质合金WC相:
CrKα辐射,(220)晶面,2θ=124.5º
,K=-2112MPa/deg
这些未必是最佳配伍选择,但是在实际测试中得到应用,效果尚好。
3、X射线应力分析仪属X射线衍射装置,一般都可以用来测定残余奥氏体含量。
但是其它同类仪器由于2θ范围有限,为了测定残余奥氏体含量,需要在测试过程中人工移动探测器的位置,这样才能测得角度相差很远的马氏体和奥氏体的衍射峰。
而X-350A型仪器2θ扫描范围120°
~170°
,在一次不间断的扫描过程中可以得到αFe(211)、γFe(220)两个完整的衍射峰,测试更加方便、快捷、准确。
而且两个峰可以分别设定扫描范围、步距和计数时间,在计算程序中考虑了这些因素。
针对含量较低的情况,可以专门对它的衍射峰设定参数,缩小扫描范围,减小扫描步距、延长计数时间,这样可以得到有足够强度的起伏波动较小的衍射峰,显著提高测量精度。
两个峰之间的无峰区间可以快速通过,以便节省时间提高工效。
还可以针对同一测试点取不同的Φ角、Ψ角进行测定,以便探测织构的影响。
必要时,可以做到残奥含量和残余应力同时测定,亦即一次测量得到残奥含量和残余应力两项数据。
这些都是本仪器独有的功能,对于各种实体工件来说,具有极其可贵的实用价值。
4、由于X-350A型的测角仪虽然以侧倾固定Ψ法为主要特征,结构却并不庞杂,仍然比较简洁,高压电源箱和控制箱也很轻便,所以可以携带到现场进行测试。
上海交大、水利部金属结构质检中心、哈尔滨汽轮机厂等等单位都使用这种仪器经常在各种复杂环境里进行残余应力测试。
专利和技术鉴定
1998年,新型X-350AX射线应力分析系统以其新颖而简洁的设计实现理想的测量方法,在国内外同类仪器当中显现突出的先进性、独创性和实用性,获得国家专利(ZL专利号:
98244375.7)。
2002年12月10日,在武汉通过了由河北省科学技术厅组织的鉴定。
鉴定委员会由出席第12届全国残余应力学术交流会王仁智、胡奈赛、李家宝等、李福林、姜传海等9名专家组成。
鉴定结论指出,该仪器的独创性和先进性在于以θ-θ扫描Ψ测角仪为主要特征,实现理想的测量方法,同时具备结构简洁轻便灵活的特点,既适于实验研究工作,又适于大型工件的现场测试。
整机采用PC微电脑控制,Windows环境,界面友好,操作方便。
专家们一致认为,该产品与国外同类先进仪器相比,虽然未采用先进的固态线阵探测器,但就其功能和实用性而言,达到了国际先进水平。
鉴定结论中还指出,残余应力测试在各种机械零(构)件和机械工程的质量控制、寿命评估、安全考核方面有着重要作用;
特别是加入世贸组织以来,为了与国际接轨,在很多行业已成必需的检验和控制手段。
因此,X射线应力测定仪的推广应用,必将带来巨大的经济效益和社会效益。
有鉴于此,建议将该仪器投入批量生产。
改进与升级
自X-350A初步成型至今经历了15个春秋,投产12个批次,其间有过几度重要的改进和升级。
首先在测角仪的机械设计和制造工艺方面逐步完善,使其在传动流畅性、可调整易操作性能和机械精度稳定性等方面更加成熟,外观质量更加精良,传动钢带的使用寿命更长。
第二,在测量功能方面,适应用户的特殊要求,特制加宽2θ的测角仪(2θ范围45°
),以便实现利用多对衍射峰测定钢中残奥含量;
与北冶功能材料研究院合作,利用加宽2θ的测角仪,并且配置旋转工作台,增加Φ角转动,开发出测定材料晶体学织构的功能,在实际应用中获得优异成果;
在此基础上,与上海交大材料学院姜传海教授合作,又成功开发出测定单晶应力的程序。
第三,2007年与中科院上海应用物理研究所合作研发的新型高压电源,取消了高压油箱,减轻重量,性能更加稳定,几年的使用效果表明仪器高压电源部分的故障率几乎为零。
整机可靠性因而显著提高,有利于用户,也减少了我们的维修工作量和思想负担。
第四,通过软硬件的研发和优化,使仪器的测量过程通过上、下位机通讯方式来完成,显著提高了过程的流畅性、可靠性和抗干扰能力。
近期又实现了X射线管电压电流的全自动预热和升降,使测量操作简便而高效,还可以做到远程操作,方便于大型工件的现场测试。
在科学技术飞速发展的今天,我们清醒地知道X-350A型的不足之处和落后的一面。
最关键的问题是X射线探测器仍然是正比计数管。
与国外先进的同类仪器相比,在这类关键器件方面差距很大,因此仪器的测试工作效率较低。
特别是对于钛合金等衍射强度较低的材料,或者要求照射点很小的情况,测试进程较慢的感觉更加明显。
另外锰靶X射线管尚在试制过程中,对于奥氏体不锈钢、高温合金等材料,目前只能使用CrKβ辐射,这也是导致工效不高的原因之一。
再者,测定三维应力需要多个正负Ψ角的衍射峰,使用这台仪器将花费更多的时间。
我们会接收专家和客户的建议,在国内外寻求新型关键器件为我所用,并弘扬自身的优势,开拓创新,以功能更好、测试快捷的应力仪面世。
开拓市场之路
——用真诚、实力和服务敲开客户大门
朋友常批评我们抱定“好酒不怕巷子深”的理念,市场营销工作十分欠缺;
我们接受这个批评,今后一定在这方面多下功夫。
但是,我们已经做出的努力也是值得记取并发扬的。
下面列举若干事例。
付出真诚同宝钢建立起的友谊与合作是我们的荣耀
2003年上海宝钢设备检测公司当时的一位负责同志打电话来,说他在咨询残余应力问题的时候,浙江大学和上海材料研究所两单位的专家不约而同地介绍到邯郸吕克茂。
无疑这个消息使我们感到鼓舞。
随即给他提供一些参考资料,特别是当时印发的产品样本,使用最为通俗的语言和示意图解释了仪器测量原理,他看后高兴地表示,尽管存在专业隔阂,他还是看明白了。
这应该说是一个良好的开端。
然而接下来的进程却是漫长而曲折的。
2004年4月宝钢的宽厚板轧机牌坊底座因为存在铸造缺陷,采用大量的堆焊进行修补,因此十分关注焊接残余应力。
宝钢检测公司邀请我们带仪器到现场对牌坊底座进行测试。
现场条件极其恶劣,被测部位空间狭小,管道纵横,油污遍布。
我们的同志在这样的环境里翻上爬下,还不得不承受着辐射,认认真真地完成了测试任务。
虽然宝钢支付了一定的费用,但我们却把这项任务当成售前服务,以艰苦的劳作和可靠的测试结果赢得宝钢方面的首肯。
同年12月,上海西部某处,修建公路桥的打桩机冲撞了西气东输的管道。
工程业主单位委托上海宝钢检测公司对管道受损处进行检测和评定。
检测公司负责同志要求我们带仪器到现场测试管道残余应力状态。
当时我公司主要负责人正患重感冒,可是工程进度不允许拖延,检测公司负责同志说这正是对我们应变能力的考验。
面对这样的情况,我们没有犹豫,当即应战。
遂约请社区诊所的医生一起奔赴上海,在卧铺车厢和宾馆里挂吊针。
到达野外现场时,正值寒风凛冽,看到等待检测的管道在几米深的黑色泥土大坑中。
我方人员奋不顾身立即下坑,熟练地迅速营造一个方便于工作的小环境,架设仪器,投入紧张的测试工作,当晚顺利完成测试任务。
2005年9月,宽厚板轧机牌坊需要进行残余应力状态复查,又邀请我们带仪器前往。
这次除了原有的环境条件以外,又加上气温高、湿度大,蚊虫肆虐,而且在相当于三层楼高的轧机上方同时进行其它施工作业,不断有水滴、油滴落下,和操作人员的汗水交融,个个满身湿透。
更危险的是偶尔还有螺钉螺帽从上方施工人员手中落下,我们的仪器机箱曾被砸出凹坑。
就在这种条件下,测试工作持续到凌晨两点才结束。
至此,我们得到了宝钢检测公司领导和工程技术人员的完全信任,彼此建立了深厚友谊。
终于在2005年11月双方签立购买X射线应力测定仪的合同,2006年4月交货。
回顾这一段经历,在这一次次艰苦的售前服务中,我们经受了考验和锻炼,增长了见识,积累了经验。
在后来的岁月里我们越来越清晰地认识到,经历就是财富,知识就是力量,在这个过程中学到的东西将使我们长久受益;
尤为重要是,与宝钢建立起的友谊和合作是我们引以为豪的金牌,永远激励着我们前进。
后来,在宝钢检测公司的现场测试工作中,我们也时常给予大力协助和支持。
我公司产品有了新的重要改进的时候,及时对宝钢现有仪器提供升级改造服务。
宝钢的研究和应用成果为推进整个残余应力事业的进展做出重要贡献。
依靠技术实力和成功的现场测试在德阳二重招标项目中获胜
2009年中国二重(德阳)与德国合作承接了三峡大坝升船机大齿条的生产任务。
齿条总长800米,宽800mm,厚350mm;
分段制造,每段长8米。
可以想见如此巨大、担负如此重任的齿条,确保它的内在质量是至关重要的课题。
他们在试验件的制造过程中发现了一些不可忽视的瑕疵。
为此二重工艺材料研究所决定使用X射线应力测定仪检测经过某些重要工艺过程之后齿根齿面的残余应力和残余奥氏体含量,以此作为控制和检验齿条质量的手段。
2010年3月二重启动国际招标,选购适用的X射线应力测定仪。
但是在开标之后,卖方迟迟不能确定哪家的产品能够真
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