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近代机械工程史
modern history of mechanical engineering
在1750～1900年这一近代历史时期内，机械工程在世界范围内出现了飞速的发展，并获得了广泛的应用。1847年，在英国伯明翰成立了机械工程师学会，机械工程作为工程技术的一个分支得到了正式的承认。后来在世界其他国家也陆续成立了机械工程的行业组织。
在这一历史时期内，世界上发生了引起社会生产巨大变革的工业革命。工业革命首先在英国掀起，后来逐步波及其他各国，前后延续了一个多世纪。工业革命是从出现机器和使用机器开始的。在工业革命中最主要的变革是：①用生产能力大和产品质量高的大机器取代手工工具和简陋机械；②用蒸汽机和内燃机等无生命动力取代人和牲畜的肌肉动力；③用大型的集中的工厂生产系统取代分散的手工业作坊。在这期间，动力机械、生产机械和机械工程理论都获得了飞跃发展。
机械工程的发展在工业革命的进程中起着重要的主干作用。如18世纪中叶以后，英国纺织机械的出现和使用，使纺纱和织布的生产技术迅速提高；蒸汽机的出现和推广使用，不仅促进了当时煤产量的迅速增长，并且使炼铁炉鼓风机有了机器动力而使铁产量成倍增长，煤和铁的生产发展又推动各行各业的发展；蒸汽机用于交通运输，出现了蒸汽机车、铁道、蒸汽轮船等，又促进了煤、铁工业和其他工业的发展；汽轮机、内燃机和各种机床相继出现。
纺织机械 18世纪中叶欧洲纺织机械首先在英国出现。1761年,皇家学会颁赏奖励纺纱技术的发明。3年后，纺织工人J.哈格里夫斯设计一台将 8个纱锭竖排起来由一个轮子带动的纺纱机，并于1764年试制成功。他用几根棒条或夹子代替人的手指来牵引和握持纱线，使纺纱的生产速度提高8倍。这台机器仍是用人力转动的,并以他妻子的名字命名为珍妮纺纱机。1771年出现了水力纺纱机。1779年，S.克朗普顿在上述两种纺纱机的基础上制造出一台称为“缪尔”(Mule)的纺纱机，用它纺出比手工纺的更结实更精细的纱线，而且速度更快。1785年，E.卡特赖特发明简单的自动织布机。随着纺纱和织布的生产速度的提高，需要更多的原料，于是，1793年美国E.惠特尼发明了轧棉机。轧棉机的发明既促进了英国纺纱工业的继续发展，又推动了美国棉花种植业的扩大。
动力机械 动力机械包括蒸汽机、内燃机、汽轮机和水轮机等。动力机械技术的突破，促进了各技术领域的突飞猛进。
蒸汽机 早在17世纪就有人作过利用蒸汽提高水位的尝试，例如英国的T.萨弗里曾于1698年制成一台能从矿井中抽水的蒸汽水泵，被称为“矿工之友”。
第一台有实用意义的蒸汽动力装置是英国的T.纽科门于1705年制成的大气式蒸汽机,又称纽科门蒸汽机,曾在英国的煤矿和金属矿中使用。图1 [1712年的纽科门蒸汽机]为1712年制成的纽科门蒸汽机，它的蒸汽汽缸和抽水缸是分开的。蒸汽通入汽缸后在内部喷水使它冷凝，造成汽缸内部真空,汽缸外的大气压力推动活塞作功,再通过杠杆、链条等机构带动水泵活塞。
18世纪中叶，J.瓦特在前人科学研究和实验的基础上，对蒸汽机作了重大的改进，创造出更好更实用的蒸汽机，对在英国发生的工业革命起了关键性的和主导的作用。瓦特于1764年开始对蒸汽机的研究和改进。他发现纽科门蒸汽机的汽缸冷却消耗很多蒸汽，在J.布莱克教授的潜热和比热理论的启发下他找出蒸汽机效率低下的原因。于是，他把蒸汽的冷凝过程安排在与汽缸分开的冷凝器中进行。1765年他制做了一台试验性的有分离凝汽器的小型蒸汽机，肯定了分离凝汽器的优越性，并于1769年取得了标名为“在火力机中减少蒸汽和燃料消耗的新方法”的专利。1781年瓦特又取得双作用式蒸汽机的专利。1776年瓦特与M.博尔顿合作制造的两台蒸汽机开始运转（图2[瓦特的早期蒸汽机]）。到1804年,英国的棉纺织业已普遍采用蒸汽机作为生产动力。
内燃机 19世纪中期，内燃机问世。第一台在工厂中实际使用的内燃机是1860年法国.勒努瓦制造的无压缩过程的煤气机，其基本结构与当时的蒸汽机相差不多。1862年，法国A.E.B.de罗沙提出四冲程循环的基本原理。1876年，德国N.A.奥托制成四冲程往复活塞式单缸卧式煤气机,比勒努瓦的煤气机效率更高,功率更大。1878年，英国D.克拉克制成二冲程循环的内燃机。1892年，德国R.狄塞尔提出压燃式内燃机原理，为提高内燃机热效率作出了重要贡献。1897年他制成第一台压缩点火式内燃机（柴油机），使用液体燃料，按四冲程原理工作，热效率高于当时其他任何内燃机。早期的压燃式内燃机的转速比较低，进入20世纪后内燃机的转速大幅度提高。
汽轮机 随着发电机和电动机的发明，世界开始进入电气时代。中心发电站迅速兴起，大功率的高速汽轮机应运而生。1882年，瑞典的C.G.P.de拉瓦尔制成第一台单级冲动式汽轮机。第一台有实用意义的汽轮机是英国C.A.帕森斯在1884年制成的多级反动式汽轮机，它利用反作用的原理使涡轮旋转,但功率仅为7.5千瓦。不久，他又制造出每台为1000千瓦的发电用的汽轮机。1896年，法国A.拉托把几个单级冲动式汽轮机串联在一起，形成多级冲动式汽轮机。同年，美国C.G.柯蒂斯也获得一次汽轮机的发明专利，他把蒸汽的动能分两部分供给两排动叶片，因而转速比拉瓦尔的单级冲击式汽轮机低。汽轮机的进一步发展是把冲击式和反作用式结合起来，改善了汽轮机的性能。
水轮机 水轮机虽是一种古老的水力机械，但发展成为高效率、大功率的能适合机器大工业生产需要的机器，则是近代的事。18世纪50年代，瑞士人L.尤勒开始试验反作用水轮机。1827年，法国工程师B.富尔内隆成功地试验了能发出 6马力功率的反作用水轮机。1832年已能制造50马力的水轮机。1838年S.B.豪特发明一种向心流动的水轮机。1849年前后美国J.B.弗朗西斯设计了混流式水轮机，对水轮机作出了很大的改进。
交通运输工具 随着蒸汽机和内燃机的出现和使用，在近代这一历史时期内,交通运输工具也得到了发展第一辆蒸汽汽车是法国人N.J.居诺于1769年制成的。它只有三个轮子，速度很慢。1803年，英国R.特里维西克制成高压蒸汽汽车并驾驶它行进在伦敦的街道上。19世纪下半叶，汽油机汽车出现。至19世纪末，世界上已有成百家作坊式的汽车工厂（见汽车）。图3 [1833年的蒸汽汽车]为1833年伦敦的蒸汽汽车。
1807年，美国R.富尔顿第一次成功地把蒸汽机装在船上，创造出蒸汽轮船。1811年英国也制成蒸汽轮船。
1829年英国G.斯蒂芬森试制成功的“火箭”号蒸汽机车，速度为58公里／小时（图4 [斯蒂芬森制造的“火箭”号机车(1829)]）。斯蒂芬森的重要发明是使废汽从烟囱排出以便在锅炉的燃烧室内形成负压的抽风方法，大大提高了燃烧效果和机车速度。
热力学理论 蒸汽机的出现促进了热力学理论的发展1824年,法国S.卡诺出版了《对火的动力的看法》的著作，提出了卡诺定理(见卡诺循环)。他指出热量只是在不同的温度之间转移时才能作功，为以后建立的热力学第二定律奠定了基础。1842年,德国J.R.von迈尔提出热功当量的概念，推算出热功当量的数值。1840年英国J.P.焦耳通过实验测定热功当量的数值，由此归纳出热力学第一定律德国R.克劳修斯和英国W.汤姆森(即开尔文)分别于1850和1851年先后提出热力学第二定律,与热力学第一定律共同构成了热力学理论的基本体系。热力学理论的建立和发展，为蒸汽机等动力机械的改进和其他新型动力机械的研制和设计提供了理论基础。
机械原理 1806年，在法国巴黎首先建立了机构学的分支学科。1834年，法国物理学家A.M.安培把这一学科分支命名为机构运动学。按照他的意见，这一分支是研究机构中发生的运动而不考虑产生这些运动的力。机构运动学诞生后，1841年英国R.威利斯提供了各种机构的概要图表，对相对运动的分析作出了贡献；德国F.勒洛在1875～1900年期间发表《理论运动学》著作，对机构提出新的看法。他把各种机械构件看作是由两个互相作用的表面接连起来的、具有一定相对运动的对偶，即机构变换原理，为机构运动学的发展作出了有价值的贡献。1885年，英国R.H.史密斯用图解法获得了联动机构的速度和加速度的分析结果，他的研究成果有很大的实际意义（见机械动力学）。
机械制造 机械制造的革新和机床工业的形成，是工业革命后期的非常重要的一个方面。英国大约用了半个世纪的时间完成了机械制造方面的革命，到1861年所有的机械和机器基本上都可以用机器来制造了。在欧洲，加工技术的改进从17世纪就已经开始。18世纪时，车床逐渐由木结构改为金属结构。1750年，法国A.蒂奥在车床上安装了一个刀架，用丝杠驱动作纵向移动，比过去手握车刀前进了一大步。1774年J.威尔金森制造了一台新的炮筒镗床，可以加工直径达1.83米的内圆。1775年他曾为瓦特成功地制造出蒸汽机汽缸。1770年英国J.拉姆斯登首先用车床制造螺丝。1784年J.布拉默制成一把具有比较复杂的机构的锁，他还和H.莫兹利共同改进和制造了几种机床。莫兹利在机械制造方面的主要贡献是于1797年在车床上安装了丝杆、光杆和滑动刀架，能加工精密平面和精密螺丝，使机械制造技术的精度水平大为提高。1836年J.内史密斯制成刨床。这台刨床已经具备了现代牛头刨床的基本结构。1842年他还设计制造了单作用和双作用的蒸汽锤，扩大了锻件的尺寸。1830～1850年间，J.B.惠特沃思利用螺纹微调原理制造的测量装置，使机械产品质量进一步提高，为后来的互换性生产创造了条件。19世纪机械制造方面的重大技术进步是发展了零件的互换性，提高了生产的经济性。1845年美国制造出转塔车床，用 8个刀具装在可旋转塔形支架上，由一人操作轮流完成8种加工工序,1861年又实现了转塔的自动转动。美国为进一步节省劳力，又研制出自动螺丝车床。19世纪下半叶，新的工具材料和新的动力来源也促进了机床的继续发展。1850年的碳素钢刀具只能在约12米／分(40英尺／分)以下的切削速度下工作。1868年R.穆舍特发明含有钨和钒的锰钢(合金工具钢)使切削速度提高到18.3米／分(60英尺／分)。1898年F.W.泰勒等人用含铬的高速钢把切削速度提高到36.6米／分(120英尺／分)切削速度的提高反过来又促进了机床各部分强度、轴承、变速机构的改进。另一方面，19世纪中叶以后，缝纫机工业在美国迅速发展，对磨削加工提出更高的要求。碳化硅和氧化铝新磨料的应用遂引起磨床的改革。
在19世纪的大部分年代里，机床的动力来源主要是蒸汽动力,车间顶棚布满纵横交错的轴和传动皮带1873年,电动机成为机床的动力,开始了电力取代蒸汽动力的时代。最初,电动机安装在机床以外的一定距离处,通过皮带传动。后来把电动机直接安置在机床本身内部。19世纪末,已有少数机床使用两台或多台电动机,分别驱动主轴和进给机构等至此,被称为“机械工业的心脏”的机床工业已初具规模。进入20世纪后，迅速发展的汽车工业和后来的飞机工业，又促进了机械制造技术向高精度、大型化、专用化和自动化的方向继续发展。
参考书目
T.K.Derry,T.I.Williams, A Short History ofTechnoloy from the Earliest Time to A.D.1900,Oxford Univ.Pr., Oxford, 1961.C.Singer and others, A History of Technoloy, Vol.4～5,OxfordPr.,Oxford,1958.
谢焕章
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