机械工程发展史.doc

1.3 机械工程发展1.3.1 社会发展与机械工程 在人类历史的发展中,发生了几次决定人类命运的大转折,被史学誉为大革命. 第一次发生在大约200万年前, 由于自然条件的突然变化,生活在树上的类人猿被迫到陆地上觅食, 为了和各种野兽抗争,它们学会了用木棍和石块这些天然工具保卫自己,并用之猎取食物.使用天然工具,锻炼了它们的大脑和手指.第二次发生在大约50万年前,古猿人学会了制造和使用简单的木制和石制工具,从事劳动,继而发现了火,并学会了钻木取火.烧熟的食物不仅好吃,且利于吸收,为提高它们的体力和智力创造了条件，进而使古猿人的生活质量有了改善和提高。使用工具，携带食物、甚至“抱儿带女”都需要他们的前肢从支撑行走中解脱出来，于是他们从地上站立起来，开启了从古猿到古人类的新纪元。第三次发生在大约15000年前，古人类学会了制作和使用简单的机械，开始了农耕与畜牧。此后，大约15000年前，古人类进入新石器时代。4000年前发现金属，并学会了冶炼技术，金属器械逐步取代了石制、骨制的器械。继而约2000年前发现了铁金属，进入铁器时代，各种复杂的工具和简单机械相继发明出来。第四次发生在1750年到1850年之间。1760年，瓦特经过十余年的努力和不断改进，在爱丁堡制造出第一台蒸汽机。1804年，英国人特莱维茨克发明并制造出第一台蒸汽机车。1830年，在法国修筑了从圣亚田到里昂的铁路。蒸汽机车与铁路的普及，促进了西方工业生产的发展，促进了西方的机械文明，奠定了现代工业的基础。在这一阶段，机械及机械制造通过不断扩大的实践，从分散性的、主要依赖工匠们个人才智和手艺的一门技艺，逐渐发展成为一门有理论指导的系统和独立的工程技术。大批的发明家涌现出来。各种专科学校、大学、工厂纷纷建立。机械工业代替了手工业，生产迅速发展。机械工程是促进1819世纪的工业革命已经资本主义大生产的主要技术因素。第五次是计算机技术导致了一场现代工业革命。进入20世纪，计算机的发明与广泛应用，改变了人类传统的生活方式和工作方式。以集成电路为中心的微电子技术的广泛应用，给社会生活和工业结构带来了巨大的影响。机械工程与微处理机结合诞生了“机电一体化”的复合技术，使机械设备的结构、功能和制造技术等提高到了一个新的水平。机械工程学、微电子学和信息科学三者的有机结合，构成了一种优化技术，应用这种技术制造出来的机械产品结构简单、轻巧、省力和高效率，并部分代替了人脑的功能，即实现了人工智能。机电一体化产品必将成为今后机械产品发展的主流。进入21世纪，计算机技术、信息技术、网络技术以及由其带动的相关科学的发展，推动了科学迅速前进，机械工程学也发生了极大变化，制造业发展的重要特性是向全球化、网络化、虚拟化方向发展。1.3.2 机械工程发展史关于机械工程发展史，在许多研究机械工程史著作中将其分为三个阶段：古代机械工程史、近代机械工程史、现代机械工程史。1.3.2.1 古代机械史机械始于工具。公元前3000年以前（史前期），人类已广泛使用石制和骨制的工具。搬运重物的工具有滚子、撬棒和滑橇等，如古埃及建造金字塔时就已使用这类工具。公元前3500年后不久，苏美尔人已有了带轮的车。史前期的重要工具有弓形钻和制陶器用的转台。弓形钻由燧石钻头、钻杆、窝座和弓弦等组成，用来钻孔、扩孔和取火。埃及第三至第六王朝（约公元前2686年前2181年）的早期，开始将牛拉的原始木犁和金属镰刀用于农业。约公元前2500年，欧亚之间地区就曾使用两轮和四轮的木质马车。叙利亚在公元前1200年制造了磨谷子用的手磨。在建筑和装运物料过程中，已使用了杠杆、绳索、滚棒和水平槽等简单工具。滑轮最早出现于公元前8世纪，亚述人用作城堡上的放箭机构。绞盘最初用在矿井中提取矿砂和从水井中提水。这时，埃及的水钟、虹吸管、鼓风箱和活塞式唧筒等流体机械也得到初步的发展和应用。公元前600公元400年的古罗马称为古典文化时期，这一时期木工工具有了很大改进，除木工常用的成套工具如斧、弓形锯、弓形钻、铲和凿外，还发展了球形钻、能拔铁钉的羊角锤、伐木用的双人锯等。广泛使用的还有长轴车床和脚踏车床，用来制造家具和车轮辐条。脚踏车床一直延用到中世纪，为近代车床的发展奠定了基础。约在公元前1世纪，古希腊人在手磨的基础上制成了石轮磨。这是机械和机器方面的一个进展。约在同时，古罗马也发展了驴拉磨和类似的石轮磨。公元400年1000年的欧洲地区，机械技术的发展因古希腊和古罗马的古典文化的消沉而陷入长期停顿。公元1000年1500年，随着农业和手工业的发展，意、法、英等国相继兴办大学，发展自然科学和人文科学，培养人才，同时又吸取了当时中国、阿拉伯和波斯帝国的先进科学技术，机械技术开始恢复和发展。西欧开始用煤冶炼生铁，制造了大型铸件。随着水轮机的发展，已有足够的动力来带动用皮革制造的大型风箱，以获得较高的熔化温度，铸造大炮和大钟的作坊逐渐增多，铸件重量渐渐增大。在农业方面创造出装有曲凹面犁板的犁头，以取代罗马时代的尖劈犁头。这个时期还出现了手摇钻、其构造表明曲柄连杆机构的原理已用于机械。加工机械方面出现了大轮盘的车床。12世纪和13世纪后半期，先后出现了装有绳索擒纵机构的原始钟鹤天平式的钟。天平式的钟是第一种实际应用的机械式的钟，其中装有时针和秒针，表明时钟齿轮系有了进一步的发展，15世纪在欧洲家庭中已得到较为普遍的应用。表是1500年前开始制造的。重要的改进是用螺旋弹簧代替重物以产生动力，此外还加了棘轮机构。机械式钟表创造的成功，不仅为现代文明所必需，也推动了精密零件的制造技术。机械式钟表后来又得到全面改进，如单摆式时钟取代了原来的天平式时钟。1676年英国为格林威治天文台制作了摆长不同的两种精密时钟。怀表采用双金属条，解决了平衡轮的温度补偿问题。公元15001750年，机械技术发展极其迅速。材料方面的进展主要表现在用钢铁、特别是用生铁代替木材制造机器、仪器和工具。同时为了解决采矿中的运输问题。1770年前后，英国发展了马拉有轨货车，先是用木轨，后又换成铁轨。这一时期工具机也获得不少成就：制造出水力辗轧机械和几种机床，如齿轮切削机床、螺纹车床、小型脚踏砂轮磨床及研磨光学仪器镜片的抛光机。在欧洲诞生了工程科学。许多科学家，如牛顿、伽利略、莱布尼兹、玻意耳和胡克等，为新科学奠定了多方面的理论基础。为了鼓励创造发明，意大利和英国分别在1474年和1561年建立了专利机构。17世纪60年代出现了科学学会，如英国皇家学会。英国于1665年开始出版科学报告会文献。法国约于同时建立了法国科学院。俄、德两国也分别于1725年和1770年建立了俄国科学院和柏林科学院。这些学术机构冲破了当时教会的禁锢，展开自由讨论，交流学术观点和实验结果，因而促进了科学技术以及机械工程的发展。1.3.2.2 近代机械工程史在17501900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速发展。机械工程的发展，在工业革命的进程中起着主干作用。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、蒸汽轮船等，这反过来又促进了煤、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。其中动力机械技术的突破，促进了各技术领域的突飞猛进。第一台有实用意义的蒸汽动力装置是英国的T.钮科门于1705年制成的大气式蒸汽机，曾在英国的煤矿和金属矿中使用。1712年制成的钮科门蒸汽机，它的蒸汽气缸和抽水缸是分开的。蒸汽通入气缸后在内部喷水使它冷凝，造成气缸内部真空，气缸外的大气压力推动活塞做功，再通过杠杆、链条等机构带动水泵活塞运动。1765年瓦特制作了一台试验性的有分离冷凝器的小型蒸汽机，1781年他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。到1804年，英国的棉纺织业已普遍采用蒸汽机作为生产动力。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年法国的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. 克拉克制成二冲程作出了重要贡献。1897年他制成第一台压缩式点火式内燃机（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。早期的压缩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。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。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。1.3.2.3 现代机械工程史20世纪以来，世界机械工程的发展远远超过了上个世纪。尤其是第二次世界大战以后，由于科学技术工作从个人活动走向社会化，科学技术的全面发展，特别是电子技术、核技术和航空航天技术与机械技术的结合，大大促进了机械工程的发展。第二次世界大战前的40年,机械工程发展的主要特点是: 继承19世纪延续下来的传统技术,并不断改进、提高和扩大其应用范围。例如，农业和采矿业的机械化程度有了显著的提高，动力机械功率增大，效率进一步提高，内燃机的应用普及到几乎所有的移动机械。随着工作母机设计水平的提高及新型工具材料和机械式自动化技术的发展，机械制造工艺的水平有了极大的提高。美国人F.W.泰勒首创的科学管理制度，在20世纪初开始在一些国家广泛推进，对机械工程的发展起了推动作用。第二次世界大战以后的30年间，机械工程的发展特点是：除原有技术的改进和扩大应用外，与其他科技领域的广泛结合和相互渗透明确加深，形成了机械工程的许多新的分支，机械工程的领域空前扩大，发展速度加快。这个时期，核技术、电子技术、航空航天技术迅速发展。生产和科研工作的系统性、成套性、综合性大大增强。机器的应用几乎遍及所有的生产部门和科研部门，并深入到生活和服务部门。进入20世纪70年代以后，机械工程与电工、电子、冶金、化学、物理和激光等技术相结合，创造了许多新工艺、新材料和新产品，使机械产品精密化、高效化和制造过程的自动化。1.3.3 中国机械工程发展中国的机械工程技术不但历史悠久，而且成就十分辉煌，不仅对中国的物质文明和社会经济的发展起到了重要的促进作用，而且对世界技术的进步作出了重大贡献。中国机械工程在漫长的历史进程中自然形成了中国机械史的几个不同时期。从机械的动力、材料、设计、制造、应用和实际效能，以及当时对国家经济所起的不同作用等来考虑，可以把中国机械史分为四个时期：简单工具时期、古代机械时期、近代机械时期和现代机械时期，每个时期又可分为不同的发展阶段。1 简单工具时期这一时期的时间大体相当于中国历史上的原始社会，亦即石器时代。这一时期的时间很大，从云南元谋发掘出土的170万年前的古人石制刮削器和尖状器等，一直延续到大约4000多年前。其中，还可将其进一步分为两个阶段：粗制工具阶段和精制工具阶段。粗制工具阶段相当于旧石器时代。这一阶段的工具主要用捡拾到的石块、木棒、蚌壳和兽骨制作，经过敲砸、粗略修整、磨制和钻孔等，使工具的结构较为合理，使用较为方便。这反映出当时人们已具有初步的生产经验和加工技术。以后种类陆续有所增多，大约在2.8万前出现了弓箭，生产经验和加工技术逐步有所提高。精制工具阶段大体相当于新石器时代。这一阶段人们已能利用开采的石料制作各种工具。工具种类有原始刀、斧、犁、锄、锨、凿、锯、钻、锉、矛、网坠、纺轮和滚子等几十种，能够用来从事农业、狩猎、渔业、建筑和纺织等方面的生产劳动。这一阶段后期出现了原始织机和制陶器转轮，后者已具有车削加工机构的雏型。工具一般都经过较为精细的磨削加工，结构合理，表面比较光洁。工具的改进推动了生产力迅速提高，使中国原始社会向奴隶社会发展。根据这一时期的工具，可看出当时人们已能在生产中利用杠杆、尖劈、惯性、弹力和热胀冷缩等原理，生产知识逐渐丰富，加工能力不断提高。2 古代机械时期这一时期大约从4000多年前直到19世纪40年代，相当于中国历史上的奴隶社会和封建社会两个时代。在此期间，中国古代机械经历了一个“迅速发展成熟缓慢前进”的过程。1） 迅速发展阶段。古车的出现和广泛应用可看作是这一时期开始的标志。接着一批古代机械相继出现。古代机械的出现是中国机械发展的一次飞跃。 当时，机械加工方法和工具日渐完善，木材、铜和铁相继得到广泛应用。大约4000年前开始使用畜力拉车，3000年前开始用牛耕地和利用马力。机械的种类由少到多。结构由简到繁，制作技术由粗到精，发展速度加快。尤其是战国时期奴隶制度崩溃，封建制度相继建立，出现了百家争鸣的学术空气，思想活跃，人才辈出，更促使科学技术迅速发展。当时出现的在科学技术史上有重大价值的专著考工记，总结了多种手工业的生产经验，是一套手工业生产的技术规范，放映出当时手工业的生产水平。2） 成熟阶段。大约到秦汉时期，中国古代机械的发展已趋于成熟。金属材料的冶炼、铸造和锻造水平都已很高，如利用水排和马排鼓风提高了金属冶炼的炉温和质量；冶铁技术发展很快，并创造了叠铸技术，大大提高了铸造生产率，铁的应用更广。当时不但更充分地利用畜力，而且开始广泛利用水力和风力等来进行农业及其他多种生产。齿轮、绳带盒链传动迅速发展，当时的一些机械上已出现了复杂的齿轮传动和自动控制系统。犁也不断得到改进，出现了三脚犁、用于灌溉的连续提水翻车、用于清洗粮食的风扇、手摇纺车等。独轮车的出现增大了车辆的适应性。在造船方面，槽、舵和帆等部件逐渐完善，并已能制造高大楼船和战船。更值得一提的是指南车、记里鼓车以及一些精密天文和计时仪器等杰出科技成果的出现。从秦始皇陵出土的铜车马可看出，当时的冷、热加工技术已相当精湛高超了。东汉出现的水力鼓风设备水排，由水轮、带传动、杆传动和鼓风器等组成，具备了先进及其所必须具有的原动机、传动机构和工作机或工具机三个组成部分。这些发明连同其他机械创造发明，使这个时期成为了中国机械发明的一个高潮，使中国古代机械发展到了世界领先的地位。 此后，中国古代机械仍保持着这样一个高的水平，继续迅速发展。例如，三国时出现了一弩十矢的连弩、发石车、引燃火箭和新型织机；两晋时出现了自动机械磨车、风车、水磨和水碾；南北朝时出现了明轮船，到唐代犁又有重大改进，还出现了垂直提水的水车，在兵器方面则出现了弩车。到宋、元时，科技发展内容更为丰富，出现了中国古代机械发展的又一个高潮。尤其是在天文仪器方面，出现了莲花漏、水运仪象台、水银浑仪、巨型浑仪、五轮砂漏和简仪等重要发明，使中国的天文仪器达到了前所未有的水平。在苏颂的水运仪象台中已先于世界各国应用了擒纵装置，而郭守敬的简仪中则已应用了滚动支承。火药自宋代开始用于实战，出现了火炮、炮车和喷射火箭等武器。此外，宋代的木风箱、元代的水力大纺车等，也都具有重要意义的发明。在从汉到宋的各代中，有十几人研制过指南车。宋史中还保存有宋代指南车和记里鼓车内部构造及主要尺寸的记载，给中国机械史留下了重要的史料。这一阶段还出现了一批杰出的科技人才，如张衡、马钧、祖冲之、燕肃、吴德仁、苏颂和郭守敬等，他们都为中国古代机械的发展做出过重要贡献。需要一提的是在17世纪宋应星所著天工开物，它总结了中国长期以来的生产经验，成为一本百科全书式的著作，在科技史上占有重要的地位。在这一阶段，中国创造发明的古代机械种类多、水平高、价值大，处于世界领先的地位，其中一些如兵器、农机、冶金、纺织、陶瓷、造纸和印刷等技术还传到国外，对许多国家文明产生过一定的影响。这是中国机械史上一个成果辉煌和地位重要的阶段。遗憾的是相对这种古代机械繁荣局面而言，留下的史料则过于少了。 3）缓慢前进阶段。至明代，由于封建集权进一步加强，既限制了资本主义萌芽的发展，也阻碍了科学技术的前进。直到19世纪40年代的几百年间，在与机械有关的范围内，除兵器和造船方面有较为显著的进展外，其他方面几乎没有出现过价值重大的发明，此时，西方机械科学技术水平已明显超过中国。 在此期间，外国传教士为中国带来西方先进的科学技术。当时出现的机械译著如远西奇器图说和自鸣钟说等，其所描述的机械已明显超过中国古代机械的水平。然而，由于当时统治集团对西方科学技术的传入采取错误的方针，致使其传播范围很小。除在天文和数学方面有一定影响外，就机械方面而言，当时西方科学技术几乎没有对中国产生明显的影响和实际的效益。从雍正到道光的一百多年间，清朝更采取闭关自守的政策，几乎断绝了西方科学技术的传入，中国机械科学技术与西方的差距越来越大了。3 近代机械时期1840年的鸦片战争打破了清朝闭关自守政策的壁垒，随之开始了中国机械史上的近代机械时期。当时，清朝统治集团中出现了洋务派，兴起了洋务运动。同时，西方一些发达的资本主义国家疯狂推行经济侵略和军事侵略政策，近代科学技术和近代机械也随同外国势力一起涌入中国。19世界中后期，蒸汽机在中国迅速推广，先进的钢铁冶炼技术和大型高炉、转炉、平炉以及锻压、铸造、车削、钻削和螺纹加工等各种近代机械加工设备也相继传入，由此中国开始建立近代机械和兵器制造业，兴建铁路和制造轮船。同时，还传入了纺织、造纸、印刷、卷烟和食品加工等各种机械及生产技术。19世纪后期还出现了一批民族资产阶级创办的企业。至此，中国机械的面貌改观，近代机械工业在中国出现了。到20世纪，依赖西方的技术和设备，中国近代机械在上述基础上继续发展，机械产品的品种和数量有所增加，其性能和水平有所提高，建厂地区范围也有所扩大。大约自19世纪末起，中国派出了留学生到西方科学技术发达的国家学习，出现了像詹天佑这样卓越的工程技术专家。同时，相继办起了一批高等和中等技术学堂，1905年废科举、办新学、机械工程教育逐渐有了发展。20世纪初，工程技术学会和工程技术期刊也已出现。大约从19世纪60年代起出现我国学者编写的机械工程著作。在一些企业中，涌现出一批机械工程技术人员和机械工人骨干。这些都对中国近代机械的发展起过一定作用。可以看出，在这段很短的时间里，中国从古代机械发展到近代机械，由手工业作坊发展到大工厂，由传统生产技术发展到近代生产技术，机械理论与实验研究和机械设计也逐渐增多。从这个过程中，可归纳出以下明显特点：首先，中国近代机械的发展具有中国半殖民地的社会性质，处处适应帝国主义经济和政治侵略的需要，对帝国主义有很大的依赖性。中国近代机械工业除能制造一些小型和简单的机械设备外，主要围绕组装和修配进行生产，布局、结构和比例都很不合理，科研和设计能力十分薄弱，这些都给以后机械工业和科学技术的发展带来了很不利的影响。其次，中国科学技术与世界科学技术的关系日益密切，中国科学技术大量吸收了世界科学技术的内容。但在当时世界科学技术的洪流中，中国科学技术一直是跟在西方的后面缓慢前进，在机械方面也未能作出重大贡献。再次，在此期间，中国依靠西方科学技术发展了近代机械，它与中国古代机械及传统生产技术很少有内在联系。这种情况造成近代和现代的生产设备及生产技术与机械职工队伍的实际情况脱节，也给继承和发扬中国古代机械科技遗产带来困难。根据以上简述可知，中国近代机械时期时间不长，但它是一个急速变化的时期，是中国机械史的一个大转折，其成败、得失、经验与教训，都是值得加以深入研究的。4 现代机械时期1949年，新中国诞生了。当时，世界上电子、原子能和计算技术等现代科学技术兴起并迅速发展。这两方面的因素推动中国机械进入现代机械时期。在中国共产党的领导下，中国机械工业和科学技术迅速摆脱对帝国主义的依赖，大力纠正旧中国留下的布局、结构和比例上的不合理现象，建立起独立自主的机械工业。新中国很快就能自己生产飞机、轮船、机车、汽车、机床和各种工程机械等，并进一步建立了门类比较齐全的机械工业体系，为许多工业部门提供成套机械设备，有力地支援了农业、国防工业和尖端科学技术的发展，还生产了一批大型、精密的机械产品。在我国广大城乡，各行各业许多部门迅速实现机械化，大量繁重的体力劳动被机械代替，机械工业和机械科学技术为新中国的经济建设作出了重大贡献。新中国的机械工业系统，已形成自己的机械研究、设计和制造力量；在一千多万机械职工队伍中已有五十多万工程技术人员；几百个研究单位、许多工厂企业和高等院校都已具备研究和设计能力；还先后建立了不少现代机械研究中心，解决了机械工业中的许多重大科研课题，很多科研成果和机械产品已经或接近国际先进水平；机械产品已出口到一百多个国家和地区，在国家市场上赢得了声誉；紧跟现代科学技术潮流，许多新兴学科和边缘学科也在中国兴起，在某些学科已取得了重大进展。新中国的机械工程教育蓬勃发展，培养了一大批高质量的高等和中等机械科学技术人才。通过职业培训和业余教育，广大职工进行知识更新，科技水平和文化素养都有所提高，在工作中发挥了更大的作用。此外，中国机械工程学会和其他学术团体纷纷成立并积极开展工作，国内外学术活动十分活跃；又兴办了多种学术期刊和科普期刊，编辑出版了许多教材、专著和科普读物。这些对机械科学技术的提高也起了很多作用。纵观机械工程的发展历程，制造业与制造技术的发展是由国家政治、经济、社会等多方面的因素决定的。专业文档供参考，如有帮助请下载。