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中国古代机械工程史

作者：刘成柱 文章来源：互联网 点击数：389 更新时间：2009-3-26 10:25:47

中国古代机械史　　
中国是世界上机械发展最早的国家之一。中国古代在机械方面有许多发明创造，在动力的利用和机械结构的设计上都有自己的特色。许多专用机械的设计和应用，如指南车、地动仪和被中香炉等，均有独到之处。　　
中国古代金属冶铸技术发明时间较早，且技术精湛。如商周时期的青铜器朴质雄浑，春秋时期的青铜器纤细精巧，形成了中国古代青铜器的独特风格。已发现的中国最早的青铜器，如甘肃东乡马家窑出土的铜刀，距今已有4800年左右的历史。　　
中国在大约40～50万年前就已出现加工粗糙的刮削器、砍砸器和三棱形尖状器等原始工具。4～5万年前出现磨制技术，许多石器都已比较光滑，刃部也较锋利，并有单刃、双刃、凸刃、凹刃和圆刃之分。　　
中国在28000年前出现弓箭，这是机械方面最早的一项发明；公元前8000～前2800年期间出现了陶轮(制陶用转台)；农具大约出现在公元前6000～前5000年，除石斧石刀外，还有石锄、石铲、石镰、蚌镰、骨镰和骨耜。石斧和石刀上已有用硬质砂子磨削而成的孔。　　
夏代以前和夏代，先后出现了无辐条的辁和各种有辐条的车轮；殷商和西周时已有相当精致的两轮车；独木舟和筏等水上运输工具早就相继出现。　　
新石器时代晚期，人们已能用石范和泥范铸造简陋的工具和武器。商殷时期，随着手工业生产的发展和技术水平的提高，形成了灿烂的青铜文化。青铜冶铸技术得到高度发展，青铜铸件司母戊方鼎重达　875千克　，春秋时期的青铜铸件曾侯乙尊盘已十分精细。　　
春秋至魏汉时期(公元前770～公元265年)是中国古代机械开始较快发展的时期。春秋时期铁器和生铁冶铸技术开始出现；黑心可锻铸铁、白心可锻铸铁和锻钢的出现，加速了由铜器向铁器时代的过渡；春秋中期以后发明了失蜡铸造法和低熔点合金铸焊技术；战国时期又有了叠铸和锚链铸造等工艺；西汉中期已炼出灰口铸铁，并出现了壁厚3～5毫米的薄壁铸铁件。铸铁热处理技术也有所发展。　　
春秋时期出现弩，控制射击的弩机已是比较灵巧的机械装置。到汉代，弩机的加工精度和表面光洁度已达到相当高的水平。汉弩有一石至十石等八种规格，这些规格的形成表明机械制造标准在汉代已初步确立。弩机上留下了作工、锻工、磨工等的名字。　　
战国时期流传的《考工记》是现存最早的手工艺专著，其中记有车轮的制造工艺。对弓的弹力、箭的射速和飞行的稳定性等都作了深入的探索。 汉代已有各类舰艇和大量的三四层舱室的楼船。有些舰船已装备了艉舵和高效率的推进工具橹。西汉时的被中香炉构造精巧，无论球体香炉如何滚动，其中心位置的半球形炉体都能经常保持水平状态。　　
陆上交通运输工具不断发展。1980年出土的秦始皇陵铜车马代表了当时铸造技术、金属加工和组装工艺的水平。东汉以后出现了记里鼓车和指南车。记里鼓车有一套减速齿轮系，通过鼓镯的音响分段报知里程。三国马钧所造的指南车除用齿轮传动外，还有自动离合装置 ，在技术上又胜记里鼓车一筹。自动离合装置的发明，说明传动机构齿轮系已发展到相当的程度。　　

东汉时已有不同形状和用途的齿轮和齿轮系。有大量棘轮，也有人字齿轮。特别是在天文仪器方面已有比较精密的齿轮系。张衡利用漏壶的等时性制成水运浑象，以漏水为动力通过齿轮系使浑象每天等速旋转一周。公元132年张衡创制了世界上第一台地震仪，即候风地动仪　　
汉代纺织技术和纺织机械也不断发展，绫机已成为相当复杂的纺织机械。到三国时期，马钧将50综(分组提放经线的综片)50蹑(踏具)和60综60蹑的绫机都改成50综12蹑和60综12蹑，提高了生产效率。马钧还创制了新式提水机具翻车，能连续提水，效率高又十分省力，　　
汉代的农具铁犁已有犁壁，能起翻土和碎土的作用，汉武帝时赵过既已创制三脚耧，一天能播种一顷地。在这一时期，大型铜铁铸件和大型机械结构陆续出现。五代时铸造的沧州铁狮子重约40吨， 宋代木结构水运仪象台高3丈5尺，宽2丈1尺。　　
唐末时期机械制造已有较高水平。如西安出土的唐代银盒，其内孔与外圆的不同心度很小，子母口配合严紧，刀痕细密，说明当时机械加工精度已达到新的水平。　　
在运输工具方面，人力和水力并用，在技术上有进一步发展。南朝齐祖冲之所造日行百里的所谓千里船和南朝粱侯景军中的160桨快艇，都是人力推进的快速舰艇，南北朝时期出现了车船。唐代的李皋对车船的改进起了承前启后的作用。　　
水力机械也有新的进展，唐代已有筒车，从人力提水发展为水力提水。南末末期又创造出先进的水转大纺车，三摧、五摧(锭)手摇纺车曾是当时世界上比较先进的人力纺纱机具。元代薛景石所著《梓人遗制》是木工名家总结亲身经验之作，并详细记述了当时通行的纺织机具和车辆，以古代著名的木制机械技术专著而留世。　　
这一时期天文和计时仪器发展迅速。北宋苏颂和韩公廉等制成的木构水运仪象台，能用多种形式表现天体时空的运行。它由水力驱动，其中有一套擒纵机构。水运仪象台代表了当时机械制造的高度水平，是当时世界上先进的天文钟。元代的滚柱轴承也属当时世界上先进的机械装置。　　
明初的造船业已有很大进展。郑和下西洋的船队是当时世界上最大的船队。郑和所乘宝船长约　137米　，张12帆，舵杆长　11米　多，是古代最大的远洋船舶。　　

当时的机械制造主要仍靠手工操作。大者如千钧锚，是靠人工先锻成四爪，然后依次逐节锻接。小者如制针用的冷拔钢丝，也用手工制成。　　
明代已有活塞风箱。它是宋元木风扇的进一步发展，风箱靠活塞推动和空气压力自动启闭活门，成为金属冶铸的有效的鼓风设备。　　
在明中叶或稍前，木帆船已能逆风行驶，并拥有全风向航行的能力。扬州立帆式风轮是将八扇纵帆等距装置在八角形木架上，围绕一个垂直轴旋转，并能自动调节帆面角度。这是中国古代独具特色的木船风帆的进一步发展。长期以来，中国沿海一带多利用它推动翻车，以提取海水晒制食盐。　　
机械技术的进步促进了学术研究。王徵于1627年编译和出版了《远西奇器图说录最》，介绍了西方机械工程的概况。来自西方的自鸣钟表和水铳等也在一定范围内得到流传。　　
1634～1637年 ，明朝的宋应星编著和出版了《天工开物》，记录了许多先进的工艺技术和科学创见。它反映出当时的农业和手工业的生产技术水平。记载了不少有关机械制造和产品性能的情况。内容涉及泥型铸釜、失蜡法铸造以及铸钱等铸造技术，还记述了千钧锚和软硬绣花针的制造方法、提花机和其他纺织机械以及车船等各种交通工具的性能和规格等。《天工开物》被称为中国17世纪的工艺百科全书。　　
清乾隆年间宫廷造办处曾制造大更钟，它依靠悬锤的重力驱动，并增添了精确的报更机构，加工精致，富有中国民族特色。明清两朝中国钟表工匠创制了不少新奇的钟表。当时的广州、苏州、南京、扬州等，成为有名的制造钟表的城市。　　
附：　　
指南车　　

指南车是中国古代用来指示方向的一种机械装置。它与指南针利用地磁效应不同，它是利用齿轮传动系统，根据车轮的转动，由车上木人指示方向。据考证是在三国时期由马钧创造的。　　
被中香炉　　
被中香炉是中国古代盛香料熏被褥的球形小炉。它的球形外壳和位于中心的半球形炉体之间有两层或三层同心圆环。炉体在径向两端各有短轴，支承在内环的两个径向孔内，能自由转动。同样，内环支承在外环上，外环支承在球形外壳的内壁上。炉体、内环、外环和外壳内壁的支承轴线依次互相垂直。炉体由于重力作用，不论球如何滚转，炉口总是保持水平状态。　　
  被中香炉的最早记载为西汉司马相如的《美人赋》。1963年在西安沙坡村出土的唐代银质被中香炉，球体外径50毫米，制作精细、镂刻雅致。被中香炉不仅是一种艺术珍品，从机构学的观点看，也是一项重要创造。　　

《天工开物》　　
《天工开物》是世界上第一部关于农业和手工业生产的综合性著作，是中国历史上著名的科技著作，明代科学家宋应星（1587-1661），字长庚，江西奉新人）撰。它对中国古代的各项技术进行了系统地总结，构成了一个完整的科学技术体系。对农业方面的丰富经验进行了总结，全面反映了工艺技术的成就。书中记述的许多生产技术，一直沿用到近代。该书文字简洁，记述扼要，书中所记均为作者直接观察和研究所得。问世以后，有不少版本流传，先后被译成日、英、法。　　

王徵　　
年谱王徵(1571～1644)明代科学家。字良甫，又字葵心。咸阳泾阳人。天启、崇祯年间，任直隶广平府推官、南直隶扬州府推官及山东按察司佥事等职。从政后留心经世致用之学，后以经算教授乡里，致力于传授西方学术，为最早的陕籍天主教徒之一。译著《远西奇器图说》、《西儒耳目资》、《圣经直解》等，对传播西方科学、促进文化交流卓有贡献，被誉为“南徐(光启)北王”。另著有《易子解》等。 人物简介 王徵父亲是个擅长数学的私塾先生，舅父通晓兵法。　　

国古代水力纺纱机械。大约发明于南宋后期，元代盛行于中原地区，是当时世界上先进的纺纱机械。水转大纺车专供长纤维加拈，主要用于加工麻纱和蚕丝。麻纺车形制较大,估计全长约　9米　,高　2.7米　左右（丝纺车规格稍小）。它与人力纺车不同，装有儬（锭子）32枚，结构比较复杂和庞大，有转儬、加拈、水轮和传动装置等4个部分。 用两条皮绳传动使32枚纱锭运转。这种纺车用水力驱动，工效较高，《农书》称每车每天可加拈麻纱100斤(见图)。　　

南北朝时期的中国人，已发明了轮船。以船侧轮子的转动代替划桨，以轮激水前进。古称为"车船"、"车轮轲"。在　 　　　这里，轮成为以连续运动代替间歇运动的机械。　　
车船　　
车船，中国在世界造船史上的又一大贡献, 现在已是人们公认的现代轮船的始祖。　　
史载，祖冲之发明「千里船」，在建康 (南京) 新亭江试航，「日行百余里」。可惜，该记载未明确指出，祖冲之是否以轮代桨作为动力机械。至宋代，火药与轮船，已成为两项最重要的军事武器。宋将韩世忠在 1129 年镇江黄天荡战役中"用飞轮八楫，踏车蹈回江面"，有力打击金人完颜亮；在采石矶战役中，宋将虞允文的轮船战舰使金兵"相顾骇愕"等史事，都是明证。随轮船制造技术的提高，船中桨轮数量也从 2 轮发展到 4 轮、 8 轮、 20 轮，甚至 32 轮。 　　

司母戊大方鼎　　
司母戊大方鼎是中国商代晚期最重的青铜器，1939年在河南安阳出土。通高　133厘米　,长　166厘米　，重　875千克　。器形凝重，纹饰华美。体现了殷商时期中国青铜业的技术水平，具有重要历史价值。　　
  此鼎用陶范铸造，鼎体浑铸，鼎耳后铸。鼎的化学成分为：铜84.77%,锡11.64%,铅2.79%，其他0.8%。　　

秦始皇陵铜车马　　
1980年冬，在秦始皇陵西侧　20米　处　7.8米　深的地下出土了两乘大型铜车马。本图为二号铜车马，出土时破碎为1555块，经修复，完整如初。车通长　3.17米　，高　1.06米　，相当于真车马的一半。总重量为1241公斤，由大小3462个零部件组装而成。其中青铜制件1742个，黄金制件737个，白银制件983个。其形体之大，堪称“青铜之冠”。其设计制作也与现代工程结构有着惊人的相似，大大超出人们的想象。 

铜车为单辕双轮车，辕长　2.46米　，轮径为　0.59米　车舆分前后，平面呈凸字形，凸突部分是驭手所坐之处。教材图上可以见到跪坐着的铜御者。铜御者高　0.51米　，重　52公斤　。其神态恭敬中又有一丝得意，充分表现出一个高级奴仆的心理。车室的后面有门，左、右与正前辟有三个窗户。正前窗板为镂空的菱形花纹，窗板可以开启，便于主人与御手互通信息。两侧窗可以前后推拉，窗板亦是镂空菱形纹，从室内可以观察到车外的情况，但外面的人难以看清车内。蓬盖面积达　2.3平方米　，将御水也罩在下面。蓬用铜骨架、铜条支撑，上覆以绢帛。4匹马的高度为0.91棗　0.93米　，长度为1.1棗　1.15米　。4匹马的重量也不相同，分别为　177公斤　、　180.7公斤　、　183公斤　和　212.97公斤　。四马神态各异。中间的两匹马昂首正视前方，两侧的马略侧视，张大鼻如喘息状。图中能见到的，耸立于马头之上的物体是车撑，用于支撑车辕，这样在长途休息时可减轻马的压力。铜车马在制作上运用了铸造、焊接、镶嵌、粘接以及子母扣、纽环扣、锥度配合、销钉连接等各种工艺。钻孔的最小直径为　1毫米　，饰件多处用如发丝的铜丝，窗板的铜片仅厚至0.12棗　0.2厘米　，车辆头的内孔滚圆，就象车床加工的一般。铜车马的许多零件都与现代使用的相似，如车门、前窗用的活动铰页，其形状与今日门窗上使用的活页非常相似；系马肚子、马颈的套环采用了策扣连接，策扣与今日人们用的腰皮带上的策扣完全相同。 　　

秦陵出土的铜车马共有两乘。前乘为护卫武士所居，此图为后乘。据考证，这仅是秦始皇车队中的属车，属于后妃一类人的乘车。史书记载，秦始皇出游时这样的车乘有81驾，其盛况观此铜车马可想而知，而他本人乘坐的车马就当更为豪华气派了.　　
记里鼓车　　
记里鼓车又名记道车、大章车。它是利用车轮带动大小不同的一组齿轮，使车轮走满一里时，其中一个齿轮刚好转动一圈，该轮轴拨动车上木人打鼓或击钟，报告行程，第一个在史书中留下姓名的记里车机械专家，是三国时代的马钧。 　　
马钧，字德衡，三国时曹魏人，是当时闻名的机械大师。他不仅制造了指南车、记里鼓车，而且改进了绫机，提高织造速度；创制翻车(即龙骨水车) ；设计并制造了以水力驱动大型歌舞木偶乐队的机械等，可惜，他的生卒年并无详尽记载，只知道他当过小官吏，并因不擅辞令，一生并不得志。到宋代，卢道隆于1027年制成记里鼓车，以及吴德仁于1107年同时制成指南车和记里鼓车的详情，则被记载于《宋史·舆服志》中。　　

沧州铁狮子　　
沧州铁狮子位于沧州市政府驻地东南偏北　16.5公里　。坐落在东关村西　0.5公里　处。铁狮身高　5.78米　，长　5.34米　，宽　3.17米　，体重约50吨。背负巨盆相传是文殊菩萨莲坐，狮身向南，头向西南，两左脚在前，两右脚再后，呈前进状，姿态雄伟，昂首阔步，徐徐如生铁狮是我国大型的惊巧铸铁工艺。也是我国著名发源的古迹。距今已有一千多年的历史，它充分的显示出我国古代劳动人民的智慧和艺术才华。　解放后铁狮子受到了党和政府的重视与保护，国务院首先把它列为全国第一批重点文物保护单位，并且对它进行各种的修缮。1957年由主管部门予以补项补趾，并修池建亭，周围还设有铁栏，建亭后由于铁狮见不到阳光，氧化较快，于1972年将亭拆除。1984年11月铁狮子移位到其身后　两米　高的水泥台座上，气势更加雄伟。　　

中国古代帆船　　
帆是利用风力驱动船舶、车辆以及提水机具的设备。早在公元前2000年前，中国船舶已开始使用风帆。甲骨文中的噧（读如蓬，peng）可能是原始的帆字，它的形象是两根竹竿张一席帆。三国时期已逐步采用多帆，有双帆、三帆、四帆甚至七帆。各帆交错布置，增加受风面积以提高风帆效率，而帆多、风压中心低，又能使船舶获得较大的稳定性。宋朝还出现转轴桅,能起倒,可使帆船顺利通过桥洞。明朝以沙船为主的各种木帆船，大多能逆风行驶。由于帆、舵和披水板的巧妙配合，使船工有全风向航行的能力。披水板又称腰舵，安装在船的两舷,逆风行船时轮流将下风一侧的披水板放入水中,以减少船舶的偏航角度（见图）。中国华北、华中和华东地区多用布帆；华南地区也用席帆。采用纵帆是中国多数木帆船的特点。明清时期扬州地区的立帆式风轮是将八扇纵帆等距装置在八角形木架上，围绕一个垂直轴旋转，能自动调节帆面角度，中国沿海地区多用于提取海水制盐。清代又有同时利用风力和人力的挂帆独轮车。　　

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