机械史话

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1、机械史话机械史话1、 古代机械史利用活塞和气缸制成的压力泵和吸水泵，在此时期也有发展。最早出现的是用来灭火的菲罗压力泵，后来又有了从井中提水的吸水泵和压力泵，以及罗马人用于灭火的双筒柱塞泵。热力机械这时主要是作为希腊学者和哲学家们的玩物而出现的。在公元一世纪，希罗的汽转球(又叫风神轮)就是一例。汽转球下部的蒸锅盛水，其上用支管连接着一只空心球。球上有两支方向相反的切向喷口。当锅下烧火、球内的水沸腾变成蒸汽喷出时，如产生的喷气反作用推力足够大，便会推动球体不断转动。汽转球作为第一个把蒸汽压力转化为机械动力的装置而闻名于世，它也许是最早应用喷气反作用原理的装置。公元 4001500 年时期属于中世

2、纪，1000 年以前为中世纪的前期，10001500 年为后期，以后的 250 年为临近工业革命时期。中世纪的前期延绵约 600 年，机械技术的发展因古希腊和罗马的古典文化处于消沉而陷于长期停顿。后期，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、阿拉伯和伊斯兰帝国的先进科学技术，机械技术开始恢复和发展。首先在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

3、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和天平式的钟。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，在 15 世纪的欧洲家庭中已得到较为普遍的应用。表是公元 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

4、摆长不同的两种精密时钟。这时期的怀表采用双金属条，解决了平衡轮的温度补偿问题。在流体机械方面，出现了下冲或上冲式水轮机(水磨)，以及风磨和风轮机。水平下冲式水轮机是由早期水磨改进而成的，到12、13 世纪已用作采矿、粉碎、冶炼等作业的动力。这种水轮机经过改进后，于 14 世纪又发展成为大型上冲式水轮机，用于提升矿石。这一时期西欧在水力利用方面有很大进展，水轮机作坊迅速增加。公元 15001750 年，机械技术发展极为迅速。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，在 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

5、轨。这一时期工具机也获得了不少成就，比如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等。水泵在此时期也有了发展，它主要用于解决当时矿井排水和城市供水问题，包括矿井排水泵、正向旋转泵(1588)和离心泵(1689)等。这时意大利发明了水压空气压缩机(俗称水风箱)，它可用作熔炼钢铁的鼓风机，以取代旧式的皮老虎。1759 年又出现了大型鼓风机。风力机械如风磨的应用也更广泛，数量增加，仅英国就已有数千台之多，用于磨粉、泵水和锯木。在动力机械方面，1698 年，英国的萨弗里制造的矿井蒸汽水泵，被称为“矿工之友” ，它开创了用蒸汽作功的先河。1705

6、年，英国的纽科门发明大气式蒸汽机，它虽然很不完善，但却是第一台工作比较可靠的蒸汽机，主要用于提水，功率可达六马力，这种蒸汽机在 1750 在前已在欧洲推广，后来又传到美国。这一时期，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、胡克等，他们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 和 1561 年建立了专利机构。十七世纪 60 年代还建立了科学学会，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 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

7、教会的禁锢展开自由讨论，交流学术观点和实验结果，因而极大的促进了科学技术以及机械工程的发展。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，发生了引起世界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：用生产能力大和产品质量高的大机器，取代了手工工具和简陋机械

8、；用蒸汽机和内燃机等无生命动力，取代了人和牲畜的肌肉动力；用大型的集中的工厂生产系统，取代了分散的手工业作坊。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性的发展。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

9、，欧洲纺织机械首先在英国出现。1764年，纺织工人哈格里夫斯设计了一台将八个纱锭竖排起来，由一个轮子带动的纺纱机。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八倍。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，克朗普顿在上述两种纺纱机的基础上制造出一台称为“绥尔”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 年卡特赖特又发明了简单的自动织布机。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

10、棉花种植业的扩大。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。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。纽科门蒸汽机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，瓦特在前人科学研究和实验的基础上，对蒸汽机作

11、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；1776 年，瓦特与博尔顿合作制造的两台蒸汽机开始运转；1781 年瓦特又取得双作用式蒸汽机的专利。到了 1804 年，英国的棉纺织业已普遍

12、采用蒸汽机作为生产动力。到了 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，法国罗沙提出四冲程循环的基本原理；1876 年，德国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，英国克拉克制成了二冲程循环的内燃机；1892 年，德国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

13、20 世纪后，内燃机的转速开始大幅度提高。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。1882 年，瑞典的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

14、冲击式和反作用式结合起来，改善了汽轮机的性能。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，瑞士人尤勒开始试验反作用水轮机；1827 年，法国工程师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 年豪特发明一种向心流动的水轮机；1849 年前后美国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。随着蒸汽机和内燃机的出现和使用，交通运输工具也得到了发展。第一辆蒸汽汽车是法国人居诺于 1769 年制成的，它有三个轮子，速度很慢；1803 年，英国特里维西

15、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。1807 年，美国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，英国斯蒂芬森试制成功的“火箭”号蒸汽机车，速度为 59 公里/小时。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，这大大提高了燃烧效果和机车速度。蒸汽机的出现促进了热力学理论的发展。1824 年，法国卡诺出版了对火的动力的看法 ，提出了卡诺定理。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

16、奠定了基础。1842 年，德国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；德国克劳修斯和英国汤姆森分别于 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 18751900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