机械工程发展史

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1、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

2、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。 183

3、0 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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、 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

13、 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

14、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

15、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

16、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