机械工程

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机械工程(Mechanical Engineering)

　　机械工程是以有关的自然科学和技术科学为理论基础，结合在生产实践中积累的技术经验，研究和解决在开发设计、制造、安装、运用和维护各种机械中的理论和实际问题的一门应用学科。

　　1．动力机械的发展

　　纵观机械工程发展史，动力成为发展生产的重要因素。17世纪后期，各种机械不断改进和发展，煤和金属矿石的需要量逐年增加，依靠人力和畜力已不能进一步提高生产力水平。英国的纺织、磨粉等产业越来越多地在河边设场，利用水轮来驱动工作机械。但仍存在一些颇具规模的煤矿、锡矿、铜矿，依然沿用大量畜力在地下矿井中排水和提水。18世纪初出现了T．纽科门的大气式蒸汽机，用以驱动矿井排水泵。但这种蒸汽机的燃料消耗巨大，所以只应用于煤矿。1765年J．瓦特发明了有分开凝汽器的蒸汽机，降低了燃料消耗。1781年J．瓦特又创制出回转动力蒸汽机，扩大了蒸汽机的应用范围。蒸汽机的发明和完善带来了工业革命，矿业和工业生产、铁路和航运都实现了机械动力化。蒸汽机几乎成为19世纪唯一的动力源。但是蒸汽机及其锅炉、凝汽器、冷却水系统等体积庞大、笨重，应用很不方便。19世纪末，电力供应系统和电动机开始应用和发展。20世纪初，电动机在工业生产中慢慢取代了蒸汽机，成为驱动各种工作机械的基本动力。机械化与电气化相互促进又相互发展。

　　发电站初期应用蒸汽机为原动机。20世纪初期，高效率、高转速、大功率的汽轮机出现了，随之出现了适应各种水力资源的大、小功率水轮机，使电力供应系统得以快速发展。

　　19世纪后期发明的内燃机经过逐年改进，成为小巧、轻便、高效、操纵简单、便于起动的原动机。它先被用在没有电力供应的陆地工作机械上，逐渐又用于汽车、移动机械(如拖拉机、挖掘机械等)和轮船上，到20世纪中期开始用于铁路机车。在汽轮机和内燃机的排挤下，蒸汽机逐渐退出历史舞台。内燃机、燃气轮机、喷气发动机的发展还为日后飞机、航天器等奠定了坚实技术基础。

　　2．机械加工技术的发展

　　工业革命以前，机械大都是木结构的，由木工用手工制成。金属(主要是铜、铁)仅用以制造仪器、锁、钟表、泵和木结构机械上的小型零件。金属加工主要靠机匠的精工细作，以达到需要的精度。蒸汽机动力装置的推广，以及随之出现的矿山、冶金、轮船、机车等大型机械的发展，使需要成形加工和切削加工的金属零件越来越多，越来越大，要求的精度也越来越高。应用的金属材料从铜、铁发展到以钢为主。机械加工包括铸造、锻压、钣金工、焊接、热处理等技术及其装备，以及切削加工技术和机床、刀具、量具等，已得到迅速发展，保证了各产业发展生产所需的机械装备的供应。

　　社会经济的发展，对机械产品的需求猛增。生产批量的增大和精密加工技术的进展，促进了大量生产方法(零件互换性生产、专业分工和协作、流水加工线和流水装配线等)的形成。

　　简单的互换性零件和专业分工协作生产，在古代就已出现。在机械工程中，互换性最早体现在H．莫兹利于1797年利用其创制的螺纹车床所生产的螺栓和螺母。同时期，美国工程师E．惠特尼用互换性生产方法生产火枪，显示了互换性的可行性和优越性。这种生产方法在美国逐渐推广，形成了所谓“美国生产方法”。20世纪初期，H．福特在汽车制造上又创造了流水装配线。大量生产技术加上F．w．泰勒在19世纪末创立的科学管理方法，使汽车和其他大批量生产的机械产品的生产效率很快达到了过去无法想象的高度。

　　20世纪中、后期，机械加工的主要特点是：

　　1)不断提高机床的加工速度和精度，减少对手工技艺的依赖。

　　2)发展少无切削加工工艺。

　　3)提高成形加工、切削加工和装配的机械化和自动化程度，自动化从机械控制的自动化发展到电气控制的自动化和计算机程序控制的完全自动化，直至无人车间和无人工厂。

　　4)利用数字控制机床、加工中心、成组技术等，发展柔性加工系统，使中小批量、多品种生产的生产效率接近于大量生产的水平。

　　5)研究和改进难加工的新型金属和非金属材料的成形和切削加工技术。

　　3．机械工程基础理论的发展

　　18世纪以前，机械匠师全凭经验、直觉和手艺进行机械制作，与科学几乎不发生联系。到18～19世纪，在新兴的资本主义经济的促进下，掌握科学知识的人士开始注意生产，而直接进行生产的匠师则开始学习科学文化知识。他们之间的交流和互相启发取得很大的成果。在这个过程中，逐渐形成一整套围绕机械工程的基础理论。

　　动力机械最先与当时的先进科学相结合。蒸汽机的发明人T．萨弗里和J．瓦特应用了物理学家D．帕潘和J．布莱克的理论。在蒸汽机实践的基础上，物理学家S．卡诺、w．J．M．兰金和开尔文建立起一门新的科学——热力学。内燃机最重要的理论基础是法国的A．E．B．de罗沙在1862年创立的，1876年N．A．奥托应用罗沙的理论，彻底改进了他原来创造的粗陋笨重、噪声大、热效率低的内燃机而奠定了内燃机的地位。其他如汽轮机、燃气轮机、水轮机等都在理论指导下得到发展，而理论也在实践中得到改进和提高。

　　早在公元前，中国已在指南车上应用复杂的齿轮系统，在被中香炉里应用了能永保水平位置的十字转架等机件。古希腊已有圆柱齿轮、锥齿轮和蜗杆传动的记载。但是，关于齿轮传动瞬时速比与齿形的关系和齿形曲线的选择，直到17世纪之后方有理论阐述。手摇把和踏板机构是曲柄连杆机构的先驱，在各文明古国都有悠久历史，但是曲柄连杆机构的形式、运动和动力的确切分析和综合，则是近代机构学的成就。机构学作为一个专门学科迟至19世纪初才第一次列入高等工程学院(国立巴黎工艺技术学院)的课程。通过理论研究，人们方能精确地分析各种机构，包括复杂空间连杆机构的运动，并能按需要综合出新的机构。

　　机械工程的工作对象是动态的机械，它的工作情况会发生很大的变化。这种变化有时是随机的而不可预见；实际应用的材料也不完全均匀，可能存在各种缺陷；加工精度有一定的偏差，等等。与以静态结构为工作对象的土木工程相比，机械工程中各种问题更难以用理论精确解决。因此，早期的机械工程只运用简单的理论概念，结合实践经验进行工作。设计计算多依靠经验公式；为保证安全，都偏于保守。结果，制成的机械笨重而庞大，成本高，生产率低，能量消耗很大。

　　从18世纪起，设计计算从两个方面不断提高精确度：

　　1)在材料强度方面，从早期按静强度除以安全系数(考虑一切不精确性和分散性因素的经验系数)的粗糙计算，提高到考虑材料的疲劳(19世纪后半期)；从一律按材料的无限疲劳寿命进行设计，改为按照实际要求的寿命进行有限寿命设计(20世纪前半期)；从认为材料原则上不能有裂纹，发展到以断裂力学理论为依据，考虑裂纹材料的强度和寿命。

　　2)在机械结构的力学分析方面，从应用经验公式和简化的力学分析来确定各种受力和力矩，发展到应用复杂的力学分析和数学计算方法。进入20世纪，又出现各种实验应力分析方法。人们已能用实验方法测出模型和实物上各部位的应力，在发现应力过高或过低时，便可能作出必要的调整。20世纪后半叶，人们开始应用有限元法和电子计算机迅速可靠的数值计算，对复杂机械及其零件、构件进行力、力矩、应力、应变等的分析和计算。对于掌握有充分的实践或实验资料的机械或其元件，已经可以运用统计技术，按照要求的可靠度科学地进行机械设计，或者按机械的实际情况(实际质量、实际使用条件等)科学地判断其可靠度和寿命。但在许多机械工程工作中，仍还应用一些经验方法、经验公式和经验系数等，不过其中的科学成分在不断增加，经验成分则不断减少。

　　机械的种类繁多，可以按几个不同方面分为各种类别，如，按功能可分为动力机械、物料搬运机械、粉碎机械等；按服务的产业可分为农业机械、矿山机械、纺织机械等；按工作原理可分为热力机械、流体机械、仿生机械等。

　　另外，机械在其研究、开发、设计、制造、运用等过程中都要经过几个工作性质不同的阶段。按这些不同阶段，机械工程又可划分为互相衔接、互相配合的几个分支系统，如机械科研、机械设计、机械制造、机械运用和维修等。

　　这些按不同方面分成的多种分支学科系统互相交叉，互相重叠，从而使机械工程可能分化成上百个分支学科。例如，按功能分的动力机械，它与按工作原理分的热力机械、流体机械、透平机械、往复机械、蒸汽动力机械、核动力装置、内燃机、燃气轮机，以及与按行业分的中心电站设备、工业动力装置、铁路机车、船舶轮机工程、汽车工程等都有复杂的交叉和重叠关系。船用汽轮机是动力机械，也是热力机械、流体机械和透平机械，它属于船舶动力装置、蒸汽动力装置，可能也属于核动力装置，等等。

　　分析这种复杂关系，研究机械工程最合理的分支系统，有一定的知识意义，但没有太大的实用价值。

　　机械工程的服务领域广阔而多面，凡是使用机械、工具，以至能源和材料生产的部门，无不需要机械工程的服务。概括说来，现代机械工程有五大服务领域。

　　(1)研制和提供能量转换机械，包括将热能、化学能、原子能、电能、流体压力能和天然机械能转换为适合于应用的机械能的各种动力机械，以及将机械能转换为所需要的其他能量(电能、热能、流体压力能、势能等)的能量变换机械。

　　(2)研制和提供用以生产各种产品的机械，包括应用于第一产业的农、林、牧、渔业机械和矿山机械，以及应用于第二产业的各种重工业机械和轻工业机械。

　　(3)研制和提供从事各种服务的机械，包括交通运输机械、物料搬运机械、办公机械、医疗器械、通风、采暖和空调设备、除尘、净化、消声等环境保护设备等。

　　(4)研制和提供家庭和个人生活中应用的机械，如洗衣机、冰箱、钟表、照相机、运动器械等。

　　(5)研制和提供各种机械武器。

　　不论服务于哪一领域，机械工程的工作内容基本相同，按其工作性质可分为六个方面。

　　(1)建立和发展可以实际地和直接地应用于机械工程的工程理论基础。这方面主要有：研究力和运动的工程力学和流体力学；研究金属和非金属材料的性能及其应用的工程材料学；研究材料在外力作用下的应力、应变等的材料力学；研究热能的产生、传导和转换的燃烧学、传热学和热力学；研究摩擦、磨损和润滑的摩擦学；研究机械中各构件间的相对运动的机构学；研究各类有独立功能的机械元件的工作原理、结构、设计和计算的机械原理和机械零件学；研究金属和非金属的成形和切削加工的金属工艺学和非金属工艺学等。

　　(2)研究、设计和发展新的机械产品，不断改进现有机械产品和生产新一代机械产品，以适应当前和将来的需要。这方面包括：调研和预测社会对机械产品的新的要求；探索应用机械工程和其他工程技术中出现的新理论、新技术、新材料、新工艺，进行必要的新产品试验、试制、改进、评价、鉴定和定型；分析正在试用的和正式使用的机械存在的缺点、问题和失效情况，并寻求解决措施。

　　(3)机械产品的生产。包括：生产设施的规划和实现；生产计划的制订和生产调度；编制和贯彻制造工艺；设计和制造工具、模具；确定劳动定额和材料定额；组织加工、装配、试车和包装发运；对产品质量进行有效的控制。

　　(4)机械制造企业的经营和管理。机械一般是由许多各有独特的成型、加工过程的精密零件组装而成的复杂的制品，生产批量有单件和小批，也有中批、大批，直至大量生产，销售对象遍及全部产业和个人、家庭，而且销售量在社会经济状况的影响下可能出现很大的波动。因此，机械制造企业的管理和经营特别复杂和困难。企业的生产管理、规划和经营等的研究也多是启始于机械工业。生产工程、工业工程等在成为独立学科之前，都曾是机械工程的分支。

　　(5)机械产品的应用。这方面包括选择、订购、验收、安装、调整、操作、维护、修理和改造各产业所使用的机械和成套机械装备，以保证机械产品在长期使用中的可靠性和经济性。

　　(6)研究机械产品在制造过程中，尤其是在使用中所产生的环境污染和自然资源过度耗费方面的问题及其处理措施。这是现代机械工程的一项特别重要的任务，而且其重要性与日俱增。