機械工程

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機械工程(Mechanical Engineering)

　　機械工程是以有關的自然科學和技術科學為理論基礎，結合在生產實踐中積累的技術經驗，研究和解決在開發設計、製造、安裝、運用和維護各種機械中的理論和實際問題的一門應用學科。

　　1．動力機械的發展

　　縱觀機械工程發展史，動力成為發展生產的重要因素。17世紀後期，各種機械不斷改進和發展，煤和金屬礦石的需要量逐年增加，依靠人力和畜力已不能進一步提高生產力水平。英國的紡織、磨粉等產業越來越多地在河邊設場，利用水輪來驅動工作機械。但仍存在一些頗具規模的煤礦、錫礦、銅礦，依然沿用大量畜力在地下礦井中排水和提水。18世紀初出現了T．紐科門的大氣式蒸汽機，用以驅動礦井排水泵。但這種蒸汽機的燃料消耗巨大，所以只應用於煤礦。1765年J．瓦特發明瞭有分開凝汽器的蒸汽機，降低了燃料消耗。1781年J．瓦特又創製出迴轉動力蒸汽機，擴大了蒸汽機的應用範圍。蒸汽機的發明和完善帶來了工業革命，礦業和工業生產、鐵路和航運都實現了機械動力化。蒸汽機幾乎成為19世紀唯一的動力源。但是蒸汽機及其鍋爐、凝汽器、冷卻水系統等體積龐大、笨重，應用很不方便。19世紀末，電力供應系統和電動機開始應用和發展。20世紀初，電動機在工業生產中慢慢取代了蒸汽機，成為驅動各種工作機械的基本動力。機械化與電氣化相互促進又相互發展。

　　發電站初期應用蒸汽機為原動機。20世紀初期，高效率、高轉速、大功率的汽輪機出現了，隨之出現了適應各種水力資源的大、小功率水輪機，使電力供應系統得以快速發展。

　　19世紀後期發明的內燃機經過逐年改進，成為小巧、輕便、高效、操縱簡單、便於起動的原動機。它先被用在沒有電力供應的陸地工作機械上，逐漸又用於汽車、移動機械(如拖拉機、挖掘機械等)和輪船上，到20世紀中期開始用於鐵路機車。在汽輪機和內燃機的排擠下，蒸汽機逐漸退出歷史舞臺。內燃機、燃氣輪機、噴氣發動機的發展還為日後飛機、航天器等奠定了堅實技術基礎。

　　2．機械加工技術的發展

　　工業革命以前，機械大都是木結構的，由木工用手工製成。金屬(主要是銅、鐵)僅用以製造儀器、鎖、鐘錶、泵和木結構機械上的小型零件。金屬加工主要靠機匠的精工細作，以達到需要的精度。蒸汽機動力裝置的推廣，以及隨之出現的礦山、冶金、輪船、機車等大型機械的發展，使需要成形加工和切削加工的金屬零件越來越多，越來越大，要求的精度也越來越高。應用的金屬材料從銅、鐵發展到以鋼為主。機械加工包括鑄造、鍛壓、鈑金工、焊接、熱處理等技術及其裝備，以及切削加工技術和機床、刀具、量具等，已得到迅速發展，保證了各產業發展生產所需的機械裝備的供應。

　　社會經濟的發展，對機械產品的需求猛增。生產批量的增大和精密加工技術的進展，促進了大量生產方法(零件互換性生產、專業分工和協作、流水加工線和流水裝配線等)的形成。

　　簡單的互換性零件和專業分工協作生產，在古代就已出現。在機械工程中，互換性最早體現在H．莫茲利於1797年利用其創製的螺紋車床所生產的螺栓和螺母。同時期，美國工程師E．惠特尼用互換性生產方法生產火槍，顯示了互換性的可行性和優越性。這種生產方法在美國逐漸推廣，形成了所謂“美國生產方法”。20世紀初期，H．福特在汽車製造上又創造了流水裝配線。大量生產技術加上F．w．泰勒在19世紀末創立的科學管理方法，使汽車和其他大批量生產的機械產品的生產效率很快達到了過去無法想象的高度。

　　20世紀中、後期，機械加工的主要特點是：

　　1)不斷提高機床的加工速度和精度，減少對手工技藝的依賴。

　　2)發展少無切削加工工藝。

　　3)提高成形加工、切削加工和裝配的機械化和自動化程度，自動化從機械控制的自動化發展到電氣控制的自動化和電腦程式控制的完全自動化，直至無人車間和無人工廠。

　　4)利用數字控制機床、加工中心、成組技術等，發展柔性加工系統，使中小批量、多品種生產的生產效率接近於大量生產的水平。

　　5)研究和改進難加工的新型金屬和非金屬材料的成形和切削加工技術。

　　3．機械工程基礎理論的發展

　　18世紀以前，機械匠師全憑經驗、直覺和手藝進行機械製作，與科學幾乎不發生聯繫。到18～19世紀，在新興的資本主義經濟的促進下，掌握科學知識的人士開始註意生產，而直接進行生產的匠師則開始學習科學文化知識。他們之間的交流和互相啟發取得很大的成果。在這個過程中，逐漸形成一整套圍繞機械工程的基礎理論。

　　動力機械最先與當時的先進科學相結合。蒸汽機的發明人T．薩弗里和J．瓦特應用了物理學家D．帕潘和J．布萊克的理論。在蒸汽機實踐的基礎上，物理學家S．卡諾、w．J．M．蘭金和開爾文建立起一門新的科學——熱力學。內燃機最重要的理論基礎是法國的A．E．B．de羅沙在1862年創立的，1876年N．A．奧托應用羅沙的理論，徹底改進了他原來創造的粗陋笨重、雜訊大、熱效率低的內燃機而奠定了內燃機的地位。其他如汽輪機、燃氣輪機、水輪機等都在理論指導下得到發展，而理論也在實踐中得到改進和提高。

　　早在公元前，中國已在指南車上應用複雜的齒輪系統，在被中香爐里應用了能永保水平位置的十字轉架等機件。古希臘已有圓柱齒輪、錐齒輪和蝸桿傳動的記載。但是，關於齒輪傳動瞬時速比與齒形的關係和齒形曲線的選擇，直到17世紀之後方有理論闡述。手搖把和踏板機構是曲柄連桿機構的先驅，在各文明古國都有悠久歷史，但是曲柄連桿機構的形式、運動和動力的確切分析和綜合，則是近代機構學的成就。機構學作為一個專門學科遲至19世紀初才第一次列入高等工程學院(國立巴黎工藝技術學院)的課程。通過理論研究，人們方能精確地分析各種機構，包括複雜空間連桿機構的運動，並能按需要綜合出新的機構。

　　機械工程的工作對象是動態的機械，它的工作情況會發生很大的變化。這種變化有時是隨機的而不可預見；實際應用的材料也不完全均勻，可能存在各種缺陷；加工精度有一定的偏差，等等。與以靜態結構為工作對象的土木工程相比，機械工程中各種問題更難以用理論精確解決。因此，早期的機械工程只運用簡單的理論概念，結合實踐經驗進行工作。設計計算多依靠經驗公式；為保證安全，都偏於保守。結果，製成的機械笨重而龐大，成本高，生產率低，能量消耗很大。

　　從18世紀起，設計計算從兩個方面不斷提高精確度：

　　1)在材料強度方面，從早期按靜強度除以安全繫數(考慮一切不精確性和分散性因素的經驗繫數)的粗糙計算，提高到考慮材料的疲勞(19世紀後半期)；從一律按材料的無限疲勞壽命進行設計，改為按照實際要求的壽命進行有限壽命設計(20世紀前半期)；從認為材料原則上不能有裂紋，發展到以斷裂力學理論為依據，考慮裂紋材料的強度和壽命。

　　2)在機械結構的力學分析方面，從應用經驗公式和簡化的力學分析來確定各種受力和力矩，發展到應用複雜的力學分析和數學計算方法。進入20世紀，又出現各種實驗應力分析方法。人們已能用實驗方法測出模型和實物上各部位的應力，在發現應力過高或過低時，便可能作出必要的調整。20世紀後半葉，人們開始應用有限元法和電子電腦迅速可靠的數值計算，對複雜機械及其零件、構件進行力、力矩、應力、應變等的分析和計算。對於掌握有充分的實踐或實驗資料的機械或其元件，已經可以運用統計技術，按照要求的可靠度科學地進行機械設計，或者按機械的實際情況(實際質量、實際使用條件等)科學地判斷其可靠度和壽命。但在許多機械工程工作中，仍還應用一些經驗方法、經驗公式和經驗繫數等，不過其中的科學成分在不斷增加，經驗成分則不斷減少。

　　機械的種類繁多，可以按幾個不同方面分為各種類別，如，按功能可分為動力機械、物料搬運機械、粉碎機械等；按服務的產業可分為農業機械、礦山機械、紡織機械等；按工作原理可分為熱力機械、流體機械、仿生機械等。

　　另外，機械在其研究、開發、設計、製造、運用等過程中都要經過幾個工作性質不同的階段。按這些不同階段，機械工程又可劃分為互相銜接、互相配合的幾個分支系統，如機械科研、機械設計、機械製造、機械運用和維修等。

　　這些按不同方面分成的多種分支學科系統互相交叉，互相重疊，從而使機械工程可能分化成上百個分支學科。例如，按功能分的動力機械，它與按工作原理分的熱力機械、流體機械、透平機械、往複機械、蒸汽動力機械、核動力裝置、內燃機、燃氣輪機，以及與按行業分的中心電站設備、工業動力裝置、鐵路機車、船舶輪機工程、汽車工程等都有複雜的交叉和重疊關係。船用汽輪機是動力機械，也是熱力機械、流體機械和透平機械，它屬於船舶動力裝置、蒸汽動力裝置，可能也屬於核動力裝置，等等。

　　分析這種複雜關係，研究機械工程最合理的分支系統，有一定的知識意義，但沒有太大的實用價值。

　　機械工程的服務領域廣闊而多面，凡是使用機械、工具，以至能源和材料生產的部門，無不需要機械工程的服務。概括說來，現代機械工程有五大服務領域。

　　(1)研製和提供能量轉換機械，包括將熱能、化學能、原子能、電能、流體壓力能和天然機械能轉換為適合於應用的機械能的各種動力機械，以及將機械能轉換為所需要的其他能量(電能、熱能、流體壓力能、勢能等)的能量變換機械。

　　(2)研製和提供用以生產各種產品的機械，包括應用於第一產業的農、林、牧、漁業機械和礦山機械，以及應用於第二產業的各種重工業機械和輕工業機械。

　　(3)研製和提供從事各種服務的機械，包括交通運輸機械、物料搬運機械、辦公機械、醫療器械、通風、採暖和空調設備、除塵、凈化、消聲等環境保護設備等。

　　(4)研製和提供家庭和個人生活中應用的機械，如洗衣機、冰箱、鐘錶、照相機、運動器械等。

　　(5)研製和提供各種機械武器。

　　不論服務於哪一領域，機械工程的工作內容基本相同，按其工作性質可分為六個方面。

　　(1)建立和發展可以實際地和直接地應用於機械工程的工程理論基礎。這方面主要有：研究力和運動的工程力學和流體力學；研究金屬和非金屬材料的性能及其應用的工程材料學；研究材料在外力作用下的應力、應變等的材料力學；研究熱能的產生、傳導和轉換的燃燒學、傳熱學和熱力學；研究摩擦、磨損和潤滑的摩擦學；研究機械中各構件間的相對運動的機構學；研究各類有獨立功能的機械元件的工作原理、結構、設計和計算的機械原理和機械零件學；研究金屬和非金屬的成形和切削加工的金屬工藝學和非金屬工藝學等。

　　(2)研究、設計和發展新的機械產品，不斷改進現有機械產品和生產新一代機械產品，以適應當前和將來的需要。這方麵包括：調研和預測社會對機械產品的新的要求；探索應用機械工程和其他工程技術中出現的新理論、新技術、新材料、新工藝，進行必要的新產品試驗、試製、改進、評價、鑒定和定型；分析正在試用的和正式使用的機械存在的缺點、問題和失效情況，並尋求解決措施。

　　(3)機械產品的生產。包括：生產設施的規劃和實現；生產計劃的制訂和生產調度；編製和貫徹製造工藝；設計和製造工具、模具；確定勞動定額和材料定額；組織加工、裝配、試車和包裝發運；對產品質量進行有效的控制。

　　(4)機械製造企業的經營和管理。機械一般是由許多各有獨特的成型、加工過程的精密零件組裝而成的複雜的製品，生產批量有單件和小批，也有中批、大批，直至大量生產，銷售對象遍及全部產業和個人、家庭，而且銷售量在社會經濟狀況的影響下可能出現很大的波動。因此，機械製造企業的管理和經營特別複雜和困難。企業的生產管理、規劃和經營等的研究也多是啟始於機械工業。生產工程、工業工程等在成為獨立學科之前，都曾是機械工程的分支。

　　(5)機械產品的應用。這方麵包括選擇、訂購、驗收、安裝、調整、操作、維護、修理和改造各產業所使用的機械和成套機械裝備，以保證機械產品在長期使用中的可靠性和經濟性。

　　(6)研究機械產品在製造過程中，尤其是在使用中所產生的環境污染和自然資源過度耗費方面的問題及其處理措施。這是現代機械工程的一項特別重要的任務，而且其重要性與日俱增。