[拼音]：jindai jixie gongchengshi

[外文]：modern history of mechanical engineering

在1750～1900年這一近代歷史時期內，機械工程在世界范圍內出現了飛速的發展，并獲得了廣泛的應用。1847年，在英國伯明翰成立了機械工程師學會，機械工程作為工程技術的一個分支得到了正式的承認。后來在世界其他國家也陸續成立了機械工程的行業組織。

在這一歷史時期內，世界上發生了引起社會生產巨大變革的工業革命。工業革命首先在英國掀起，后來逐步波及其他各國，前后延續了一個多世紀。工業革命是從出現機器和使用機器開始的。在工業革命中最主要的變革是：

（1）用生產能力大和產品質量高的大機器取代手工工具和簡陋機械；

（2）用蒸汽機和內燃機等無生命動力取代人和牲畜的肌肉動力；

（3）用大型的集中的工廠生產系統取代分散的手工業作坊。在這期間，動力機械、生產機械和機械工程理論都獲得了飛躍發展。

機械工程的發展在工業革命的進程中起著重要的主干作用。如18世紀中葉以后，英國紡織機械的出現和使用，使紡紗和織布的生產技術迅速提高；蒸汽機的出現和推廣使用，不僅促進了當時煤產量的迅速增長，并且使煉鐵爐鼓風機有了機器動力而使鐵產量成倍增長，煤和鐵的生產發展又推動各行各業的發展；蒸汽機用于交通運輸，出現了蒸汽機車、鐵道、蒸汽輪船等，又促進了煤、鐵工業和其他工業的發展；汽輪機、內燃機和各種機床相繼出現。

紡織機械

18世紀中葉歐洲紡織機械首先在英國出現。1761年，皇家學會頒賞獎勵紡紗技術的發明。3年后，紡織工人J.哈格里夫斯設計一臺將 8個紗錠豎排起來由一個輪子帶動的紡紗機，并于1764年試制成功。他用幾根棒條或夾子代替人的手指來牽引和握持紗線，使紡紗的生產速度提高8倍。這臺機器仍是用人力轉動的，并以他妻子的名字命名為珍妮紡紗機。1771年出現了水力紡紗機。1779年，S.克朗普頓在上述兩種紡紗機的基礎上制造出一臺稱為“繆爾”(Mule)的紡紗機，用它紡出比手工紡的更結實更精細的紗線，而且速度更快。1785年，E.卡特賴特發明簡單的自動織布機。隨著紡紗和織布的生產速度的提高，需要更多的原料，于是，1793年美國E.惠特尼發明了軋棉機。軋棉機的發明既促進了英國紡紗工業的繼續發展，又推動了美國棉花種植業的擴大。

動力機械

動力機械包括蒸汽機、內燃機、汽輪機和水輪機等。動力機械技術的突破，促進了各技術領域的突飛猛進。

蒸汽機

早在17世紀就有人作過利用蒸汽提高水位的嘗試，例如英國的T.薩弗里曾于1698年制成一臺能從礦井中抽水的蒸汽水泵，被稱為“礦工之友”。

第一臺有實用意義的蒸汽動力裝置是英國的T.紐科門于1705年制成的大氣式蒸汽機，又稱紐科門蒸汽機，曾在英國的煤礦和金屬礦中使用。圖1為1712年制成的紐科門蒸汽機，它的蒸汽汽缸和抽水缸是分開的。蒸汽通入汽缸后在內部噴水使它冷凝，造成汽缸內部真空，汽缸外的大氣壓力推動活塞作功，再通過杠桿、鏈條等機構帶動水泵活塞。

18世紀中葉，J.瓦特在前人科學研究和實驗的基礎上，對蒸汽機作了重大的改進，創造出更好更實用的蒸汽機，對在英國發生的工業革命起了關鍵性的和主導的作用。瓦特于1764年開始對蒸汽機的研究和改進。他發現紐科門蒸汽機的汽缸冷卻消耗很多蒸汽，在J.布萊克教授的潛熱和比熱理論的啟發下他找出蒸汽機效率低下的原因。于是，他把蒸汽的冷凝過程安排在與汽缸分開的冷凝器中進行。1765年他制做了一臺試驗性的有分離凝汽器的小型蒸汽機，肯定了分離凝汽器的優越性，并于1769年取得了標名為“在火力機中減少蒸汽和燃料消耗的新方法”的專利。1781年瓦特又取得雙作用式蒸汽機的專利。1776年瓦特與M.博爾頓合作制造的兩臺蒸汽機開始運轉（圖2）。到1804年，英國的棉紡織業已普遍采用蒸汽機作為生產動力。

內燃機

19世紀中期，內燃機問世。第一臺在工廠中實際使用的內燃機是1860年法國┵.勒努瓦制造的無壓縮過程的煤氣機，其基本結構與當時的蒸汽機相差不多。1862年，法國A.E.B.de羅沙提出四沖程循環的基本原理。1876年，德國N.A.奧托制成四沖程往復活塞式單缸臥式煤氣機，比勒努瓦的煤氣機效率更高，功率更大。1878年，英國D.克拉克制成二沖程循環的內燃機。1892年，德國R.狄塞爾提出壓燃式內燃機原理，為提高內燃機熱效率作出了重要貢獻。1897年他制成第一臺壓縮點火式內燃機（柴油機），使用液體燃料，按四沖程原理工作，熱效率高于當時其他任何內燃機。早期的壓燃式內燃機的轉速比較低，進入20世紀后內燃機的轉速大幅度提高。

汽輪機

隨著發電機和電動機的發明，世界開始進入電氣時代。中心發電站迅速興起，大功率的高速汽輪機應運而生。1882年，瑞典的C.G.P.de拉瓦爾制成第一臺單級沖動式汽輪機。第一臺有實用意義的汽輪機是英國C.A.帕森斯在1884年制成的多級反動式汽輪機，它利用反作用的原理使渦輪旋轉，但功率僅為7.5千瓦。不久，他又制造出每臺為1000千瓦的發電用的汽輪機。1896年，法國A.拉托把幾個單級沖動式汽輪機串聯在一起，形成多級沖動式汽輪機。同年，美國C.G.柯蒂斯也獲得一次汽輪機的發明專利，他把蒸汽的動能分兩部分供給兩排動葉片，因而轉速比拉瓦爾的單級沖擊式汽輪機低。汽輪機的進一步發展是把沖擊式和反作用式結合起來，改善了汽輪機的性能。

水輪機

水輪機雖是一種古老的水力機械，但發展成為高效率、大功率的能適合機器大工業生產需要的機器，則是近代的事。18世紀50年代，瑞士人L.尤勒開始試驗反作用水輪機。1827年，法國工程師B.富爾內隆成功地試驗了能發出 6馬力功率的反作用水輪機。1832年已能制造50馬力的水輪機。1838年S.B.豪特發明一種向心流動的水輪機。1849年前后美國J.B.弗朗西斯設計了混流式水輪機，對水輪機作出了很大的改進。

交通運輸工具

隨著蒸汽機和內燃機的出現和使用，在近代這一歷史時期內，交通運輸工具也得到了發展。第一輛蒸汽汽車是法國人N.J.居諾于1769年制成的。它只有三個輪子，速度很慢。1803年，英國R.特里維西克制成高壓蒸汽汽車并駕駛它行進在倫敦的街道上。19世紀下半葉，汽油機汽車出現。至19世紀末，世界上已有成百家作坊式的汽車工廠（見汽車）。圖3為1833年倫敦的蒸汽汽車。

1807年，美國R.富爾頓第一次成功地把蒸汽機裝在船上，創造出蒸汽輪船。1811年英國也制成蒸汽輪船。

1829年英國斯蒂芬森，G.試制成功的“火箭”號蒸汽機車，速度為58公里／小時（圖4）。斯蒂芬森的重要發明是使廢汽從煙囪排出以便在鍋爐的燃燒室內形成負壓的抽風方法，大大提高了燃燒效果和機車速度。

熱力學理論

蒸汽機的出現促進了熱力學理論的發展。1824年，法國S.卡諾出版了《對火的動力的看法》的著作，提出了卡諾定理(見卡諾循環)。他指出熱量只是在不同的溫度之間轉移時才能作功，為以后建立的熱力學第二定律奠定了基礎。1842年，德國J.R.von邁爾提出熱功當量的概念，推算出熱功當量的數值。1840年英國J.P.焦耳通過實驗測定熱功當量的數值，由此歸納出熱力學第一定律。德國R.克勞修斯和英國W.湯姆森(即開爾文)分別于1850和1851年先后提出熱力學第二定律，與熱力學第一定律共同構成了熱力學理論的基本體系。熱力學理論的建立和發展，為蒸汽機等動力機械的改進和其他新型動力機械的研制和設計提供了理論基礎。

機械原理

1806年，在法國巴黎首先建立了機構學的分支學科。1834年，法國物理學家A.M.安培把這一學科分支命名為機構運動學。按照他的意見，這一分支是研究機構中發生的運動而不考慮產生這些運動的力。機構運動學誕生后，1841年英國R.威利斯提供了各種機構的概要圖表，對相對運動的分析作出了貢獻；德國F.勒洛在1875～1900年期間發表《理論運動學》著作，對機構提出新的看法。他把各種機械構件看作是由兩個互相作用的表面接連起來的、具有一定相對運動的對偶，即機構變換原理，為機構運動學的發展作出了有價值的貢獻。1885年，英國R.H.史密斯用圖解法獲得了聯動機構的速度和加速度的分析結果，他的研究成果有很大的實際意義（見機械動力學）。

機械制造

機械制造的革新和機床工業的形成，是工業革命后期的非常重要的一個方面。英國大約用了半個世紀的時間完成了機械制造方面的革命，到1861年所有的機械和機器基本上都可以用機器來制造了。在歐洲，加工技術的改進從17世紀就已經開始。18世紀時，車床逐漸由木結構改為金屬結構。1750年，法國A.蒂奧在車床上安裝了一個刀架，用絲杠驅動作縱向移動，比過去手握車刀前進了一大步。1774年J.威爾金森制造了一臺新的炮筒鏜床，可以加工直徑達1.83米的內圓。1775年他曾為瓦特成功地制造出蒸汽機汽缸。1770年英國J.拉姆斯登首先用車床制造螺絲。1784年J.布拉默制成一把具有比較復雜的機構的鎖，他還和H.莫茲利共同改進和制造了幾種機床。莫茲利在機械制造方面的主要貢獻是于1797年在車床上安裝了絲桿、光桿和滑動刀架，能加工精密平面和精密螺絲，使機械制造技術的精度水平大為提高。1836年J.內史密斯制成刨床。這臺刨床已經具備了現代牛頭刨床的基本結構。1842年他還設計制造了單作用和雙作用的蒸汽錘，擴大了鍛件的尺寸。1830～1850年間，J.B.惠特沃思利用螺紋微調原理制造的測量裝置，使機械產品質量進一步提高，為后來的互換性生產創造了條件。19世紀機械制造方面的重大技術進步是發展了零件的互換性，提高了生產的經濟性。1845年美國制造出轉塔車床，用 8個刀具裝在可旋轉塔形支架上，由一人操作輪流完成8種加工工序，1861年又實現了轉塔的自動轉動。美國為進一步節省勞力，又研制出自動螺絲車床。19世紀下半葉，新的工具材料和新的動力來源也促進了機床的繼續發展。1850年的碳素鋼刀具只能在約12米／分(40英尺／分)以下的切削速度下工作。1868年R.穆舍特發明含有鎢和釩的錳鋼(合金工具鋼)使切削速度提高到18.3米／分(60英尺／分)。1898年F.W.泰勒等人用含鉻的高速鋼把切削速度提高到36.6米／分(120英尺／分)。切削速度的提高反過來又促進了機床各部分強度、軸承、變速機構的改進。另一方面，19世紀中葉以后，縫紉機工業在美國迅速發展，對磨削加工提出更高的要求。碳化硅和氧化鋁新磨料的應用遂引起磨床的改革。

在19世紀的大部分年代里，機床的動力來源主要是蒸汽動力，車間頂棚布滿縱橫交錯的軸和傳動皮帶。1873年，電動機成為機床的動力，開始了電力取代蒸汽動力的時代。最初，電動機安裝在機床以外的一定距離處，通過皮帶傳動。后來把電動機直接安置在機床本身內部。19世紀末，已有少數機床使用兩臺或多臺電動機，分別驅動主軸和進給機構等。至此，被稱為“機械工業的心臟”的機床工業已初具規模。進入20世紀后，迅速發展的汽車工業和后來的飛機工業，又促進了機械制造技術向高精度、大型化、專用化和自動化的方向繼續發展。

參考書目

1. T.K.Derry，T.I.Williams，A Short History of Technology from the Earliest Time to A.D.1900，Oxford Univ.Pr.，Oxford， 1961.
2. C.Singer　and others， A History　of Technology， Vol.4～5，Oxford　Pr.，Oxford，1958.

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標簽：近代機械工程史

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