機械工程的發展與展望

李躍紅

摘要:機械是人類生產和生活的基本要素之一,是人類物質文明最重要的組成部分。機械的發明是人類區別其他動物的一項主要標志,機械技術在整個技術體系中占有基礎和核心地位。機械技術與人類社會的歷史一樣是源遠流長,它對人類社會生產和經濟的發展起著及其重要的作用,是推動人類社會進步的重要因素。

關鍵詞:機械工程;發展

1引言

石器時代人類制造和使用的各種石斧、石錘和木質、皮質的簡單工具是后來出現的機械的先驅。幾千年前,人類已創制了用于谷物脫殼和粉碎的臼和磨,用于提水的桔槔和轆轤,裝有輪子的車,航行于江河的船及槳、櫓、舵等。所用的動力由人力發展到畜力、風力和水力。所用材料由天然的石、木、土、皮革等發展到人造材料。最早的人造材料是陶瓷。制造陶瓷器皿的陶車,已是具有動力、傳動和工作3個部分的完整機械 。鼓風器對人類社會發展起了重要作用。強大的鼓風器使冶金爐獲得足夠高的爐溫,得從礦石中煉取金屬。西周時期,中國就已有了冶鑄用的鼓風器。15～16世紀以前,機械工程發展緩慢。17世紀以后,資本主義商品經濟在英、法等國迅速發展,許多人致力于改進各產業所需要的工作機械和研制新的動力機械——蒸汽機。18世紀后期,蒸汽機的應用從采礦業推廣到紡織、面粉和冶金等行業。制作機械的主要材料逐漸從木材改為金屬。機械制造工業開始形成,并逐漸成為重要產業。機械工程從分散性的、主要依賴匠師個人才智和手藝的技藝發展成為有理論指導的、系統的和獨立的工程技術。機械工程是促成18～19世紀的工業革命和資本主義機械大生產的主要技術因素。

2動力機械的發展

17世紀后期,隨著機械的改進,煤和金屬礦石需求量的增加,只依靠人力和畜力已不能適應生產提高的要求,于是在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。1765年,J.瓦特發明了有分開凝汽器的蒸汽機,降低了燃料消耗率。1781年,瓦特又創制出提供回轉動力的蒸汽機,擴大了蒸汽機的應用范圍。蒸汽機的發明和發展,促進礦業和工業生產、鐵路和搬運機械動力化。幾乎成為19世紀唯一的動力源。但蒸汽機及其鍋爐、凝汽器和冷卻水系統等體積龐大、笨重,應用不便。19世紀末,電力供應系統和電動機開始發展和推廣。20世紀初,電動機已在工業生產中取代了蒸汽機,成為驅動各種工作機械的基本動力。發電站初期應用蒸汽機為原動機;20世紀初,出現了高效率、高轉速、大功率的汽輪機,也出現了適應各種水力資源的大、小功率的水輪機。19世紀后期發明的內燃機經過逐年改進,成為輕而小、效率高、易于操縱并可隨時啟動的原動機。內燃機最初用于驅動沒有電力供應的陸上工作機械,以后又用于汽車、移動機械(如拖拉機、挖掘機械等)和輪船,20世紀中期開始用于鐵路機車。內燃機和以后發明的燃氣輪機和噴氣發動機,還是飛機、航天器等成功發展的基礎技術因素之一。

3機械加工技術的發展

工業革命以前,機械大都是由木工手工制成的木結構,金屬(主要是鋼和鐵)僅用以制造儀器、鐘表、鎖、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。隨著蒸汽機的廣泛使用以及隨之出現的礦山、冶金、輪船和機車等大型機械的發展,需要成形加工和切削加工的金屬零件越來越多,所用金屬材料由銅、鐵發展到以鋼為主。機械加工(包括鑄造、鍛壓、焊接、熱處理等技術及其設備以及切削加工技術和機床、刀具、量具等)迅速發展,從而保證了發展生產所需要的各種機械裝備供應。同時,隨著生產批量的增大和精密加工技術的發展,也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。

4機械工程的服務領域

機械工程的服務領域很廣,凡使用機械、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。現代機械工程有5大服務領域 :①研制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于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的能量變換機械。②研制和提供用以生產各種產品的機械,包括農、林、牧、漁業機械和礦山機械以及各種重工業機械和輕工業機械等。③研制和提供從事各種服務的機械,如物料搬運機械,交通運輸機械,醫療機械,辦公機械,通風、采暖和空調設備以及除塵、凈化、消聲等環境保護設備等。④研制和提供家庭和個人生活用的機械,如洗衣機、電冰箱、鐘表、照相機、運動器械和娛樂器械等。⑤研制和提供各種機械武器。

5機械工程的發展展望

機械工程以增加生產、提高勞動生產率、提高生產的經濟性為目標來研制和發展新的機械產品。在未來的時代,新產品的研制將以降低資源消耗,發展潔凈的再生能源,治理、減輕以至消除環境污染作為超經濟的目標任務。

機械可以完成人用雙手和雙目,以及雙足、雙耳直接完成和不能直接完成的工作,而且完成得更快、更好。現代機械工程創造出越來越精巧和越來越復雜的機械和機械裝置,使過去的許多幻想成為現實。

人類現在已能上游天空和宇宙,下潛大洋深層,遠窺百億光年,近察細胞和分子。新興的電子計算機硬、軟件科學使人類開始有了加強,并部分代替人腦的科技手段,這就是人工智能。這一新的發展已經顯示出巨大的影響,而在未來年代它還將不斷地創造出人們無法想象的奇跡。

人類智慧的增長并不減少雙手的作用,相反地卻要求手作更多、更精巧、更復雜的工作,從而更促進手的功能。手的實踐反過來又促進人腦的智慧。在人類的整個進化過程中,以及在每個人的成長過程中,腦與手是互相促進和平行進化的。

人工智能與機械工程之間的關系近似于腦與手之間的關系,其區別僅在于人工智能的硬件還需要利用機械制造出來。過去,各種機械離不開人的操作和控制,其反應速度和操作精度受到進化很慢的人腦和神經系統的限制,人工智能將會消除了這個限制。計算機科學與機械工程之間的互相促進,平行前進,將使機械工程在更高的層次上開始新的一輪大發展。

19世紀時,機械工程的知識總量還很有限,在歐洲的大學院校中它一般還與土木工程綜合為一個學科,被稱為民用工程,19世紀下半葉才逐漸成為一個獨立學科。進入20世紀,隨著機械工程技術的發展和知識總量的增長,機械工程開始分解,陸續出現了專業化的分支學科。這種分解的趨勢在20世紀中期,即在第二次世界大戰結束的前后期間達到了最高峰。

由于機械工程的知識總量已擴大到遠非個人所能全部掌握,一定的專業化是必不可少的。但是過度的專業化造成知識過分分割,視野狹窄,不能統觀和統籌稍大規模的工程的全貌和全局,并且縮小技術交流的范圍,阻礙新技術的出現和技術整體的進步,對外界條件變化的適應能力很差。封閉性專業的專家們掌握的知識過狹,考慮問題過專,在協同工作時配合協調困難,也不利于繼續自學提高。因此自20世紀中、后期開始,又出現了綜合的趨勢。人們更多地注意了基礎理論,拓寬專業領域,合并分化過細的專業。

綜合-專業分化-再綜合的反復循環,是知識發展的合理的和必經的過程。不同專業的專家們各具有精湛的專業知識,又具有足夠的綜合知識來認識、理解其他學科的問題和工程整體的面貌,才能形成互相協同工作的有力集體。

綜合與專業是多層次的。在機械工程內部有綜合與專業的矛盾;在全面的工程技術中也同樣有綜合和專業問題。在人類的全部知識中,包括社會科學、自然科學和工程技術,也有處于更高一層、更宏觀的綜合與專業問題。