機械工程的發(fā)展與展望

李躍紅

摘要:機械是人類生產(chǎn)和生活的基本要素之一,是人類物質(zhì)文明最重要的組成部分。機械的發(fā)明是人類區(qū)別其他動物的一項主要標志,機械技術(shù)在整個技術(shù)體系中占有基礎(chǔ)和核心地位。機械技術(shù)與人類社會的歷史一樣是源遠流長,它對人類社會生產(chǎn)和經(jīng)濟的發(fā)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(guān)鍵詞:機械工程;發(fā)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(zhì)、皮質(zhì)的簡單工具是后來出現(xiàn)的機械的先驅(qū)。幾千年前,人類已創(chuàng)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(fā)展到畜力、風力和水力。所用材料由天然的石、木、土、皮革等發(fā)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(fā)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(fā)展緩慢。17世紀以后,資本主義商品經(jīng)濟在英、法等國迅速發(fā)展,許多人致力于改進各產(chǎn)業(yè)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(yīng)用從采礦業(yè)推廣到紡織、面粉和冶金等行業(yè)。制作機械的主要材料逐漸從木材改為金屬。機械制造工業(yè)開始形成,并逐漸成為重要產(chǎn)業(yè)。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(fā)展成為有理論指導(dǎo)的、系統(tǒng)的和獨立的工程技術(shù)。機械工程是促成18～19世紀的工業(yè)革命和資本主義機械大生產(chǎn)的主要技術(shù)因素。

2動力機械的發(fā)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(yīng)生產(chǎn)提高的要求,于是在18世紀初出現(xiàn)了T.紐科門的大氣式蒸汽機,用以驅(qū)動礦井排水泵。1765年,J.瓦特發(fā)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(chuàng)制出提供回轉(zhuǎn)動力的蒸汽機,擴大了蒸汽機的應(yīng)用范圍。蒸汽機的發(fā)明和發(fā)展,促進礦業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)、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(tǒng)等體積龐大、笨重,應(yīng)用不便。19世紀末,電力供應(yīng)系統(tǒng)和電動機開始發(fā)展和推廣。20世紀初,電動機已在工業(yè)生產(chǎn)中取代了蒸汽機,成為驅(qū)動各種工作機械的基本動力。發(fā)電站初期應(yīng)用蒸汽機為原動機;20世紀初,出現(xiàn)了高效率、高轉(zhuǎn)速、大功率的汽輪機,也出現(xiàn)了適應(yīng)各種水力資源的大、小功率的水輪機。19世紀后期發(fā)明的內(nèi)燃機經(jīng)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(nèi)燃機最初用于驅(qū)動沒有電力供應(yīng)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(nèi)燃機和以后發(fā)明的燃氣輪機和噴氣發(fā)動機,還是飛機、航天器等成功發(fā)展的基礎(chǔ)技術(shù)因素之一。

3機械加工技術(shù)的發(fā)展

工業(yè)革命以前,機械大都是由木工手工制成的木結(jié)構(gòu),金屬(主要是鋼和鐵)僅用以制造儀器、鐘表、鎖、泵和木結(jié)構(gòu)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(xiàn)的礦山、冶金、輪船和機車等大型機械的發(fā)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(fā)展到以鋼為主。機械加工(包括鑄造、鍛壓、焊接、熱處理等技術(shù)及其設(shè)備以及切削加工技術(shù)和機床、刀具、量具等)迅速發(fā)展,從而保證了發(fā)展生產(chǎn)所需要的各種機械裝備供應(yīng)。同時,隨著生產(chǎn)批量的增大和精密加工技術(shù)的發(fā)展,也促進了大量生產(chǎn)方法(零件互換性生產(chǎn)、專業(yè)分工和協(xié)作、流水加工線和流水裝配線等)的形成。

4機械工程的服務(wù)領(lǐng)域

機械工程的服務(wù)領(lǐng)域很廣,凡使用機械、工具,以至能源和材料生產(chǎn)的部門,無不需要機械工程的服務(wù)。現(xiàn)代機械工程有5大服務(wù)領(lǐng)域 :①研制和提供能量轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為適合于應(yīng)用的機械能的各種動力機械,以及將機械能轉(zhuǎn)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(chǎn)各種產(chǎn)品的機械,包括農(nóng)、林、牧、漁業(yè)機械和礦山機械以及各種重工業(yè)機械和輕工業(yè)機械等。③研制和提供從事各種服務(wù)的機械,如物料搬運機械,交通運輸機械,醫(yī)療機械,辦公機械,通風、采暖和空調(diào)設(shè)備以及除塵、凈化、消聲等環(huán)境保護設(shè)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(fā)展展望

機械工程以增加生產(chǎn)、提高勞動生產(chǎn)率、提高生產(chǎn)的經(jīng)濟性為目標來研制和發(fā)展新的機械產(chǎn)品。在未來的時代,新產(chǎn)品的研制將以降低資源消耗,發(fā)展?jié)崈舻脑偕茉?治理、減輕以至消除環(huán)境污染作為超經(jīng)濟的目標任務(wù)。

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?，F(xiàn)代機械工程創(chuàng)造出越來越精巧和越來越復(fù)雜的機械和機械裝置,使過去的許多幻想成為現(xiàn)實。

人類現(xiàn)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(fā)展已經(jīng)顯示出巨大的影響,而在未來年代它還將不斷地創(chuàng)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(fù)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(guān)系近似于腦與手之間的關(guān)系,其區(qū)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(yīng)速度和操作精度受到進化很慢的人腦和神經(jīng)系統(tǒng)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(fā)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(shù)的發(fā)展和知識總量的增長,機械工程開始分解,陸續(xù)出現(xiàn)了專業(yè)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(zhàn)結(jié)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(yè)化是必不可少的。但是過度的專業(yè)化造成知識過分分割,視野狹窄,不能統(tǒng)觀和統(tǒng)籌稍大規(guī)模的工程的全貌和全局,并且縮小技術(shù)交流的范圍,阻礙新技術(shù)的出現(xiàn)和技術(shù)整體的進步,對外界條件變化的適應(yīng)能力很差。封閉性專業(yè)的專家們掌握的知識過狹,考慮問題過專,在協(xié)同工作時配合協(xié)調(diào)困難,也不利于繼續(xù)自學提高。因此自20世紀中、后期開始,又出現(xiàn)了綜合的趨勢。人們更多地注意了基礎(chǔ)理論,拓寬專業(yè)領(lǐng)域,合并分化過細的專業(yè)。

綜合-專業(yè)分化-再綜合的反復(fù)循環(huán),是知識發(fā)展的合理的和必經(jīng)的過程。不同專業(yè)的專家們各具有精湛的專業(yè)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(xié)同工作的有力集體。

綜合與專業(yè)是多層次的。在機械工程內(nèi)部有綜合與專業(yè)的矛盾;在全面的工程技術(shù)中也同樣有綜合和專業(yè)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(shù),也有處于更高一層、更宏觀的綜合與專業(yè)問題。