動(dòng)力機(jī)械及其未來發(fā)展趨勢

常豐田?金一鳴?王濤

摘 要：介紹了動(dòng)力機(jī)械的三大分類：風(fēng)力機(jī)械，水利機(jī)械和熱力機(jī)械，并主要針對熱動(dòng)力機(jī)械，介紹了常見的幾種熱力發(fā)動(dòng)機(jī)：蒸汽機(jī)，汽輪機(jī)，內(nèi)燃機(jī)等。對目前動(dòng)力機(jī)械的發(fā)展經(jīng)行了綜述，介紹了新型的太陽能發(fā)動(dòng)機(jī)，并對動(dòng)力機(jī)械未來發(fā)展趨勢經(jīng)行了預(yù)測。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力機(jī)械；發(fā)展趨勢；太陽能發(fā)動(dòng)機(jī)

1 動(dòng)力機(jī)械概念及其地位

與發(fā)電機(jī)不同，動(dòng)力機(jī)械是將將自然界中的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能而作功的機(jī)械裝置。而發(fā)電機(jī)是將其他形式的能源轉(zhuǎn)換成電能的機(jī)械設(shè)備，它由水輪機(jī)、汽輪機(jī)、柴油機(jī)或其他動(dòng)力機(jī)械驅(qū)動(dòng)。動(dòng)力機(jī)械深刻地影響著人類的發(fā)展。從17世紀(jì)后期，隨著機(jī)械的改進(jìn)，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(jì)初出現(xiàn)了T.紐科門的大氣式蒸汽機(jī)，用以驅(qū)動(dòng)礦井排水泵。1765年，J.瓦特發(fā)明了有分開凝汽器的蒸汽機(jī)，降低了燃料消耗率。1781年，瓦特又創(chuàng)制出提供回轉(zhuǎn)動(dòng)力的蒸汽機(jī)，擴(kuò)大了蒸汽機(jī)的應(yīng)用范圍。蒸汽機(jī)的發(fā)明和發(fā)展，促進(jìn)礦業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)、鐵路和搬運(yùn)機(jī)械動(dòng)力化。幾乎成為19世紀(jì)唯一的動(dòng)力源。但蒸汽機(jī)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(jì)末，電力供應(yīng)系統(tǒng)和電動(dòng)機(jī)開始發(fā)展和推廣。20世紀(jì)初，電動(dòng)機(jī)已在工業(yè)生產(chǎn)中取代了蒸汽機(jī)，成為驅(qū)動(dòng)各種工作機(jī)械的基本動(dòng)力。發(fā)電站初期應(yīng)用蒸汽機(jī)為原動(dòng)機(jī)；20世紀(jì)初，出現(xiàn)了高效率、高轉(zhuǎn)速、大功率的汽輪機(jī)，也出現(xiàn)了適應(yīng)各種水力資源的大、小功率的水輪機(jī)。19世紀(jì)后期發(fā)明的內(nèi)燃機(jī)經(jīng)過逐年改進(jìn)，成為輕而小、效率高、易于操縱并可隨時(shí)啟動(dòng)的原動(dòng)機(jī)。內(nèi)燃機(jī)最初用于驅(qū)動(dòng)沒有電力供應(yīng)的陸上工作機(jī)械，以后又用于汽車、移動(dòng)機(jī)械（如拖拉機(jī)、挖掘機(jī)械等）和輪船，20世紀(jì)中期開始用于鐵路機(jī)車。內(nèi)燃機(jī)和以后發(fā)明的燃?xì)廨啓C(jī)和噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，還是飛機(jī)、航天器等成功發(fā)展的基礎(chǔ)技術(shù)因素之一。

2 動(dòng)力機(jī)械的分類

動(dòng)力機(jī)械按將自然界中不同能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的方式，可以分為風(fēng)力機(jī)械、水力機(jī)械和熱力發(fā)動(dòng)機(jī)三大類。

2.1風(fēng)力機(jī)械

有風(fēng)帆、風(fēng)車（風(fēng)力機(jī)）、風(fēng)磨等。二十世紀(jì)出現(xiàn)了直接應(yīng)用風(fēng)力的發(fā)電裝置，但受到自然風(fēng)區(qū)分布的限制，因?yàn)橐话阏J(rèn)為風(fēng)速大于4米/秒才有利用價(jià)值。據(jù)估計(jì)，地球上蘊(yùn)有風(fēng)能約達(dá)10吉瓦，已經(jīng)利用的不及百分之一，故風(fēng)能大有開發(fā)的前景。

2.2水利機(jī)械

有水車、水磨、水輪機(jī)等。20世紀(jì)以來，利用水輪機(jī)發(fā)電的水電站日益增多，因?yàn)樗娬揪哂羞\(yùn)行費(fèi)用低、無污染、取用不竭等優(yōu)點(diǎn)。但是興建水庫、水壩，初始投資較大、建設(shè)時(shí)間較長，而且對生態(tài)平衡、地質(zhì)力態(tài)平衡也有影響。中國水能蘊(yùn)藏量約為680兆瓦，居世界之首，很有開發(fā)和利用的余地。

2.3熱力發(fā)動(dòng)機(jī)

熱力發(fā)動(dòng)機(jī)是目前最常見也是最常用的一類動(dòng)力機(jī)械。它的范圍很廣，包括蒸汽機(jī)、汽輪機(jī)、內(nèi)燃機(jī)（汽油機(jī)、柴油機(jī)、煤氣機(jī)等）、熱氣機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)等。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、采礦、兵工等部門，內(nèi)燃機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。船舶、機(jī)車、汽車、物料搬運(yùn)機(jī)械、土方機(jī)械、坦克、排灌機(jī)械、小型發(fā)電裝置等無不以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力。

蒸汽機(jī)是把蒸汽中的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的熱力裝置。由于工作效率過低，除在少數(shù)國家仍用于機(jī)車外，已基本被淘汰。汽輪機(jī)是廣泛用于大型發(fā)電機(jī)組和大型船舶的動(dòng)力裝置。熱氣機(jī)也稱斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，是以空氣、氫和氦等作為工質(zhì)、按回?zé)衢]式熱力循環(huán)，進(jìn)行周期性的壓縮和膨脹而作功的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)。熱氣機(jī)是外燃機(jī)，可以采用多種燃料，同時(shí)還具有噪聲低、振動(dòng)小和排污較少等優(yōu)點(diǎn)，主要缺點(diǎn)是散熱器大、密封困難和成本較高。

內(nèi)燃機(jī)是將液體或氣體燃料與空氣混合后，直接輸入汽缸內(nèi)部的高壓燃燒室燃燒爆發(fā)產(chǎn)生動(dòng)力。這也是將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的一種熱機(jī)。內(nèi)燃機(jī)具有體積小、質(zhì)量小、便于移動(dòng)、熱效率高、起動(dòng)性能好的特點(diǎn)。但是內(nèi)燃機(jī)一般使用石油燃料，同時(shí)排出的廢氣中含有害氣體的成分較高。內(nèi)燃機(jī)的利用范圍很是遍及。地面上各類運(yùn)輸車輛（汽車、拖沓機(jī)、內(nèi)燃機(jī)車等），礦山、建筑及工程等機(jī)械，就是因?yàn)閲业南揠娝栽缇土撕芏嗟胤接米詡潆娫窗l(fā)電，水上運(yùn)輸可作內(nèi)河及海上船舶的主機(jī)和輔機(jī)。在軍事方面，如坦克、裝甲車、步兵戰(zhàn)車、重兵器牽引車和各類水面艦艇等方面都大量利用內(nèi)燃機(jī)。

3 動(dòng)力機(jī)械未來發(fā)展趨勢

動(dòng)力機(jī)械未來的發(fā)展，或者是注重于更高效更精密的機(jī)械工藝，或者是致力于新能源的開發(fā)利用。傳統(tǒng)的動(dòng)力機(jī)械的噪聲，特別是熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的排放物又給人類造成了日益嚴(yán)重的公害。太陽能有其取之不盡用之不竭的特點(diǎn)，再加上它是一種清潔能源，越來越收到人們的重視。

從動(dòng)力機(jī)械制造技術(shù)來看，采用先進(jìn)工藝、提高機(jī)械化自動(dòng)化水平、大力擴(kuò)展計(jì)算機(jī)的應(yīng)用范圍，優(yōu)質(zhì)、高效地生產(chǎn)出輕量化、精密化的鑄造毛坯，是國內(nèi)外動(dòng)力機(jī)械工藝發(fā)展的總趨勢。新型的機(jī)械設(shè)計(jì)采用高強(qiáng)度、高韌性材質(zhì)以減小壁厚和斷面尺寸；殼形鑄造、復(fù)砂造型生產(chǎn)曲軸毛坯，減少毛坯的加工余量。熔化時(shí)，沖天爐繼續(xù)朝著大容量、連續(xù)化、高溫?zé)犸L(fēng)方向發(fā)展，同時(shí)，在精確配料、爐況檢測、故障診斷、自動(dòng)控制等方面進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)化。球鐵熔煉工藝將得到進(jìn)一步發(fā)展。變頻電爐同時(shí)用于熔化、保溫的雙爐體交替生產(chǎn)的范圍將得到發(fā)展。砂處理和清理方面，重點(diǎn)發(fā)展采用計(jì)算機(jī)控制砂處理系統(tǒng)乃至全過程，用計(jì)算機(jī)進(jìn)行預(yù)測、診斷、控制型砂性能。使用機(jī)械手或機(jī)器人對鑄件進(jìn)行拋丸、打磨和切割。

從新能源的使用來看，太陽能動(dòng)力機(jī)械將是未來發(fā)展的核心。太陽能盤式聚光器和斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)能夠很好地結(jié)合成為一種新型的具有廣闊應(yīng)用前景的動(dòng)力系統(tǒng)，其性能研究和開發(fā)利用受到世界許多國家的重視。理想的斯特林循環(huán)由兩個(gè)等溫和等容過程組成，其循環(huán)效率為卡諾效率，循環(huán)輸出功在相同的壓力范圍內(nèi)比內(nèi)燃機(jī)要大，其循環(huán)系統(tǒng)中工質(zhì)壓力變化平緩，循環(huán)壓力比通常小于2，而且沒有氣閥機(jī)構(gòu)，因而其運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)安靜。此外，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)能自行啟動(dòng)，其轉(zhuǎn)速是靠輸入能量的多少來調(diào)節(jié)的，熱效率變化不大，特別適合變工況下工作。太陽能集光器的目的是盡可能使斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端溫度接近其最大設(shè)計(jì)運(yùn)行溫度并為其供應(yīng)足夠的能量。目前，盤式斯特林太陽能動(dòng)力機(jī)械已經(jīng)成功運(yùn)用到了汽車等行業(yè)中。

4 總結(jié)

動(dòng)力機(jī)械包括將熱能、化學(xué)能、原子能、電能、流體壓力能和天然機(jī)械能轉(zhuǎn)換為適合于應(yīng)用的機(jī)械能，因此它在國民生產(chǎn)生活中的地位相當(dāng)重要。動(dòng)力機(jī)械及其配件制造是汽車、摩托車、船舶制造、工業(yè)機(jī)械以及農(nóng)機(jī)等行業(yè)的配套產(chǎn)品，其產(chǎn)品性能必須滿足下游行業(yè)的需要，同時(shí)這些行業(yè)的運(yùn)行狀況及景氣程度將直接影響動(dòng)力機(jī)械及配件產(chǎn)品的市場需求。隨著科技的發(fā)展，動(dòng)力機(jī)械將會向更綠色更高效的道路前進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介

常豐田（1991—），男，漢族，河南省洛陽市伊川縣，鄭州大學(xué)本科生，研究方向：機(jī)械工程及自動(dòng)化。

金一鳴（1993—）：年生，男，漢族，浙江省江山市，鄭州大學(xué)本科生，研究方向：機(jī)械工程及自動(dòng)化。

王濤出生（1992—），男，漢族，河南省駐馬店平輿縣，鄭州大學(xué)本科生，研究方向：機(jī)械工程及自動(dòng)化。