浅析机械工程的发展

黄嘉宇

早在公元前，中国已在指南车上应用复杂的齿轮系统，在被中香炉中应用了能永保水平位置的十字转架等机件。古希腊已有圆柱齿轮、圆锥齿轮和蜗杆传动的记载。但是，关于齿轮传动瞬时速比与齿形的关系和齿形曲线的选择，直到17世纪之后方有理论阐述。手摇把和踏板机构是曲柄连杆机构的先驱，在各文明古国都有悠久历史，但是曲柄连杆机构的形式、运动和动力的确切分析和综合，则是近代机构学的成就。机构学作为一个专门学科迟至19世纪初才第一次列入高等工程学院（巴黎的工艺学院）的课程。通过理论研究，人们方能精确地分析各种机构，包括复杂的空间连杆机构的运动，并进而能按需要综合出新的机构。 机械工程的工作对象是动态的机械。它的工作情况会发生很大的变化。这种变化有时是随机的而不可预见；实际应用的材料也不完全均匀，可能存有各种缺陷；加工精度有一定的偏差，等等。与以静态结构为工作对象的土木工程相比，机械工程中各种问题更难以用理论精确解决。因此，早期的机械工程只运用简单的理论概念，结合实践经验进行工作。设计计算多依靠经验公式；为保证安全，都偏于保守。结果，制成的机械笨重而庞大，成本高，生产率低，能量消耗很大。

一、设计与计算

从18世纪起，设计计算从两个方面不断提高了精确度：①在材料强度方面，从早期按静强度除以安全系数的粗糙计算，提高到考虑材料的疲劳（19世纪后半期）；从认为材料原则上不能有裂纹，发展到以断裂力学理论为依据，考虑裂纹材料的强度和寿命。②在机械结构的力学分析方面，从应用经验公式和简化的力学分析来确定各种受力和力矩，发展到应用复杂的力学分析和数学计算方法。进入20世纪，又出现各种实验应力分析方法。人们已能用实验方法测出模型和实物上各部位的应力，在发现应力过高过低时，便可能作出必要的调整。20世纪后半叶，人们开始应用有限元法和电子计算机的迅速可靠的数值计算，对复杂的机械及其零件、构件进行力、力矩、應力、应变等的分析和计算。对于掌握有充分的实践或实验资料的机械或其元件，已经可以运用统计技术，按照要求的可靠度科学地进行机械设计，或者按机械的实际情况（实际的质量、实际的使用条件等）科学地判断其可靠度和寿命。。

编辑本段涉及范围

机械工程是现代社会进行生产和服务的五大要素（即人、资金、能量、材料和机械）之一，并且能量和材料的生产还必须有机械的参与。任何现代产业和工程领域都需要应用机械，例如农业、林业、矿山等需要农业机械、林业机械、矿山设备；冶金和化学工业需要冶金机械、化工机械；纺织和 纺织机械食品加工工业需要纺织机械、食品加工机械；房屋建筑和道路、桥梁、水利等工程需要工程机械；电力工业需要动力机械；交通运输业需要各种车辆、船舶、飞机等；各种商品的计量、包装、储存、装卸需要各种相应的工作机械。就是人们的日常生活，也越来越多地应用各种机械了，如破碎机、汽车、自行车、缝纫机、钟表、照相机、洗衣机、冰箱、空调机、吸尘器，等等。机械工程是以有关的自然科学和技术科学为理论基础，结合在生产实践中积累的技术经验，研究和解决在开发、设计、制造、安装、运用和修理各种机械中的全部理论和实际问题的一门应用学科。

各个工程领域的发展都要求机械工程有与之相适应的发展，都需要机械工程提供所必需的机械。某些机械的发明和完善，又导致新的工程技术和新的产业的出现和发展，例如大型动力机械的制造成功，促成了电力系统的建立；机车的发明导致了铁路工程和铁路事业的兴起；内燃机、燃气轮机、火箭发动机等的发明和进步以及飞机和航天器的研制成功导致了航空、航天工程和航空、航天事业的兴起。

二、学科分支

机械按功能可分为动力机械、粉碎机械、交通运输机械和物料搬运机械等；按服务的产业可分为农业机械、化工机械、矿山机械和纺织机械等；按工作原理可分为热力机械、透平机械、仿生机械和流体机械等。相同的工作原理，相同的功能或服务于同一产业的机械有相同的问题和特点，因此机械工程就有几种不同的分支学科体系。另外，全部机械在研究、开发、设计、制造、运用过程中，要经过若干工作性质不同的阶段，依此，机械工程又可划分为互相衔接、互相配合的几个分支系统，如机械科研、机械设计、机械制造、机械运用和维修等。这些分支学科系统互相交叉、互相重叠，使机械工程可能分化成上百个分支学科。例如按功能分的动力机械，与按工作原理分的热力机械、流体机械、透平机械、往复机械、蒸汽动力装置、核动力装置，内燃机、燃气轮机，以及按行业分的中心电站设备、工业动力装置、铁路机车、船舶轮机工程、汽车工程等有复杂的交叉和重叠关系。船用汽轮机是动力机械，也是热力机械、流体机械和透平机械，属于船舶动力装置、蒸汽动力装置，也可能属于核动力装置。而驱动时钟用的发条和重锤装置也是动力机械，但不是热力机械、流体机械、透平机械或往复机械。其他分支之间也有类似的重叠、交叉关系。分析这种复杂关系，研究机械工程最合理的分支系统，有一定的知识意义，但实用价值不大。

编辑本段中国机械工程

三、人类的生存环境

工程技术的发展在提高人类物质文明和生活水平的同时，也对自然环境起了破坏作用。20世纪中期以来，暴露出来的严重问题有两个方面：资源（其中最严重的是能源）的大量消耗和环境的严重污染。能源方面，在近期改进核裂变动力装置、发展太阳能、地热、潮汐能、海水温差能等，可以减少对非再生的化石能源的依赖。从长远的观点看，核聚变是很有希望的和几乎无穷尽的未来能源。以核物理学的现在和将来的成就为基础，机械工程与其他工程技术一起，在21世纪中完成核聚变动力装置的开发和推广可能彻底解决世界的能源问题。使用这种新能源可同时消除对大气的二氧化碳污染。 地壳中和海水中的金属矿藏的蕴藏量极为丰富。只要改进采矿和选矿的工艺和提高采、选矿机械的性能，以降低可以经济利用的矿石品位，并充分回收金属废料，在有足够的能量供应的条件下，金属材料资源不愁匮乏。在煤、石油、天然气等不再被大量地用作燃料而主要作为合成材料的原料之后，非金属材料的供应也可得到长远的保证。 化学工程、冶金工程等生产流程中所产生的废气、废水等环境污染源，通过改进流程、增加净化机械和设施并提高其净化效率，在技术上是能够加以消除的。 机械工程一向以增加生产、提高劳动生产率、提高生产的经济性，即以提高人类的近期利益为目标来研制和发展新的机械产品。在未来的时代，新产品的研制将以降低资源消耗，发展洁净的再生能源，治理、减轻以至消除环境污染作为超经济的目标任务。