淺析機械工程的發展

黃嘉宇

早在公元前，中國已在指南車上應用復雜的齒輪系統，在被中香爐中應用了能永保水平位置的十字轉架等機件。古希臘已有圓柱齒輪、圓錐齒輪和蝸桿傳動的記載。但是，關于齒輪傳動瞬時速比與齒形的關系和齒形曲線的選擇，直到17世紀之后方有理論闡述。手搖把和踏板機構是曲柄連桿機構的先驅，在各文明古國都有悠久歷史，但是曲柄連桿機構的形式、運動和動力的確切分析和綜合，則是近代機構學的成就。機構學作為一個專門學科遲至19世紀初才第一次列入高等工程學院（巴黎的工藝學院）的課程。通過理論研究，人們方能精確地分析各種機構，包括復雜的空間連桿機構的運動，并進而能按需要綜合出新的機構。 機械工程的工作對象是動態的機械。它的工作情況會發生很大的變化。這種變化有時是隨機的而不可預見；實際應用的材料也不完全均勻，可能存有各種缺陷；加工精度有一定的偏差，等等。與以靜態結構為工作對象的土木工程相比，機械工程中各種問題更難以用理論精確解決。因此，早期的機械工程只運用簡單的理論概念，結合實踐經驗進行工作。設計計算多依靠經驗公式；為保證安全，都偏于保守。結果，制成的機械笨重而龐大，成本高，生產率低，能量消耗很大。

一、設計與計算

從18世紀起，設計計算從兩個方面不斷提高了精確度：①在材料強度方面，從早期按靜強度除以安全系數的粗糙計算，提高到考慮材料的疲勞（19世紀后半期）；從認為材料原則上不能有裂紋，發展到以斷裂力學理論為依據，考慮裂紋材料的強度和壽命。②在機械結構的力學分析方面，從應用經驗公式和簡化的力學分析來確定各種受力和力矩，發展到應用復雜的力學分析和數學計算方法。進入20世紀，又出現各種實驗應力分析方法。人們已能用實驗方法測出模型和實物上各部位的應力，在發現應力過高過低時，便可能作出必要的調整。20世紀后半葉，人們開始應用有限元法和電子計算機的迅速可靠的數值計算，對復雜的機械及其零件、構件進行力、力矩、應力、應變等的分析和計算。對于掌握有充分的實踐或實驗資料的機械或其元件，已經可以運用統計技術，按照要求的可靠度科學地進行機械設計，或者按機械的實際情況（實際的質量、實際的使用條件等）科學地判斷其可靠度和壽命。。

編輯本段涉及范圍

機械工程是現代社會進行生產和服務的五大要素（即人、資金、能量、材料和機械）之一，并且能量和材料的生產還必須有機械的參與。任何現代產業和工程領域都需要應用機械，例如農業、林業、礦山等需要農業機械、林業機械、礦山設備；冶金和化學工業需要冶金機械、化工機械；紡織和 紡織機械食品加工工業需要紡織機械、食品加工機械；房屋建筑和道路、橋梁、水利等工程需要工程機械；電力工業需要動力機械；交通運輸業需要各種車輛、船舶、飛機等；各種商品的計量、包裝、儲存、裝卸需要各種相應的工作機械。就是人們的日常生活，也越來越多地應用各種機械了，如破碎機、汽車、自行車、縫紉機、鐘表、照相機、洗衣機、冰箱、空調機、吸塵器，等等。機械工程是以有關的自然科學和技術科學為理論基礎，結合在生產實踐中積累的技術經驗，研究和解決在開發、設計、制造、安裝、運用和修理各種機械中的全部理論和實際問題的一門應用學科。

各個工程領域的發展都要求機械工程有與之相適應的發展，都需要機械工程提供所必需的機械。某些機械的發明和完善，又導致新的工程技術和新的產業的出現和發展，例如大型動力機械的制造成功，促成了電力系統的建立；機車的發明導致了鐵路工程和鐵路事業的興起；內燃機、燃氣輪機、火箭發動機等的發明和進步以及飛機和航天器的研制成功導致了航空、航天工程和航空、航天事業的興起。

二、學科分支

機械按功能可分為動力機械、粉碎機械、交通運輸機械和物料搬運機械等；按服務的產業可分為農業機械、化工機械、礦山機械和紡織機械等；按工作原理可分為熱力機械、透平機械、仿生機械和流體機械等。相同的工作原理，相同的功能或服務于同一產業的機械有相同的問題和特點，因此機械工程就有幾種不同的分支學科體系。另外，全部機械在研究、開發、設計、制造、運用過程中，要經過若干工作性質不同的階段，依此，機械工程又可劃分為互相銜接、互相配合的幾個分支系統，如機械科研、機械設計、機械制造、機械運用和維修等。這些分支學科系統互相交叉、互相重疊，使機械工程可能分化成上百個分支學科。例如按功能分的動力機械，與按工作原理分的熱力機械、流體機械、透平機械、往復機械、蒸汽動力裝置、核動力裝置，內燃機、燃氣輪機，以及按行業分的中心電站設備、工業動力裝置、鐵路機車、船舶輪機工程、汽車工程等有復雜的交叉和重疊關系。船用汽輪機是動力機械，也是熱力機械、流體機械和透平機械，屬于船舶動力裝置、蒸汽動力裝置，也可能屬于核動力裝置。而驅動時鐘用的發條和重錘裝置也是動力機械，但不是熱力機械、流體機械、透平機械或往復機械。其他分支之間也有類似的重疊、交叉關系。分析這種復雜關系，研究機械工程最合理的分支系統，有一定的知識意義，但實用價值不大。

編輯本段中國機械工程

三、人類的生存環境

工程技術的發展在提高人類物質文明和生活水平的同時，也對自然環境起了破壞作用。20世紀中期以來，暴露出來的嚴重問題有兩個方面：資源（其中最嚴重的是能源）的大量消耗和環境的嚴重污染。能源方面，在近期改進核裂變動力裝置、發展太陽能、地熱、潮汐能、海水溫差能等，可以減少對非再生的化石能源的依賴。從長遠的觀點看，核聚變是很有希望的和幾乎無窮盡的未來能源。以核物理學的現在和將來的成就為基礎，機械工程與其他工程技術一起，在21世紀中完成核聚變動力裝置的開發和推廣可能徹底解決世界的能源問題。使用這種新能源可同時消除對大氣的二氧化碳污染。 地殼中和海水中的金屬礦藏的蘊藏量極為豐富。只要改進采礦和選礦的工藝和提高采、選礦機械的性能，以降低可以經濟利用的礦石品位，并充分回收金屬廢料，在有足夠的能量供應的條件下，金屬材料資源不愁匱乏。在煤、石油、天然氣等不再被大量地用作燃料而主要作為合成材料的原料之后，非金屬材料的供應也可得到長遠的保證。 化學工程、冶金工程等生產流程中所產生的廢氣、廢水等環境污染源，通過改進流程、增加凈化機械和設施并提高其凈化效率，在技術上是能夠加以消除的。 機械工程一向以增加生產、提高勞動生產率、提高生產的經濟性，即以提高人類的近期利益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。