什么叫機械工程

【專家解說】：機械工程

mechanical engineering

以有關(guān)的自然科學(xué)和技術(shù)科學(xué)為理論基礎(chǔ)，結(jié)合生產(chǎn)實踐中的技術(shù)經(jīng)驗，研究和解決在開發(fā)、設(shè)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應(yīng)用學(xué)科。機械是現(xiàn)代社會進行生產(chǎn)和服務(wù)的五大要素（人、資金、能源、材料和機械）之一，并參與能量和材料的生產(chǎn)。

發(fā)展簡史 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(fēng)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(fēng)器對人類社會發(fā)展起了重要作用。強大的鼓風(fēng)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(fēng)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。

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。

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。

機械工程基礎(chǔ)理論的發(fā)展 18世紀以前，機械匠師全憑個人經(jīng)驗、直覺和手藝進行機械制作，與科學(xué)幾乎無關(guān)。直到18～19世紀才逐漸形成圍繞機械工程的基礎(chǔ)理論。動力機械最先與科學(xué)相結(jié)合，如蒸汽機的發(fā)明人T.薩弗里和瓦特應(yīng)用物理學(xué)家D.帕潘和J.布萊克的理論，物理學(xué)家S.卡諾、W.J.M.蘭金和開爾文在蒸汽機實踐的基礎(chǔ)上建立起一門新的學(xué)科——熱力學(xué)等。19世紀初，研究機械中機構(gòu)結(jié)構(gòu)和運動等的機構(gòu)學(xué)第一次列為高等工程學(xué)院（巴黎的工藝學(xué)院）的課程。從19世紀后半期起已開始設(shè)計計算考慮材料的疲勞。隨后斷裂力學(xué)、實驗應(yīng)力分析、有限元法、數(shù)理統(tǒng)計、電子計算機等相繼被用在設(shè)計計算中。

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)?，F(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(xué)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(fēng)、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。

學(xué)科內(nèi)容 機械工程的學(xué)科內(nèi)容，按工作性質(zhì)可分為以下方面：①建立和發(fā)展可實際和直接應(yīng)用于機械工程的工程理論基礎(chǔ)。如工程力學(xué)、流體力學(xué)、工程材料學(xué)、材料力學(xué)、燃燒學(xué)、傳熱學(xué)、熱力學(xué)、摩擦學(xué)、機構(gòu)學(xué)、機械原理、機械零件、金屬工藝學(xué)和非金屬工藝學(xué)等。②研究、設(shè)計和發(fā)展新機械產(chǎn)品，改進現(xiàn)有機械產(chǎn)品和生產(chǎn)新一代機械產(chǎn)品，以適應(yīng)當(dāng)前和未來的需要。③機械產(chǎn)品的生產(chǎn)，如生產(chǎn)設(shè)施的規(guī)劃和實現(xiàn)、生產(chǎn)計劃的制訂和生產(chǎn)調(diào)度、編制和貫徹制造工藝、設(shè)計和制造工藝裝備、確定勞動定額和材料定額以及加工、裝配、包裝和檢驗等。④機械制造企業(yè)的經(jīng)營和管理，如確定生產(chǎn)方式、產(chǎn)品銷售以及生產(chǎn)運行管理等。⑤機械產(chǎn)品的應(yīng)用，如選擇、訂購、驗收、安裝、調(diào)整、操作、維修和改造各產(chǎn)業(yè)所使用的機械產(chǎn)品和成套機械設(shè)備。⑥研究機械產(chǎn)品在制造和使用過程中所產(chǎn)生的環(huán)境污染和自然資源過度耗費問題及處理措施。

學(xué)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(wù)的產(chǎn)業(yè)可分為農(nóng)業(yè)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(wù)于同一產(chǎn)業(yè)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(xué)科體系。另外，全部機械在研究、開發(fā)、設(shè)計、制造、運用過程中，要經(jīng)過若干工作性質(zhì)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(tǒng)，如機械科研、機械設(shè)計、機械制造、機械運用和維修等。這些分支學(xué)科系統(tǒng)互相交叉、互相重疊，使機械工程可能分化成上百個分支學(xué)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(fù)機械、蒸汽動力裝置、核動力裝置，內(nèi)燃機、燃氣輪機，以及按行業(yè)分的中心電站設(shè)備、工業(yè)動力裝置、鐵路機車、船舶輪機工程、汽車工程等有復(fù)雜的交叉和重疊關(guān)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(qū)動時鐘用的發(fā)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(fù)機械。其他分支之間也有類似的重疊、交叉關(guān)系。分析這種復(fù)雜關(guān)系，研究機械工程最合理的分支系統(tǒng)，有一定的知識意義，但實用價值不大。

展望 機械工業(yè)是為國民經(jīng)濟提供裝備的基礎(chǔ)工業(yè)，將隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生變化。

機電一體化 機電一體化技術(shù)和機電一體化產(chǎn)品的統(tǒng)稱，是在機電產(chǎn)品中引入微電子元器件和技術(shù)之后形成的。機電一體化技術(shù)又稱機械微電子技術(shù)，是機械工程、微電子技術(shù)、信息處理技術(shù)等多種技術(shù)融合成的一種系統(tǒng)技術(shù)。機電一體化產(chǎn)品是運用機電一體化技術(shù)設(shè)計、生產(chǎn)的一種帶有軟、硬件系統(tǒng)的多功能的單機或成套裝置，通常由機械本體、微電子裝置、傳感器和執(zhí)行機構(gòu)等組成。機電一體化技術(shù)涉及的學(xué)科有機械工程（如機構(gòu)學(xué)、機械加工和精密技術(shù)等）、電工與電子技術(shù)（如電磁學(xué)、計算機技術(shù)和電子電路等）、共性技術(shù)（如系統(tǒng)技術(shù)、控制技術(shù)和傳感器技術(shù)等）。機電一體化產(chǎn)品主要有商品生產(chǎn)用（如機器人、自動生產(chǎn)線和工廠等）、商品流通用（如數(shù)控包裝機械及系統(tǒng)、微機控制交通運輸機具和數(shù)控工程機械設(shè)備等）、商品貯存銷售用（如自動倉庫、自動稱量和銷售及現(xiàn)金處理系統(tǒng)等）、社會服務(wù)性（如自動化辦公機械和醫(yī)療及環(huán)保等自動化設(shè)施等）和家庭、科研、農(nóng)林牧漁、航空航天及國防等用的機電一體化產(chǎn)品。機電一體化使機械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、功能和構(gòu)成、生產(chǎn)方式和管理體系等發(fā)生巨大變化。

機械工程與人類生存環(huán)境 工程技術(shù)的發(fā)展在提高人類物質(zhì)文明和生活水平的同時，也對自然環(huán)境起破壞作用。20世紀中期以來，最突出的問題是資源，尤其是能源的大量消耗和對環(huán)境的污染。未來，機械新產(chǎn)品的研制將以降低資源耗費，發(fā)展純凈的再生能源，治理、減輕以至消除環(huán)境污染作為重要任務(wù)。

機械工程專業(yè)化和綜合化 19世紀下半葉，機械工程成為一門獨立學(xué)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(xué)科。分解趨勢在20世紀中期（第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束前后）達到最高峰。由于機械工程的知識總量已擴大到遠非一個人所能全部掌握，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（如新技術(shù)、新材料和新產(chǎn)品的出現(xiàn)、材料與半成品的供應(yīng)及價格變化等）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(xué)提高。因此，從20世紀中、后期開始，機械工程又出現(xiàn)了綜合的趨勢。人們更多地關(guān)注基礎(chǔ)理論，拓寬專業(yè)領(lǐng)域，合并分化過細的專業(yè)。