蒸汽机与近代工业革命

第三节　蒸汽机与近代工业革命

一、蒸汽机的出现

蒸汽机是将蒸汽的能量转换为机械功的往复式动力机械。蒸汽机的出现曾引起了18世纪的工业革命。直到20世纪初，它仍然是世界上最重要的原动机，20世纪中叶才逐渐让位于内燃机和汽轮机等。

16世纪末到17世纪后期，英国的采矿业，特别是煤矿，已发展到相当的规模。单靠人力、畜力已难以满足排除矿井地下水的要求，而现场又有丰富而廉价的煤作为燃料。现实的需要促使许多人，如英国的工程师萨弗里、纽科门等就致力于“以火力提水”的探索和试验。世界上第一部实用蒸汽机是由萨弗里制造的，他于1698年制成了一台能从矿井中抽水的蒸汽水泵，被称为“矿工之友”。与此同时，纽科门设计了另外一种更加安全实用的抽水机并于1705年制成第一台有实用意义的大气式蒸汽机，又称纽科门蒸汽机，当时在英国的煤矿和金属矿中使用。纽科门蒸汽机的蒸汽汽缸和抽水缸是分开的，蒸汽通入汽缸后在内部喷水使它冷凝，造成汽缸内部真空，汽缸外的大气压力推动活塞做功，再通过杠杆、链条等机构带动水泵活塞。

18世纪中叶，瓦特在前人科学研究和实验的基础上，对蒸汽机作了重大的改进，创造出更好更实用的蒸汽机，效率提高了四倍之多，对在英国发生的工业革命起了关键性的和主导的作用。1765年，他制作了一台试验性的有分离凝汽器的小型蒸汽机，并于1769年取得了标名为“在火力机中减少蒸汽和燃料消耗的新方法”的专利;1776年，瓦特与博尔顿合作制造的两台蒸汽机开始运转;1781年瓦特又取得双作用式蒸汽机的专利。到了1804年，英国的棉纺织业已普遍采用蒸汽机作为生产动力。

使用蒸汽机增加了燃料生产，又以廉价的不用人力、畜力的能量，促进了矿产尤其是煤的开采，从而导致了采矿业的发展与金属冶炼技术的提高。机械工程在世界范围内出现了飞速的发展，并获得了广泛的应用。

二、第一次工业革命

工业革命首先在英国掀起，后来逐步波及其他各国，前后延续了一个多世纪。工业革命是从出现机器和使用机器开始的。在工业革命中最主要的变革是:用生产能力大和产品质量高的大机器，取代了手工工具和简陋机械;用蒸汽机和内燃机等无生命动力，取代了人和牲畜的肌肉动力;用大型的集中的工厂生产系统，取代了分散的手工业作坊。在这期间，动力机械、生产机械和机械工程理论都获得了飞跃性的发展。

机械工程的发展在工业革命的进程中起着重要的主干作用。如18世纪中叶以后，英国纺织机械的出现和使用，使纺纱和织布的生产技术迅速提高;蒸汽机的出现和推广使用，不仅促进了当时煤产量的迅速增长，并且使炼铁炉鼓风机有了机器动力，而使铁产量成倍增长，煤和铁的生产发展又推动各行各业的发展;蒸汽机用于交通运输，出现了蒸汽机车、铁道、蒸汽轮船等，又促进了煤、钢铁工业和其他工业的发展;汽轮机、内燃机和各种机床相继出现。

到了19世纪中期，内燃机问世。第一台在工厂中实际使用的内燃机，是1860年法国勒努瓦制造的无压缩过程的煤气机，其基本结构与当时的蒸汽机相差不多。

动力机械包括蒸汽机、内燃机、汽轮机和水轮机等。动力机械技术的突破，促进了各技术领域的突飞猛进。

1862年，法国人罗沙提出四冲程循环的基本原理;1876年，德国人奥托制成四冲程往复活塞式单缸卧式煤气机，比勒努瓦的煤气机效率更高，功率更大;1878年，英国人克拉克制成了二冲程循环的内燃机;1892年，德国人狄塞尔提出压燃式内燃机原理，为提高内燃机热效率作出了重要贡献;1897年他制成了第一台压缩点火式内燃机(柴油机)，使用液体燃料，按四冲程原理工作，热效率高于当时其他任何内燃机。早期的压燃式内燃机的转速比较低，进入20世纪后，内燃机的转速开始大幅度提高。

随着发电机和电动机的发明，世界开始进入电气时代。火力发电站迅速兴起，大功率的高速汽轮机应运而生。1882年，瑞典人拉瓦尔制成第一台单级冲动式汽轮机。

第一台有实用意义的汽轮机，是英国人帕森斯在1884年制成的多级反动式汽轮机，它利用反作用的原理使涡轮旋转，但功率仅为7.5kW。不久，他又制造出每台为1000kW的发电用的汽轮机;1896年，法国人拉托把几个单级冲动式汽轮机串联在一起，形成多级冲动式汽轮机;同年，美国人柯蒂斯也获得一次汽轮机的发明专利，他把蒸汽的动能分两部分供给两排动叶片，因而转速比拉瓦尔的单级冲击式汽轮机低。汽轮机的进一步发展是把冲击式和反作用式结合起来，改善了汽轮机的性能。

水轮机虽是一种古老的水力机械，但发展成为高效率、大功率的，能适合机器大工业生产需要的机器，则是近代的事。1827年，法国工程师富尔内隆成功地试制了反作用水轮机; 1838年豪特发明了一种向心流动的水轮机;1849年前后美国人弗朗西斯设计了混流式水轮机，对水轮机作出了很大的改进。

随着蒸汽机和内燃机的出现和使用，交通运输工具也得到了发展。第一辆蒸汽汽车是法国人居诺于1769年制成的，它有三个轮子，速度很慢;1803年，英国人特里维西克制成高压蒸汽汽车，并驾驶它行进在伦敦的街道上;19世纪下半叶，汽油机汽车出现;至19世纪末，世界上已有成百家作坊式的汽车工厂。

机械制造的革新和机床工业的形成，是工业革命后期的非常重要的一个方面。英国大约用了半个世纪的时间完成了机械制造方面的革命，到1861年所有的机械和机器基本上可以用机器来制造了。

在欧洲，加工技术的改进从17世纪就已经开始了。18世纪时，车床逐渐由木结构改为金属结构。1750年，法国人蒂奥在车床上安装了一个刀架，用丝杠驱动作纵向移动，比过去手握车刀前进了一大步;1774年威尔金森制造了一台新的炮筒镗床，可以加工直径达1.83m的内圆，1775年他曾为瓦特成功地加工出蒸汽机汽缸;1770年英国拉姆斯登首先用车床制造螺丝;1784年布拉默制成一把具有复杂机构的锁，他还和莫兹利共同改进和制造了几种机床。

1797年，莫兹利在车床上安装了丝杆、光杆和滑动刀架，能加工精密平面和精密螺丝，使机械制造技术的精度水平大为提高。1836年，内史密斯制成刨床。这台刨床已经具备了现代牛头刨床的基本结构。1842年他还设计制造了单作用和双作用的蒸汽锤，扩大了锻件的尺寸。1830—1850年间，惠特沃思利用螺纹微调原理制造的测量装置，使机械产品质量进一步提高，为后来的互换性生产创造了条件。

19世纪机械制造方面的重大技术进步是发展了零件的互换性，提高了生产的经济性。1845年，美国制造出转塔车床，用八个刀具装在可旋转塔形支架上，由一人操作轮流完成八种加工工序，1861年又实现了转塔的自动转动。之后为进一步节省劳动力，又研制出自动螺纹车床。

19世纪下半叶，新的工具材料和新的动力来源也促进了机床的继续发展。1850年的碳素钢刀具只能在约12m/min以下的切削速度下工作。1868年穆舍特发明含有钨和钒的锰钢(合金工具钢)，使切削速度提高到18.3m/min。1898年泰勒等人用含铬的高速钢把切削速度提高到36.6m/min。切削速度的提高反过来又促进了机床各部分强度、轴承、变速机构的改进。

在19世纪的大部分年代里，机床的动力来源主要是蒸汽动力，车间顶棚布满了纵横交错的轴和传动皮带。1873年，电动机成为机床的动力，开始了电力取代蒸汽动力的时代。

最初，电动机安装在机床以外的一定距离处，通过皮带传动。后来把电动机直接安置在机床本身内部。19世纪末，已有少数机床使用两台或多台电动机，分别驱动主轴和进给机构等。至此，被称为“机械工业的心脏”的机床工业已粗具规模。

18世纪以前，机械匠师全凭经验、直觉和手艺进行机械制作，与科学几乎不发生联系。到18～19世纪，在工业革命的促进下，掌握科学知识的人士开始注意生产，而直接进行生产的匠师则开始学习科学文化知识，他们之间的交流和互相启发取得很大的成果。在这个过程中，逐渐形成一整套围绕机械工程的基础理论。进入20世纪后，迅速发展的汽车工业和后来的飞机工业，又促进了机械制造技术向高精度、大型化、专用化和自动化的方向继续发展。