三-现代机械史

2020年6月6日7时45分,主讲教师：刘春宝,世界机械工业发展史,2020年6月6日7时45分,课程内容：,1、古代机械史2、近代机械史3、现代机械史4、我国机械发展史5、未来机械发展方向6、专题：交通、机器人、航空、航天等,2020年6月6日7时45分,现代机械史,进入20世纪以后，世界机械工程的发展远远超过了上个世纪。尤其是第二次世界大战以后，由于科学技术工作从个人活动走向社会化，科学技术的全面发展，特别是电子技术、核技术和航空航天技术与机械技术的结合，大大促进了机械工程的发展。,2020年6月6日7时45分,最新电子与技术结合混合动力手机,2020年6月6日7时45分,第二次世界大战前的四十年，机械工程的发展主要是继承十九世纪延续下来的传统技术，并不断改进、提高和扩大其应用范围。如：农业和采矿业的机械化程度有了显著的提高；动力机械功率增大，效率进一步提高，内燃机的应用普及到几乎所有的移动机械。随着工作母机设计水平的提高及新型工具材料和机械式自动化技术的发展，机械制造工艺的水平有了极大的提高。美国人泰勒首创的科学管理制度，在20世纪初开始在一些国家广泛推行，对机械工程的发展起到了巨大的推动作用。,发展特点,2020年6月6日7时45分,第二次世界大战以后的三十年，机械工程除原有技术的改进和扩大应用外，与其他科技领域的广泛结合和相互渗透明显加深，形成了机械工程的许多新的分支，机械工程的领域空前扩大，发展速度加快。这个时期，核技术、电子技术、航空航天技术迅速发展，生产和科研工作的系统性、成套性、综合性大大增强，机器的应用几乎遍及所有的生产部门和科研部门，并深入到生活和服务部门。,2020年6月6日7时45分,进入二十世纪70年代以后，机械工程与电工、电子、冶金、化学、物理和激光等技术相结合，创造了许多新工艺、新材料和新产品，使机械产品精密化、高效化和制造过程的自动化等达到了前所未有的水平。从60年代开始，计算机逐渐在机械工业的科研、设计、生产及管理中普及应用，过去机械工程中许多不便计算和分析的工作，已能用计算机加以科学计算，为机械工程各学科向更复杂、更精密方向发展创造了条件。,2020年6月6日7时45分,19世纪末至20世纪初，大部分动力机械如水轮机、汽轮机、柴油机、汽油机等，均已具备了现代产品的基本特征。以后的发展主要是提高效率，增大功率，改善运行控制条件，扩大应用范围。进入50年代后，减少环境污染成为一个重要的课题。,动力机械,2020年6月6日7时45分,20世纪发展起来的动力机械,内燃机水轮机汽轮机燃气轮机核反应堆已经采用或正在研究的还有利用其他能源，如风力、太阳能、地热能、海洋能、生物能等的动力装置。,2020年6月6日7时45分,内燃机,20世纪以来，内燃机的应用范围急剧扩大。移动式机械大部分都使用内燃机为动力。汽油机进入20世纪后的主要发展是扩大气缸容积、提高压缩比、提高转速以增大功率，并注重降低能耗；柴油机在50年代以前主要用于船舶、农业机械、施工及矿山机械、大型载重汽车和坦克上。柴油机因能节省燃油，排气污染少，机器使用寿命长，应用范围不断扩大，50年代后，在部分小轿车上也开始采用柴油机为动力。,2020年6月6日7时45分,旋转活塞式发动机是德国工程师汪克尔于1957年制成的。这种发动机结构简单，无往复运动，体积小、重量轻、成本低。但在低转速时的气体泄漏量高于往复机，低速动力性能和燃料经济性低于往复机。近年来，由于设计结构、工艺、材料的不断改进，差距正在逐步缩小。,2020年6月6日7时45分,汽轮机20世纪初，汽轮机就已成为主要的火力发电设备，并作为船舶动力装置的主机，代替了部分蒸汽机。此后汽轮机的发展主要结合锅炉的改进，增加功率、提高热效率、降低材料消耗和造价。第二次世界大战后，为提高热效率，大型电站汽轮机一度趋向于采用超临界蒸汽参数，蒸汽压力达3035兆帕，温度达593650，但因需要昂贵的奥氏体不锈钢制造锅炉。后来选用的蒸汽参数有所下降。,2020年6月6日7时45分,2020年6月6日7时45分,随着技术的发展，汽轮机的单机功率不断增大，1912年最大为25兆瓦，1947年为100兆瓦，1962年为500兆瓦，1972年瑞士制造的双轴汽轮机组功率达1300兆瓦，是迄今最大的机组。,2020年6月6日7时45分,燃气轮机,1939年，瑞士建成世界上第一座以燃气轮机为动力的尖峰负荷电站1941年燃气轮机机车问世同年，以燃气轮机作为动力的喷气式飞机在英国试飞成功。第二次世界大战以后，燃气轮机除大量用于航空外，还用于备用电站和石油、天然气输送管线。50年代以后，利用燃气轮机与锅炉、汽轮机组成的燃气-蒸汽联合循环装置提高热效率的方法获得一定的应用。,2020年6月6日7时45分,燃气轮机,2020年6月6日7时45分,水轮机,水轮机主要用于水力发电，19世纪下半叶创制的混流式和水斗式水轮机结构简单，效率高，适合于高水头，迅速得到普及。20世纪以后，水轮机品种发展迅速。1920年，奥地利人卡普兰又研制成适合低水头的轴流转桨式水轮机；第二次世界大战前夕，又研制成功可逆式水泵水轮机和贯流式水轮机；1956年，斜流式水轮机问世，它的特点是转轮轻，能适应蓄能电站的要求。,2020年6月6日7时45分,冲击式水轮机切击式斜击式反击式水轮机混流式轴流式斜流式贯流式,2020年6月6日7时45分,2020年6月6日7时45分,2020年6月6日7时45分,核反应堆,从50年代起，核反应堆作为新型的蒸汽发生器进入动力机械行列，成为动力工程的一顶重大突破。1942年，美国的费密(原籍意大利)等人，建成第一座可控的链式核裂变原子反应堆。1954年，前苏联建成功率为5000兆瓦的第一座核电站。至1983年底世界上共建成核电站反应堆302座，总装机容量达19.9万兆瓦。核反应分为核裂变和核聚变两种。核聚变比核裂变释放的能量大得多，放射性危险较小，所用燃料(超重氢)资源丰富，但人工控制它的能量释放较困难。,2020年6月6日7时45分,机械制造技术,机械制造技术的发展与产品和材料技术的发展紧密相关。20世纪以来，机械制造技术向着产品大型化、提高产品加工精度、机械材料的多样化和高加工难度、提高劳动生产率、缩短加工制造周期等方面发展。,2020年6月6日7时45分,20世纪初，机械工业的主要材料是一般钢铁；30年代以后，铝合金的应用增多；第二次世界大战后，球墨铸铁、合金铸铁，耐热钢、耐磨钢、高强钢、镍合金、钛合金、硬质合金的用量不断增加；60年代以来，工程塑料、复合材料和宝石、玻璃、陶瓷等非金属材料的应用也逐渐增加。材料力学性能如强度、硬度、韧性的提高，使加工难度越来越大，因之出现了一些特殊加工方法。,2020年6月6日7时45分,二十世纪4050年代之间，高压造型开始应用推广。这是砂型铸造的一大改进，造型比压达0.72兆帕，可生产高精度铸件。砂型铸件占到铸件总量的3/4以上。1971年，日本创造了砂型负压造型法，提高了铸件精度，并且省砂、节能、污染少。,2020年6月6日7时45分,1947年，制成球墨铸铁，使机械中应用最广的铸铁性能大大改善，并扩大应用到部分齿轮和曲轴，代替锻钢。第二次世界大战以后，逐渐普及用电炉冶炼铸钢件钢水，特大件采用多炉合浇工艺，有的采用电渣重熔。50年代发展了真空冶炼和真空除气，提高了铸钢质量。真空浇铸首先用于发电设备的大锻件制造，后来扩展到滚动轴承钢，促进了轴承寿命的提高。,2020年6月6日7时45分,30年代出现的钢质零件的冷镦、冷挤技术，使一些标准件的材料利用率提高到80%以上，并大幅度提高了劳动生产率和产品质量。第二次世界大战期间，奥地利制成精密锻轴机；美国将爆炸成形工艺投入实用；50年代发展了生产大型复杂工件的多向模锻技术；1958年瑞士制成精密冲裁机；5060年代之间，出现了高速高能锤和辊锻；60年代以后，精密模锻技术大量用于锥齿轮和叶片等零件的成形。冷锻、温锻和粉末锻造在各国迅速发展，超塑性成形已应用于制造汽车、飞机发动机、汽轮机等复杂精密零件。,2020年6月6日7时45分,2020年6月6日7时45分,2020年6月6日7时45分,焊接以其联接可靠、施工简便、产品结构轻、改型快等优点，而不断扩大应用范围，技术发展迅速。19世纪发明电弧焊；20世纪头10年发明了薄药皮电弧焊、铝热焊、点焊、气焊；30年代出现埋弧焊和厚药皮电弧焊；1951年，苏联的巴顿创造的电渣焊工艺，为大截面材料的焊接开辟了新途径；50年代还发明了二氧化碳气体保护电弧焊、摩擦焊、超声波焊、等离子弧焊；60年代出现激光焊技术；1966年美国发展了厚板窄间隙气体保护电弧焊，比埋弧焊效率提高1倍，而且节省焊丝，能耗降低。,2020年6月6日7时45分,热处理对改善材料性能有重要意义。1914年德国发明铝合金时效硬化；1935年美国发展了碳氮共渗，1949年出现了真空热处理；1954年又发展了形变热处理；60年代出现流动粒子加热炉；70年代激光热处理、软氮化、辉光离子氮化开始用于机械工业。第二次世界大战后，热处理技术最突出的发展之一是可控气氛热处理技术的应用和推广。为满足对大件热处理的需要，已研制出多种大型热处理炉。大焊接件多采用现场焊接、现场退火的方式进行处理。,2020年6月6日7时45分,2020年6月6日7时45分,随着部分产品的大型化，加工机床也得到相应发展。到70年代，最大车床加工直径已达6米；最大立车的加工直径是26米；最大镗床镗杆直径355毫米；最大龙门铣加工宽度已超过7米；最大滚齿机加工直径为1.5米。大型机床普遍采用数字显示仪表显示加工尺寸。,2020年6月6日7时45分,提高加工效率最直接、最明显的办法是改进机床和刀具及合理组织生产。19世纪末至20世纪初，转塔车床单轴和多轴自动车床、滚齿机和插齿机等已在部分国家使用。20世纪初，先后出现仿形机床和组合机床。,2020年6月6日7时45分,2020年6月6日7时45分,2020年6月6日7时45分,随着机床刚性的提高，机床的加工范围不断扩大，专业化、自动化程度不断提高，适应了成批大量生产的要求。50年代，数字控制机床和加工中心问世；70年代微电子技术应用于机床，使机床的加工灵活性增加，满足了多品种、小批量生产的要求。,2020年6月6日7时45分,金属切削理论,2030年代，美国的尼科尔森、史密斯和日本的大越淳等，在金属切削原理方面，进行了大量的试验研究，使金属切削和刀具设计逐步科学化。1923年德国用粉末冶金法制成硬质合金刀具，又一次提高了切削速度。19381940年美国人H.厄恩斯特和M.E.麦钱特利用高速摄影机通过显微镜拍摄了切屑形成过程，并且用摩擦力分析和解释了断续切屑和连续切屑的形成机理。40年代以来，各国学者系统地总结和发展了前人的研究成果，充分利用近代技术和先进的测试手段，取得了很多新成就，发表了大量的论文和专著。,2020年6月6日7时45分,刀具第二次世界大战后，发展了不重磨硬质合金刀具、超细化硬质合金刀具。后来又出现碳化钛、氮化钛、陶瓷覆层硬质合金，人造金刚石等，都具有优异的切削性能。,2020年6月6日7时45分,加工精度,提高机械产品的精度等级，主要依靠新的加工方法、新型机床、新工具和先进的测量手段。19世纪磨床已经实用，碳化硅、氧化铝磨料也已问世；20世纪初陆续研制出坐标镗床、磨齿机、螺纹磨床等，成为现代精密机床的基础；3050年代出现研磨机、超精磨床、光学坐标镗床、电动比较仪、高精度圆度仪等精密加工和测试设备；60年代，激光干涉仪的问世，对能达到0.01微米的加工精度起了重要作用。,2020年6月6日7时45分,特种加工第二次世界大战以后，由于机械工业使用的难加工材料增加，特种加工应运而生。这些加工方法的共同特点是能量密度高，作用时间短，产生热影响或变形小，能量可控，容易自动化。在模具、动力机叶片、宝石轴承、硬质合金等领域的生产制造方面，如电火花加工、电解加工、激光加工和等离子弧加工等特种加工方法，已逐渐取代了传统的加工方法。,2020年6月6日7时45分,自动化生产机械工业的自动化生产，是20世纪机械工程发展中的一项突出成就。机械式自动化技术首先在武器、钟表、缝纫机、自行车、汽车和拖拉机等大批量生产的行业中发展起来。,2020年6月6日7时45分,机械式自动化适用于单一品种的大量生产。电子计算机在机床上的应用为多品种、小批量生产的自动化提供了手段。美国于1952年制成数字控制机床，又于1958年制成加工中心。1966年又制成由一台计算机控制多台数控机床的群控系统。从此以后，数控机床的发展和普及十分迅速。它具备自动机床、精密机床和万能机床三者的优点，可达到高效率、高精度、高灵活性的良好效果。,2020年6月6日7时45分,机器人机器人是50年代后期出现的一种电子式自动化装置。各国已研制出数百种型号的机器人，大量用于机械工厂的物料搬运、焊接、喷漆等。现代正在利用计算机、传感器、变送器和人工智能的成果，研制智能机器人，以便用于装配和维修等复杂作业。,2020年6月6日7时45分,机械工程基础理论,第二次世界大战以后，由于机器的负荷提高，速度加快，对机器的精度和可靠性提出了更高的要求，对机械动力学的研究有所加强，研究的内容也日益丰富。,2020年6月6日7时45分,50年代后期，随着电子计算机的发展，建立了以线性代数为基础、用计算机求解机构学问题的方法。60年代后期，由于数学规划法与计算机的结合，出现了机构的优化设计。针对工业自动化、空间技术、机器人等发展提出的复杂的机构问题，70年代以来，开展了对开环运动链的空间机构、多自由度空间机构、运动过程中结构变化的机构、组合机构等的研究。,2020年6月6日7时45分,20世纪以来，随着机器的高速化、大型化，机械振动问题越来越突出。专家们对线性振动、非线性振动和随机振动进行了系统的研究，到5060年代已形成基本的理论体系。针对海洋设备绳缆、油气管线、大型起重机、汽车、船舶、飞机、火箭、汽轮机、锅炉、换热器、容器等遇到的问题，对弦、粱、板、壳等连续体振动的研究都十分活跃。对锅炉、换热器、压力容器、核反应堆中产生的热和流体诱发的振动，也开展了研究。,2020年6月6日7时45分,旋转机械由于转速的提高而引起的振动，早已引起人们注意。1907年已有转子双面平衡机的设计，刚性转子平衡问题也已获得解决。70年代以来，对挠性转子的平衡和减振、隔振以及振动的利用等课题的研究已成为一门新的学科。,2020年6月6日7时45分,摩擦学关于摩擦，20世纪初仍沿用18世纪建立的分子粘附理论和凹凸理论。40年代后，两者统一为机械-分子理论。关于磨损，50年代提出粘着磨损理论和疲劳磨损理论。关于润滑，1886年英国学者雷诺的流体动压润滑理论，到20世纪仍居经典理论地位。,2020年6月6日7时45分,4060年代，苏联和英国学者建立了弹性流体动压润滑理论，并用电子计算机进行了验证，这是流体动压润滑理论的重要发展，对轴承等技术的提高起了积极作用。60年代以来，摩擦、磨损和润滑逐渐形成一门统一的学科，称为摩擦学。,2020年6月6日7时45分,材料力学,进入20世纪以来，材料力学产生了许多新的分支：结构力学、板壳力学、弹性力学、塑性力学疲劳、蠕变和环境强度理论，断裂力学、实验力学等。其中如断裂力学在判断机构结构方面影响很大。,2020年6月6日7时45分,断裂力学的初期理论，即能量平衡理论，是1920年英国的格里菲思提出的。他在研究材料表面缺陷对疲劳的影响时发现，只考虑应力集中不能充分说明问题，遂提出材料存在裂纹的假定，考虑整个系统的能量平衡，引出材料脆性断裂的理论。第二次世界大战后，经美、英等国学者进一步研究，形成断裂力学这一新的学科分支。,2020年6月6日7时45分,二十世纪50年代，美国开始用有限元法进行应力分析，其基本思路是把连续体转化