工程机械起源于什么时期

19世纪末期到20世纪初期，电动机、内燃机、水轮机、汽轮机等动力机械均具备了现代机械的基本特征，以后的发展主要是提高机械效率、增大输出功率以及扩大应用范围等。进入20世纪50年代后，减少环境污染成为动力机械的发展方向，核反应堆作为蒸汽发生器也进入动力机械的行列，成为动力机械发展的一个重大突破。此外，利用风能、太阳能、地热能、海洋能和生物能的动力装置陆续问世，使动力机械的类型更加多样化。

相对19世纪而言，20世纪的机械种类急剧增加，几乎覆盖了人类工作和生活的各个领域。其发展方向由单纯地代替和减轻人类劳动强度向符合人机工程方向发展，而且出现了许多致力于提高人类生存质量的机械。如前面所讨论过的民用生活机械、康复理疗机械、体育锻炼和训练机械。

机械与动力工程学院上溯于1913年上海工业专门学校设立的电气机械科，是上海交通大学历史最悠久的院系之一。在机械与动力工程学院的发展史上，创造了许多中国第一：中国最早的内燃机、第一台自动扶梯等等。更为引以自豪的是，新中国的第一艘万吨轮，第一艘核潜艇、第一颗原子弹、第一枚运载火箭、第一颗人造卫星、第一架超音速民航客机

石器时代人类制造和使用的各种石斧、石锤和木质、皮质的简单工具是后来出现的机械的先驱。几千年前，人类已创制了用于谷物脱壳和粉碎的臼和磨，用于提水的桔槔和辘轳，装有轮子的车，航行于江河的船及桨、橹、舵等。所用的动力由人力发展到畜力、风力和水力。所用材料由天然的石、木、土、皮革等发展到人造材料。最早的人造材料是陶瓷。制造陶瓷器皿的陶车，已是具有动力、传动和工作3个部分的完整机械 。鼓风器对人类社会发展起了重要作用。强大的鼓风器使冶金炉获得足够高的炉温，得从矿石中炼取金属。西周时期，中国就已有了冶铸用的鼓风器。15～16世纪以前，机械工程发展缓慢。17世纪以后，资本主义商品经济在英、法等国迅速发展，许多人致力于改进各产业所需要的工作机械和研制新的动力机械——蒸汽机。18世纪后期，蒸汽机的应用从采矿业推广到纺织、面粉和冶金等行业。制作机械的主要材料逐渐从木材改为金属。机械制造工业开始形成，并逐渐成为重要产业。机械工程从分散性的、主要依赖匠师个人才智和手艺的技艺发展成为有理论指导的、系统的和独立的工程技术。机械工程是促成18～19世纪的工业革命和资本主义机械大生产的主要技术因素。 18世纪以前，机械匠师全凭个人经验、直觉和手艺进行机械制作，与科学几乎无关。直到18～19世纪才逐渐形成围绕机械工程的基础理论。动力机械最先与科学相结合，如蒸汽机的发明人T.萨弗里和瓦特应用物理学家D.帕潘和J.布莱克的理论，物理学家S.卡诺、W.J.M.兰金和开尔文在蒸汽机实践的基础上建立起一门新的学科——热力学等。19世纪初，研究机械中机构结构和运动等的机构学第一次列为高等工程学院（巴黎的工艺学院）的课程。从19世纪后半期起已开始设计计算考虑材料的疲劳。随后断裂力学、实验应力分析、有限元法、数理统计、电子计算机等相继被用在设计计算中。

在人类历史的长河中，发生了五次决定人类命运的大革命。第一次革命发生在大约二百万年前，人类学会了使用最简单的机械——天然工具；第二次革命发生在大约五十万年前，人类发现并使用了火；第三次革命发生在大约一万五千年前，人类开始了农耕和畜牧，并大量使用简单的机械如图2-1所示；第四次革命发生在1750年到1850年之间，蒸汽机的发明导致了一场工业革命，在此期间，奠定了现代工业的基础；计算机的发明导致了一场现代工业革命，也就是第五次革命。计算机正在改变人类传统的生活方式和工作方式。人类的生存、生活、工作与机械密切相关。衣服是由纺织机织成布，然后用缝纫机制成的；粮食是用机械播种、收割、加工的；楼房是用机械盖的；电是用机械发出的；汽车、火车、飞机是机械，同时也是由机械制造的。

图2-1　早期工具为了更好地了解现代机械，发明创造出新机械，了解机械的发明创造史是有必要的。古代由于自然条件的突然变化，生活在树上的类人猿被迫到陆地上觅食，为了和各种野兽抗争，他们学会了用天然的木棍和石块保卫自己，并用之猎取食物。通过使用天然工具，锻炼了他们的大脑和手指，并逐步通过敲击石块和磨制，学会了制造和使用简单的木制、石制工具，从事各种劳动。可以这样认为，发明并使用这些最简单工具的创举，是类人猿进化为人类的一个决定性因素。在以后漫长的岁月里，人类发现了火，并学会了钻木取火，使人类的生活质量有了很大提高。学会了把磨尖的石块安装在木棍上等更进一步的工具制造，加速了人类的进化过程。公元前四千年左右，人类又发现了金属，学会了冶炼技术，各类工具的使用得到了迅速发展。

17世纪以后，资本主义商品经济在英、法等国迅速发展，许多人致力于改进各产业所需要的工作机械和研制新的动力机械——蒸汽机。制作机械的主要材料逐渐从木材改为金属。机械制造工业开始形成，并逐渐成为重要产业。机械工程从分散性的、主要依赖匠师个人才智和手艺的技艺发展成为有理论指导的、系统的和独立的工程技术。机械工程是促成18～19世纪的工业革命和资本主义机械大生产的主要技术因素。

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。

中国工程机械行业是随着新中国的建立、成长而发展起来的。在解放初期，我国的工程机械除了从旧社会由美国善后救济总署遗留下来的一些破旧的美式机械和若干小型维修工厂外，可以说是“一穷二白”。

六十年的风风雨雨伴随着共和国的前进步伐，中国的工程机械发展到今天已经成为我国机械行业一个重要的支柱产业，在国内市场中，国产工程机械行业已经成为主力，进口设备一统天下的局面已经结束，国际市场的开拓发展迅速，近几年来每年的出口金额以60%的速度在增长。60年的变迁正可谓是翻天覆地。

回顾我国工程机械60年的发展历史，大体上可以分为四个阶段。建国后的最初十年，国家百废待兴，工程机械没有列入国家发展的重点，以使用、修理和配件生产为主，除了少量地生产一些简易、小型的工程机械外，可以说基本上没有自己的工程机械制造业。上世纪的五十年代末至六十年代初我国开始步入了工程机械行业形成和发展的起始阶段，在这一阶段中一批原来的修理企业开始研发工程机械产品，成为新中国第一批工程机械的骨干企业。1961年一机部成立了工程机械专业局，负责全国工程机械的发展和规划工作，从此我国工程机械进入了有计划的发展阶段。在这一时期工程机械行业一些重要的专业研究所，如一机部的天津工程机械研究所、建工部的建筑机械研究所、交通部交通科学研究院的筑机专业研究室等相继建立，为我国工程机械的发展提供了科学研究和设计开发的基地。同样也在这一时期，唐山铁道学院、同济大学、西安公路学院、北京水电学院等成为第一批设立工程机械专业的高等学校，为新中国培养了第一批工程机械的专业人才。当时的中国正处在西方国家严密封锁之中，技术信息十分闭塞，我国工程机械技术人员是在十分艰苦的条件下进行研究和开发工作的，那时的产品设计连样机也无法提供，技术人员往往只是凭着几张照片或看到的机器外貌，琢磨着进行设计。有一件事，至今还深刻地留在我的脑海中，记得大约是1964年左右英国第一次在中国举办工业展览会，会上展出了一台履带推土机Challenger33(挑战者33型)，其新型的外貌引起了轰动，业内的人士竞相去北京展览会观看、拍照。展览结束后，这台设备卖给了中国，被送到宣化工程机械厂进行测绘，这大概是开创了我国引进大型工程机械进行测绘、仿制的先河。以后我国第一台大马力推土机T-180也是在测绘小松D-80推土机上开始的。因此，可以说从六十年代中期到70年代中期是我国工程机械发展历史上经历的测绘仿制阶段。1966年开始的文化大革命为共和国的发展带来了深重的灾难，工程机械行业同样不能幸免于难，只是由于本行业的一些有责任性科技人员的坚持努力仍然研制开发了一些新产品，但是从整个行业来看基本上处在缓慢停滞的阶段。进入80年代后在十一届三中全会改革、开放路线的指引下，我国工程机械行业又恢复了蓬勃发展的活力。在此期间对我国工程机械行业影响最大的是国家提出了“引进、消化、吸收”的产业政策。从上世纪80年代中期到90年代中期，徐州工程机械厂、山东推土机总厂、西安筑路机械厂等一大批骨干企业在工程机械行业的各个领域内引进了国外的先进产品和技术，改善了生产条件，建立了规模化的生产体系，在产品的数量、品种、质量方面大大缩短了与国外先进水平的差距，使我国的工程机械行业在整体技术水平上踏上了一个新的台阶，奠定了我国工程机械行业向现代化发展的基础。

在共和国迎来六十周年华诞而进入新世纪之际，我国工程机械行业的发展正处在一个重要的转折时期。一方面国家基础设施的建设在国家扩大内需政策的带动下，大大刺激了国内工程机械市场的发展，另一方面国外企业的进入、国内企业的扩张，使我国的工程机械行业面临着日益激烈的竞争局面。我国工程机械行业经过数十年的发展已经有了一定的基础和实力，但同时也存在着一些亟待解决的深层次问题，诸如产品技术的雷同；盲目发展、低水平重复导致价格上的恶性竞争；市场竞争缺乏诚信原则；没有同行之间的磋商和引导机制；在政策、法律对知识产权的保护力度不够等等。解决这些问题的唯一出路就是加强自主创新，进入廿一世纪后国家提出了建立创新国家、创新社会的战略决策。在国家政策的引导下，近些年来国内工程机械企业在对技术创新的认识、技术创新的资金投入、研发基地和手段的建设上都有了很大的进步。我国工程机械行业正进入一个从主要复制他人技术过渡到自主创新的新时期。技术创新尤其是原创性的技术创新是要付出艰苦劳动和巨大努力的，在新的历史时期，我国的工程机械行业要创立起世界一流水平的中国品牌，真正成为一个有竞争力的伙伴而屹立于世界同行之中，就需要我国的工程机械企业和科技人员付出比前人更为艰巨的努力。正如马克思所说“在科学上没有平坦的大道，只有不畏艰险沿着陡峭的山路攀登的人，才有希望到达光辉的顶点”。现在，解放前就从事工程机械技术工作的老一辈专家都已仙逝，上世纪五、六十年代奋战在工程机械行业第一线的同仁们也已大都退出历史舞台，我们寄希望于新一代的工程机械行业的同仁们，你们任重而道远，努力吧，中国工程机械行业新的辉煌将在你们手中铸成。(

石器时代的各种石斧、石锤、木质和皮质的简单粗糙的工具是后来出现的机械的先驱。从制造简单工具演进到制造由多个零件、部件组成的现代机械，经历了漫长的过程。在很多人心目中，中华传统文化似乎缺乏对科学技术的应用，事实上，从公元6世纪到15世纪，中国一直是世界上科学技术最为发达的国家。除了对人类社会发展产生了巨大影响的四大发明之外，很多古代机械发明也为人类社会的现代化进程提供了必要的条件。我国有关机械设计制造技术方面的文献记载主要有：先秦时期《考工记》、元代王祯所著《农书》、明朝宋应星编著的《天工开物》，分别见图1-1中的（a）、（b）、（c）。

图1-1　中国早期机械设计制造文献《考工记》，又名《冬官考工记》，是我国现存最早的手工艺技术文献，成书于先秦时期，汉代对其进行整理和编校，并作为儒家经典文籍之一，收录在《十三经》的《周礼》之中。《考工记》记述了我国先秦时期的许多重大科技成就，在中国科技史、中国文化乃至世界文化史上都占有重要地位。

元代王祯所著《农书》是一部重要的古代农业科学著作。书中绘制了各种农具与农业机械图谱281幅并加以说明，内容约占全书的五分之四。该书不但编入了较复杂的农业机械，而且对有些已经失传的古代农具也绘出复原图，是对我国古农具记载最完备的著作。

1634—1637年，明朝宋应星编著了《天工开物》，记录了许多先进的工艺技术和科学创见。书中记述的许多生产技术一直沿用到近代。《天工开物》是世界上第一部关于农业和手工业生产的综合性著作，它对中国古代的各项技术进行了全面系统的总结，构成了一个完整的科学技术体系，被欧洲学者称为“技术的百科全书”。作为中华科技文明的集大成者，《天工开物》对世界科技发展产生了重大影响，截至1989年，该书在全世界发行了16个版本，印刷了38次之多。但该书在我国曾失传三百余年，直到1926年才由日本传回翻印本。

《奇器图说》由德国传教士邓玉函（Johann Terrenz）口译、明代王徵笔述绘图，发行于1627年，是第一部系统地以中文介绍西方机械技术的专著，对明清时期我国的机械发展产生了重大影响，见图1-1（d）。

人类成为“现代人”的标志是制造工具，人类发展的历史证明，社会生产创造着人类的社会物质文明，推动了人类社会的发展。据统计，发达国家60%～70%的财富来源于制造业生产的产品。而制造业的主要支柱是机械。机械制造业的水平基本可以代表一个国家的科学技术水平和综合国力。

人类成为“现代人”的标志就是制造工具。石器时代的各种石斧、石锤和木质、皮质的简单粗糙的工具是后来出现的机械的先驱。从制造简单工具演进到制造由多个零件、部件组成的现代机械，经历了漫长的过程。

几千年前，人类已创制了用于谷物脱壳和粉碎的臼和磨，用来提水的桔槔和辘轳，装有轮子的车，航行于江河的船及桨、橹、舵等。所用的动力，从人自身的体力，发展到利用畜力、水力和风力。所用材料从天然的石、木、土、皮革，发展到人造材料。最早的人造材料是陶瓷，制造陶瓷器皿的陶车，已是具有动力、传动和工作三个部分的完整机械。

人类从石器时代进入青铜时代，再进而到铁器时代，用以吹旺炉火的鼓风器的发展起了重要作用。有足够强大的鼓风器，才能使冶金炉获得足够高的炉温，才能从矿石中炼得金属。古埃及第十八王朝勒克米尔（Rekhmir,约公元前1450年）已有用以冶铸用的罐状鼓风器。在中国，公元前1000～前900年有了冶铸用的鼓风器，并逐渐从人力鼓风发展到畜力和水力鼓风。

15～16世纪以前，机械工程发展缓慢。但在以千年计的实践中，在机械发展方面还是积累了相当多的经验和技术知识，成为后来机械工程发展的重要潜力。17世纪以后，资本主义在英、法和西欧诸国出现，商品生产开始成为社会的中心问题。

18世纪后期，蒸汽机的应用从采矿业推广到纺织、面粉、冶金等行业。制作机械的主要材料逐渐从木材改用更为坚韧，但难以用手工加工的金属。机械制造工业开始形成，并在几十年中成为一个重要产业。

机械工程通过不断扩大的实践，从分散性的、主要依赖匠师们个人才智和手艺的一种技艺，逐渐发展成为一门有理论指导的、系统的和独立的工程技术。机械工程是促成18～19世纪的工业革命，以及资本主义机械大生产的主要技术因素。

动力是发展生产的重要因素。17世纪后期，随着各种机械的改进和发展，随着煤和金属矿石的需要量的逐年增加，人们感到依靠人力和畜力不能将生产提高到一个新的阶段。

在英国，纺织、磨粉等产业越来越多地将工场设在河边，利用水轮来驱动工作机械。但当时的煤矿、锡矿、铜矿等矿井中的地下水，仍只能用大量畜力来提升和排除。在这样的生产需要下，18世纪初出现了纽科门的大气式蒸汽机，用以驱动矿井排水泵。但是这种蒸汽机的燃料消耗率很高，基本上只应用于煤矿。

1765年，瓦特发明了有分开的冷凝器的蒸汽机，降低了燃料消耗率。1781年瓦特又创制出提供回转动力的蒸汽机，扩大了蒸汽机的应用范围。蒸汽机的发明和发展，使矿业和工业生产、铁路和航运都得以机械动力化。蒸汽机几乎是19世纪唯一的动力源，但蒸汽机及其锅炉、凝汽器、冷却水系统等体积庞大、笨重，应用很不方便。

19世纪末，电力供应系统和电动机开始发展和推广。20世纪初，电动机已在工业生产中取代了蒸汽机，成为驱动各种工作机械的基本动力。生产的机械化已离不开电气化，而电气化则通过机械化才对生产发挥作用。

发电站初期应用蒸汽机为原动力。20世纪初期，出现了高效率、高转速、大功率的汽轮机，也出现了适应各种水利资源的水轮机，促进了电力供应系统的蓬勃发展。

19世纪后期发明的内燃机经过逐年改进，成为轻而小、效率高、易于操纵、并可随时启动的原动机。它先被用以驱动没有电力供应的陆上工作机械，以后又用于汽车、移动机械和轮船，到20世纪中期开始用于铁路机车。蒸汽机在汽轮机和内燃机的排挤下，已不再是重要的动力机械。内燃机和以后发明的燃气轮机、喷气发动机的发展，是飞机、航天器等成功发展的基础技术因素之一。

工业革命以前，机械大都是木结构的，由木工用手工制成。金属(主要是铜、铁)仅用以制造仪器、锁、钟表、泵和木结构机械上的小型零件。金属加工主要靠机匠的精工细作，以达到需要的精度。蒸汽机动力装置的推广，以及随之出现的矿山、冶金、轮船、机车等大型机械的发展，需要成形加工和切削加工的金属零件越来越多，越来越大，要求的精度也越来越高。应用的金属材料从铜、铁发展到以钢为主。

机械加工包括锻造、锻压、钣金工、焊接、热处理等技术及其装备，以及切削加工技术和机床、刀具、量具等，得到迅速发展，保证了各产业发展生产所需的机械装备的供应。

社会经济的发展，对机械产品的需求猛增。生产批量的增大和精密加工技术的进展，促进了大量生产方法的形成，如零件互换性生产、专业分工和协作、流水加工线和流水装配线等。

简单的互换性零件和专业分工协作生产，在古代就已出现。在机械工程中，互换性最早体现在莫茨利于1797年利用其创制的螺纹车床所生产的螺栓和螺帽。同时期，美国工程师惠特尼用互换性生产方法生产火枪，显示了互换性的可行性和优越性。这种生产方法在美国逐渐推广，形成了所谓“美国生产方法”。 20世纪初期，福特在汽车制造上又创造了流水装配线。大量生产技术加上泰勒在19世纪末创立的科学管理方法，使汽车和其他大批量生产的机械产品的生产效率很快达到了过去无法想象的高度。

20世纪中、后期，机械加工的主要特点是：不断提高机床的加工速度和精度，减少对手工技艺的依赖；提高成形加工、切削加工和装配的机械化和自动化程度；利用数控机床、加工中心、成组技术等，发展柔性加工系统，使中小批量、多品种生产的生产效率提高到近于大量生产的水平；研究和改进难加工的新型金属和非金属材料的成形和切削加工技术。

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，在新兴的资本主义经济的促进下，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。

动力机械最先与当时的先进科学相结合。蒸汽机的发明人萨弗里、瓦特，应用了物理学家帕潘和布莱克的理论；在蒸汽机实践的基础上，物理学家卡诺、兰金和开尔文建立起一门新的科学——热力学。内燃机的理论基础是法国的罗沙在1862年创立的；1876年奥托应用罗沙的理论，彻底改进了他原来创造的粗陋笨重、噪声大、热效率低的内燃机而奠定了内燃机的地位。其他如汽轮机、燃气轮机、水轮机等都在理论指导下得到发展，而理论也在实践中得到改进和提高。

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世纪初才首次列入高等工程学院的课程。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。

从18世纪起，新理论的不断诞生，以及数学方法的发展，使设计计算的精确度不断的提高。进入20世纪，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。

20世纪后半叶，有限元法和电子计算机的广泛应用，使得对复杂的机械及其零件、构件进行力、力矩、应力等的分析和计算成为可能。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。