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引言
自18世纪始于英国的工业革命一来,蒸汽机的广泛使用标志着人类从今进入“蒸汽时代”。其后经受了一百多年,其次次世界性技术革命中电力的广泛应用标志着我们又进入了“电气时代”。
所谓电气,就是以电能、电气设备和电气技术为手段来制造、维持与改善限定空间和环境的一门科学,涵盖电能的转换、利用和争辩三方面,包括根底理论,应用技术,设施设备等。
而所谓电气时代,是指以电动机为代表的其次次技术革命,使兴的电能成为一种主要能量形式广泛的为生活所用,也使世界进入了一个前人未曾想象的时代。究其缘由,电能有其独特的优点——易于传输的工业动力和有效牢靠的信息载体。也正是由于这两个优点,使得其在动力传输方面消灭了大型发电机、高压输电网、各式各样的电力设备和照明电灯,在信息传输方面,消灭的电报、和无线电通讯。
到上世纪末,随着各种电子技术的问世,尤其是微机技术的进展,电气产品也消灭了百花齐放的时代。电气向着多元化、自动化进展,实现了电气自动化。宏观方面,各种大型电力设备应用到工业生产中,先进的数控设备正在繁杂的手工劳动,更快捷也更安全。微观方面,家用电器使得生活越来越便利,特别是各种电子技术的应用,使得电器也具有智能,能够更便利的效劳于我们。
我国的电气自动化开头进展于上世纪中叶,因其涵盖格外广,触须延长至各个行业,在现在的工业生产和生活中已成为必不行少的一局部。然而,电气自动化照旧离不开各种奇异的机械构造。各种电气产品能够实现其功能,照旧是通过各种机构完成的。
机械一词源自于希腊语之mechine及拉丁文mecina,原指“奇异的设计”。也就是利用力学原理组成的各种装置。杠杆、滑轮、机器以及枪炮等都是机械。通常的解释:机械是简洁的装置,它能够将能量、力从一个地方传递到另一个地方。,我们四周有数不清的不同种类的机械在为我们工作。
早在公元前,中国已在指南车上应用简洁的齿轮系统,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世纪之前方有理论阐述。
在汉语中,“机械”词语由“机”与“械”两个汉字组成。“机”——原指局部的关键机件;“械”——在中国古代原指某一整体器械或器具。这两字连在一起,组成“机械”一词,便构成一般性的机械概念。
“机”在古汉语中原指某种、某类特定的装置,后来又泛指一般的机械。《尚书·太甲》有“假设虞机张,往省括于度,则释”。《庄子·齐物论》:“其发假设机括。”《释文》称:“机,弩牙;括,箭括。”《说文解字》对“机”的解释是“机,主发者也”,指弩机。《庄子·山林》道:“丰狐,文豹……不免于网罗机辟之患”即指夹子一类的装置。古代之“机抒”指织布机。《淮南子·泛论》载“伯余之初作衣也,……手经指挂,其成犹网罗。后世为之机抒胜复以便其用。”
《史记·郦生传》有“农夫释耒,二女下机”。由此可知,“机”之本义指机械装置中构成转动副的转动构件。
“械”在古代中国指器械、器物等实物。《庄子·天地》载“有械于此,一日浸百畦,用力甚寡而见功多”,其“械”在此为一般器械或器具;《墨子·公输》:“公输般为楚造云梯之械”在此指兵器;《汉书·司马迁传》载:“淮阴〔韩信〕,王也,受械于陈”,在此“械”指刑具。
《庄子·外篇·天地第十二》载“. 子贡曰:‘有械于此,一日浸百畦,用力甚寡而见功多,夫
子不欲乎?’为圃者仰而视之曰:‘奈何?’曰:‘凿木为机,后重前轻,挈水假设抽,数如汤,其名曰槔。’为圃者忿然作色而笑曰:‘吾闻之吾师,有机械者必有机事,有机事者必有机心。机心存于胸中,则纯白不备。纯白不备,则神生不定。神生不定者,道之所不载也。吾非不知,羞而不为也。’子贡瞒然,俯而不对。”这段对话为子贡与老人的对话给出了机械的概念界定即“机械是能用力甚寡而见功多的器械”。《韩非子》卷十五《难》二中有类似的论述:“审于地形、舟车、机械之利,用力少,致功大,则入多。”故此中国最迟在战国时期已形成了与现代机械工程学之“机械”涵义较相近的概念。
西方机械
在西方,最早的“机械”定义为古罗马建筑师维特鲁威〔Vitruvii〕在其着作《建筑十书》给定为“机械是把木材结合起来的装置,主要对于搬运重物发挥效力”,机械和工具作了区分:“机械〔machane〕和工具〔organon〕之间好似有着以下的区分。即机械是以多数人工和很大的力气而发生效果的,如重弩炮和葡萄压榨机。而工具则是一名操纵人员慎重地处理来达到目的的,如蝎形轻弩炮或不等圆的螺旋装置。因此工具和机械都是利用上不行缺少的东西。”亚历山大利亚·希罗〔HeronofAlexandria〕在1世纪最早争辩了机械的根本要素,他认为机械的要素有五类:轮与轴,杠杆,滑车,尖劈,螺旋。希罗的论述反映了古典机械的特征。
1724年德国莱比锡机械士廖波尔特〔Leopold〕给出的定义为“机械或工具是一种人造的设备,用它来产生有利的运动;同时在不能用其他方法节约时间和力气的地方,它能做到节省”。英国机械学家威利斯〔〕在其《机构学原理》〔ThePrincipleofMechanism,1841年〕所给的定义是:“任何机械〔machine〕都是由用各种不同方式连接起来的一组构件组成,使其一个构件运动,其余构件将发生确定的运动,这些构件与最初运动之构件的相对运动关系取决于它们之间连接的性质。”德国机械学家勒洛〔〕在其《理论运动学》
〔TheoretischeKinematik,GrundzügeeinerTheoriedesMaschienenwesens,1875年〕中的定义为“机械是多个具有抵抗力之物体的组合体,其配置方式使得能够借助它们强迫自然界的机械力做功,同时伴随着确定确实定运动。”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、皮质的简洁粗糙的工具是后来消灭的机械的先驱。从制造简洁工具演进到制造由多个零件、部件组成的现代机械,经受了漫长的过程。
古代机械
几千年前,中国人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,从使用人自身的体力,进展到利用畜力、水力和风力等外界动力。所用的材料从自然的石、木、土、动物毛皮,进展到人造材料。最早的人造材料是陶瓷,制造陶瓷器皿的陶车,已经成为具有动力、传动和工作三个局部的完整机械。
早在春秋时期就已格外普遍的桔槔
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进展起了重要作用。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。在中国,公元前1000~前900年就已有了冶铸用的鼓风器,并渐渐从人力鼓风进展到畜力
和水力鼓风。
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渐渐从木材改用更为坚韧,但难以用手工加工的金属。机械制造工业开头形成,并在几十年中成为一个重要产业。
动力是进展生产的重要因素
17世纪后期,随着各种机械的改进和进展,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,利用水轮来驱开工作机械。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解。在这样的生产需要下,18世纪初消灭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,根本上只应用于煤矿。
1765年,瓦特制造了有分开的冷凝器的蒸汽机,降低了燃料消耗率。1781年瓦特又创制出供给回转动力的蒸汽机,扩大了蒸汽机的应用范围。蒸汽机的制造和进展,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、冷却水系统等体积浩大、笨重,应用很不便利。
19世纪末,电力供给系统和电动机开头进展和推广。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根本动力。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。
三相异步电动机
发电站初期应用蒸汽机为原动力。20世纪初期,消灭了高效率、高转速、大功率的汽轮机,也消灭了适应各种水利资源的水轮机,促进了电力供给系统的蓬勃进展。
世纪后期制造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给的陆上工作机械,以后又用于汽车、移动机械和轮船,到20世纪中期开头用于铁路机车。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。内燃机和以后制造的燃气轮机、喷气发动机的进展,是飞机、航天器等成功进展的根底技术因素之一。
世纪后半叶,有限元法和电子计算机的广泛应用,使得对简洁的机械及其零件、构件进展力、力矩、应力等的分析和计算成为可能。对于把握有充分的实践或试验资料的机械或其元件,已经可以运用统计技术,依据要求的牢靠度,科学地进展机械设计。
电子技术与机械工程之间的关系近似于脑与手之间的关系,其区分仅在于人工智能的硬件还需要利用机械制造出来。过去,各种机械离不开人的操作和把握,其反响速度和操作精度受到进化很慢的人脑和神经系统的限制,电子技术则解决了这个问题。
机械构造原理
运动副:两构件直接接触并能产生相对运动的活动联接称为运动副。两构件相互联接构成运动副后,构件的某些独立运动将受到约束,自由度将随之削减。依据运
动副对构件相互运动约束状况和运动副元素接触状况的不同,运动副分为低副和高
副。低副指两构件通过面接触组成的运动副,高副指两构件通过点或线解除的运动副。
运动链:两个以上的构件通过运动副联接二构成的系统称为运动链。
常用运动副的符号
平面构造的自由度:机构具有独立运动的数目称为机构的自由度。构件以运动副的形式联接起来后,会受到某些限制它们之间的运动。使构件在某个方向的运动限制称为约束。运动副种类的不同,引入约束的数目也不同。
设一个平面机构共有n个活动构件,在未用运动副联接之前,全部活动构件共有3n个自由
P P
度。使用运动副联接后,自由度削减了,假设机构中有个低副,高副,这机构中全部运
L h
L h
动副引入的约束数目为2P+P个,故机构保存的的自由度数目为:
F=3n-(2P+P)
L h
平面连杆机构:由假设干个刚性构件通过低副—转动副或移动副联接而成,且各构件均在相互平行的平面内运动的机构。
铰链四杆机构,4-机架,1、3-连架杆,2-连杆
凸轮机构
齿轮传动
蜗杆传动
带传动和链传动