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新的动力装置 |
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内燃机的发展 内燃机是相对于蒸汽机来说的。蒸汽机是利用煤的燃烧来加热锅炉内的水，使水变成蒸汽，且蒸汽具有较高的压力。将这种蒸汽引入气缸，从而推动活塞，使曲轴旋转。因为煤是在气缸外面燃烧，所以可以说蒸汽机是一种 “外燃机”。由此我们可以推想，如果用某种“适当”的燃料，让它在气缸内燃烧，以推动活塞，使曲轴旋转，就可以称为“内燃机”了。 究竟需要什么样的“适当”燃料呢？不难想象：首先，燃料要能方便地送进气缸，最好能像空气一样，能被吸进去；其次，在气缸里易燃、好烧；第三，燃烧后气体要能方便地从气缸内排出去，不留残渣，否则气缸里将很快被残渣占满，而且活塞是在气缸内往复运动的，残渣会加剧活塞和气缸的磨损。这是最基本的三条。除此之外还有一些其他要求，如这种燃料容易获得，携带方便，使用安全等。但只要能满足以上三条，内燃机的设想即可实现。 人类的生产实践和科学试验使符合上述三个基本条件要求的燃料一个一个地实现了。最早出现的是煤气。煤气是将木炭或煤置于通风不太好的炉子里燃烧而产生出来的一种气体。它的主要成份是一种容易燃烧的一氧化碳气体。一氧化碳燃烧后生成二氧化碳，仍是气体，一般没有什么残渣。所以煤气是满足上述要求的。 正是在这样的条件下，1866年，德国人奥托创制了第一台能够实际使用的煤气内燃机。这台内燃机除了有气缸、活塞、连杆、曲轴、飞轮外，与蒸汽机不同的是：气缸上有两个蘑菇形的气门，一个为进气门，另一个为排气门。为了定时开启这两个气门，在内燃机内设置了一根由曲轴带动的凸轮轴，对应每个气门，凸轮轴上就有一个相应的凸轮，当凸轮的较多部位转到与气门杆的端部接触时，气门便被推开；当凸轮较高部位转过去后，气门便在气门弹簧的作用下关闭。 奥托的内燃机在当时可算得上是最出色的动力机械了，本身小巧紧凑，运转较平稳，费用较低。但在当时却未能得到广泛采用，这主要是由于它需要一个较大的煤气发生炉给它提供煤气。因此，在重量、体积和起动前的准备工作等方面与蒸汽机相比，优越性就不太多。加之内燃机刚出现，故障较多，人们对它的兴趣也就不大了。 事隔不久，另一种比它好的内燃机出现了，这就是现代汽车上装用的汽油机的原型。当时，好几个国家都先后有人造出了这种内燃机。不过，较有代表性和很快得到实用的是1882年由德国人戴姆勒造出的汽油内燃机。 从汽油内燃机这一名称，即可想到它用的燃料就是汽油。将汽油用于内燃机，首先遇到的是如何将液体的汽油与空气均匀而迅速地混合起来，形成很好的可燃混合气，供给内燃机工作。为此戴姆勒创造出了一个化油器。化油器的基本原理就是利用内燃机进气过程中，气流通过化油器中的一个“喉管”将汽油吸出并吹散，而形成混合气的。 戴姆勒的汽油机转动起来了，这条惊人的消息轰动了欧洲。这台汽油机创造了当时令人难以置信的高转速——每分钟1000多转。这样的转速在我们现在看来实在很平常，但那时人们所见过的只有每分钟200多转的蒸汽机，自然认为这是十分了不起的事了。 石油里的汽油可供汽油机用，剩下的部分还有没有可作内燃机燃料的呢？新的探索又开始了。 石油加温后，汽油被蒸馏出去了，再将温度升高一些，另一种油——柴油又被蒸馏出来。柴油不易蒸发，也难以用气流来吹散它。要使它与空气形成易燃混合气，只好另找途径。 1893年，一个叫狄赛尔的德国人首先造出了一台用柴油作燃料的内燃机，并于1897年制成压燃式的柴油及其喷油装置。后来，由于制做经验不成熟却忙于向各国推销，第一批20台售出后纷纷退货。但是柴油机固有的优点却得到不断完善和发展。在1904年已有近千台50～100马力的柴油机在使用。1908年至1914年间，有6个国家的潜艇采用柴油机能驱动，这是柴油机取得发展的重要标志。 水轮机的发明 福内昂受到他的老师——圣埃廷矿业学院的伯丁教授的影响，对水轮机发生了兴趣，于1823年开始研究水轮机。1824年，伯丁教授根据拉丁文turbo （意为漩涡）杜撰了“涡轮机”这个词。福内昂于1827年开始使用涡轮机。这种机器是非常需要的，因为蒸汽机只适用于煤便宜的地方，而水车又笨重，效率又低，也不能满足工业日益增长的需要。法国工业促进会悬赏6000法郎，鼓励人们研制有实用价值的水轮机。当时有4个竞争者。这笔奖金于1833年颁发给了福内昂，因为他研制成功了有50马力的水轮机。 福内昂的机器是一种向外流的反击式水轮机，转子上有 30个弯曲的翼片，水从里面流出，以当时难以令人置信的每分2300转的速度旋转。在这台水轮机成功之后，跟着出现了百余台不同尺寸的水轮机，其中一台最大的水轮机于1855年安装在朋特卢弗的巴黎水厂 （功率为 800马力）。 福内昂在青少年时代已很有才气。他15岁参加高考，成绩优异，为大学破格录取。他毕业参加工作后，在22岁时首次被委以重任，要他负责建一个轧钢厂。这个任务他完成得如此之好，以致他的工资马上增加了一倍。他不仅是一个职业工程师和设计师，而且是一个冶金学家和机械师，完全有能力实现伯丁原来的想法。他想出了支承和润滑环形转子轴承的办法：转子运转的速度很高，并为装在壳体内的固定叶片所包围，转子的轴承是很不好支承和润滑的。他对自己的设计守口如瓶，特别是对那些弯曲的叶片。 福内昂的水轮机效率很高。1837年制造的一台，其效率达百分之八十以上，几乎比下击水车的效率高三倍。 力大无比的水压机 你看到过万吨水压机吗？那高高大大的机器可真神奇，烧得通红的钢铁在它“手”里简直就像一团面粉；要它肩就扁，要它长就长。原来，神奇的水压机所产生的压力有好几万吨呢！难怪连钢铁也只能听任它的摆布哩。 说起水压机的发明，那可是法国科学家布莱斯·帕斯卡的功劳。 1623年6月19日，帕斯卡出生在法国的克莱蒙市，即现在的克莱蒙·菲郎市。他的父亲是一个博学多才的数学家，良好的家庭环境为他成长为天才人物提供了不可多得的条件。虽然帕斯卡39岁就离开了人世，但他对科学做出的贡献是巨大的。提起帕斯卡，人们自然而然会想到压力的单位——帕，这便是以他的姓名命名的；进一步还会联想到著名的“帕斯卡定律”，这是物理学中的一个重要定律，也是发明水压机的理论基础。 1646年10月，23岁的帕斯卡得知意大利物理学家托里拆利水银柱实验和对大气压力的发现时，他也开始了顽强探索。帕斯卡设计了两个巧妙连接在一起的玻璃管，依靠其中一个可以减少另一个管子里的水银表面上部空气的方法，他证明了空气压力的存在以及压力决定试管中水银柱高度的变化。 “啊，这一点我完全清楚了，”帕斯卡自言自语道，“液体中的压力是自下而上逐渐减少的。” 帕斯卡对两个连在一起的玻璃管的兴趣越来越浓厚，他制作了大大小小各种形状的玻璃管进行实验，并称其为“连通器”。 有一天，帕斯卡对一粗一细两个玻璃管组成的连通器来了兴致，他反玻璃管放在工作台上，并在管内加了一点水，粗细两个管内的水柱是一般高。 “对，这没错！因为粗细两个管的上端都开了口。可是如果我在其中一个管内压下一个塞子，会出现什么情形呢？”帕斯卡常常为自己设下一个又一个的难题。 他首先在粗管子里加入塞子，嗬！水竟然从细管的上端喷了出来。 接着，他又将塞子塞入细管内，这下倒没事，粗管内的水柱仅稍稍上升了一点点。 帕斯卡马上想到了一个问题：“如果同时在粗细两个管子上加上塞子，会出现什么结果呢？”这是思维上的跳跃，也是帕斯卡通向“帕斯卡定律”进而发明水压机的关键所在。 经过一系列精确的实验验证，帕斯卡终于在 1646年 10月发表了一篇论文——“论液体平衡”，其中提出了密闭流体传递压强的定律：“加在封闭容器中的液体任何一部分的压强 （即垂直作用于液体单位面积上的力），必然按原来的大小向各处传递。”这便是著名的“帕斯卡定律”。 这个定律告诉我们，在粗细连通器上，小活塞上加一个小压力，就可以在大活塞上得到一个大压力。如果大活塞的面积是小活塞面积的1000倍，那么，在小活塞上加1千克压力，大活塞便可顶起1000千克的庞然大物！其实，帕斯卡实验用的这个粗细连通器就是世界上最早的一台水压机。以后，人们在这基础上，用金属代替了玻璃，用油代替了水，并将油缸设计成油泵，于是，油压机诞生了。 今天，帕斯卡的这项发明可真称得上是子孙满堂：小的如“千斤顶”，它能将抛锚的汽车一点点抬起来；大的如“万吨水压机”，它能锻压大型的钢材。另外还有高层建筑施工用的自升塔式起重机，镜面磨削用的高精度磨床，操纵超音速飞机舵翼用的液压随动系统等，都离不开帕斯卡的这项发明呢。 汽轮机的发明 汽轮机是一种古老的想法只有靠技术的进步才能实现的范例。在19世纪后半期，钢及其合金得到了广泛使用。汽轮机就是在这种情况下出现的。 借助于连杆和曲轴将汽缸内活塞的线性运动变成转动，看来是一种迂回曲折的途径。如果把蒸汽直接喷在一个轮子的翼板上，就像水直接冲在水车上那样，事情一定会简单得多。这种想法 （冲击涡轮机的原理），是一个叫布兰卡的意大利人早在1629年就提出来的。反击式涡轮机（从涡轮机的外缘喷出的蒸汽转动轮子，蒸汽就像从轮转烟火的外缘冒出火花一样）的原理甚至还要古老。它是亚历山大城的赫罗在公元2世纪提出来的。然而自从工业革命开始以后，包括瓦特和特里维雪克在内的许多发明家，都曾试制过汽轮机或“旋转发动机”，可是都没有成功。 这个简单的想法容易使人误解，因为隐伏着一个很大的困难。这种涡轮机必须以闻所未闻的速度旋转，才能吸收蒸汽能量的有用部分。如果转不了那么快，这种装置比起活塞发动机来效率就差多了。罗斯伯爵的第六个儿子 （也是最小的一个儿子）帕森斯，在纽卡斯尔任工程师的初期解决了这个棘手的难题。他把一套有翼板的轮子安装在一个轴上，使蒸汽通过一个又一个轮子，轮子的直径随蒸汽压力的降低而增大。通过这种方式，每个轮子都吸收蒸汽的部分能量，这样速度就很高了。帕森斯的第一台涡轮机（于1884年获得专利）的转速，达到了每分钟 18000转。以前的任何技术都解决不了这项发明提出的问题。 涡轮机后来用作轮船的推进器，像“卡马尼亚号”、“鲁西塔亚号”和 “毛里塔尼亚号”这些早期的大型班船，都是用涡轮机推进的。然而帕森斯原来却是想用他发明的机器来发电。他设计的一种能够高速运转的直流发电机也获得了专利。 虽然后来在欧洲大陆和美国出现了与之竞争的涡轮机，但是帕森斯却不失为研制涡轮机的先驱者。也许除纽科门的蒸汽机外，没有什么发明是由一个人想出来而又那么完善，对社会的影响又那么大。如今我们一提到“蒸汽时代”，好像已成为历史，其实不然，我们所用电力的绝大部分，仍然是用汽轮机产生的。这些汽轮机，无一不是从帕森斯发明的汽轮机演变而来的。 燃气轮机的发明 如果涡轮机能靠蒸汽运转，就像亚历山大城的赫罗在公元前2世纪提出和帕森斯在1897年所证明的那样，为什么不能靠可以产生更大动力的其他力量运转呢？这是一个合乎逻辑的问题。在20世纪30年代，科学家们，主要是瑞士的科学家们，已开始把燃气轮机当成一个经济问题来考虑了。 基本上可以这样说，燃气轮机是一种有叶片的轮子，指向叶片和叶片之间的强有力的喷气迫使叶片转动。叶片固定在一个轴上，叶片的转动带动轴；动力从涡轮机的轴传出，可用皮带或齿轮带动任何机械。燃气轮机所需的空气用压缩机压入，进入燃烧室后与喷人的燃油相混，然后点燃油。燃料着火后便开始膨胀，把热气体压进涡轮机，使轴转动，产生动力。 起初，燃气轮机的成本低、体积小、重量轻、构造相当简单和能很快起动等优点，都抵销不了它的一大缺点，就是它需要耐高温度的特种金属，而且耗费的燃料也很多。除了霍尔茨沃思1908年的实用燃气轮机外，直到瑞士的布朗—博维里公司开始研制燃气轮机时，气体才被当成一种可能起推进作用的动力源。在 20世纪 30年代中期，美国各州的油田大约使用了装机容量为6000千瓦的燃气轮机发电机组。数年后，燃气轮机越来越多地用来在高峰用电期间为发电机提供动力。然而这种形式的动力最初效率不高，因而很少使用。 在第二次世界大战后，燃气轮机越造越大，效率也有所提高。英国的第一台辅助燃气轮机发电机，于1952年在曼彻斯特开始运转。俄国降低燃气轮机的燃料消耗和废物排放的实验也获得了成功。一台装机容量为 20000千瓦的涡轮机已使用廉价的地下管道煤气作燃料。1962年，一个燃气轮机机组产生的余热首次被用来给水加热。前苏联有一台装机容量为50 000千瓦的燃气轮机，它可能是当今世界上最大的燃气轮机。 这种形式的动力也用于运输。1941年，瑞士联邦铁路局生产出了第一辆用燃气轮机提供动力的机车，其功率达到2200马力。人们发现，涡轮机比蒸汽机更为有效。最早用燃气轮机提供动力的汽车是英国罗弗公司于1950年制造出来的。后来，这种汽车在赛车中显得相当不错。1963年一辆燃气轮机汽车参加了极度紧张的勒芒24小时赛，以平均每小时109.7英里的速度驰骋了2553英里，中途只停过9次。用燃气轮机成功地提供动力的救火车和用涡轮机驱动的轻型的便携式救火泵，迄今已在美国使用了若干年了。在海上，许多海军喜欢燃气轮机发动机，至少是喜欢用它配合其他形式的动力使用；在航空中，燃气轮机也成了喷气推进发动机的组成部分——英国的惠特尔爵士把它改造完善之后就用在飞机上了。 虽然在运输中燃气轮机发动机看来性能稳定，重量轻，寿命长，很少需要维修，但是它的燃料消耗很厉害，这就妨碍了它被广泛地用于铁路运输和公路运输。然而在工业上，使用燃气轮机来为机器提供动力的情况正日益普遍。 斯特林发动机 在 19世纪初期，人们繁重的体力劳动终于为有多种用途的蒸汽机所替代。然而糟糕的是，蒸汽机技术还相当不完善，效率很低，熟练的工程师不得不经常进行检修；更讨厌的是锅炉经常爆炸，造成严重损失和伤亡事故。这样的悲剧在海上尤为频繁。在海上，机器的重量被减到最小的程度，锅炉经常受到风暴的应力——这种情况是设计人员决不允许的。苏格兰工程师和发明家斯特林（1790～1878年），在十几岁的时候就花了若干年来研制一种更好的无需锅炉的发动机。 不久他就产生了用空气代替蒸汽作工作介质的想法。一个叫萨迪·卡诺的法国人曾发表过关于理想的热力循环的论文，但是没有谈到怎样制造这样的发动机。斯特林用金属器具作实验，与此同时，夜以继日地在纸上进行计算。1817年，他终于获得了一种以他的姓命名的发动机的专利。他未能制造出一台能工作的好样机，因为他的想法无疑超越了时代。 斯特林循环的理论基础是，一个体积的气体，会持续地在被带热源和回热器的汽缸和作往复运动的活塞所密封的容积内振动。在每一个循环开始时，气体在一个不变的容积内加热，进行恒温膨胀（温度不变），驱动输出活塞，在膨胀后的较大的容积内冷却，然后进行恒温压缩 （在较低的不变的温度下压缩）。对他的发动机来说，重要的是从外面提供热能。他自己未能制造出一台有用的发动机的原因之一，是单就加热和冷却汽缸的外壁这一点就注定要失败。加热和冷却坚固的金属壁的速度不能达到要求，因此，产生的动力太小，不能用来驱动发动机。 到19世纪中期，勒努瓦和其他发明家已研制成功了燃氧发动机，在这种发动机中，热量由工作液而不是由汽缸产生。到1900年，奥托和狄塞尔已制造出了燃烧液态燃料的发动机；在当今世界上，这些发动机的应用极为普遍。但是在1938年，当丹麦的菲利普斯 NV公司寻求一种发动机，用来驱动用于偏僻地区的小发电机时，却逐渐得出了这样的结论：斯特林发动机可能有潜在的巨大意义，可是它被人们忽视了，受到了世人的冷遇。现在，许多公司都在制造斯特林发动机，一般都是得到菲利普斯公司的允许的。大多数的斯特林发动机都有合理的菱形联动装置，由沿同一汽缸独立地作往复运动的两个活塞提供输出的动力。气体——可以是空气、氦和氢——在每一个循环中都把自己热量的99％传给一个多孔的金属回热器（热库），在回流时又将其带回。热源可以是任何热到有用程度的东西（例如营火），而这种发动机的一个最突出的特点，是其便携式样机既可以用高辛烷值的汽油作燃料，也可以用从油井获得的原油作燃料，甚至可以用色拉油作燃料。” 由于燃料继续不断地燃烧，这就有可能把不希望在外面产生的污染物降低到最小限度——这一点却是内燃机作不到的。斯特林发动机也可以造得运转平稳、噪声极小。适用于船只、车辆和其他各种用途的斯特林发动机，已经证明，其功率、成本、可靠性和使用寿命至少不逊于其他发动机。无疑，这个有160年之久的原理正开始为人们所广泛应用。由于人们对奥托发动机和狄塞尔发动机造成的环境问题日益关注，就进一步推动了斯特林发动机的应用。 汪克尔发动机 自从本茨和戴姆勒在19世纪80年代的发明以来，驱动汽车的发动机的设计几乎没有什么变化。传统的内燃机仍然用活塞工作，气体爆燃迫使活塞在汽缸内上下移动，其往复运动转变成转动，用以转动车轮。 直到本世纪50年代后期，德国康斯坦斯湖畔林道地区的一个叫汪克尔的工程师，找到了一种无须将一种运动转变成另一种运动就能解决此问题的方法；这种方法是用转动代替汽缸里的往复运动。他的“汽缸”不是长方形的，而是圆形的；他的“活塞”是一个三角形的转盘，转盘的边缘略带弧形，这样，在整个转动过程中，三边中至少有两边为移动和膨胀的气体留下空间。转动的活塞盘也自动地打开和关闭进气口和排气阀。 由于他在设计上的革新，发动机的体积变得小多了，工作得更平稳了，活动的部件也少了；其不足之处是，这种发动机比传统的发动机要稍微多消耗一点燃料。汪克尔发动机的四个冲程——吸气、压缩、点火、排气——是在活塞盘的转动过程中完成的，而每转一转都有三个动力冲程。事实上，一台单转子的汪克尔发动机所做的功，等于一台有三个汽缸的传统发动机所做的功，一台双转子所作的功，等于一台有六个汽缸的传统发动机所作的功，总功率达到100多制动马力。汪克尔发动机的平均速度是每分钟5500转，最大速度为每分钟7000转。 这种转动活塞发动机只有两个活动部件：转子和通向齿轮箱和输出轴。它需要一个汽化器和若干个火花塞，但无需活塞杆、曲轴或复杂的阀门控制；这使得汪克尔发动机的重量比传统的发动机的重量要轻四分之一，而且在大规模生产时还要便宜一些。 最先制造汪克尔车的是德国的内卡苏尔姆联合交通工具公司；接着日本的木田汽车公司在1968年也开始制造。美国的通用汽车公司于1974年在市场上出售小型的雪弗莱·维加牌汪克尔车。获得生产汪克车尔的特许证的主要汽车公司有默塞德斯—奔驰公司、沃尔克斯瓦金公司、丰田公司、罗尔斯—罗伊斯公司、阿尔法·罗梅罗公司和雪铁龙公司以及许多国家的20余个其他的公司。 发明电动机 1791年9月22日，法拉第（一个铁匠的儿子）诞生在伦敦西部曼彻斯特广场附近的屋子里，屋子的下面是马车棚。由于他的身分和坚决要求，他在21岁时，获得了阿尔比马尔街附近的皇家学院实验室的一个低级职务。 丹麦人奥斯特教授的一个发现使他颇感兴趣。奥斯特教授偶然注意到，当有电流流动时导线拿近装有枢轴的磁针时，磁针便会偏转。法拉第对这种效应苦苦思索，终于确信电和磁之间有一种明显的关系。经过许多实验之后，他试制出了自己的“电转”，即符合现代观念的早期的电动机。 在他设计的各种实验中最重要的一项实验，是在一个钩子上悬置一条 6英寸长的铜导线，让导线的下端浸入一碗汞中，汞的中央有一根垂直固定的棒形磁体。通电后，连续的电流便从电池流向钩子，从钩子流向导线，从导线流向汞，致使导线开始围绕着磁棒旋转；只要电流不断，导线就继续旋转。这年是1821年，电动机就这样发明了。 发明发电机 学过物理课的人都会记得，英国科学家法拉第于1831年发现了电磁感应原理。这一在人类社会发展过程中起到重要作用的原理是说：“当磁场的磁力线发生变化时，在其周围的导线中就会感应产生电流。” 法拉第曾煞费苦心，通过研究和反复实验，终于发现了这一影响巨大的科学原理，而且他确信，利用此原理肯定能制造出可以实际发电的发电机。 就在法拉第发现电磁感应原理的第二年，受法拉第发现的启示，法国人皮克希应用电磁感应原理制成了最初的发电机。 皮克希的发电机是在靠近可以旋转的U形磁铁 （通过手轮和齿轮使其旋转）的地方，用两根铁芯绕上导线线圈，使其分别对准磁铁的N极和S极，并将线圈导线引出。这样，摇动手轮使磁铁旋转时，由于磁力线发生了变化，结果在线圈导线中就产生了电流。 由这种发电机的装置可以知道，每当磁铁旋转半圈时，线圈所对应的磁铁的磁极就改变一次，从而使电流的方向也跟着改变一次。为了改变这种情况，使电流方向保持不变，皮克希想出了一个巧妙的办法：在磁铁的旋转轴上加装两片相互隔开成圆筒状的金属片，由线圈引出的两条线头，经弹簧片分别与两个金属片相接触。另外，再用两根导线与两个金属片接触，以引出电流。这个装置，就叫做整流子，在后来的发电机上仍得到应用。 整流子为什么能保持电流方向不变呢？这是因为电流从线圈流入整流子，而整流子是和磁铁一起旋转的。当磁铁转过半圈，线圈中电流方向倒逆过来，整流子也正好转过半周来而掉转了方向，因而输出的电流方向始终是不变的。 皮克希发明的这种发电机在世界上是首创，当然也有其不足之处。需要对它进行改进的地方，一是转动磁铁不如转动线圈更为方便灵活；二是通过整流子可以得到定向的电流，但是电流强弱还是不断变化的。为改变这种情况，人们采用增加一些磁铁和线圈数量，并稍微错开地将变化的电流一起引出的办法，使输出电流的强度变化控制在一定的范围内。 从皮克希发明发电机后的30多年间，虽然有所改进，并出现了一些新发明，但成果不大，始终未能研制出能输出像电池那样大的电流，而且可供实用的发电机。 1867年，德国发明家韦纳·冯·西门子对发电机提出了重大改进。他认为，在发电机上不用磁铁（即永久磁铁），而用电磁铁，这样可使磁力增强，产生强大的电流。 西门子用电磁铁代替永久磁铁发电的原理是，电磁铁的铁芯在不通电流时，也还残存有微弱的磁性。当转动线圈时，利用这一微弱的剩磁发出电流，再反回给电磁铁，促使其磁力增强，于是电磁铁也能产生出强磁性。 接着，西门子着手研究电磁铁式发电机。很快就制成了这种新型的发电机，它能产生皮克发电机所远不能相比的强大电流。同时，这种发电机比连接一大堆电池来通电要方便得多，因而它作为实用发电机被广泛应用起来。 西门子的新型发电机问世后不久，意大利物理学家帕其努悌于1865年发明了环状发电机电枢。这种电枢是以在铁环上绕线圈代替在铁芯棒上绕制的线圈，从而提高了发电机的效率。 实际上，帕斯努悌早在1860年就提出了发电机电枢的设想，但未能引起的人们的注意。1865年，他又在一本杂志上发表了这一独创性的见解，仍未得到社会的公认。 到了1869年，比利时学者古拉姆在法国巴黎研究电学时，看到了帕其努悌发表的文章，认为这一发明有其优越性。于是，他就根据帕其努悌的设计方案，兼采纳了西门子的电磁铁式发电机原理进行研制，于 1870年制成了性能优良的发电机。 在帕其努悌的发明中，对发电机的整流子部分进行了重要改进，使发电机发出的电流强度变化极小。而采用帕其努悌设计方案制成的古拉姆式发电机，其发出的电流强度变化也很小。这是古拉姆发电机的优良性能的表现之一。 古拉姆发电机的性能好，所以销路很广，他不仅发了财，而且被人们誉为“发电机之父”。 有些人看到古拉姆发明发电机获得成功，也想对发电机进行改进从而制造出更先进的发电机。在这些人中，就有德国的西门子公司研究发电机的工程师阿特涅。他发明了古拉姆发电机不同的线圈绕线方式，制成了性能良好的发电机。 古拉姆发电机的电枢是将铁丝绕成环状，在环与环之间夹上纸进行绝缘，然后将环捆在一起作为铁芯，在其上面绕上导线线圈，再由线圈的不同部位引出一些导线，接向带整流子。而阿特涅发电机的电枢，是用许多薄圆铁板以纸绝缘后重叠起来，制成铁芯，然后在上面绕上导线线圈。人们把这种方法叫做“鼓卷”，意思是像鼓一样的形状。经过这种改进后，发电机无论是外观或是性能，都比原来有了很大起色。 西门子公司由于阿特涅的这项发明而益发驰名。于是，德国以西门子公司为核心，大力研制各种发电机，从而使电力工业得到了迅速的发展。 随着发电机的逐渐大型化，转动发电机的动力也发生了变化。其中以水力作动力更使人们感兴趣。这是因为用水力转动大型发电机较方便，而且不消耗燃料，成本低。因此，西门子公司又投入水力发电的研究工作。 利用水力发电与水力发电不同，前者必须将发电机安装在水流湍急的地方，也就是水流落差大的地方。这样，就必须在山中河川的上游发电，然后再输送到远方的城市。 为了远距离输送电，就要架设很长的输电线。但是，在输电线中通过很强的电流时，电线就要发热，这样，好不容易发出的电能在送向远方的途中，却因为电线发热而损耗掉了。 为了减少电能在长距离输送中的发热损耗，可以采用的办法有两个：一是增加电压的截面积，即将电线加粗，减小电阻；二是提高电压而减小电流。前一个措施因需要大量的金属导线，而且架设很粗的导线有很多困难，因而很难得到采用。比较起来，还是后一个措施有实用价值。然而，对于当时使用的直流电来说，使其电压提高或降低都是难以实现的。于是，人们只得开始考虑利用电压很容易改变的交流电。 看来，将直流发电机改为交流电发电机比较容易，主要是取掉整流子就行了。所以，西门子公司的阿特涅便于1873年发明了交流发电机。此后，对交流发电机的研究工作便盛行起来，从而使这种发电机得到了迅速的发展。 “机械之母” 第一台镗床问世 工场手工业虽然是相对落后的，但是它却训练和造就了许许多多的技工，他们尽管不是专门制造机器的行家里手，但他们却能制造各种各样的手工器具，例如刀、锯、针、钻、锥、磨以及轴类、套类、齿轮类、床架类等等，其实机器就是由这些零部件组装而成的。 说起镗床，还先得说说达·芬奇。这位传奇式的人物，可能就是最早用于金属加工的镗床的设计者。他设计的镗床是以水力或脚踏板作为动力，镗削的工具紧贴着工件旋转，工件则固定在用起重机带动的移动台上。1540年，另一位画家画了一幅《火工术》的画，也有同样的镗床图，那时的镗床专门用来对中空铸件进行精加工。 到了17世纪，由于军事上的需要，大炮制造业的发展十分迅速，如何制造出大炮的炮筒成了人们亟需解决的一大难题。 世界上第一台真正的镗床是 1775年由威尔金森发明的。其实，确切地说，威尔金森的镗床是一种能够精密地加工大炮的钻孔机，它是一种空心圆筒形镗杆，两端都安装在轴承上。 1728年，威尔金森出生在美国，在他20岁时，迁到斯塔福德郡，建造了比尔斯顿的第一座炼铁炉。因此，人称威尔金森为“斯塔福德郡的铁匠大师”。1775年，47岁的威尔金森在他父亲的工厂里经过不断努力，终于制造出了这种能以罕见的精度钻大炮炮筒的新机器。有意思的是，1808年威尔金森去世以后，他就葬在自己设计的铸铁棺内。 但是，威尔金森的这项发明没有申请专利保护，人们纷纷仿造它，安装它。1802年，瓦特也在书中谈到了威尔金森的这项发明，并在他的索霍铁工厂里进行仿制。以后，瓦特在制造蒸汽机的汽缸和活塞时，也应用了威尔金森这架神奇的机器。原来，对活塞来说，可以在外面一边量着尺寸，一边进行切削，但对汽缸就不那么简单了，非用镗床不可。当时，瓦特就是利用水轮使金属圆筒旋转，让中心固定的刀具向前推进，用以切削圆筒内部，结果，直径75英寸的汽缸，误差还不到一个硬币的厚度，这在当对是很先进的了。 在以后的几十年间，人们对威尔金森的镗床作了许多改进。1885年，英国的赫顿制造了工作台升降式镗床，这已成为了现代镗床的雏型。 车床诞生记 早在古埃及时代，人们已经发明了将木材绕着它的中心轴旋转时用刀具进行车削的技术。起初，人们是用2根立木作为支架，架起要车削的木材，利用树枝的弹力把绳索卷到木材上，拉动绳子转动木材，用刀具车削。 这种古老的方法逐渐演化，发展成了在滑轮上绕二三圈绳子，绳子架在弯成弓形的弹性杆上，来回推拉弓使加工物体旋转从而进行车削，这便是“弓车床”。 到了中世纪，有人设计出了用脚踏板旋转曲轴并带动飞轮，再传动到主轴使其旋转的“脚踏车床”。16世纪中叶，法国有一个叫贝松的设计师设计了一种用螺丝杠使刀具滑动的车螺丝用的车床，可惜的是，这种车床并没有推广使用。 时间到了18世纪，又有人设计了一种用脚踏板和连杆旋转曲轴，可以把转动动能贮存在飞轮上的车床上，并从直接旋转工件发展到了旋转床头箱，床头箱是一个用于夹持工件的卡盘。 在发明车床的故事中，最引人注目的是一个名叫莫兹利的英国人，因为他于1797年发明了划时代的刀架车床，这种车床带有精密的导螺杆和可互换的齿轮。 莫兹利生于1771年，18岁的时候，他是发明家布拉默的得力助手。据说，布拉默原先一直是干农活的，16岁那年因一次事故致使右踝伤残，才不得不改行从事机动性不强的木工活。他的第一项发明便是 1778年的抽水马桶，莫兹利开始一直帮助布拉默设计水压机和其他机械，直到26岁才离开布拉默，因为布拉默粗暴地拒绝了莫利兹提出的把工资增加到每周30先令以上的请求。 就在莫兹利离开布拉默的那一年，他制成了第一台螺纹车床，这是一台全金属的车床，能够沿着2根平行导轨移动的刀具座和尾座。导轨的导向面是三角形的，在主轴旋转时带动丝杠使刀具架横向移动。这是近代车床所具有的主要机构，用这种车床可以车制任意节距的精密金属螺丝。 3年以后，莫兹利在他自己的车间里制造了一台更加完善的车床，上面的齿轮可以互相更换。不久，更大型的车床也问世了，为蒸汽机和其他机械的发明立下了汗马功劳。 19世纪，由于高速工具钢的发明和电动机的应用，车床不断完善，终于达到了高速度和高精度的现代水平。 刨床和铣床 在发明过程中，许多事情往往是相辅相承、环环相扣的：为了制造蒸汽机，需要镗床相助；蒸汽机发明发后，从工艺要求上又开始呼唤龙门刨床了。可以说，正是蒸汽机的发明，导致了“工作母机”从镗床、车床向龙门刨床的设计发展。其实，刨床就是一种刨金属的“刨子”。 由于蒸汽机阀座的平面加工需要，从19世纪初开始，很多技术人员开始了这方面的研究，其中有理查德·罗伯特、理查德·普拉特、詹姆斯·福克斯以及约瑟夫·克莱门特等，他们从1814年开始，在25年的时间内各自独立地制造出了龙门刨床。这种龙门刨床是把加工物件固定在往返平台上，刨刀切削加工物的一面。但是，这种刨床还没有送刀装置，正处在从“工具“向 “机械”的转化过程之中。到了1839年，英国一个名叫博德默的人终于设计出了具有送刀装置的龙头刨床。 另一位英国人内史密斯从1831年起的40年内发明制造了加工小平面的牛头刨床，它可以把加工物体固定在床身上，而刀具作往返运动。 此后，由于工具的改进、电动机的出现，龙门刨床一方面朝高速切割、高精度方向发展，另一方面朝大型化方向发展。 19世纪，英国人为了蒸汽机等工业革命的需要发明了镗床、刨床，而美国人为了生产大量的武器，则专心致志于铣床的发明。铣床是一种带有形状各异铣刀的机器，它可以切削出特殊形状的工件，如螺旋槽、齿轮形等。 早在1664年，就有人依靠旋转圆形刀具制造出了一种用于切削的机器，这可算是原始的铣床了。当然，真正确立铣床在机器制造中地位的，要算美国人惠特尼了。 1818年，惠特尼制造了世界上第一台普通铣床，但是，铣床的专利却是英国的博德默于1839年捷足先“得”的。 1862年，美国的布朗制造出了世界上最早的万能铣床，这种铣床在备有万有分度盘和综合铣刀方面是划时代的创举。万能铣床的工作台能在水平方向旋转一定的角度，并带有立铣头等附件。同时，布朗还设计了一种经过研磨也不会变形的成形铣刀，接着还制造了磨铣刀的研磨机，使铣床达到了现在这样的水平。 磨床和钻床 磨削是人类自古以来就知道的一种古老技术，旧石器时代，磨制石器用的就是这种技术。以后，随着金属器具的使用，促进了研磨技术的发展。但是，设计出名副其实的磨削机械还是近代的事情，即使在19世纪初期，人们依然是通过旋转天然磨石，让它接触加工物体进行磨削加工的。 1864年，美国制成了世界上第一台磨床，这是在车床的溜板刀架上装上砂轮，并且使它具有自动传送的一种装置。过了12年以后，美国的布朗发明了接近现代磨床的万能磨床。 人造磨石的需求也随之兴起。如何研制出比天然磨石更耐磨的磨石呢？1892年，美国人艾奇逊试制成功了用焦炭和砂制成的碳化硅，这是一种现称为C磨料的人造磨石；2年以后，以氧化铝为主要成份的A磨料又试制成功，这样，磨床便得到了更广泛的应用。 以后，由于轴承、导轨部分的进一步改进，磨床的精度越来越高，并且向专业化方向发展，出现了内圆磨床、平面磨床、滚磨床、齿轮磨床、万能磨床等等。 与磨削技术相似，钻孔技术也有着久远的历史。考古学家现已发现，公元前4000年，人类就发明了打孔用的装置。古人在两根立柱上架个横梁，再从横梁上向下悬挂一个能够旋转的锥子，然后用弓弦缠绕带动锥子旋转，这样就能在木头石块上打孔了。不久，人们还设计出了称为“辘轳”的打孔用具，它也是利用有弹性的弓弦，使得锥子旋转。 到了 1850年前后，德国人马蒂格诺尼最早制成了用于金属打孔的麻花钻；1862年在英国伦敦召开的国际博览会上，英国人惠特沃斯展出了由动力驱动的铸铁柜架的钻床，这便成了近代钻床的雏形。 以后，各种钻床接连出现，有摇臂钻床、备有自动进刀机构的钻床、能一次同时打多个孔的多轴钻床等。由于工具材料和钻头的改进，加上采用了电动机，大型的高性能的钻床终于制造出来了。 不断发展的车床 19世纪末到20世纪初，单一的车床已逐渐演化出了铣床、刨床、磨床、钻床等等，这些主要机床已经基本定型，这样就为20世纪前期的精密机床和生产机械化和半自动化创造了条件。 在20世纪的前20年内，人们主要是围绕铣床、磨床和流水装配线展开的。由于汽车、飞机及其发动机生产的要求，在大批加工形状复杂、高精度及高光洁度的零件时，迫切需要精密的、自动的铣床和磨床。由于多螺旋线刀刃铣刀的问世，基本上解决了单刃铣刀所产生的振动和光洁度不高而使铣床得不到发展的困难，使铣床成为加工复杂零件的重要设备。 被世人誉为“汽车之父”的福特，提出：汽车应该是“轻巧的、结实的、可靠的和便宜的”。为了实现这一目标，必须研制高效率的磨床，为此，美国人诺顿于1900年用金刚砂和刚玉石制成直径大而宽的砂轮，以及刚度大而牢固的重型磨床。磨床的发展，使机械制造技术进入了精密化的新阶段。 在1920年以后的30年中，机械制造技术进入了半自动化时期，液压和电器元件在机床和其他机械上逐渐得到了应用。1938年，液压系统和电磁控制不但促进了新型铣床的发明，而且在龙门刨床等机床上也推广使用。30年代以后，行程开关——电磁阀系统几乎用到各种机床的自动控制上了。 第二次世界大战以后，由于数控和群控机床和自动线的出现，机床的发展开始进入了自动化时期。数控机床是在电子计算机发明之后，运用数字控制原理，将加工程序、要求和更换刀具的操作数码和文字码作为信息进行存贮，并按其发出的指令控制机床，按既定的要求进行加工的新式机床。 数控机床的方案，是美国的帕森斯在研制检查飞机螺旋桨叶剖面轮廓的板叶加工机时向美国空军提出的，在麻省理工学院的参加和协助下，终于在1949年取得了成功。1951年，他们正式制成了第一台电子管数控机床样机，成功地解决了多品种小批量的复杂零件加工的自动化问题。以后，一方面数控原理从铣床扩展到铣镗床、钻床和车床，另一方面，则从电子管向晶体管、集成电路方向过渡。 1970年至1974年，由于小型计算机广泛应用于机床控制，出现了3次技术突破。第一次是直接数字控制器，使一台小型电子计算机同时控制多台机床，出现了“群控”；第二次是计算机辅助设计，用一支光笔进行设计和修改设计及计算程序；第三次是按加工的实际情况及意外变化反馈并自动改变加工用量和切削速度，出现了自适控制系统的机床。 1968年，英国的毛林斯机械公司研制成了第一条数控机床组成的自动线，不久，美国通用电气公司提出了“工厂自动化的先决条件是零件加工过程的数控和生产过程的程控”，于是，到70年代中期，出现了自动化车间，自动化工厂也已开始建造。 经过100多年的风风雨雨，机床的家族已日渐成熟，真正成了机械领域的“工作母机”。 |
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