工程技术论文范文10篇

时间:2023-03-30 06:29:00

工程技术论文

工程技术论文范文篇1

我国相关部门对灌溉设施建设缺乏统一的标准进行约束,而且没有做好灌溉设施更新与维护工作,很多设施老化都出现了老化问题,而且采用传统土渠道进行农田灌溉,渗水量比较大,会造成水资源的浪费,增加了农田水利工程的经济损失,由于灌溉的方式比较落后,所以,水资源的利用率比较低,不利于促进农田水利工程的可持续发展,为了解决这一问题,相关研究人员对防渗渠灌溉技术进行了开发与研究,这有利于实现节水灌溉。防渗渠灌溉技术的发展,可以避免出现水资源过度开发问题,而且可以避免水资源出现恶化,有利于提高水资源的利用率,还可以改善周围生态环境,对农业发展也有着促进意义。发展防渗渠技术,可以提高农作物的品质以及产量,可以实现农业增产以及增收,可以促进我国农业更好的发展。

2砖衬砌矩型防渗渠在农田水利工程中的应用

在农田水利工程中应用砖衬砌矩型防渗渠技术,可以提高水资源的利用率,可以降低农田灌溉的需水量,避免在农田灌溉的过程中出现水资源浪费问题,实现对水资源的合理利用以及优化配置,从而达到节约用水的效果。在农田灌溉中应用砖衬砌矩型防渗渠技术,还可以降低渠道塌陷的概率,可以提高渠道抗冲击能力,有利于延长渠道的使用寿命。防渗渠可以改变水的流速,可以提高灌溉的效率,有利于为农作物生长提供充足的水源,帮助农作物更加健康的生长。砖衬砌矩型防渗渠技术施工成本比较低,在应用的过程中,可以降低灌溉的成本,提高农田水利工程的经济效益,从而改善农民的生活。

3农田水利中的砖衬砌矩型防渗渠工程技术

3.1清理平整

在农田水利灌溉工程施工前,首先需要做好清理平整工作,施工人员需要对渠道周围的杂草以及杂物进行清理,还要保证施工场地的平整性,这样才能保证后续工程项目的顺利进行。在农田中如果杂物的数量比较多,而且不好清理,施工单位可以利用挖掘机进行平整,可以在其他地区购买优质的土质进行填充,在这一过程中,一定要保证施工场地的清洁性,这样才能保证砖衬砌矩型防渗渠工程项目施工的安全性,在清理的过程中,需要同时做好平整工作,这样可以保证砌砖工程项目的顺利进行。

3.2施工工作

3.2.1找平弹线。砌筑前,先在基础上用水泥砂浆找平,然后根据龙门板上的轴线定位打或用轴线控制点弹出轴线、边线。

3.2.2摆砖样。在放好线的基面上按选定的组砌方式用干砖试摆,核对所弹出的轴线,边线等是否符合砖的模数,以便借助灰缝进行调整,尽量减少砍砖,并使砖墙灰缝均匀,组砌得当。

3.2.3砌筑。砌筑时为保证水平灰缝平直,要挂线砌筑。一般可在墙角及纵横墙交接处按皮数杆先砌几皮砖,然后在其间挂准线砌筑中间砖。砌筑时宜采用“三一”砌砖法,即一铲灰、一块砖、一挤揉。如采用镜灰法砌筑,铺灰长度不得超过750mm。

3.2.4砖砌体的质量要求及保障措施。

1)横平竖直,即要求砖砌体水平灰缝平直、表面平整和竖向垂直等。为此,要求砌筑时必须立皮杆数、挂线砌砖,并应随时吊线、直尺检查和矫正墙面的平整度和竖向垂直度。

2)灰装饱满,砌体灰缝砂桨的饱满程度直接影响它的作用和砌体强度。因此要求砖砌体书平和竖向灰缝砂浆应饱满,实心砖砌体水平灰缝的砂浆饱满度不得低于80%。

3)错缝搭接,砖砌体的砌筑应遵循“上下错缝,内外搭砌”的原则。其主要目的是避免砌体竖向出现通缝,影响砌体的整体受力。

3.2.5抹面。抹面是砌筑的最后的一道工序,具有保护墙面和美观的作用。当砌筑结束后,需用水泥砂装在墙体的两侧均匀的涂抹。涂抹的越平整就越有利于灌溉水在渠内的流淌。

3.3养护

当上述工作都完成后,就表明该项工程已经初步完成了。此时对防渗果的保养护理工作就变得尤为重要了。在常温条件下用适当的材料(如草帘)搜盖在已完成的工程表面并进行适当浇的水,维持2-3d。养护期间,切忌随意翻动覆盖在表面的材料,确保工程的养护效果。

3.4质量检查

在工程的施工过程中要不断地进行检查:最初要对砖的质量进行检查,在各阶段施工过程中也要检查施工的质量,最后当养护工作结束后也要进行最后的检查并对其验收评定。检查工作一定不能马虎,对于在检查时发现的问题要及时的解决处理,确保工程能够顺利的进行下去。

3.5砖衬砌矩型防渗渠采用的新工艺

当前对砖衬砌矩型防渗渠运用的工艺大体上有两种改进方式:

1)对砖的用料进行改进,像利用已有的工业废料进行再次利用的节约型砖、运用新型高分子材料制造的新型砖等。这些砖绿色低碳环保,符合当今社会的发展方向。

2)在去防渗渠的表面覆盖一层超薄的分子膜,这种分子膜不仅可以使渠面更加光滑,加快灌溉水的流速;还有利渠面的防渗工作,更好的减少了灌溉水在途中的损失。应用这些新颖的工艺将会使防渗渠的防渗效果迈上一个新的台阶。

工程技术论文范文篇2

随着我国经济社会的快速发展工程地质勘察水平也在日益提高,无论是勘察设备、勘察方式、相关仪器以及计算机水平都得到了极大提高,特别是相关勘察人员的专业水平也得到了长足发展。但是随着勘察工作的不断推进,传统的勘察技术和经验已经不能满足,这就需要工作人员不断总结,不断创新,寻找更有效的方式。这样才能进一步促进我国岩石勘察工作的发展,降低勘察成本。在岩石勘察过程中主要的目的是为了了解工程现场的具体状况,并且结合这些内容为设计和施工提供相关参数。所以岩石勘察工作在工程建设和成本控制过程中发挥极为重要的作用。工程勘察质量对整个工程的安全都会产生巨大影响。尤其是基础地质岩石测试参数会影响到工程基础设计,一旦这一参数存在问题就会造成基础设计的安全问题,增加设计成本。一般岩土工程勘察工作包括原状土取样、现场钻探、试验以及现场原位测试等工作,在执行过程中每一项都要严格按照国家规定的标准进行,要提高测试结果的准确性。

2几个重要工程技术存在的缺陷

2.1由于地质形态造成的问题:通常包括确定不明的地下物体、地下空洞以及岩石的分布形态和相关位置等。

2.2岩土参数的相关问题:需要对一些难以取到原装的岩石以及难于在室内进行实验的粗颗粒土、风化石以及残积土等。这些岩石的参数是比较难确定的。

2.3技术素质的问题:工作人员的专业素养和知识水平也会对岩石勘察工作产生巨大影响,一些工作人员缺乏基本的专业素质或者是技术交流能力,也是造成岩石勘察工作问题的重要原因。

3提高勘察水平的解决方法

3.1随着电子、电子计算机技术的飞速发展,近十几年来,工程物探专业根据弹性波理论、电磁波理论和电学原理发展了许多新的工程物探方法并相应发展了一大批集数据适时采集处理,软、硬件功能于一体的工程物探探测设备,它具有采样密度大、速度快、成本低、信息量大等特点。可以利用工程物探可连续加密测点的办法来获得连续的地质界面。从而有效的解决传统钻探手段以点带面划分地质界面时常带来的漏判、划分不准确等缺点;并且可以利用综合工程物探方法有效地解决传统勘察手段难于解决的诸多岩土工程问题,如地下不明物体、洞穴、软弱结构面、滑动面、断层、破碎带等在地下的分布特征、形态、埋藏深度、位置。并且可以提供许多工程建设所需的岩土动力参数和设计地震参数。相对传统的钻探方法,工程物探技术使用时受场地、地形条件的限制较少,具有节省时间、费用且勘探精度高等特点。但是,各种工程物探方法的有效性决定于它对探测对象的适用性,物探条件的适用性越强,解决问题的可靠的性越大,因此,为了有效地解决某些复杂的岩土工程技术难题,必须采用多种工程物探手段和钻探联合使用的方法,起到互相补充、互相验证的作用。合理地选择、运用工程物探技术与传统勘探手段相结合,无疑是解决岩土工程勘察中存在的主要问题的有效手段之一。

3.2加强室内、外测试新技术和施工检测、监测技术的使用,通过其所获得的数据和资料,经过分析、对比,建立它们之间的经验关系,并通过工程施工检测、监测所获取的实测资料反算得到的参数作为对比依据,确保所提供的岩土工程设计参数的可靠性。并达到解决那些采用传统勘探手段难于获取可靠的岩土工程设计参数等问题。此外,还可以利用土工离心模拟技术检查工程安全的可靠性;验证堤坝、边坡的变形和稳定性;解决建筑物浅基础的地基变形特征、破坏模式及极限承载力,桩基础的承载力和施工工艺对桩基础承载力及变形的影响;解决挡土结构的变形及破坏机理,土体与结构物之间的相互作用;了解动力工程、砂土液化、单桩和群桩在水平动荷载作用下的性状。

4针对我国岩土工程勘察提出的建议和对策

虽然我国岩石工程勘察技术得到一定发展但是仍然不能满足我国发展的需要,而造成这一问题的因素比较多,我国必须要结合自身发展实际选择正确的方式解决,主要从以下几个方面入手:

4.1要不断加强对岩土工程技术人员的培训,提高勘察人员整体素质;岩土工程勘察是一项专业技术工作,集多种学科于一体,近年来,随着勘察工艺和技术的不断发展,各种新的规范和标准不断更新,因此,岩土工程勘察人员必须与时俱进,提高自身的专业素质,以适应新时代的岩土工程勘察要求。在推行土木工程师准入制度的同时,要不断加强对勘察人员的培训,以全面提高其技术水平和专业素质。此外,还应该不断加强勘察市场的监管,推行勘察监理体制。

4.2要不断加强勘察质量的认证,健全勘察质量管理体系。建立专业的质量管理体系,设置以过程模式作为勘察标准的结构。而且要明确勘察工作的质量标准,通过过程方法对岩土工程实施PDCA的勘察管理方式,以全面提高勘察工作的质量及作用。

4.3对建设程序、市场勘察进行严格的规范,科学的建设程序应该严格坚持先勘察、再设计、后施工的流程。对于投资决策的工程,如没有科学的地质勘察资料,则不予报建。对于未按照地质勘察规范进行勘察的的工程不予报建。此外,还应该建立高效的市场约束体系。一方面加强国家和政府法律法规的监管,通过项目招投标制度和实际过程中对行为主体进行有效的监管;另一方面应该实行工程建设全程监理制,通过事前、事中、事后全程勘察的地质控制办法,以最大限度的避免建设过程中的地质问题,从而确保勘察有效,使建设投资效益最大化。

4.4定期进行勘察设备的维护和保养。随时掌握各种室外勘察设备和室内试验设备的完好性能,这是确保勘察工作有效进行的基础。对于现有的仪器设备应该定期进行检测,以确保其工作性能和状态,对于老化陈旧的设备仪器要及时更新换代。

5结束语

工程技术论文范文篇3

一、机械的概念规定与机械技术史的范畴

1、机械的现代定义

研究机械工程技术史,首先需要明确机械的观念规定。在我国现代的机械学著作中,“机械”一词是机构(mechanism)和机器(machine)的总称。尽管各种机械的构造、性能和用途各异,但从它们的组成和运动形式来看,却有两个共同特征:

1)它们是一种人为的实物构件的组合。

2)它们各部分之间具有确定的相对运动。

凡同时具备上述两个特征的构件组合体便称为机构或机械。机器除了具备上述两个特征外,还必须具备第三个特征:能代替人类的劳动以完成有用的机械功或转换机械能。所以机器是能转换机械能或完成有用的机械功的机构。从结构和运动的观点来看,机构和机器并无区别,因此泛称它们为机械。

机构和机器的定义来源于西方机械工程科学,它们都是现代机械原理中的最基本的概念,但在现代西方机械学著作中,并没有一个作为机构(mechanism)和机器(machine)的总称的专门名词或术语。在日本的机械工学中,机械概念是如下定义的:①

凡符合下述三项条件的,则定义为机械。

①它是物体的组合,假定力加到其各个部分也难以变形。

②这些物体必须实现相互的、单一的、规定的运动。

③把施加的能量转变为最有用的形式,或转变为有效的机械功。

这里,“机械”一词定义的是machine概念,这一定义与我国机械原理著作对机器的定义相同。mechanism一词,在日本机械工学中译为“機構”,或音译为メカニズム。

考虑到机构和机器均属现代机械学的基本范畴,我们采用能够同时涵盖机构和机器的机械概念,也是有其合理性的。

设计机械的目的是完成预定的机械运动及完成特定的动作,一般来说,一种复杂机械都由三大部分组成。一是原动部分,它是机械动力的来源。二是工作部分,它处于传动路线的终点,完成机械的预定动作。三是传动部分,它是把原动机件的运动和功率传递给工作部分的中间环节。近代机械中又有第四个部分,即自动控制部分。

2、机械的古代涵义及其演变

(1)中国古代文献中“机械”一词的涵义

“机械”一词由“机”与“械”两个汉字组成,探讨该词的涵义,首先须了解这两个字在古汉语中的意思。

“机”在古汉语中原指某种或某一类特定的装置,后来又泛指一般的机械。

古代常以“机”指弩上发箭的装置,即弩机。《尚书·太甲》有“若虞机张,往省括于度,则释”。但此篇可能作于西汉。《庄子·齐物论》:“其发若机括。”《释文》称:“机,弩牙;括,箭括。”按此言张弩发箭,以括入机,机动则发。东汉时成书的《说文解字》对“机”的解释是“机,主发者也”,说的也是弩机。由弩机延伸,触发式捕兽器也称为“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。后来的“机防阱”和“机关”也是这个意思。

古代又以“机抒”指织布机。《淮南子·氾论》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”。南北朝《木兰词》有“不闻机抒声,唯闻女叹息”。《说文解字》:“抒,机之持纬者也。”宋《集韵》也说:“机以转轴,抒以持纬。”抒就是梭子,而机为转轴部件。“机抒”二字各表织机一个特征部件,因而后有只用一个“机”字代表织机的说法。①

由以上所述可知,“机”之本义当指机械装置中构成转动副的转动构件。

《尚书》:“在璇玑玉衡以齐七政。”伏胜《尚书大传》云:“旋机者,何也?传曰:旋者还也,机者几也,微也。其变几微,而所动者大,谓之旋机。”这里“机”为轴动之物。《管子·形势解》也载:“奚仲之为车器也,方圆曲直皆中规矩钩绳。故机旋机得,用之牢利,成器坚固。”这是讲车的部件生产的质量检验工序,“机旋机得”是指达到转动配合的精度标准要求。②

“机”还引申为许多机械发明的泛称,《战国策·宋卫》说:“公输般为楚设机,将以攻宋。”注称:“机,械,云梯之属。”《荀子·议兵》有“固塞不树,机变不张。”注称“机变,谓器械变动攻敌也。”《后汉书·张衡列传》说;“衡善机巧。”《南齐书·祖冲之传》:“初,宋武平关中,得姚兴指南车,有外形而无机巧,每行,使人于内转之。”“机”字实际可以泛指各种灵巧和关键的机械装置。

“机”的涵义由此延伸,出现了更具抽象的词义。《韩非子·十过》:“此存亡之机也。”《逸周书·大武》:“此七者,伐之机也。”“机”在这里指事物之枢要、关键。《庄子·至乐》载:“万物皆出于机,皆入于机。”疏曰:“机者,发动,所谓造化也。”这是指事物变化之所由。“机”还指事物变化之迹象、征兆等等。这样,衍生出大量相关词汇,如机巧、机先、机兆、机密、机会、机缘、机要、机谋、机关和机衡等。

“械”在古代是指器械、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。”“械”在这里为一般器械或器具。《墨子·公输》:“公输般为楚造云梯之械。”这是指兵器。《汉书·司马迁传》载:“淮阴(韩信),王也,受械于陈。”“械”在此指刑具。

与“机”原指局部的关键机件有所不同,“械”在中国古代原本便指某一整体器械或器具,。这两字连在一起,组成“机械”一词,便成为为一般性的机械概念了。

在先秦时期的文献中,已经讨论了抽象的机械概念。《庄子·外篇·天地第十二》有一段关于机械技术思想意义的讨论:

(子贡)见一丈人方将为圃畦,凿隧而入井,抱瓮而出灌,然用力甚多而见功寡。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,挈水若抽,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。

这段文字是中国技术思想史的重要史料,后面将进行专题讨论。这里我们感兴趣的是,子贡与老人的对话给出了机械的概念界定:机械是能用力甚寡而见功多的器械。

关于机械的概念,在《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。”这里还有了初步的经济观点。①

由此可知,中国古代早在战国时期就已形成了与现代机械学中“机械”一词涵义比较相近的机械概念和术语了。

(2)西方古今的机械概念

英文的“machine”一词,其涵义要比现代机械学界定的“机器”(machine)概念要广。在一般使用上,它与汉语的“机械”一词类同。美国罗伯特·欧布林(RobertObrien)所著《机器》一书中指出:英文的“machine”(机械)一词来源于希腊文mechine及拉丁文mecina,两者原意都指的是“巧妙的设计”。Machine作为一般性的机械概念的出现,主要是为了区别与手工工具。在西方,一般性的机械概念的提出,可追溯到古罗马时期。

西方最先提出机械定义的是古罗马的建筑师维特鲁威(Vitruvii)。他在其著作《建筑十书》(约成书于公元前32-33年)给出了这样的定义:“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。”他对机械和工具作了区别:“机械(machane)和工具(organon)之间似乎有着以下的区别。即机械是以多数人工和很大的力量而发生效果的,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可缺少的东西。”②

亚历山大利亚城的希罗(HeroofAlexandria,公元1世纪)最早讨论了机械的基本要素,他认为机械的要素有五类:轮与轴,杠杆,滑车,尖劈,螺旋。希罗的论文只是关系到提升和推动重物,虽不够全面,但却反映了古典机械的特征。③

1724年,德国莱比锡的机械士廖波尔特(Leopold)给出的定义是:“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省时间和力量的地方,它能做到节省。”④

马克思在《资本论》中对充分发展了的机械给出了界定:“一切已经发展的机器,都三个本质上不同的部分——发动机、传动机构和工具机械工作机——构成,发动机是整个机构的动力。”⑤马克思在《1861—1863年经济学手稿》讨论了机器与工具的区别,他指出:“以上所述已经对机器和工具有什么区别的问题作出了回答。工具本身一旦由机械来推动,一旦由工人的工具(它的生产率取决于工人的技巧并需要他付出作为劳动过程的媒介的劳动)变成机械的工具,——机器就代替了工具。在这种情况下,机械应该达到这样的发展程度:它既能从人或牲畜,简言之,从任意动作的那些原动力获得动力,也能从机械推动的原动机获得动力。”⑥

马克思主要从经济学和生产工具发展的宽广视角考察机器和机械的深刻涵义,力图说明当时的社会生产从工厂手工业向大机器工业的转变。他认为机器是代替人手操纵工具的机械系统,它从一开始就应是“工作部分同传导运动的机械和推动机械的原动机的组合”。马克思还谈到了当时一些学者中关于机械和机器的概念:“就象在英国的在政治经济学家一样,在英国的力学家中,可以遇到这样一些人,他们认为,机器与工具没有本质的区别;工具是简单的机器,而机器是复杂的工具,或者说,两者只有简单机器与复杂机器之分。从这种意义上说,甚至最简单的机械,如杠杆、斜面、滑轮、螺旋、楔、轮子等,也被叫作机器”①

19世纪中、后期,西方机械工程学家开始从机械的力学原理出发讨论机械或者说机器的概念,从而给出比较专业和科学的定义。下面给出的是早期机构学的两部奠基性著作中的定义。

英国机械学家威利斯(R.Willis,1800-1875)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,其余构件将发生一定的运动,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。”②

德国机械学家勒洛(F.Reuleaux,1829-1905)在其《理论运动学》(TheoretischeKinematik,GrundzügeeinerTheoriedesMaschienenwesens,1875年)中的定义是:“机械(machine)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,同时伴随着一定的确定运动。”③

威利斯给出的machine定义实际是现代机械原理中的机构。勒洛则最早给出了现代机械学中的机器(即machine)定义。从勒洛开始,机构概念与机器也被区分开来。20世纪的机械原理著作进一步明确了机构和机器的概念。

勒洛的《理论运动学》建立了机械运动学的基础,书中的许多概念、观点和研究方法被沿用至今。20世纪初,出现了把机构学和机械动力学合在一起的机械原理著作。当时西方的机械原理教科书中有如下的定义:

(1)“机械者,固定部分与运动部分之组合体,介乎能力与工作之间,所以使能力变为有用之工作者也。”(1912年,Keown)④

(2)“机械者,两个以上物体之组合体,其相对运动皆继续受一定之限制,使一种能力由之变化或传达,以作一种特别之工作者也。”(1915年,Mcksy)⑤

1930年,我国机械学家刘仙洲在编写中国最早的机械原理教科书时,参考西方这类教科书给出了一个定义:“机械者,两个以上之物体之组合体。动其一部则其余各部各发生一定之相对运动或限制运动,吾人得利用之使一种天然能力或机械能力发生一定之效果或工作者也。”⑥

1955年,乌克兰奥德萨工业大学多布罗沃利斯基(В.А.Добрвольский)在一篇论文中给出了一个定义:“机械是为人所使用的劳动工具,在这个劳动工具中,形状和尺寸适合的部分是由能经受很高压力(阻力)的材料所制成;在引入能量不断作用下,能完成适合的实际上有利的运动和动作;这些运动和动作是人们为完成技术的工艺目的所必要的。”⑦

这里定义的“机械”,更确切地说是机器,即现代机械原理中的machine概念。

综上所述,西方有关机械的一般性概念随着机械的发展逐渐发生了变化,随着机械工程科学的建立和发展而深化。从区分机械与手工工具开始,到区别复杂机械与简单机械和工具,进而形成了机械工程学中最基本的机器和机构概念。

3、机械工程技术史的范畴

机械工程学是以机构和机器为基本对象的科学,各类和各种不同机械均属机械工程技术的范畴。机械的种类繁多,可根据部分机械在某些方面的类同特性或特征化分类别。如希罗将简单机械分为五类:轮与轴,杠杆,滑车,尖劈,螺旋。按马克思对机器系统的分类,机械可分为发动机、传动机构和工作机。刘仙洲在《中国机械工程发明史(第一编)》中将机械分为七类,即:简单机械、发动机或原动机、工作机、传动机、仪表、仅用发动机原理的机械、发电机与电动机。

按机械的使用功能则可分为动力机械、物料搬运机械、粉碎机械等;接服务的产业可分为农业机械、矿山机械、纺织机械、运输机械和化工机械等;按工作原理又可分为热力机械、流体机械、往复机械和仿生机械等。

从动态观点看,机械工程又是一个技术过程。它包含了人类的主要技术活动:(1)发明与革新;(2)设计与测试;(3)制造(加工与制作)(4)使用与维修。因此各种机械的发明、设计、加工与制造以及使用与维修均属机械工程技术的范畴。发明和设计包含了更多的智力因素和思想与知识内涵。制造和使用则包含了更多的体力因素和经验与实践的内容。机械加工与制作的对象以及加工制作过程无疑属于机械工程技术的基本内容,因此,某些通过机械加工获得的技术产品,尽管不能看作是机构和机器,也常常被认为属于机械工程的范畴。

机械工程技术史是研究机械工程技术发生、发展过程及其规律的一门学科。机械工程技术史的对象和范畴与机械工程技术的对象与范畴既有在内在的联系,由有着一定的差别。从认识上看,机械工程技术是第一个层次,机械工程技术史是第二个层次,后者是以前者为基础的。机械工程技术史是研究过去的机械技术的学问,与前者不同的特点是研究者和研究对象在时间坐标上处于不同的位置,因此它重视从时间关系研究机械技术的特点和演变过程。可以说,机械工程技术史的对象是历史上的机械成果及其影响机械工程技术发展的各种主要因素。不仅历代的机械发明、机械制造技术以及机械成果的推广与应用属于机械工程技术史的范畴,而且影响机械工程发展的社会的经济、政治和文化等因素也属于它考察的对象和范畴。

二、中国机械工程技术史的研究对象、任务和价值

1、中国机械史的研究对象与任务

中国机械工程技术史主要研究机械工程技术在中国的发展过程与模式,它的对象是中国历代的机械成果及其影响机械工程技术发展的各种因素。机械技术的发展在许多方面有其一般性的规律,适用于不同的文化和国家,当然也适用于中国。但是每个国家特别是不同文化传统的国家有着不同的特殊环境和背景,各国机械的发展是不平衡的。有的国家和地区在机械技术的某些方面发展水平较高,另一些国家和地区则在机械的另一些方面发展水平较高;有的机械成果在某些国家传播和发展较快,而在另一些国家推广应用十分缓慢。由于不同文化和社会因素的制约,各国机械工程技术的发展模式也并不是千篇一律的。因此不同国家机械工程技术的发展往往呈现出不同的特点。尤其是中国古代机械的发展,技术传统与西方有很大不同,有其独特的轨迹。既有许多优点也有不少缺点,既有很多成功的经验也有不少失败的教训,值得认真加以总结。中国机械史的主要任务就是要整理和发掘中国历代在机械工程方面的重要成果及其特点,揭示机械工程技术在中国发展的规律性和特殊性。

研究中国机械史应从考察中国历代的机械成果入手,首先需要掌握大量的历史资料。中国历史上有哪些重要机械科技成果?它们的水平和价值如何?中国传统机械及其技术、工艺方法和西方有何不同?机械工程技术对中国社会生产有何作用和影响?这些都是需要机械史研究解决的基本性问题。只有对有关史料进行全面的清理和深入的分析,才能获得这些问题的答案。对于中国古代机械史来说,历代有关机械工程的成果主要反映在三类史料之中,即文字资料、图像与图形资料和实物资料。中国机械工程的文献史料,是有关古代机械的概念名称、形制、材料、动力、结构原理、工艺方法、应用与推广情况以及相关的社会历史文化背景等方面的文字记载和描述。它包括各类典籍中的有关史料和出土文物上相关的铭刻资料等。除了少数一些技术著作中有关机械的专论性记述外,有关机械工程的文献资料十分零散,大都分散在大量的各类古籍之中。图像与图形资料主要是古代美术作品和工程技术著作及其它典籍中的机械图像与图形,这些资料不仅存在于帛、纸为载体的古代绘画作品和各类写本和印刷本书籍中,而且大量存在于古代岩画、铜器刻画、砖石刻画、壁画等平面绘画和浮雕作品之中。实物资料是考古发掘中出土的和传世的与古代机械直接有关的各种实物,主要包括大量的古代各类机械成品、半成品、零部件、机械模型、明器机械和机械加工产品,目前在民间仍然尚存不少传统机械,从技术上看属于古机械的遗制,它们也是重要的实物资料。这些实物资料具有重大的价值,由此可以获得更为确切和可靠的关于过去机械技术的信息,它们与文献资料同样属于中国机械史的研究对象。搜集、整理和分析古代机械工程史资料,是中国机械工程史研究的一项基础性工作。但是,由于多数文献史料分散在数量极大的古籍和铭文中,各类与机械有关的古代绘画作品则更是分散收藏于各地不同的机构和个人手中,实物资料同样分布在十分广泛的地域范围内,此外还有大量资料流失国外,因此,对如此众多的史料进行充分的发掘、整理和研究,由少数人在短期内显然是难以完成的。中国机械工程技术史的任务因而也十分繁重,必须多人接力工作,逐步扩大调查和研究的范围,直到基本掌握整体面貌。

中国机械工程史还要探讨影响中国机械工程技术发展的各种因素。除了研究诸如工匠和技术人员在机械工程发展中的作用、古代的技术观和设计与管理思想对工程技术实践的影响等内部因素外,还应分析文化与科学传统、社会经济与政治制度、战争与军事、思维方式、技术政策与组织管理制度以及对外交流关系对机械工程发展的影响等诸多外部的因素。这些因素对于古代机械工程的发展有时起促进作用,也有时起阻碍作用。有的因素只有短期影响,有些则长期发挥作用。这方面的研究,涉及领域很多,情况极为复杂,因而难度也更大,任务更为艰巨。如果要想在中国机械史的宏观研究方面取得突破性的进展,就必须在这方面有更多的投入和下更大的功夫。在搜集、整理和分析古代机械工程史资料的基础工作取得重要进展后,研究工作的重点应逐渐向这方面转移。

2、中国机械史的价值

中国的机械工程技术在漫长的历史发展过程中形成了自己独特的风格。中国古代机械工程技术,是世界机械史的一个组成部分,在世界机械工程史上占有重要位置。

中国古代机械工程技术成果具有重要的历史价值,有许多机械发明和技术成果在世界机械史上处于遥遥领先的地位,其中不少成果还传播到了世界各地,对世界机械技术的进步起到了直接的促进作用。著名科学史家李约瑟在讨论中西科技交流与比较问题时曾指出:“有少数几种基本技术曾经从古代美索不达米亚朝四面八方传播,……可是,中国人的发明就多了。这些发明在公一元世纪到十八世纪期间先后传到了欧洲和其他地区。这里包括:(1)龙骨车;(2)石碾和水力在石碾上的应用;3水排;(4)风扇车和簸扬机;(5)活塞风箱;6平放织机(它可能也是印度的发明)和提花机;(7)缫丝、纺丝和调丝机;(8)独轮车;(9)加帆手推车;(10)磨车;(11)拖重牲口用的两种高效马具,即胸带和套包子;(12)弓弩(13)风筝;(14)竹编蜒和走马灯;(15)深钻技术;(16)铸铁的使用;(17)游动的常平悬吊器;(18)弧形拱桥;(19)铁索吊桥;(20)河渠闸门;(21)造船和航运方面的无数发明,包括防水隔舱、高效率空气动力帆和前后索具(22)船尾的方向舵;(23)火药以及和它有关的一些技术;(24)罗盘针,先用于看风水,后来又用于航海;(25)纸、印刷术和活字印刷术;(26)瓷器。我写到这里时了句点,因为二十六个字母都已经用完了,可有许多例子、甚至还有重要的例子可以列举。我们决不能认为对以上任何一种发明已经没有话可讲了,也不能认为在所有例子中,都有足够的证据可以充分证明,后来欧洲应用的是从较早的中国人的实践中得来的。但是所有这些例子有一种共同之点,这就是它们在中国应用的时期,确实早于它们在世界其他部分出现的时期。有时甚至要早得多。”①李约瑟博士列举的这些实例绝大多数都是中国古代的机械发明或相关的技术成果,由此可见,中国古代的机械技术成果不仅在中国科技史上占有突出地位,而且在世界机械史乃至科技史上的地位也是不可低估的。中国机械史的历史价值还表现在传统机械工程技术在中国古代社会经济和科技发展中占有十分重要的位置。中国自古以来以农业立国,农业生产在古代历史发展进程中始终占据核心地位,因而作为农业生产工具的农业机械在生产中的作用极为重要。农业机械技术方面的大量发明、革新及其推广应用对社会生产力的提高起了极大的作用。同样,机械在水利工程、建筑工程、交通运输、纺织等领域中也发挥着重要作用。机械技术在军事上具有举足轻重的作用,先进和精良武器与军事装备的制造都要依赖先进的机械技术。中国古代在天文观测方面能够取得许多重要成就,与先进天文仪器的作用密不可分,而众多先进天文仪器的出现则反映了中国古代精密机械制造技术的发达。明代宋应星编著的《天工开物》是一部关于中国古代工程技术的百科全书,其中讲述机械技术的内容占了全书一半以上的篇幅,也说明机械技术在古代工程技术中的重要地位。因此,传统机械技术根植于中国古代社会生活和生产的各个领域之中,机械技术的进步不仅促进了生产的发展,丰富了古代的社会生活,而且成为推动古代不同领域科技发展的有力工具。

中国机械史的研究不仅具有重要的历史价值,而且具有较高的现实价值和意义。这主要表现在以下几个方面。

首先,中国古代机械工程技术是中国科学文化的重要组成部分,传统机械的技术成果是我国优秀的科学文化遗产,因此中国古代机械史的研究具有重要的文化价值。机械技术在人类物质文化史上一直占据核心地位,人类文明的发展阶段一般以机械技术的重要成果作为主要划分标志,便是最好的说明。而我们的祖先创造了许多杰出的机械科技成果,为后世留下了大量的物质文化财富,发掘、整理和研究这些机械成果对于丰富祖国科学文化宝库无疑极为有益。但过去这方面的工作开展得还远远不够,中国机械工程机械史仍是一个有待开发的领域,在目前情况下进一步开展中国机械史的研究也显得尤为重要。

第二,技术发展有很强的继承性和规律性,中国机械史的研究有助于揭示技术发展特质,可以起到温故知新、阐明方向和趋势的作用,因此具有重要的借鉴价值。中国历史上在机械科技方面的成功经验和失败教训,对于现今科技的发展很有借鉴价值。中国古代与机械有关的技术观和技术哲学思想,对于我们认识技术与人、技术与环境以及技术与社会的关系仍有参考价值。中国古代的一些技术思想和方法与举措正好与现代可持续发展的时代要求相切合,对于认识和解决技术给现代社会带来的环境污染,能源和资源的枯竭等一系列负面效应也有积极的参考意义。中国近现代机械史的研究则对于制定国家的技术规划、技术发展与引进的政策和战略更是有着直接的借鉴作用。

第三,研究和学习中国机械工程史,阐明中国传统机械技术的兴衰历程,了解科学家、发明家的生平、成就和思想,不仅可以学到科学和历史的知识,还可从中获得启示和汲取教益,因而中国机械史还有着比较重要的教育价值与作用。机械工程技术史知识的传播有助于人们了解机械工程技术的概念和原理的来龙去脉,加深对机械科技的认识和理解。培根说;学史可以使人明智。对于青年学生与专业科技人员来讲,机械史的知识则可起到开拓视野的作用。

第四,研究中国机械史,不难发现一些古老的机械技术、工艺和原理在现代仍然发挥着作用或具有实用价值。中国传统的农业机械与古农具至今在农业生产中广泛使用,具有极强的生命力。我国的许多传统金属工艺仍在实际应用中发挥着重要作用。在秦始皇陵墓中出土的青铜箭镞表面上有一层含铬的黑色致密层,埋在地下两千多年没有腐蚀。现代金相学研究证明这样处理有很强的抗腐蚀能力。此项表面处理技术显然具有古为今用的价值。类似的实例还有很多。机械史的研究有助于认识和发现传统机械的现代意义和实用价值。

三、中国古代机械史的分期问题

研究中国机械技术的总体发展进程,必须把中国机械技术的形成与发展过程划分为几个不同的历史阶段,因此,中国机械史的分期问题是进行中国机械工程史宏观研究的一个重要问题。合理的分期不但可以反映中国机械工程发展的阶段性,同时也应反映出中国机械科技发展的特点和主要线索。

关于中国机械史的分期问题,已有一些学者有所涉及和讨论,但目前尚未进行充分的研究,也未得出一致的结论。1984年,郭可谦、陆敬严先生最早专门讨论了这一问题。他们提出了将中国机械史分为四个时期的方案:①

(1)简单工具时期,相当于原始社会时期,即石器时代。分为两个阶段:粗制工具阶段(旧石器时代),和精制工具阶段(新石器时代)。

(2)古代机械时期,大约从四千年到十九世纪四十年代。包括三个阶段:从古车出现到秦以前为迅速发展阶段;秦到宋元时期为成熟阶段;明代到十九世纪四十年代为缓慢前进阶段。

(3)近代机械时期,,从一八四○年至新中国成立前夕。

(4)现代机械时期,新中国成立后的发展时期。

在1985年,笔者提出了关于中国机械史的另一种分期意见,将中国机械史分为六个时期:②

(1)形成与积累时期,从远古到西周时期。

(2)迅速发展和成熟时期,从春秋时期到到东汉末年。

(3)全面发展和鼎盛时期,从三国时期到元代中期。

(4)缓慢发展时期,从元代后期到清代中期。

(5)转变时期,清代后期到中国成立前夕。

(6)复兴时期,新中国成立后的发展时期。

最新出版的《中国科学技术史》机械卷有“中国古代和近代机械工程发展概述”一章,论述中基本上采用了第一种分期方案。

1987年出版的《中国的百科全书》机械工程卷有词条“中国古代机械史”、“中国近代机械工业”和“中国现代机械工业”分别涉及了中国古代机械工程技术、近代机械工业和现代机械工业发展的分期问题。这里仅介绍周世德先生在“中国古代机械史”条目中采用的古代机械史分期方案:③

(1)春秋以前(公元前770年前)。

(2)春秋至汉魏时期(公元前770年前~公元265)。

(3)两晋宋元时期(公元265~1368)。

(4)明清时期(1368~1840)。

上述分期方案都有各自的分期依据,并较好地反映了机械史与中国通史的关系。在反映中国机械工程发展的内部规律和特点方面,虽然也得到较好的处理,但细节方面似乎尚有进一步探讨的余地。笔者认为中国机械史的分期应以机械科技的重大转变和突破为主要依据,这就需要分析和研究各个历史时期各种机械在动力、材料、结构原理、工艺和功能等方面的发展水平和变化情况.此外,还应注意考察不同时期间机械工程知识的水平和先进机械的推广与应用情况以及机械的社会功能与作用。中国机械工程技术的发展是一个以波浪式曲线前进的过程。常常由于某一方面或几个方面(如材料、动力、工艺等方面)的重大转变或突变引起机械工程技术的主要内容发生了变化,使其达到新的水平,这样就形成了几个不同的自然发展时期。据此,我们在又在上述方案的基础上,提出了如下关于中国古代机械史分期的修订方案:

(1)古代机械技术的萌芽时期,从旧石器时代开始到新石器时代。

(2)传统机械技术的初步形成时期,夏、商、西周时期。

(3)传统机械技术的进一步发展时期,春秋战国到三国时期。

(4)传统机械技术的成熟与鼎盛时期,魏晋南北朝到元代。

(5)传统机械的平缓发展与西方机械的传入时期,明初到十九世纪中叶。

四、中国古代机械工程史研究的历史与现状

在我国,中国机械工程技术史的现代研究发端于20世纪二三十年代。张荫麟、刘仙洲和王振铎等是早期中国机械史研究工作的主要开拓者。张荫麟于1925年翻译了英国学者穆尔(A.C.Moule)1924年发表在ToungPao(通报)上的专题论文“TheChineseSouth-PointingCarriage”,中译文题目改为“宋燕肃、吴德仁指南车造法考”,发表在《清华学报》第2卷第1期(1925)上。张荫麟又于1926年在《清华学报》第2卷第2期上发表了“宋卢道隆、吴德仁指南车之造法”一文。此后,他又在1928年发表了论文“中国历史上之‘奇器’及其作者”(《燕京学报》第1卷第3期)。30年代开始了较为全面的古代机械的文献资料发掘、整理和专题复原研究。1935年刘仙洲在清华大学出版了《中国机械工程史料》(约6万字)一书,首次依据现代机械工程分类方法整理了中国古代机械工程的史料,初步勾勒出了中国古代机械工程的基本轮廓。几乎与此同时王振铎也开始了复原地动仪、指南车与记里鼓车的工作,他于1936年发表了专题论文“汉张衡候风地动仪造法之推测”(《燕京学报》第20期,10周年纪念专号),1937年又发表了重要论文“指南车记里鼓车之考证及模型”(《史学集刊》第3期)。40年代,刘仙洲又发表了“王征与我国第一部机械工程学”(见《国立清华大学学报》1期,《真理杂志》1卷2期)和“中国在热机历史上的地位”(《东方杂志》39卷18期)两篇有影响的论文。

西方学者早在19世纪后期就开始关注中国古文献中有关机械发明的记载,20世纪初在欧洲的技术史著作中已有关于中国古代机械发明的探讨。如奥地利著名技术史家霍维茨(H.T.Horwitz)在1913年出版的技术史著作中对中国的机械发明作了论述。此后直到30年代,在他的不少论著中都有关于中国古代机械的讨论①。葛雷斯(H.A.Giles)于1906年,劳佛尔(B.Laufer)于1912,分别对中国古代指南车进行了复原研究②。穆尔(A.C.Moule)于1924年发表了研究指南车的专题论文,并根据《宋史》的文献记载给出了具体的复原方案。穆尔的工作引起英国学者的关注,此后戴科斯(K.T.Dykes)提出了采用差动轮系复原指南车的设想(1942年),兰彻斯特(G.Lanchster)于1947年利用差动轮系制作了复原模型。美国学者霍梅尔(R.P.Hommel)在1921年在至1928年、1928年至1930年前后用了8年时间在中国各地调查传统手工业技术,在进行了广泛的实地调查后,写成专著ChinaatWork;anillustratedRecordofthePrimitiveIndustriesofChina’sMasses,whoseLifeisToil,andthusanAccountofChineseCivilization,于1937年在纽约出版,其中包含了大量传统机械与工艺方面的内容,配有大量实物照片,是一部具有重要历史和文化价值的著作。恰特莱(H.Chatley)在1942年在TransactionsoftheNewcomenSociety(22,117)上发表了TheDevelopmentofMechanismsinAncientChina(古代中国机械学的发展)综论研究性论文,在西方首次较全面地论述了中国古代机械的发展。在国外,对中国机械史研究最有建树的学者还是李约瑟博士。他从50年代开始发表有关中国机械史方面的论文,1965年他的巨著《中国科学技术史》的机械工程卷(ScienceandCivilizationinChina,Volume4,PhysicsandPhysicalTechnology,Part2,MechanicalEngineering)由剑桥大学出版社出版,它是第一部英文的中国机械史的学术专著,在国际上影响极大。李约瑟编撰此书时利用了大量的中国机械史的原始资料和研究成果,同时参考了许多世界与西方机械史的文献和研究成果,在比较科学史的视角对中国机械技术的发展及其重要成果进行了深入研究。日本和台湾学者较早分别将此书翻译成日文和中文出版,中国大陆的中文译本也在2000年有科学出版社和上海古籍出版社出版。

20世纪50年代以来,中国机械史的研究工作在中国经历了十分曲折的过程。在50年代至60年代前期,刘仙洲做了一系列机械史专题研究工作,发表了多篇论文,并主持汇集中国工程史料。1962年他编著的《中国机械工程史(第一编)》一书由科学出版社,这是第一部中国古代机械史的著作,论述了中国古代的主要机械发明成就,从机械原理和原动力的角度出发整理了中国古代机械工程发展的脉络。1963刘仙洲年撰写的《中国古代农业机械发明史》问世,这是第一部全面历史中国古代农业机械成果及其发展的著作。王振铎则在发掘古代文献和文物资料的基础上,对许多机械成果做了深入的专题研究。他在中国历史博物馆主持复原了水运仪象台、候风地动仪、指南车、记里鼓车等一系列古代机械装置。他们的杰出工作,奠定了中国机械工程史这一学科的基础,在国内外学术界产生了重大影响。正当中国机械史的研究被引向深入之时,爆发了史无前例的“”,导致了科学文化大灾难。“”期间,和其他学科一样,机械史的研究也完全处于停顿状态。“”以后,中国机械史的研究得以恢复和发展,老一辈学者也续有力作刊行,如清华大学出版了根据刘仙洲生前汇集的史料编纂而成的《中国科技史资料汇编一农业机械》(1985年),王振择先生出版他的论文集《科技考古论丛》(1989年)。同时,同济大学、中国科学院自然科学史研究所、北京航空航天大学等单位,都积极开展了中国机械史的研究工作和国内外学术交流,并通过招收机械史的研究生,努力培养新一代的专业研究人员。一些大专院校开设了机械史的选修课,取得了良好的效果。从20世纪80年代起,中国机械史的研究队伍开始形成,研究工作逐渐活跃,数百篇,涌现了不少具有较高质量和较大影响的专题研究成果。如陆敬严先生主持的古代机械模型复原等课题,华觉明先生参与主持的曾侯乙编钟的复原研究,杨青、钱小康等先生参与主持的秦陵铜车马技术研究等都取得了突出成果。综合性与系统性的整理与研究工作也有重要进展,如1986年机械工程师进修大学刊行了郭可谦、陆敬严合著的《中国机械史讲座》,1986年文物出版社出版了华觉明等撰写的《中国冶铸史论集》,和,1992年北京理工大学出版了张柏春撰写的《中国近代机械简史》,1995年山东科技出版社出版了苏荣誉等编撰的《中国上古金属技术》,1998年清华大学出版社出版了张春辉编著的《中国古代农业机械发明史》(补编),1999年大象出版社出版了华觉明撰著的《中国古代金属技术》。此外,台湾中央文物供应社也在1987年出版了万迪棣编撰的《中国机械科技之发展》一书,此书被收入中华文化丛书中。90年代初期,中国科学技术史丛书委托陆敬严、华觉明主编《中国科学技术史》的机械卷,钱小康、张柏春、何堂坤、杨青、赵丰、黄麟雏、刘克明和冯立升等多位学者参加编写,于1997年完成全书的编撰工作。此书于2000年由科学出版社出版,全书约69万字,与前面几部通史性中国机械史著作有所不同,它突破了简史的范畴,是一部较大型的中国机械工程学术著作。此书对中国机械工程的历史发展做了比较系统的论述和讨论,对已有的研究成果进行了一次较全面的总结。这表明,中国机械史的研究已走出初创阶段,进入了一个新的历史发展时期。

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①真保吾一著,董万友译,机械工学概论,国际文化出版公司,1986,3。原作书名为“緿綐機械工学”,由日本理工学社1984年出版。

①②李志超,机发论—有为的科学观,自然科学史研究,1990,9(1):2。

①刘仙洲,中国机械工程发明史(第一编),科学出版社,1962,5。

②维特鲁威著,高履泰译,建筑十书,这个建筑工业出版社,1986,224-225。

③A.P.Usher:AHistoryofMechanicalInventions,DoverPublications,Inc.,1988,NewYork,120.

④转引自①。

⑤马克思,资本论(第一卷),人民出版社,1963,396。

⑥马克思,机器。自然力和科学的应用,人民出版社,1978,91-92。

①马克思,机器。自然力和科学的应用,人民出版社,1978,52。

②③转引(译)自A.P.Usher:AHistoryofMechanicalInventions,DoverPublications,Inc.,1988,NewYork,117

④⑤⑥⑦见刘仙洲:中国机械工程发明史(第一编),科学出版社,1962,5-6。

①李约瑟,中国科学技术史·总论(中译本第一卷),科学出版社,1975,545-547。

①郭可谦、陆敬严,关于中国机械史的分期意见,机械设计,1984,1(2)。

②冯立升,中国机械史的分期意见,科学、技术与辩证法,1986,(3)。

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一、机械的概念规定与机械技术史的范畴

1、机械的现代定义

研究机械工程技术史,首先需要明确机械的观念规定。在我国现代的机械学著作中,“机械”一词是机构(mechanism)和机器(machine)的总称。尽管各种机械的构造、性能和用途各异,但从它们的组成和运动形式来看,却有两个共同特征:

1)它们是一种人为的实物构件的组合。

2)它们各部分之间具有确定的相对运动。

凡同时具备上述两个特征的构件组合体便称为机构或机械。机器除了具备上述两个特征外,还必须具备第三个特征:能代替人类的劳动以完成有用的机械功或转换机械能。所以机器是能转换机械能或完成有用的机械功的机构。从结构和运动的观点来看,机构和机器并无区别,因此泛称它们为机械。

机构和机器的定义来源于西方机械工程科学,它们都是现代机械原理中的最基本的概念,但在现代西方机械学著作中,并没有一个作为机构(mechanism)和机器(machine)的总称的专门名词或术语。在日本的机械工学中,机械概念是如下定义的:①

凡符合下述三项条件的,则定义为机械。

①它是物体的组合,假定力加到其各个部分也难以变形。

②这些物体必须实现相互的、单一的、规定的运动。

③把施加的能量转变为最有用的形式,或转变为有效的机械功。

这里,“机械”一词定义的是machine概念,这一定义与我国机械原理著作对机器的定义相同。mechanism一词,在日本机械工学中译为“機構”,或音译为メカニズム。

考虑到机构和机器均属现代机械学的基本范畴,我们采用能够同时涵盖机构和机器的机械概念,也是有其合理性的。

设计机械的目的是完成预定的机械运动及完成特定的动作,一般来说,一种复杂机械都由三大部分组成。一是原动部分,它是机械动力的来源。二是工作部分,它处于传动路线的终点,完成机械的预定动作。三是传动部分,它是把原动机件的运动和功率传递给工作部分的中间环节。近代机械中又有第四个部分,即自动控制部分。

2、机械的古代涵义及其演变

(1)中国古代文献中“机械”一词的涵义

“机械”一词由“机”与“械”两个汉字组成,探讨该词的涵义,首先须了解这两个字在古汉语中的意思。

“机”在古汉语中原指某种或某一类特定的装置,后来又泛指一般的机械。

古代常以“机”指弩上发箭的装置,即弩机。《尚书·太甲》有“若虞机张,往省括于度,则释”。但此篇可能作于西汉。《庄子·齐物论》:“其发若机括。”《释文》称:“机,弩牙;括,箭括。”按此言张弩发箭,以括入机,机动则发。东汉时成书的《说文解字》对“机”的解释是“机,主发者也”,说的也是弩机。由弩机延伸,触发式捕兽器也称为“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。后来的“机防阱”和“机关”也是这个意思。

古代又以“机抒”指织布机。《淮南子·氾论》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”。南北朝《木兰词》有“不闻机抒声,唯闻女叹息”。《说文解字》:“抒,机之持纬者也。”宋《集韵》也说:“机以转轴,抒以持纬。”抒就是梭子,而机为转轴部件。“机抒”二字各表织机一个特征部件,因而后有只用一个“机”字代表织机的说法。①

由以上所述可知,“机”之本义当指机械装置中构成转动副的转动构件。

《尚书》:“在璇玑玉衡以齐七政。”伏胜《尚书大传》云:“旋机者,何也?传曰:旋者还也,机者几也,微也。其变几微,而所动者大,谓之旋机。”这里“机”为轴动之物。《管子·形势解》也载:“奚仲之为车器也,方圆曲直皆中规矩钩绳。故机旋机得,用之牢利,成器坚固。”这是讲车的部件生产的质量检验工序,“机旋机得”是指达到转动配合的精度标准要求。②

“机”还引申为许多机械发明的泛称,《战国策·宋卫》说:“公输般为楚设机,将以攻宋。”注称:“机,械,云梯之属。”《荀子·议兵》有“固塞不树,机变不张。”注称“机变,谓器械变动攻敌也。”《后汉书·张衡列传》说;“衡善机巧。”《南齐书·祖冲之传》:“初,宋武平关中,得姚兴指南车,有外形而无机巧,每行,使人于内转之。”“机”字实际可以泛指各种灵巧和关键的机械装置。

“机”的涵义由此延伸,出现了更具抽象的词义。《韩非子·十过》:“此存亡之机也。”《逸周书·大武》:“此七者,伐之机也。”“机”在这里指事物之枢要、关键。《庄子·至乐》载:“万物皆出于机,皆入于机。”疏曰:“机者,发动,所谓造化也。”这是指事物变化之所由。“机”还指事物变化之迹象、征兆等等。这样,衍生出大量相关词汇,如机巧、机先、机兆、机密、机会、机缘、机要、机谋、机关和机衡等。

“械”在古代是指器械、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。”“械”在这里为一般器械或器具。《墨子·公输》:“公输般为楚造云梯之械。”这是指兵器。《汉书·司马迁传》载:“淮阴(韩信),王也,受械于陈。”“械”在此指刑具。

与“机”原指局部的关键机件有所不同,“械”在中国古代原本便指某一整体器械或器具,。这两字连在一起,组成“机械”一词,便成为为一般性的机械概念了。

在先秦时期的文献中,已经讨论了抽象的机械概念。《庄子·外篇·天地第十二》有一段关于机械技术思想意义的讨论:

(子贡)见一丈人方将为圃畦,凿隧而入井,抱瓮而出灌,然用力甚多而见功寡。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,挈水若抽,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。

这段文字是中国技术思想史的重要史料,后面将进行专题讨论。这里我们感兴趣的是,子贡与老人的对话给出了机械的概念界定:机械是能用力甚寡而见功多的器械。

关于机械的概念,在《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。”这里还有了初步的经济观点。①

由此可知,中国古代早在战国时期就已形成了与现代机械学中“机械”一词涵义比较相近的机械概念和术语了。

(2)西方古今的机械概念

英文的“machine”一词,其涵义要比现代机械学界定的“机器”(machine)概念要广。在一般使用上,它与汉语的“机械”一词类同。美国罗伯特·欧布林(RobertObrien)所著《机器》一书中指出:英文的“machine”(机械)一词来源于希腊文mechine及拉丁文mecina,两者原意都指的是“巧妙的设计”。Machine作为一般性的机械概念的出现,主要是为了区别与手工工具。在西方,一般性的机械概念的提出,可追溯到古罗马时期。

西方最先提出机械定义的是古罗马的建筑师维特鲁威(Vitruvii)。他在其著作《建筑十书》(约成书于公元前32-33年)给出了这样的定义:“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。”他对机械和工具作了区别:“机械(machane)和工具(organon)之间似乎有着以下的区别。即机械是以多数人工和很大的力量而发生效果的,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可缺少的东西。”②

亚历山大利亚城的希罗(HeroofAlexandria,公元1世纪)最早讨论了机械的基本要素,他认为机械的要素有五类:轮与轴,杠杆,滑车,尖劈,螺旋。希罗的论文只是关系到提升和推动重物,虽不够全面,但却反映了古典机械的特征。③

1724年,德国莱比锡的机械士廖波尔特(Leopold)给出的定义是:“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省时间和力量的地方,它能做到节省。”④

马克思在《资本论》中对充分发展了的机械给出了界定:“一切已经发展的机器,都三个本质上不同的部分——发动机、传动机构和工具机械工作机——构成,发动机是整个机构的动力。”⑤马克思在《1861—1863年经济学手稿》讨论了机器与工具的区别,他指出:“以上所述已经对机器和工具有什么区别的问题作出了回答。工具本身一旦由机械来推动,一旦由工人的工具(它的生产率取决于工人的技巧并需要他付出作为劳动过程的媒介的劳动)变成机械的工具,——机器就代替了工具。在这种情况下,机械应该达到这样的发展程度:它既能从人或牲畜,简言之,从任意动作的那些原动力获得动力,也能从机械推动的原动机获得动力。”⑥

马克思主要从经济学和生产工具发展的宽广视角考察机器和机械的深刻涵义,力图说明当时的社会生产从工厂手工业向大机器工业的转变。他认为机器是代替人手操纵工具的机械系统,它从一开始就应是“工作部分同传导运动的机械和推动机械的原动机的组合”。马克思还谈到了当时一些学者中关于机械和机器的概念:“就象在英国的在政治经济学家一样,在英国的力学家中,可以遇到这样一些人,他们认为,机器与工具没有本质的区别;工具是简单的机器,而机器是复杂的工具,或者说,两者只有简单机器与复杂机器之分。从这种意义上说,甚至最简单的机械,如杠杆、斜面、滑轮、螺旋、楔、轮子等,也被叫作机器”①

19世纪中、后期,西方机械工程学家开始从机械的力学原理出发讨论机械或者说机器的概念,从而给出比较专业和科学的定义。下面给出的是早期机构学的两部奠基性著作中的定义。

英国机械学家威利斯(R.Willis,1800-1875)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,其余构件将发生一定的运动,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。”②

德国机械学家勒洛(F.Reuleaux,1829-1905)在其《理论运动学》(TheoretischeKinematik,GrundzügeeinerTheoriedesMaschienenwesens,1875年)中的定义是:“机械(machine)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,同时伴随着一定的确定运动。”③

威利斯给出的machine定义实际是现代机械原理中的机构。勒洛则最早给出了现代机械学中的机器(即machine)定义。从勒洛开始,机构概念与机器也被区分开来。20世纪的机械原理著作进一步明确了机构和机器的概念。

勒洛的《理论运动学》建立了机械运动学的基础,书中的许多概念、观点和研究方法被沿用至今。20世纪初,出现了把机构学和机械动力学合在一起的机械原理著作。当时西方的机械原理教科书中有如下的定义:

(1)“机械者,固定部分与运动部分之组合体,介乎能力与工作之间,所以使能力变为有用之工作者也。”(1912年,Keown)④

(2)“机械者,两个以上物体之组合体,其相对运动皆继续受一定之限制,使一种能力由之变化或传达,以作一种特别之工作者也。”(1915年,Mcksy)⑤

1930年,我国机械学家刘仙洲在编写中国最早的机械原理教科书时,参考西方这类教科书给出了一个定义:“机械者,两个以上之物体之组合体。动其一部则其余各部各发生一定之相对运动或限制运动,吾人得利用之使一种天然能力或机械能力发生一定之效果或工作者也。”⑥

1955年,乌克兰奥德萨工业大学多布罗沃利斯基(В.А.Добрвольский)在一篇论文中给出了一个定义:“机械是为人所使用的劳动工具,在这个劳动工具中,形状和尺寸适合的部分是由能经受很高压力(阻力)的材料所制成;在引入能量不断作用下,能完成适合的实际上有利的运动和动作;这些运动和动作是人们为完成技术的工艺目的所必要的。”⑦

这里定义的“机械”,更确切地说是机器,即现代机械原理中的machine概念。

综上所述,西方有关机械的一般性概念随着机械的发展逐渐发生了变化,随着机械工程科学的建立和发展而深化。从区分机械与手工工具开始,到区别复杂机械与简单机械和工具,进而形成了机械工程学中最基本的机器和机构概念。

3、机械工程技术史的范畴

机械工程学是以机构和机器为基本对象的科学,各类和各种不同机械均属机械工程技术的范畴。机械的种类繁多,可根据部分机械在某些方面的类同特性或特征化分类别。如希罗将简单机械分为五类:轮与轴,杠杆,滑车,尖劈,螺旋。按马克思对机器系统的分类,机械可分为发动机、传动机构和工作机。刘仙洲在《中国机械工程发明史(第一编)》中将机械分为七类,即:简单机械、发动机或原动机、工作机、传动机、仪表、仅用发动机原理的机械、发电机与电动机。

按机械的使用功能则可分为动力机械、物料搬运机械、粉碎机械等;接服务的产业可分为农业机械、矿山机械、纺织机械、运输机械和化工机械等;按工作原理又可分为热力机械、流体机械、往复机械和仿生机械等。

从动态观点看,机械工程又是一个技术过程。它包含了人类的主要技术活动:(1)发明与革新;(2)设计与测试;(3)制造(加工与制作)(4)使用与维修。因此各种机械的发明、设计、加工与制造以及使用与维修均属机械工程技术的范畴。发明和设计包含了更多的智力因素和思想与知识内涵。制造和使用则包含了更多的体力因素和经验与实践的内容。机械加工与制作的对象以及加工制作过程无疑属于机械工程技术的基本内容,因此,某些通过机械加工获得的技术产品,尽管不能看作是机构和机器,也常常被认为属于机械工程的范畴。

机械工程技术史是研究机械工程技术发生、发展过程及其规律的一门学科。机械工程技术史的对象和范畴与机械工程技术的对象与范畴既有在内在的联系,由有着一定的差别。从认识上看,机械工程技术是第一个层次,机械工程技术史是第二个层次,后者是以前者为基础的。机械工程技术史是研究过去的机械技术的学问,与前者不同的特点是研究者和研究对象在时间坐标上处于不同的位置,因此它重视从时间关系研究机械技术的特点和演变过程。可以说,机械工程技术史的对象是历史上的机械成果及其影响机械工程技术发展的各种主要因素。不仅历代的机械发明、机械制造技术以及机械成果的推广与应用属于机械工程技术史的范畴,而且影响机械工程发展的社会的经济、政治和文化等因素也属于它考察的对象和范畴。

二、中国机械工程技术史的研究对象、任务和价值

1、中国机械史的研究对象与任务

中国机械工程技术史主要研究机械工程技术在中国的发展过程与模式,它的对象是中国历代的机械成果及其影响机械工程技术发展的各种因素。机械技术的发展在许多方面有其一般性的规律,适用于不同的文化和国家,当然也适用于中国。但是每个国家特别是不同文化传统的国家有着不同的特殊环境和背景,各国机械的发展是不平衡的。有的国家和地区在机械技术的某些方面发展水平较高,另一些国家和地区则在机械的另一些方面发展水平较高;有的机械成果在某些国家传播和发展较快,而在另一些国家推广应用十分缓慢。由于不同文化和社会因素的制约,各国机械工程技术的发展模式也并不是千篇一律的。因此不同国家机械工程技术的发展往往呈现出不同的特点。尤其是中国古代机械的发展,技术传统与西方有很大不同,有其独特的轨迹。既有许多优点也有不少缺点,既有很多成功的经验也有不少失败的教训,值得认真加以总结。中国机械史的主要任务就是要整理和发掘中国历代在机械工程方面的重要成果及其特点,揭示机械工程技术在中国发展的规律性和特殊性。

研究中国机械史应从考察中国历代的机械成果入手,首先需要掌握大量的历史资料。中国历史上有哪些重要机械科技成果?它们的水平和价值如何?中国传统机械及其技术、工艺方法和西方有何不同?机械工程技术对中国社会生产有何作用和影响?这些都是需要机械史研究解决的基本性问题。只有对有关史料进行全面的清理和深入的分析,才能获得这些问题的答案。对于中国古代机械史来说,历代有关机械工程的成果主要反映在三类史料之中,即文字资料、图像与图形资料和实物资料。中国机械工程的文献史料,是有关古代机械的概念名称、形制、材料、动力、结构原理、工艺方法、应用与推广情况以及相关的社会历史文化背景等方面的文字记载和描述。它包括各类典籍中的有关史料和出土文物上相关的铭刻资料等。除了少数一些技术著作中有关机械的专论性记述外,有关机械工程的文献资料十分零散,大都分散在大量的各类古籍之中。图像与图形资料主要是古代美术作品和工程技术著作及其它典籍中的机械图像与图形,这些资料不仅存在于帛、纸为载体的古代绘画作品和各类写本和印刷本书籍中,而且大量存在于古代岩画、铜器刻画、砖石刻画、壁画等平面绘画和浮雕作品之中。实物资料是考古发掘中出土的和传世的与古代机械直接有关的各种实物,主要包括大量的古代各类机械成品、半成品、零部件、机械模型、明器机械和机械加工产品,目前在民间仍然尚存不少传统机械,从技术上看属于古机械的遗制,它们也是重要的实物资料。这些实物资料具有重大的价值,由此可以获得更为确切和可靠的关于过去机械技术的信息,它们与文献资料同样属于中国机械史的研究对象。搜集、整理和分析古代机械工程史资料,是中国机械工程史研究的一项基础性工作。但是,由于多数文献史料分散在数量极大的古籍和铭文中,各类与机械有关的古代绘画作品则更是分散收藏于各地不同的机构和个人手中,实物资料同样分布在十分广泛的地域范围内,此外还有大量资料流失国外,因此,对如此众多的史料进行充分的发掘、整理和研究,由少数人在短期内显然是难以完成的。中国机械工程技术史的任务因而也十分繁重,必须多人接力工作,逐步扩大调查和研究的范围,直到基本掌握整体面貌。

中国机械工程史还要探讨影响中国机械工程技术发展的各种因素。除了研究诸如工匠和技术人员在机械工程发展中的作用、古代的技术观和设计与管理思想对工程技术实践的影响等内部因素外,还应分析文化与科学传统、社会经济与政治制度、战争与军事、思维方式、技术政策与组织管理制度以及对外交流关系对机械工程发展的影响等诸多外部的因素。这些因素对于古代机械工程的发展有时起促进作用,也有时起阻碍作用。有的因素只有短期影响,有些则长期发挥作用。这方面的研究,涉及领域很多,情况极为复杂,因而难度也更大,任务更为艰巨。如果要想在中国机械史的宏观研究方面取得突破性的进展,就必须在这方面有更多的投入和下更大的功夫。在搜集、整理和分析古代机械工程史资料的基础工作取得重要进展后,研究工作的重点应逐渐向这方面转移。

2、中国机械史的价值

中国的机械工程技术在漫长的历史发展过程中形成了自己独特的风格。中国古代机械工程技术,是世界机械史的一个组成部分,在世界机械工程史上占有重要位置。

中国古代机械工程技术成果具有重要的历史价值,有许多机械发明和技术成果在世界机械史上处于遥遥领先的地位,其中不少成果还传播到了世界各地,对世界机械技术的进步起到了直接的促进作用。著名科学史家李约瑟在讨论中西科技交流与比较问题时曾指出:“有少数几种基本技术曾经从古代美索不达米亚朝四面八方传播,……可是,中国人的发明就多了。这些发明在公一元世纪到十八世纪期间先后传到了欧洲和其他地区。这里包括:(1)龙骨车;(2)石碾和水力在石碾上的应用;3水排;(4)风扇车和簸扬机;(5)活塞风箱;6平放织机(它可能也是印度的发明)和提花机;(7)缫丝、纺丝和调丝机;(8)独轮车;(9)加帆手推车;(10)磨车;(11)拖重牲口用的两种高效马具,即胸带和套包子;(12)弓弩(13)风筝;(14)竹编蜒和走马灯;(15)深钻技术;(16)铸铁的使用;(17)游动的常平悬吊器;(18)弧形拱桥;(19)铁索吊桥;(20)河渠闸门;(21)造船和航运方面的无数发明,包括防水隔舱、高效率空气动力帆和前后索具(22)船尾的方向舵;(23)火药以及和它有关的一些技术;(24)罗盘针,先用于看风水,后来又用于航海;(25)纸、印刷术和活字印刷术;(26)瓷器。我写到这里时了句点,因为二十六个字母都已经用完了,可有许多例子、甚至还有重要的例子可以列举。我们决不能认为对以上任何一种发明已经没有话可讲了,也不能认为在所有例子中,都有足够的证据可以充分证明,后来欧洲应用的是从较早的中国人的实践中得来的。但是所有这些例子有一种共同之点,这就是它们在中国应用的时期,确实早于它们在世界其他部分出现的时期。有时甚至要早得多。”①李约瑟博士列举的这些实例绝大多数都是中国古代的机械发明或相关的技术成果,由此可见,中国古代的机械技术成果不仅在中国科技史上占有突出地位,而且在世界机械史乃至科技史上的地位也是不可低估的。

中国机械史的历史价值还表现在传统机械工程技术在中国古代社会经济和科技发展中占有十分重要的位置。中国自古以来以农业立国,农业生产在古代历史发展进程中始终占据核心地位,因而作为农业生产工具的农业机械在生产中的作用极为重要。农业机械技术方面的大量发明、革新及其推广应用对社会生产力的提高起了极大的作用。同样,机械在水利工程、建筑工程、交通运输、纺织等领域中也发挥着重要作用。机械技术在军事上具有举足轻重的作用,先进和精良武器与军事装备的制造都要依赖先进的机械技术。中国古代在天文观测方面能够取得许多重要成就,与先进天文仪器的作用密不可分,而众多先进天文仪器的出现则反映了中国古代精密机械制造技术的发达。明代宋应星编著的《天工开物》是一部关于中国古代工程技术的百科全书,其中讲述机械技术的内容占了全书一半以上的篇幅,也说明机械技术在古代工程技术中的重要地位。因此,传统机械技术根植于中国古代社会生活和生产的各个领域之中,机械技术的进步不仅促进了生产的发展,丰富了古代的社会生活,而且成为推动古代不同领域科技发展的有力工具。

中国机械史的研究不仅具有重要的历史价值,而且具有较高的现实价值和意义。这主要表现在以下几个方面。

首先,中国古代机械工程技术是中国科学文化的重要组成部分,传统机械的技术成果是我国优秀的科学文化遗产,因此中国古代机械史的研究具有重要的文化价值。机械技术在人类物质文化史上一直占据核心地位,人类文明的发展阶段一般以机械技术的重要成果作为主要划分标志,便是最好的说明。而我们的祖先创造了许多杰出的机械科技成果,为后世留下了大量的物质文化财富,发掘、整理和研究这些机械成果对于丰富祖国科学文化宝库无疑极为有益。但过去这方面的工作开展得还远远不够,中国机械工程机械史仍是一个有待开发的领域,在目前情况下进一步开展中国机械史的研究也显得尤为重要。

第二,技术发展有很强的继承性和规律性,中国机械史的研究有助于揭示技术发展特质,可以起到温故知新、阐明方向和趋势的作用,因此具有重要的借鉴价值。中国历史上在机械科技方面的成功经验和失败教训,对于现今科技的发展很有借鉴价值。中国古代与机械有关的技术观和技术哲学思想,对于我们认识技术与人、技术与环境以及技术与社会的关系仍有参考价值。中国古代的一些技术思想和方法与举措正好与现代可持续发展的时代要求相切合,对于认识和解决技术给现代社会带来的环境污染,能源和资源的枯竭等一系列负面效应也有积极的参考意义。中国近现代机械史的研究则对于制定国家的技术规划、技术发展与引进的政策和战略更是有着直接的借鉴作用。

第三,研究和学习中国机械工程史,阐明中国传统机械技术的兴衰历程,了解科学家、发明家的生平、成就和思想,不仅可以学到科学和历史的知识,还可从中获得启示和汲取教益,因而中国机械史还有着比较重要的教育价值与作用。机械工程技术史知识的传播有助于人们了解机械工程技术的概念和原理的来龙去脉,加深对机械科技的认识和理解。培根说;学史可以使人明智。对于青年学生与专业科技人员来讲,机械史的知识则可起到开拓视野的作用。

第四,研究中国机械史,不难发现一些古老的机械技术、工艺和原理在现代仍然发挥着作用或具有实用价值。中国传统的农业机械与古农具至今在农业生产中广泛使用,具有极强的生命力。我国的许多传统金属工艺仍在实际应用中发挥着重要作用。在秦始皇陵墓中出土的青铜箭镞表面上有一层含铬的黑色致密层,埋在地下两千多年没有腐蚀。现代金相学研究证明这样处理有很强的抗腐蚀能力。此项表面处理技术显然具有古为今用的价值。类似的实例还有很多。机械史的研究有助于认识和发现传统机械的现代意义和实用价值。

三、中国古代机械史的分期问题

研究中国机械技术的总体发展进程,必须把中国机械技术的形成与发展过程划分为几个不同的历史阶段,因此,中国机械史的分期问题是进行中国机械工程史宏观研究的一个重要问题。合理的分期不但可以反映中国机械工程发展的阶段性,同时也应反映出中国机械科技发展的特点和主要线索。

关于中国机械史的分期问题,已有一些学者有所涉及和讨论,但目前尚未进行充分的研究,也未得出一致的结论。1984年,郭可谦、陆敬严先生最早专门讨论了这一问题。他们提出了将中国机械史分为四个时期的方案:①

(1)简单工具时期,相当于原始社会时期,即石器时代。分为两个阶段:粗制工具阶段(旧石器时代),和精制工具阶段(新石器时代)。

(2)古代机械时期,大约从四千年到十九世纪四十年代。包括三个阶段:从古车出现到秦以前为迅速发展阶段;秦到宋元时期为成熟阶段;明代到十九世纪四十年代为缓慢前进阶段。

(3)近代机械时期,,从一八四○年至新中国成立前夕。

(4)现代机械时期,新中国成立后的发展时期。

在1985年,笔者提出了关于中国机械史的另一种分期意见,将中国机械史分为六个时期:②

(1)形成与积累时期,从远古到西周时期。

(2)迅速发展和成熟时期,从春秋时期到到东汉末年。

(3)全面发展和鼎盛时期,从三国时期到元代中期。

(4)缓慢发展时期,从元代后期到清代中期。

(5)转变时期,清代后期到中国成立前夕。

(6)复兴时期,新中国成立后的发展时期。

最新出版的《中国科学技术史》机械卷有“中国古代和近代机械工程发展概述”一章,论述中基本上采用了第一种分期方案。

1987年出版的《中国的百科全书》机械工程卷有词条“中国古代机械史”、“中国近代机械工业”和“中国现代机械工业”分别涉及了中国古代机械工程技术、近代机械工业和现代机械工业发展的分期问题。这里仅介绍周世德先生在“中国古代机械史”条目中采用的古代机械史分期方案:③

(1)春秋以前(公元前770年前)。

(2)春秋至汉魏时期(公元前770年前~公元265)。

(3)两晋宋元时期(公元265~1368)。

(4)明清时期(1368~1840)。

上述分期方案都有各自的分期依据,并较好地反映了机械史与中国通史的关系。在反映中国机械工程发展的内部规律和特点方面,虽然也得到较好的处理,但细节方面似乎尚有进一步探讨的余地。笔者认为中国机械史的分期应以机械科技的重大转变和突破为主要依据,这就需要分析和研究各个历史时期各种机械在动力、材料、结构原理、工艺和功能等方面的发展水平和变化情况.此外,还应注意考察不同时期间机械工程知识的水平和先进机械的推广与应用情况以及机械的社会功能与作用。中国机械工程技术的发展是一个以波浪式曲线前进的过程。常常由于某一方面或几个方面(如材料、动力、工艺等方面)的重大转变或突变引起机械工程技术的主要内容发生了变化,使其达到新的水平,这样就形成了几个不同的自然发展时期。据此,我们在又在上述方案的基础上,提出了如下关于中国古代机械史分期的修订方案:

(1)古代机械技术的萌芽时期,从旧石器时代开始到新石器时代。

(2)传统机械技术的初步形成时期,夏、商、西周时期。

(3)传统机械技术的进一步发展时期,春秋战国到三国时期。

(4)传统机械技术的成熟与鼎盛时期,魏晋南北朝到元代。

(5)传统机械的平缓发展与西方机械的传入时期,明初到十九世纪中叶。

四、中国古代机械工程史研究的历史与现状

在我国,中国机械工程技术史的现代研究发端于20世纪二三十年代。张荫麟、刘仙洲和王振铎等是早期中国机械史研究工作的主要开拓者。张荫麟于1925年翻译了英国学者穆尔(A.C.Moule)1924年发表在ToungPao(通报)上的专题论文“TheChineseSouth-PointingCarriage”,中译文题目改为“宋燕肃、吴德仁指南车造法考”,发表在《清华学报》第2卷第1期(1925)上。张荫麟又于1926年在《清华学报》第2卷第2期上发表了“宋卢道隆、吴德仁指南车之造法”一文。此后,他又在1928年发表了论文“中国历史上之‘奇器’及其作者”(《燕京学报》第1卷第3期)。30年代开始了较为全面的古代机械的文献资料发掘、整理和专题复原研究。1935年刘仙洲在清华大学出版了《中国机械工程史料》(约6万字)一书,首次依据现代机械工程分类方法整理了中国古代机械工程的史料,初步勾勒出了中国古代机械工程的基本轮廓。几乎与此同时王振铎也开始了复原地动仪、指南车与记里鼓车的工作,他于1936年发表了专题论文“汉张衡候风地动仪造法之推测”(《燕京学报》第20期,10周年纪念专号),1937年又发表了重要论文“指南车记里鼓车之考证及模型”(《史学集刊》第3期)。40年代,刘仙洲又发表了“王征与我国第一部机械工程学”(见《国立清华大学学报》1期,《真理杂志》1卷2期)和“中国在热机历史上的地位”(《东方杂志》39卷18期)两篇有影响的论文。

西方学者早在19世纪后期就开始关注中国古文献中有关机械发明的记载,20世纪初在欧洲的技术史著作中已有关于中国古代机械发明的探讨。如奥地利著名技术史家霍维茨(H.T.Horwitz)在1913年出版的技术史著作中对中国的机械发明作了论述。此后直到30年代,在他的不少论著中都有关于中国古代机械的讨论①。葛雷斯(H.A.Giles)于1906年,劳佛尔(B.Laufer)于1912,分别对中国古代指南车进行了复原研究②。穆尔(A.C.Moule)于1924年发表了研究指南车的专题论文,并根据《宋史》的文献记载给出了具体的复原方案。穆尔的工作引起英国学者的关注,此后戴科斯(K.T.Dykes)提出了采用差动轮系复原指南车的设想(1942年),兰彻斯特(G.Lanchster)于1947年利用差动轮系制作了复原模型。美国学者霍梅尔(R.P.Hommel)在1921年在至1928年、1928年至1930年前后用了8年时间在中国各地调查传统手工业技术,在进行了广泛的实地调查后,写成专著ChinaatWork;anillustratedRecordofthePrimitiveIndustriesofChina’sMasses,whoseLifeisToil,andthusanAccountofChineseCivilization,于1937年在纽约出版,其中包含了大量传统机械与工艺方面的内容,配有大量实物照片,是一部具有重要历史和文化价值的著作。恰特莱(H.Chatley)在1942年在TransactionsoftheNewcomenSociety(22,117)上发表了TheDevelopmentofMechanismsinAncientChina(古代中国机械学的发展)综论研究性论文,在西方首次较全面地论述了中国古代机械的发展。在国外,对中国机械史研究最有建树的学者还是李约瑟博士。他从50年代开始发表有关中国机械史方面的论文,1965年他的巨著《中国科学技术史》的机械工程卷(ScienceandCivilizationinChina,Volume4,PhysicsandPhysicalTechnology,Part2,MechanicalEngineering)由剑桥大学出版社出版,它是第一部英文的中国机械史的学术专著,在国际上影响极大。李约瑟编撰此书时利用了大量的中国机械史的原始资料和研究成果,同时参考了许多世界与西方机械史的文献和研究成果,在比较科学史的视角对中国机械技术的发展及其重要成果进行了深入研究。日本和台湾学者较早分别将此书翻译成日文和中文出版,中国大陆的中文译本也在2000年有科学出版社和上海古籍出版社出版。

20世纪50年代以来,中国机械史的研究工作在中国经历了十分曲折的过程。在50年代至60年代前期,刘仙洲做了一系列机械史专题研究工作,发表了多篇论文,并主持汇集中国工程史料。1962年他编著的《中国机械工程史(第一编)》一书由科学出版社,这是第一部中国古代机械史的著作,论述了中国古代的主要机械发明成就,从机械原理和原动力的角度出发整理了中国古代机械工程发展的脉络。1963刘仙洲年撰写的《中国古代农业机械发明史》问世,这是第一部全面历史中国古代农业机械成果及其发展的著作。王振铎则在发掘古代文献和文物资料的基础上,对许多机械成果做了深入的专题研究。他在中国历史博物馆主持复原了水运仪象台、候风地动仪、指南车、记里鼓车等一系列古代机械装置。他们的杰出工作,奠定了中国机械工程史这一学科的基础,在国内外学术界产生了重大影响。正当中国机械史的研究被引向深入之时,爆发了史无前例的“”,导致了科学文化大灾难。“”期间,和其他学科一样,机械史的研究也完全处于停顿状态。“”以后,中国机械史的研究得以恢复和发展,老一辈学者也续有力作刊行,如清华大学出版了根据刘仙洲生前汇集的史料编纂而成的《中国科技史资料汇编一农业机械》(1985年),王振择先生出版他的论文集《科技考古论丛》(1989年)。同时,同济大学、中国科学院自然科学史研究所、北京航空航天大学等单位,都积极开展了中国机械史的研究工作和国内外学术交流,并通过招收机械史的研究生,努力培养新一代的专业研究人员。一些大专院校开设了机械史的选修课,取得了良好的效果。从20世纪80年代起,中国机械史的研究队伍开始形成,研究工作逐渐活跃,数百篇,涌现了不少具有较高质量和较大影响的专题研究成果。如陆敬严先生主持的古代机械模型复原等课题,华觉明先生参与主持的曾侯乙编钟的复原研究,杨青、钱小康等先生参与主持的秦陵铜车马技术研究等都取得了突出成果。综合性与系统性的整理与研究工作也有重要进展,如1986年机械工程师进修大学刊行了郭可谦、陆敬严合著的《中国机械史讲座》,1986年文物出版社出版了华觉明等撰写的《中国冶铸史论集》,和,1992年北京理工大学出版了张柏春撰写的《中国近代机械简史》,1995年山东科技出版社出版了苏荣誉等编撰的《中国上古金属技术》,1998年清华大学出版社出版了张春辉编著的《中国古代农业机械发明史》(补编),1999年大象出版社出版了华觉明撰著的《中国古代金属技术》。此外,台湾中央文物供应社也在1987年出版了万迪棣编撰的《中国机械科技之发展》一书,此书被收入中华文化丛书中。90年代初期,中国科学技术史丛书委托陆敬严、华觉明主编《中国科学技术史》的机械卷,钱小康、张柏春、何堂坤、杨青、赵丰、黄麟雏、刘克明和冯立升等多位学者参加编写,于1997年完成全书的编撰工作。此书于2000年由科学出版社出版,全书约69万字,与前面几部通史性中国机械史著作有所不同,它突破了简史的范畴,是一部较大型的中国机械工程学术著作。此书对中国机械工程的历史发展做了比较系统的论述和讨论,对已有的研究成果进行了一次较全面的总结。这表明,中国机械史的研究已走出初创阶段,进入了一个新的历史发展时期。

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①真保吾一著,董万友译,机械工学概论,国际文化出版公司,1986,3。原作书名为“緿綐機械工学”,由日本理工学社1984年出版。

①②李志超,机发论—有为的科学观,自然科学史研究,1990,9(1):2。

①刘仙洲,中国机械工程发明史(第一编),科学出版社,1962,5。

②维特鲁威著,高履泰译,建筑十书,这个建筑工业出版社,1986,224-225。

③A.P.Usher:AHistoryofMechanicalInventions,DoverPublications,Inc.,1988,NewYork,120.

④转引自①。

⑤马克思,资本论(第一卷),人民出版社,1963,396。

⑥马克思,机器。自然力和科学的应用,人民出版社,1978,91-92。

①马克思,机器。自然力和科学的应用,人民出版社,1978,52。

②③转引(译)自A.P.Usher:AHistoryofMechanicalInventions,DoverPublications,Inc.,1988,NewYork,117

④⑤⑥⑦见刘仙洲:中国机械工程发明史(第一编),科学出版社,1962,5-6。

①李约瑟,中国科学技术史·总论(中译本第一卷),科学出版社,1975,545-547。

①郭可谦、陆敬严,关于中国机械史的分期意见,机械设计,1984,1(2)。

②冯立升,中国机械史的分期意见,科学、技术与辩证法,1986,(3)。

工程技术论文范文篇5

1、机械的现代定义

研究机械工程技术史,首先需要明确机械的观念规定。在我国现代的机械学著作中,“机械”一词是机构(mechanism)和机器(machine)的总称。尽管各种机械的构造、性能和用途各异,但从它们的组成和运动形式来看,却有两个共同特征:

1)它们是一种人为的实物构件的组合。

2)它们各部分之间具有确定的相对运动。

凡同时具备上述两个特征的构件组合体便称为机构或机械。机器除了具备上述两个特征外,还必须具备第三个特征:能代替人类的劳动以完成有用的机械功或转换机械能。所以机器是能转换机械能或完成有用的机械功的机构。从结构和运动的观点来看,机构和机器并无区别,因此泛称它们为机械。

机构和机器的定义来源于西方机械工程科学,它们都是现代机械原理中的最基本的概念,但在现代西方机械学著作中,并没有一个作为机构(mechanism)和机器(machine)的总称的专门名词或术语。在日本的机械工学中,机械概念是如下定义的:①

凡符合下述三项条件的,则定义为机械。

①它是物体的组合,假定力加到其各个部分也难以变形。

②这些物体必须实现相互的、单一的、规定的运动。

③把施加的能量转变为最有用的形式,或转变为有效的机械功。

这里,“机械”一词定义的是machine概念,这一定义与我国机械原理著作对机器的定义相同。mechanism一词,在日本机械工学中译为“機構”,或音译为メカニズム。

考虑到机构和机器均属现代机械学的基本范畴,我们采用能够同时涵盖机构和机器的机械概念,也是有其合理性的。

设计机械的目的是完成预定的机械运动及完成特定的动作,一般来说,一种复杂机械都由三大部分组成。一是原动部分,它是机械动力的来源。二是工作部分,它处于传动路线的终点,完成机械的预定动作。三是传动部分,它是把原动机件的运动和功率传递给工作部分的中间环节。近代机械中又有第四个部分,即自动控制部分。

2、机械的古代涵义及其演变

(1)中国古代文献中“机械”一词的涵义

“机械”一词由“机”与“械”两个汉字组成,探讨该词的涵义,首先须了解这两个字在古汉语中的意思。

“机”在古汉语中原指某种或某一类特定的装置,后来又泛指一般的机械。

古代常以“机”指弩上发箭的装置,即弩机。《尚书·太甲》有“若虞机张,往省括于度,则释”。但此篇可能作于西汉。《庄子·齐物论》:“其发若机括。”《释文》称:“机,弩牙;括,箭括。”按此言张弩发箭,以括入机,机动则发。东汉时成书的《说文解字》对“机”的解释是“机,主发者也”,说的也是弩机。由弩机延伸,触发式捕兽器也称为“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。后来的“机防阱”和“机关”也是这个意思。

古代又以“机抒”指织布机。《淮南子·氾论》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”。南北朝《木兰词》有“不闻机抒声,唯闻女叹息”。《说文解字》:“抒,机之持纬者也。”宋《集韵》也说:“机以转轴,抒以持纬。”抒就是梭子,而机为转轴部件。“机抒”二字各表织机一个特征部件,因而后有只用一个“机”字代表织机的说法。①

由以上所述可知,“机”之本义当指机械装置中构成转动副的转动构件。

《尚书》:“在璇玑玉衡以齐七政。”伏胜《尚书大传》云:“旋机者,何也?传曰:旋者还也,机者几也,微也。其变几微,而所动者大,谓之旋机。”这里“机”为轴动之物。《管子·形势解》也载:“奚仲之为车器也,方圆曲直皆中规矩钩绳。故机旋机得,用之牢利,成器坚固。”这是讲车的部件生产的质量检验工序,“机旋机得”是指达到转动配合的精度标准要求。②

“机”还引申为许多机械发明的泛称,《战国策·宋卫》说:“公输般为楚设机,将以攻宋。”注称:“机,械,云梯之属。”《荀子·议兵》有“固塞不树,机变不张。”注称“机变,谓器械变动攻敌也。”《后汉书·张衡列传》说;“衡善机巧。”《南齐书·祖冲之传》:“初,宋武平关中,得姚兴指南车,有外形而无机巧,每行,使人于内转之。”“机”字实际可以泛指各种灵巧和关键的机械装置。

“机”的涵义由此延伸,出现了更具抽象的词义。《韩非子·十过》:“此存亡之机也。”《逸周书·大武》:“此七者,伐之机也。”“机”在这里指事物之枢要、关键。《庄子·至乐》载:“万物皆出于机,皆入于机。”疏曰:“机者,发动,所谓造化也。”这是指事物变化之所由。“机”还指事物变化之迹象、征兆等等。这样,衍生出大量相关词汇,如机巧、机先、机兆、机密、机会、机缘、机要、机谋、机关和机衡等。

“械”在古代是指器械、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。”“械”在这里为一般器械或器具。《墨子·公输》:“公输般为楚造云梯之械。”这是指兵器。《汉书·司马迁传》载:“淮阴(韩信),王也,受械于陈。”“械”在此指刑具。

与“机”原指局部的关键机件有所不同,“械”在中国古代原本便指某一整体器械或器具,。这两字连在一起,组成“机械”一词,便成为为一般性的机械概念了。

在先秦时期的文献中,已经讨论了抽象的机械概念。《庄子·外篇·天地第十二》有一段关于机械技术思想意义的讨论:

(子贡)见一丈人方将为圃畦,凿隧而入井,抱瓮而出灌,然用力甚多而见功寡。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,挈水若抽,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。

这段文字是中国技术思想史的重要史料,后面将进行专题讨论。这里我们感兴趣的是,子贡与老人的对话给出了机械的概念界定:机械是能用力甚寡而见功多的器械。

关于机械的概念,在《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。”这里还有了初步的经济观点。①

由此可知,中国古代早在战国时期就已形成了与现代机械学中“机械”一词涵义比较相近的机械概念和术语了。

(2)西方古今的机械概念

英文的“machine”一词,其涵义要比现代机械学界定的“机器”(machine)概念要广。在一般使用上,它与汉语的“机械”一词类同。美国罗伯特·欧布林(RobertObrien)所著《机器》一书中指出:英文的“machine”(机械)一词来源于希腊文mechine及拉丁文mecina,两者原意都指的是“巧妙的设计”。Machine作为一般性的机械概念的出现,主要是为了区别与手工工具。在西方,一般性的机械概念的提出,可追溯到古罗马时期。

西方最先提出机械定义的是古罗马的建筑师维特鲁威(Vitruvii)。他在其著作《建筑十书》(约成书于公元前32-33年)给出了这样的定义:“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。”他对机械和工具作了区别:“机械(machane)和工具(organon)之间似乎有着以下的区别。即机械是以多数人工和很大的力量而发生效果的,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可缺少的东西。”②

亚历山大利亚城的希罗(HeroofAlexandria,公元1世纪)最早讨论了机械的基本要素,他认为机械的要素有五类:轮与轴,杠杆,滑车,尖劈,螺旋。希罗的论文只是关系到提升和推动重物,虽不够全面,但却反映了古典机械的特征。③

1724年,德国莱比锡的机械士廖波尔特(Leopold)给出的定义是:“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省时间和力量的地方,它能做到节省。”④

马克思在《资本论》中对充分发展了的机械给出了界定:“一切已经发展的机器,都三个本质上不同的部分——发动机、传动机构和工具机械工作机——构成,发动机是整个机构的动力。”⑤马克思在《1861—1863年经济学手稿》讨论了机器与工具的区别,他指出:“以上所述已经对机器和工具有什么区别的问题作出了回答。工具本身一旦由机械来推动,一旦由工人的工具(它的生产率取决于工人的技巧并需要他付出作为劳动过程的媒介的劳动)变成机械的工具,——机器就代替了工具。在这种情况下,机械应该达到这样的发展程度:它既能从人或牲畜,简言之,从任意动作的那些原动力获得动力,也能从机械推动的原动机获得动力。”⑥

马克思主要从经济学和生产工具发展的宽广视角考察机器和机械的深刻涵义,力图说明当时的社会生产从工厂手工业向大机器工业的转变。他认为机器是代替人手操纵工具的机械系统,它从一开始就应是“工作部分同传导运动的机械和推动机械的原动机的组合”。马克思还谈到了当时一些学者中关于机械和机器的概念:“就象在英国的在政治经济学家一样,在英国的力学家中,可以遇到这样一些人,他们认为,机器与工具没有本质的区别;工具是简单的机器,而机器是复杂的工具,或者说,两者只有简单机器与复杂机器之分。从这种意义上说,甚至最简单的机械,如杠杆、斜面、滑轮、螺旋、楔、轮子等,也被叫作机器”①

19世纪中、后期,西方机械工程学家开始从机械的力学原理出发讨论机械或者说机器的概念,从而给出比较专业和科学的定义。下面给出的是早期机构学的两部奠基性著作中的定义。

英国机械学家威利斯(R.Willis,1800-1875)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,其余构件将发生一定的运动,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。”②

德国机械学家勒洛(F.Reuleaux,1829-1905)在其《理论运动学》(TheoretischeKinematik,GrundzügeeinerTheoriedesMaschienenwesens,1875年)中的定义是:“机械(machine)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,同时伴随着一定的确定运动。”③

威利斯给出的machine定义实际是现代机械原理中的机构。勒洛则最早给出了现代机械学中的机器(即machine)定义。从勒洛开始,机构概念与机器也被区分开来。20世纪的机械原理著作进一步明确了机构和机器的概念。

勒洛的《理论运动学》建立了机械运动学的基础,书中的许多概念、观点和研究方法被沿用至今。20世纪初,出现了把机构学和机械动力学合在一起的机械原理著作。当时西方的机械原理教科书中有如下的定义:

(1)“机械者,固定部分与运动部分之组合体,介乎能力与工作之间,所以使能力变为有用之工作者也。”(1912年,Keown)④

(2)“机械者,两个以上物体之组合体,其相对运动皆继续受一定之限制,使一种能力由之变化或传达,以作一种特别之工作者也。”(1915年,Mcksy)⑤

1930年,我国机械学家刘仙洲在编写中国最早的机械原理教科书时,参考西方这类教科书给出了一个定义:“机械者,两个以上之物体之组合体。动其一部则其余各部各发生一定之相对运动或限制运动,吾人得利用之使一种天然能力或机械能力发生一定之效果或工作者也。”⑥

1955年,乌克兰奥德萨工业大学多布罗沃利斯基(В.А.Добрвольский)在一篇论文中给出了一个定义:“机械是为人所使用的劳动工具,在这个劳动工具中,形状和尺寸适合的部分是由能经受很高压力(阻力)的材料所制成;在引入能量不断作用下,能完成适合的实际上有利的运动和动作;这些运动和动作是人们为完成技术的工艺目的所必要的。”⑦

这里定义的“机械”,更确切地说是机器,即现代机械原理中的machine概念。

综上所述,西方有关机械的一般性概念随着机械的发展逐渐发生了变化,随着机械工程科学的建立和发展而深化。从区分机械与手工工具开始,到区别复杂机械与简单机械和工具,进而形成了机械工程学中最基本的机器和机构概念。

3、机械工程技术史的范畴

机械工程学是以机构和机器为基本对象的科学,各类和各种不同机械均属机械工程技术的范畴。机械的种类繁多,可根据部分机械在某些方面的类同特性或特征化分类别。如希罗将简单机械分为五类:轮与轴,杠杆,滑车,尖劈,螺旋。按马克思对机器系统的分类,机械可分为发动机、传动机构和工作机。刘仙洲在《中国机械工程发明史(第一编)》中将机械分为七类,即:简单机械、发动机或原动机、工作机、传动机、仪表、仅用发动机原理的机械、发电机与电动机。

按机械的使用功能则可分为动力机械、物料搬运机械、粉碎机械等;接服务的产业可分为农业机械、矿山机械、纺织机械、运输机械和化工机械等;按工作原理又可分为热力机械、流体机械、往复机械和仿生机械等。

从动态观点看,机械工程又是一个技术过程。它包含了人类的主要技术活动:(1)发明与革新;(2)设计与测试;(3)制造(加工与制作)(4)使用与维修。因此各种机械的发明、设计、加工与制造以及使用与维修均属机械工程技术的范畴。发明和设计包含了更多的智力因素和思想与知识内涵。制造和使用则包含了更多的体力因素和经验与实践的内容。机械加工与制作的对象以及加工制作过程无疑属于机械工程技术的基本内容,因此,某些通过机械加工获得的技术产品,尽管不能看作是机构和机器,也常常被认为属于机械工程的范畴。

机械工程技术史是研究机械工程技术发生、发展过程及其规律的一门学科。机械工程技术史的对象和范畴与机械工程技术的对象与范畴既有在内在的联系,由有着一定的差别。从认识上看,机械工程技术是第一个层次,机械工程技术史是第二个层次,后者是以前者为基础的。机械工程技术史是研究过去的机械技术的学问,与前者不同的特点是研究者和研究对象在时间坐标上处于不同的位置,因此它重视从时间关系研究机械技术的特点和演变过程。可以说,机械工程技术史的对象是历史上的机械成果及其影响机械工程技术发展的各种主要因素。不仅历代的机械发明、机械制造技术以及机械成果的推广与应用属于机械工程技术史的范畴,而且影响机械工程发展的社会的经济、政治和文化等因素也属于它考察的对象和范畴。

二、中国机械工程技术史的研究对象、任务和价值

1、中国机械史的研究对象与任务

中国机械工程技术史主要研究机械工程技术在中国的发展过程与模式,它的对象是中国历代的机械成果及其影响机械工程技术发展的各种因素。机械技术的发展在许多方面有其一般性的规律,适用于不同的文化和国家,当然也适用于中国。但是每个国家特别是不同文化传统的国家有着不同的特殊环境和背景,各国机械的发展是不平衡的。有的国家和地区在机械技术的某些方面发展水平较高,另一些国家和地区则在机械的另一些方面发展水平较高;有的机械成果在某些国家传播和发展较快,而在另一些国家推广应用十分缓慢。由于不同文化和社会因素的制约,各国机械工程技术的发展模式也并不是千篇一律的。因此不同国家机械工程技术的发展往往呈现出不同的特点。尤其是中国古代机械的发展,技术传统与西方有很大不同,有其独特的轨迹。既有许多优点也有不少缺点,既有很多成功的经验也有不少失败的教训,值得认真加以总结。中国机械史的主要任务就是要整理和发掘中国历代在机械工程方面的重要成果及其特点,揭示机械工程技术在中国发展的规律性和特殊性。

研究中国机械史应从考察中国历代的机械成果入手,首先需要掌握大量的历史资料。中国历史上有哪些重要机械科技成果?它们的水平和价值如何?中国传统机械及其技术、工艺方法和西方有何不同?机械工程技术对中国社会生产有何作用和影响?这些都是需要机械史研究解决的基本性问题。只有对有关史料进行全面的清理和深入的分析,才能获得这些问题的答案。对于中国古代机械史来说,历代有关机械工程的成果主要反映在三类史料之中,即文字资料、图像与图形资料和实物资料。中国机械工程的文献史料,是有关古代机械的概念名称、形制、材料、动力、结构原理、工艺方法、应用与推广情况以及相关的社会历史文化背景等方面的文字记载和描述。它包括各类典籍中的有关史料和出土文物上相关的铭刻资料等。除了少数一些技术著作中有关机械的专论性记述外,有关机械工程的文献资料十分零散,大都分散在大量的各类古籍之中。图像与图形资料主要是古代美术作品和工程技术著作及其它典籍中的机械图像与图形,这些资料不仅存在于帛、纸为载体的古代绘画作品和各类写本和印刷本书籍中,而且大量存在于古代岩画、铜器刻画、砖石刻画、壁画等平面绘画和浮雕作品之中。实物资料是考古发掘中出土的和传世的与古代机械直接有关的各种实物,主要包括大量的古代各类机械成品、半成品、零部件、机械模型、明器机械和机械加工产品,目前在民间仍然尚存不少传统机械,从技术上看属于古机械的遗制,它们也是重要的实物资料。这些实物资料具有重大的价值,由此可以获得更为确切和可靠的关于过去机械技术的信息,它们与文献资料同样属于中国机械史的研究对象。搜集、整理和分析古代机械工程史资料,是中国机械工程史研究的一项基础性工作。但是,由于多数文献史料分散在数量极大的古籍和铭文中,各类与机械有关的古代绘画作品则更是分散收藏于各地不同的机构和个人手中,实物资料同样分布在十分广泛的地域范围内,此外还有大量资料流失国外,因此,对如此众多的史料进行充分的发掘、整理和研究,由少数人在短期内显然是难以完成的。中国机械工程技术史的任务因而也十分繁重,必须多人接力工作,逐步扩大调查和研究的范围,直到基本掌握整体面貌。

中国机械工程史还要探讨影响中国机械工程技术发展的各种因素。除了研究诸如工匠和技术人员在机械工程发展中的作用、古代的技术观和设计与管理思想对工程技术实践的影响等内部因素外,还应分析文化与科学传统、社会经济与政治制度、战争与军事、思维方式、技术政策与组织管理制度以及对外交流关系对机械工程发展的影响等诸多外部的因素。这些因素对于古代机械工程的发展有时起促进作用,也有时起阻碍作用。有的因素只有短期影响,有些则长期发挥作用。这方面的研究,涉及领域很多,情况极为复杂,因而难度也更大,任务更为艰巨。如果要想在中国机械史的宏观研究方面取得突破性的进展,就必须在这方面有更多的投入和下更大的功夫。在搜集、整理和分析古代机械工程史资料的基础工作取得重要进展后,研究工作的重点应逐渐向这方面转移。

2、中国机械史的价值

中国的机械工程技术在漫长的历史发展过程中形成了自己独特的风格。中国古代机械工程技术,是世界机械史的一个组成部分,在世界机械工程史上占有重要位置。

中国古代机械工程技术成果具有重要的历史价值,有许多机械发明和技术成果在世界机械史上处于遥遥领先的地位,其中不少成果还传播到了世界各地,对世界机械技术的进步起到了直接的促进作用。著名科学史家李约瑟在讨论中西科技交流与比较问题时曾指出:“有少数几种基本技术曾经从古代美索不达米亚朝四面八方传播,……可是,中国人的发明就多了。这些发明在公一元世纪到十八世纪期间先后传到了欧洲和其他地区。这里包括:(1)龙骨车;(2)石碾和水力在石碾上的应用;3水排;(4)风扇车和簸扬机;(5)活塞风箱;6平放织机(它可能也是印度的发明)和提花机;(7)缫丝、纺丝和调丝机;(8)独轮车;(9)加帆手推车;(10)磨车;(11)拖重牲口用的两种高效马具,即胸带和套包子;(12)弓弩(13)风筝;(14)竹编蜒和走马灯;(15)深钻技术;(16)铸铁的使用;(17)游动的常平悬吊器;(18)弧形拱桥;(19)铁索吊桥;(20)河渠闸门;(21)造船和航运方面的无数发明,包括防水隔舱、高效率空气动力帆和前后索具(22)船尾的方向舵;(23)火药以及和它有关的一些技术;(24)罗盘针,先用于看风水,后来又用于航海;(25)纸、印刷术和活字印刷术;(26)瓷器。我写到这里时了句点,因为二十六个字母都已经用完了,可有许多例子、甚至还有重要的例子可以列举。我们决不能认为对以上任何一种发明已经没有话可讲了,也不能认为在所有例子中,都有足够的证据可以充分证明,后来欧洲应用的是从较早的中国人的实践中得来的。但是所有这些例子有一种共同之点,这就是它们在中国应用的时期,确实早于它们在世界其他部分出现的时期。有时甚至要早得多。”①李约瑟博士列举的这些实例绝大多数都是中国古代的机械发明或相关的技术成果,由此可见,中国古代的机械技术成果不仅在中国科技史上占有突出地位,而且在世界机械史乃至科技史上的地位也是不可低估的。中国机械史的历史价值还表现在传统机械工程技术在中国古代社会经济和科技发展中占有十分重要的位置。中国自古以来以农业立国,农业生产在古代历史发展进程中始终占据核心地位,因而作为农业生产工具的农业机械在生产中的作用极为重要。农业机械技术方面的大量发明、革新及其推广应用对社会生产力的提高起了极大的作用。同样,机械在水利工程、建筑工程、交通运输、纺织等领域中也发挥着重要作用。机械技术在军事上具有举足轻重的作用,先进和精良武器与军事装备的制造都要依赖先进的机械技术。中国古代在天文观测方面能够取得许多重要成就,与先进天文仪器的作用密不可分,而众多先进天文仪器的出现则反映了中国古代精密机械制造技术的发达。明代宋应星编著的《天工开物》是一部关于中国古代工程技术的百科全书,其中讲述机械技术的内容占了全书一半以上的篇幅,也说明机械技术在古代工程技术中的重要地位。因此,传统机械技术根植于中国古代社会生活和生产的各个领域之中,机械技术的进步不仅促进了生产的发展,丰富了古代的社会生活,而且成为推动古代不同领域科技发展的有力工具。

中国机械史的研究不仅具有重要的历史价值,而且具有较高的现实价值和意义。这主要表现在以下几个方面。

首先,中国古代机械工程技术是中国科学文化的重要组成部分,传统机械的技术成果是我国优秀的科学文化遗产,因此中国古代机械史的研究具有重要的文化价值。机械技术在人类物质文化史上一直占据核心地位,人类文明的发展阶段一般以机械技术的重要成果作为主要划分标志,便是最好的说明。而我们的祖先创造了许多杰出的机械科技成果,为后世留下了大量的物质文化财富,发掘、整理和研究这些机械成果对于丰富祖国科学文化宝库无疑极为有益。但过去这方面的工作开展得还远远不够,中国机械工程机械史仍是一个有待开发的领域,在目前情况下进一步开展中国机械史的研究也显得尤为重要。

第二,技术发展有很强的继承性和规律性,中国机械史的研究有助于揭示技术发展特质,可以起到温故知新、阐明方向和趋势的作用,因此具有重要的借鉴价值。中国历史上在机械科技方面的成功经验和失败教训,对于现今科技的发展很有借鉴价值。中国古代与机械有关的技术观和技术哲学思想,对于我们认识技术与人、技术与环境以及技术与社会的关系仍有参考价值。中国古代的一些技术思想和方法与举措正好与现代可持续发展的时代要求相切合,对于认识和解决技术给现代社会带来的环境污染,能源和资源的枯竭等一系列负面效应也有积极的参考意义。中国近现代机械史的研究则对于制定国家的技术规划、技术发展与引进的政策和战略更是有着直接的借鉴作用。

第三,研究和学习中国机械工程史,阐明中国传统机械技术的兴衰历程,了解科学家、发明家的生平、成就和思想,不仅可以学到科学和历史的知识,还可从中获得启示和汲取教益,因而中国机械史还有着比较重要的教育价值与作用。机械工程技术史知识的传播有助于人们了解机械工程技术的概念和原理的来龙去脉,加深对机械科技的认识和理解。培根说;学史可以使人明智。对于青年学生与专业科技人员来讲,机械史的知识则可起到开拓视野的作用。

第四,研究中国机械史,不难发现一些古老的机械技术、工艺和原理在现代仍然发挥着作用或具有实用价值。中国传统的农业机械与古农具至今在农业生产中广泛使用,具有极强的生命力。我国的许多传统金属工艺仍在实际应用中发挥着重要作用。在秦始皇陵墓中出土的青铜箭镞表面上有一层含铬的黑色致密层,埋在地下两千多年没有腐蚀。现代金相学研究证明这样处理有很强的抗腐蚀能力。此项表面处理技术显然具有古为今用的价值。类似的实例还有很多。机械史的研究有助于认识和发现传统机械的现代意义和实用价值。

三、中国古代机械史的分期问题

研究中国机械技术的总体发展进程,必须把中国机械技术的形成与发展过程划分为几个不同的历史阶段,因此,中国机械史的分期问题是进行中国机械工程史宏观研究的一个重要问题。合理的分期不但可以反映中国机械工程发展的阶段性,同时也应反映出中国机械科技发展的特点和主要线索。

关于中国机械史的分期问题,已有一些学者有所涉及和讨论,但目前尚未进行充分的研究,也未得出一致的结论。1984年,郭可谦、陆敬严先生最早专门讨论了这一问题。他们提出了将中国机械史分为四个时期的方案:①

(1)简单工具时期,相当于原始社会时期,即石器时代。分为两个阶段:粗制工具阶段(旧石器时代),和精制工具阶段(新石器时代)。

(2)古代机械时期,大约从四千年到十九世纪四十年代。包括三个阶段:从古车出现到秦以前为迅速发展阶段;秦到宋元时期为成熟阶段;明代到十九世纪四十年代为缓慢前进阶段。

(3)近代机械时期,,从一八四○年至新中国成立前夕。

(4)现代机械时期,新中国成立后的发展时期。

在1985年,笔者提出了关于中国机械史的另一种分期意见,将中国机械史分为六个时期:②

(1)形成与积累时期,从远古到西周时期。

(2)迅速发展和成熟时期,从春秋时期到到东汉末年。

(3)全面发展和鼎盛时期,从三国时期到元代中期。

(4)缓慢发展时期,从元代后期到清代中期。

(5)转变时期,清代后期到中国成立前夕。

(6)复兴时期,新中国成立后的发展时期。

最新出版的《中国科学技术史》机械卷有“中国古代和近代机械工程发展概述”一章,论述中基本上采用了第一种分期方案。

1987年出版的《中国的百科全书》机械工程卷有词条“中国古代机械史”、“中国近代机械工业”和“中国现代机械工业”分别涉及了中国古代机械工程技术、近代机械工业和现代机械工业发展的分期问题。这里仅介绍周世德先生在“中国古代机械史”条目中采用的古代机械史分期方案:③

(1)春秋以前(公元前770年前)。

(2)春秋至汉魏时期(公元前770年前~公元265)。

(3)两晋宋元时期(公元265~1368)。

(4)明清时期(1368~1840)。

上述分期方案都有各自的分期依据,并较好地反映了机械史与中国通史的关系。在反映中国机械工程发展的内部规律和特点方面,虽然也得到较好的处理,但细节方面似乎尚有进一步探讨的余地。笔者认为中国机械史的分期应以机械科技的重大转变和突破为主要依据,这就需要分析和研究各个历史时期各种机械在动力、材料、结构原理、工艺和功能等方面的发展水平和变化情况.此外,还应注意考察不同时期间机械工程知识的水平和先进机械的推广与应用情况以及机械的社会功能与作用。中国机械工程技术的发展是一个以波浪式曲线前进的过程。常常由于某一方面或几个方面(如材料、动力、工艺等方面)的重大转变或突变引起机械工程技术的主要内容发生了变化,使其达到新的水平,这样就形成了几个不同的自然发展时期。据此,我们在又在上述方案的基础上,提出了如下关于中国古代机械史分期的修订方案:

(1)古代机械技术的萌芽时期,从旧石器时代开始到新石器时代。

(2)传统机械技术的初步形成时期,夏、商、西周时期。

(3)传统机械技术的进一步发展时期,春秋战国到三国时期。

(4)传统机械技术的成熟与鼎盛时期,魏晋南北朝到元代。

(5)传统机械的平缓发展与西方机械的传入时期,明初到十九世纪中叶。

四、中国古代机械工程史研究的历史与现状

在我国,中国机械工程技术史的现代研究发端于20世纪二三十年代。张荫麟、刘仙洲和王振铎等是早期中国机械史研究工作的主要开拓者。张荫麟于1925年翻译了英国学者穆尔(A.C.Moule)1924年发表在ToungPao(通报)上的专题论文“TheChineseSouth-PointingCarriage”,中译文题目改为“宋燕肃、吴德仁指南车造法考”,发表在《清华学报》第2卷第1期(1925)上。张荫麟又于1926年在《清华学报》第2卷第2期上发表了“宋卢道隆、吴德仁指南车之造法”一文。此后,他又在1928年发表了论文“中国历史上之‘奇器’及其作者”(《燕京学报》第1卷第3期)。30年代开始了较为全面的古代机械的文献资料发掘、整理和专题复原研究。1935年刘仙洲在清华大学出版了《中国机械工程史料》(约6万字)一书,首次依据现代机械工程分类方法整理了中国古代机械工程的史料,初步勾勒出了中国古代机械工程的基本轮廓。几乎与此同时王振铎也开始了复原地动仪、指南车与记里鼓车的工作,他于1936年发表了专题论文“汉张衡候风地动仪造法之推测”(《燕京学报》第20期,10周年纪念专号),1937年又发表了重要论文“指南车记里鼓车之考证及模型”(《史学集刊》第3期)。40年代,刘仙洲又发表了“王征与我国第一部机械工程学”(见《国立清华大学学报》1期,《真理杂志》1卷2期)和“中国在热机历史上的地位”(《东方杂志》39卷18期)两篇有影响的论文。

西方学者早在19世纪后期就开始关注中国古文献中有关机械发明的记载,20世纪初在欧洲的技术史著作中已有关于中国古代机械发明的探讨。如奥地利著名技术史家霍维茨(H.T.Horwitz)在1913年出版的技术史著作中对中国的机械发明作了论述。此后直到30年代,在他的不少论著中都有关于中国古代机械的讨论①。葛雷斯(H.A.Giles)于1906年,劳佛尔(B.Laufer)于1912,分别对中国古代指南车进行了复原研究②。穆尔(A.C.Moule)于1924年发表了研究指南车的专题论文,并根据《宋史》的文献记载给出了具体的复原方案。穆尔的工作引起英国学者的关注,此后戴科斯(K.T.Dykes)提出了采用差动轮系复原指南车的设想(1942年),兰彻斯特(G.Lanchster)于1947年利用差动轮系制作了复原模型。美国学者霍梅尔(R.P.Hommel)在1921年在至1928年、1928年至1930年前后用了8年时间在中国各地调查传统手工业技术,在进行了广泛的实地调查后,写成专著ChinaatWork;anillustratedRecordofthePrimitiveIndustriesofChina’sMasses,whoseLifeisToil,andthusanAccountofChineseCivilization,于1937年在纽约出版,其中包含了大量传统机械与工艺方面的内容,配有大量实物照片,是一部具有重要历史和文化价值的著作。恰特莱(H.Chatley)在1942年在TransactionsoftheNewcomenSociety(22,117)上发表了TheDevelopmentofMechanismsinAncientChina(古代中国机械学的发展)综论研究性论文,在西方首次较全面地论述了中国古代机械的发展。在国外,对中国机械史研究最有建树的学者还是李约瑟博士。他从50年代开始发表有关中国机械史方面的论文,1965年他的巨著《中国科学技术史》的机械工程卷(ScienceandCivilizationinChina,Volume4,PhysicsandPhysicalTechnology,Part2,MechanicalEngineering)由剑桥大学出版社出版,它是第一部英文的中国机械史的学术专著,在国际上影响极大。李约瑟编撰此书时利用了大量的中国机械史的原始资料和研究成果,同时参考了许多世界与西方机械史的文献和研究成果,在比较科学史的视角对中国机械技术的发展及其重要成果进行了深入研究。日本和台湾学者较早分别将此书翻译成日文和中文出版,中国大陆的中文译本也在2000年有科学出版社和上海古籍出版社出版。

20世纪50年代以来,中国机械史的研究工作在中国经历了十分曲折的过程。在50年代至60年代前期,刘仙洲做了一系列机械史专题研究工作,发表了多篇论文,并主持汇集中国工程史料。1962年他编著的《中国机械工程史(第一编)》一书由科学出版社,这是第一部中国古代机械史的著作,论述了中国古代的主要机械发明成就,从机械原理和原动力的角度出发整理了中国古代机械工程发展的脉络。1963刘仙洲年撰写的《中国古代农业机械发明史》问世,这是第一部全面历史中国古代农业机械成果及其发展的著作。王振铎则在发掘古代文献和文物资料的基础上,对许多机械成果做了深入的专题研究。他在中国历史博物馆主持复原了水运仪象台、候风地动仪、指南车、记里鼓车等一系列古代机械装置。他们的杰出工作,奠定了中国机械工程史这一学科的基础,在国内外学术界产生了重大影响。正当中国机械史的研究被引向深入之时,爆发了史无前例的“”,导致了科学文化大灾难。“”期间,和其他学科一样,机械史的研究也完全处于停顿状态。“”以后,中国机械史的研究得以恢复和发展,老一辈学者也续有力作刊行,如清华大学出版了根据刘仙洲生前汇集的史料编纂而成的《中国科技史资料汇编一农业机械》(1985年),王振择先生出版他的论文集《科技考古论丛》(1989年)。同时,同济大学、中国科学院自然科学史研究所、北京航空航天大学等单位,都积极开展了中国机械史的研究工作和国内外学术交流,并通过招收机械史的研究生,努力培养新一代的专业研究人员。一些大专院校开设了机械史的选修课,取得了良好的效果。从20世纪80年代起,中国机械史的研究队伍开始形成,研究工作逐渐活跃,数百篇,涌现了不少具有较高质量和较大影响的专题研究成果。如陆敬严先生主持的古代机械模型复原等课题,华觉明先生参与主持的曾侯乙编钟的复原研究,杨青、钱小康等先生参与主持的秦陵铜车马技术研究等都取得了突出成果。综合性与系统性的整理与研究工作也有重要进展,如1986年机械工程师进修大学刊行了郭可谦、陆敬严合著的《中国机械史讲座》,1986年文物出版社出版了华觉明等撰写的《中国冶铸史论集》,和,1992年北京理工大学出版了张柏春撰写的《中国近代机械简史》,1995年山东科技出版社出版了苏荣誉等编撰的《中国上古金属技术》,1998年清华大学出版社出版了张春辉编著的《中国古代农业机械发明史》(补编),1999年大象出版社出版了华觉明撰著的《中国古代金属技术》。此外,台湾中央文物供应社也在1987年出版了万迪棣编撰的《中国机械科技之发展》一书,此书被收入中华文化丛书中。90年代初期,中国科学技术史丛书委托陆敬严、华觉明主编《中国科学技术史》的机械卷,钱小康、张柏春、何堂坤、杨青、赵丰、黄麟雏、刘克明和冯立升等多位学者参加编写,于1997年完成全书的编撰工作。此书于2000年由科学出版社出版,全书约69万字,与前面几部通史性中国机械史著作有所不同,它突破了简史的范畴,是一部较大型的中国机械工程学术著作。此书对中国机械工程的历史发展做了比较系统的论述和讨论,对已有的研究成果进行了一次较全面的总结。这表明,中国机械史的研究已走出初创阶段,进入了一个新的历史发展时期。

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①真保吾一著,董万友译,机械工学概论,国际文化出版公司,1986,3。原作书名为“緿綐機械工学”,由日本理工学社1984年出版。

①②李志超,机发论—有为的科学观,自然科学史研究,1990,9(1):2。

①刘仙洲,中国机械工程发明史(第一编),科学出版社,1962,5。

②维特鲁威著,高履泰译,建筑十书,这个建筑工业出版社,1986,224-225。

③A.P.Usher:AHistoryofMechanicalInventions,DoverPublications,Inc.,1988,NewYork,120.

④转引自①。

⑤马克思,资本论(第一卷),人民出版社,1963,396。

⑥马克思,机器。自然力和科学的应用,人民出版社,1978,91-92。

①马克思,机器。自然力和科学的应用,人民出版社,1978,52。

②③转引(译)自A.P.Usher:AHistoryofMechanicalInventions,DoverPublications,Inc.,1988,NewYork,117

④⑤⑥⑦见刘仙洲:中国机械工程发明史(第一编),科学出版社,1962,5-6。

①李约瑟,中国科学技术史·总论(中译本第一卷),科学出版社,1975,545-547。

①郭可谦、陆敬严,关于中国机械史的分期意见,机械设计,1984,1(2)。

②冯立升,中国机械史的分期意见,科学、技术与辩证法,1986,(3)。

工程技术论文范文篇6

关键词:感性工程技术模糊数学

前言

经典的工程技术理论研究在感性因素方面往往有意回避或者作出一定的假设,但随着社会科学技术的进步以及人们对于控制过程的精确性要求的提高,感性问题成为不可避免或者不可或缺的内容。

如何在感性的不确定于非逻辑方面应用现代技术模拟和实现可控制性成为工程技术研究方面的一个难点,而针对于设计思考中的方法问题由于长时间内无法采用工程技术解决,因而人们在设计学科方面的研究也多停留在形而上的思辨方面,“设计不可控”似乎成为设计学科不言的定律。

当然,也并不是没有人在这方面展开分析和研究,不过应该承认,我们在这个领域还显得较为稚嫩和初级,如何在人文学科与技术学科方面建立起自由通行的一座桥梁,应该是未来技术人文科学的重点,可能这个过程比较漫长并且充满荆棘。

1感性的可测量性

1.1感性的含义

感觉从人类认知的角度分析,是正常的人建立在完善的心理和生理基础之上的对于客观事物的主体性认识,并将这种认识通过大脑的反应上升到人的主观体会的过程,在这个过程中既包含着非逻辑性的表象认知,同样也包含着逻辑性的内涵性思考。

对于感觉的分析,我们既不可以否认其非逻辑性的存在,同样,逻辑过程也包含在其中,例如:我们在对冷热的评价时经常提到“我感到这个杯子很凉”,分析这个结论的过程发现:

1).这是一个感性过程,同样在一定程度上为个体感受;

2).凉与热只是比较词汇,在这个过程中存在着比较意义上的程度问题;

3).很凉说明了杯子的凉的程度,模糊性的定性评判。

那么,非逻辑性体现在感觉意义上的差异性,即这只是你自己的感受,能否说明他真得很凉或者说明它是凉的,可能如果换一个人或者换一个环境而言,它确实热的。同样,逻辑性体现在,凉与热是一个比较,也就是讲,这个人在对于两这个感受形成之前肯定存在一个凉与热的标准,通过触觉感受,而明确了他在比较意义上的冷热程度,因而,从这个意义上讲逻辑性显得就很重要了。

对于感性而言,是在对于感觉的主体人的思维基础上对与客体所描述出来的基本属性,其表达是主体性的,但对象是客体性的,由此可以认为,感性是对于思维主体的一种客观属性的描述,是对客观事物物化行为的主体性认识。

1.2感觉是感性的第一表征

感觉应该属于思维领域的一个重要内容,由于感性是感觉对于描述对象所形成的语意情态表述,而且是最直接和最为明确的表达,因而我们认为感觉是感性的第一表征。

长时间来,人们在这个领域的认识是相互矛盾和相互混杂的,即感觉就是感性,既是对物的客观属性的客观性体现,或者认为,感性就是对物的主体性描述,非此即彼的群体性认识,使得我们对于感觉和感性的认识存在很多的争论,其中争论的焦点为:感性的可测量性、感性的研究方法与研究手段、感性的是否存在客观性等,这使得它成为理论的禁区,所以对于感性的研究大都停留在哲学和思想领域的层次上,其中表现在“美学”研究方面尤为严重,定义说明定义,权威解释权威的论证方法比比皆是。

1.3感觉的个体差异性与群体的统计一性的辩证关系

研究感觉问题,我们必须了解到个体差异性,所谓个体差异性主要表现在,对同一个事物或者事件,每个人的评价和认识存在差异性,以往我们从哲学上认为这是世界观和人生观以及所采用的方法论的差异所致,从宏观上看这样解释是可以行得通的,但在微观角度,我们即便有相同的人生观和世界观,采用同样的方法论,其差异性依然存在,这使得我们很难解决的一个问题,同样,通过一定的教育和所谓的引导可能依然无济于事,因而,我们不得不去思索产生差异性的其他原因。

从客观角度分析,差异性产生在每一个个体的心理和生理的差异以及成长阶段和所处环境的差异,其中心理和生理差异,可能在形成完整思维过程中就出现了,在研究上通过比较分析和观察应该发现其中的差异性产生的客观性原因的,比如,有的人害怕黑夜,这可能由于在成长过程中受到过关于黑夜的语境描述而使其产生恐惧的心理,或者由于自己的经历有过类似的黑夜恐惧的过程,如果跳出这些方面的原因,也可能从进化论的角度分析能够得出观点,不管如何,其中的差异性存在于这些方面的原因,都应该存在客观性的事件作为支撑,平白无故的产生差异性应该属于“变异”(生物学名词,指的示生物在进化过程中的与原来的群体出现非统一性)的范畴,而生物学家也在积极而努力的研究“变异”产生的机理,所以讲,差异产生的原因应该能够在客观性方面取得证据。设计在线.中国

2现代工程测量和计算机模拟技术为感觉的测量提供了依据

依据这种技术广泛的作为刑侦手段的测谎仪就是建立在对于这些问题的理论研究基础之上的。而且随着技术的提高,与基础理论研究的深入,对于感觉问题的解决会越来越准确和精确。

同样,现代计算机模拟技术也为感觉的测量提供了依据,对比我们以往实验手段,计算机模拟技术能够更为直观和准确,例如我们曾经做过的一个试验,即汽车在驾驶过程中遇到障碍物的碰撞过程中的反应速度与驾驶室色调关系的测试问题,不可能真实的采用实际的测试,所以计算机模拟的手段就被广泛的应用,充分利用模拟驾驶室,操纵机构,计算机视频系统,信号传感器和计算机模拟软件来完成,能够得到一定的室内色调与反应速度之间的定性与定量的关系,这都可以在实际应用中作为汽车内是提供参考。

2.1控制论

控制论是“关于在动物和机器中控制和通讯的科学”,是自动控制、电子技术、无线电通讯、神经生理学、心理学、医学、数学逻辑、计算机技术和统计力学等多种学科相互渗透的产物。控制论的奠基人是维纳,他于1943年在《行为、目的和目的论》中,首先提出了“控制论”这个概念,第一次把只属于生物的有目的的行为赋予机器,阐明了控制论的基本思想(摘自维基百科)。

随着对于控制论理论与实践的发展,人们对于行为目的的控制大大加强,这些理论相互渗透,成为很多学科在解决逻辑关系方面提供了一条途径,虽然我们认为控制与被控制之间的反馈问题现有数学工具还不能完全解决,但是,在行为与目标之间的可预测性大大加强。

控制论在感性问题中的应用,现在研究还处于基础和初始阶段,如何提高对感性问题的非逻辑过程拟和是控制论感性研究的难点和拐点,因为感性问题在一定程度上属于模糊数学的研究的范畴,非线性非逻辑性表现很强,如何采用逻辑关系和线性手段模拟阶段性的表征一直是个相关引入控制论学科研究的重点,而感性问题似乎表现得更为强烈,所以有的人认为,采用控制论来研究感性问题在一定程度上是痴人说梦,不会有结果的。当然我们认为,虽然我们无法完整的到达真实的感性问题的内核,但至少在现象的表面与初始条件可以架起一座有价值的桥梁,尽管这座桥梁显得有些突兀。

2.2计算机的模拟仿真

通过计算机模拟或者计算机模型来模拟一个特定系统抽象模型的计算机程序或过程。这些技术建立在离散数学基础之上,同样也面临着非逻辑过程和随机问题研究问题,在这方面,计算机的模拟技术日臻完善,在某些特定的方面计算机模拟以可以达到应用的程度。

例如自然状态的色彩是一个连续的过程,本质是光波被物体吸收和反射形成的一个自然过程,现在计算机在模拟中已可以达到64位的色彩来逼近真实自然,实际上这就是一个很成功的例子说明计算机模拟真实的强大能力。

在人工智能方面,计算机模拟更显示了独特的作用,现代的人工智能在解决思维方法、自学习能力、和智库房面也取得很大成就,人工智能是一个很好的用来说明计算机模拟真实的例子。

2.2.3现代数学工具的发展

数学分为初等代数、高等代数、几何、拓扑学、数论、概率和数理统计等内容,而这些内容一般认为是建立在集合论的基础上。通过一组对象确定一组属性,人们可以通过说明属性来说明概念(内涵),也可以通过指明对象来说明它。符合概念的那些对象的全体叫做这个概念的外延,外延其实就是集合。从这个意义上讲,集合可以表现概念,而集合论中的关系和运算又可以表现判断和推理,一切现实的理论系统都可能纳入集合描述的数学框架。

经典集合论只能把自己的表现力限制在那些有明确外延的概念和事物上,它明确地限定:每个集合都必须由明确的元素构成,元素对集合的隶属关系必须是明确的,决不能模棱两可。但是,在客观世界中还普遍存在着大量的模糊现象。虽然以前人们回避它,但是,由于现代科技所面对的系统日益复杂,模糊性总是伴随着复杂性出现。

更由于人文、社会学科及其它“软科学”的数学化、定量化趋向把模糊性的数学处理问题推向中心地位,这中间当然也包括设计的数理化问题。1965年,美国控制论专家、数学家查德发表了论文《模糊集合》,标志着模糊数学这门学科的诞生。

在日常生活中,经常遇到许多模糊事物,没有分明的数量界限,要使用一些模糊的词句来形容、描述。比如,比较年轻、高个、大胖子、好、漂亮、善、热、远……。在人们的工作经验中,往往也有许多模糊的东西。例如,要确定设计是否“好”,其模糊信息相当普遍。这就需要一定模糊数学来思维和判断。

我们发现,其实解决现代感性测量问题的关键还是因为数学工具的发展,由于建立在经典集合数学基础上的数学分析手段,使我们在模拟自然的非线性和非逻辑问题方面显得软弱无力,而作为一线曙光的模糊数学的发展还处于分形等基本问题的研究上,鲜有长足的发展,进而在实现真实反映感性问题的推理环节出现空缺,致使我们对于工程技术解决感性问题无法或者不敢涉足,影响了这个方向的发展。

当然,这些客观问题与相关的难题有待于解决,但是,也应该看到在我们设计界已经被注意到,考察近年来国内关于数学问题应用于设计方面的研究已出现倪端,例如有人在研究分形技术对于设计的影响以及分形形态创造的计算机形态的应用问题,可以预见在不久的将来,我们肯定会有所收获。

3实现感性测量的准确性和还原性必须有测量的标准

我们在讨论感性测量的时候,肯定要求测量的准确性和还原性,这就是说要实现感性的量化与感觉的一致性,为了实现这种结果,就必须确定一定的测量标准,这些标准要求准确度提高模糊度降低,而且标准的层次明确,中间不存在非确定性。显然这是很困难的,但由于现有的计算机都是建立在二值逻辑基础上的,它在处理客观事物的确定性方面,发挥了巨大的作用,但是却不具备处理事物和概念的不确定性或模糊性的能力。要达到这种模拟真实的程度,现阶段只能采用细分标准的手段,即将测量标准尽量细分,无限逼近真实的分段,可以拟和成一个连续的过程,同时增加逻辑分段点的准确性,即精确的表达该段的“语意”,采用将离散化问题逻辑化的过程,通过一定的逻辑规律判断感性的真实外延。

由此可以发现,这中间存在一个矛盾,即简化与复杂的悖论,我们试图简化感性的复杂,但带来了处理问题的复杂化,即本来要使得模糊问题简化为一个逻辑的数学模型,而得到的确实是一个相当复杂的形式,显然这不是我们所预期的目的,因而,我们可以采用诸如优化等数理分析手段,取得分段过程中的概率最大化,进而加权平衡这些算子,得到一定方向性语意,这在确定一些定性问题方面一般可以达到预期分析目标。

例如采用VTs方法来判断多方案的设计感觉方面我们曾做过有益的尝试,并取得一定成果(论文:“语意描述”研究在产品形态设计中的应用.包装工程.2006第4期有较详细介绍)。

4结论

在传统的设计研究中,思想、感觉、审美等人文主观性的概念是不可以测量的,主要是因为测量过程需要的几个要素不具备,例如测评的语意准确化、量级标准化和评价主体的非主观化等。因而,感觉的评判只是停留在定性和定向的解析和确认之上,没有形成所谓的科学性和客观化的过程,这与工程技术的发展和现代计算机技术的普遍要求所不相适应。

社会学主要研究相对现代尤其是当代的人类社会行为,从过去主要研究人类社会的起源、组织、风俗习惯的人类学倾向变为以研究现代社会的发展和社会中的组织性或者团体性行为的学科,在社会学中,人们不是作为个体,而是作为一个社会组织、群体或机构的成员存在。由社会群体具有一定同一性认知,感性的同一性应该与社会的群体统一性有着逻辑关系和联系。

工程技术论文范文篇7

一、传统灌溉工程类型在现今的传承

中国国土广袤,地形地貌多样,气候变化万千。既有逶迤起伏的丘陵山地,又有一望无际的平原;既有壮阔的高原,又有缓坦的盆地;既有西部内陆干旱半干旱区,又有东部季风湿润区。为适应各地水文、地理等自然条件的复杂性,古代人民创制了多种多样的灌溉工程类型,如引水渠道、陂塘堰坝、陂渠串联、圩垸、井泉、坎儿井、御咸蓄淡等工程类型,这些工程类型在现今皆得到了继承。可以说,我国当今的灌溉工程类型基本是古代创造而传承下来的。

引水渠道主要修建于北方平原地区。北方平原面积广大,因干旱少雨,河流密度不大,古代往往修建长距离的引用河水的灌渠工程。渠首处如河中水位过低不能满足自流入渠流量要求,则建拦河坝抬高水位引水;如河中水位和流量能满足灌区要求,则采用无坝引水型式。有坝引水最早的有战国初在今山西太原晋水上筑坝建的智伯渠,及在今河北临漳建的漳水十二渠。无坝引水有公元前256—251年间在今四川灌县建的都江堰等。又因北方含沙量大的河流多,我国很早就引多沙河流进行淤灌和放淤,做到同时利用水、沙资源,既灌溉作物,又改良盐碱地。漳水十二渠和公元前246年兴建的关中郑国渠皆引浑水灌溉,把大片盐碱地改良成了沃田。建国以后,有坝引水和无坝引水灌渠发展很快,如陕西省,截至2000年底,全省有效灌溉面积达144.93万公顷(主要为渠灌),新疆省干、支、斗、农四级渠道长30多万公里[1]。在利用多泥沙河流的水沙资源方面,建国以后成就很大,还打破了自明清以后不敢引用黄河下游水的“禁区”,进行引黄淤灌和放淤。目前,黄河下游已建成各类引黄灌区100多处,灌溉面积达到3000万亩,每年引用黄河水量100多亿立方米,利用黄河水沙放淤改土300多万亩,发展水稻田120多万亩,使盐碱沙荒地变成了良田[2]。

陂塘堰坝主要建于南方山丘区。南方丘陵山区,雨量充沛,但水流容易流失,干旱是农业生产要解决的主要问题。为此,古代劳动人民因地制宜,创造了多种类型的陂塘堰坝蓄水工程,起到滞洪蓄水的目的。有在溪流上筑坝拦蓄水流的灌溉工程,称之为“堰”、“坝”、“陂”、“堨”等;有在平地凿池,或在谷口及高地水所汇归处筑堤,就地潴蓄雨水的,称之为“塘”或“荡”。又平原地带筑坝拦蓄水的工程现称为平原水库,利用天然山丘间的沟谷洼地蓄水的工程现称为山谷水库。大型陂塘工程以公元前600年左右楚国在淮南修建的芍陂为最早,两汉时汉中、南阳、汝南地区陂塘工程很是发达,著名的山谷水库有马仁陂,平原水库有六门陂、鸿隙陂等。东汉时进一步向南方发展,浙江绍兴的鉴湖、余杭的南湖工程规模都很大。之后三国孙吴在江苏句容兴修赤山湖,西晋建丹阳练湖和新丰塘等。当时能因地制宜规划布置陂塘,巧妙地利用地形兴建平原水库或山谷水库,布设堤坝、水门和溢流设施,形成完整的蓄水工程体系。还创造了陂渠串联工程类型,以对水资源更充分地加以调节利用,增加灌溉面积,提高灌溉保证率。建国后南方山丘地区大量兴建陂塘堰坝工程。如1952年仅四川内江地区就累计新修和整修堰塘5万多口。因平塘占地多,工程量大,总蓄水量不多,为此当地积极想法改进技术。1953年9月西南水利局组织基点工作组前往长寿县,经查勘,在葛兰场不远名叫“锁口丘”的地方,修建了当地第一口“山湾塘”。该地形肚子大,出口小,上面有较大集雨面积,下面耕地可自流灌溉。于是利用三面高一面低的地形,在低的一面修筑土坝,长40米,高3米,形成堰塘。此土方与蓄水的比例为1:10,比平塘1:1提高10倍效益。此后四川省水利厅将长寿县修筑山湾塘的经验向全省介绍。到1954年底,全省共建成各级“示范塘”1293口。1955年,“示范塘”迅速发展到17796口。到1985年,全省已有山湾塘61.11万口,可蓄水261769万立方米,有效灌溉面积715.48万亩[3]。

陂渠串联工程古代多建于淮河、汉水流域,工程布置多样[4]。这种工程类型建国后称之为长藤结瓜式灌溉系统。工程主要在南方丘陵山区修建,规模从小型发展到大型,从小网联成大网,从开发小河流到利用大河流,从一个河系发展到与几个河系相连。如安徽淠史杭灌区,自1958年至1982年,在淮河水系的淠河、史河及长江水系的杭埠河的上游建成佛子岭、响洪甸、磨子潭、梅山、龙河口5座大型水库,这些水库成为多首制渠首,又沿岗峦起伏的分水岭修建总干渠2条,干渠13条,以及分干渠和支渠358条,沟通了数条大河,灌区内修建中型水库23座,小型水库1100多座,连同塘坝21万多口,以控制灌区内的地面径流,灌区内流域之间水资源通过库塘和渠道可得到调配,使安徽的六安、霍丘、寿县、舒城、合肥等11县市和河南的固始、商城等县的广阔丘陵和平原900多万亩农田受益[5]。

圩垸水利工程主要分布在南方沿江平原、湖区、下游三角洲及滨海地区。这些地区地势平衍,河湖密布,土地肥沃,水土资源丰裕,但易被水淹,沮洳下湿,极大地影响农业生产的进行。唐宋后,大力开河筑圩,排水御洪,兴建独具一格的水网圩田工程,把卑湿的“涂泥”之地,建成富饶的鱼米之乡。如太湖平原唐后期至五代时已建成规整的塘浦圩田水利系统。鄱阳湖区唐代已兴修较大规模的防洪堤防工程,至清光绪六年(1880),鄱阳湖滨南昌、新建、星子、九江、都昌、波阳、余干、进贤八县共有圩堤591所。建国以来,太湖平原继续加强浚河筑圩工作,完善水网圩田系统。鄱阳湖区新建和整修了圩堤501座,堤线长2500公里,保障农田500万亩,能抗御21.71米(1983年最高湖水位)的湖泊洪水位;湖区原有易涝面积330万亩,经治理,使200多万亩农田达到五年一遇以上的抗涝标准;还初步形成了一个大中小,蓄引提相结合的水利灌溉系统,使湖区农田的有效灌溉率达到80%以上[6]。

凿井提取地下水灌溉,在地表水缺乏的北方地区很是重要。我国新石器时期已开始浚泉凿井,春秋战国时在园圃中凿井灌溉已较普遍,之后不断发展,到明清时期华北平原已形成大范围的井灌区,水井型式多样。20世纪50年代,广大农村用于灌溉的水井大部分仍为土井,如华北平原建国初期有各种土井200多万眼。20世纪60年代以后,灌溉土井渐被机井所代替。进入80年代以来,个体户承包和联户经营责任制的发展,使得各种土井又发展起来。据1982年调查,仅天津、河北沧州、衡水等地区就有各种土井几十万眼。如沧州青县,1982年有真空井6100眼,人工手压井2000眼,各种大口土砖井5000眼;南皮县有手压真空井4500眼,机带真空井4054眼,砖井358眼[7]。土井主要开发浅层潜水,潜水埋藏浅,雨水易渗入补给。而机井开采的是深层地下水,靠自然补给时间长。目前华北地区的京、津、河北省、河南省北部、山西省中东部已形成联成一片的大范围的地下水漏斗区,这是过量开采深层地下水,补给不易产生的重大问题。而开采浅层潜水一般不会引起地下水漏斗区。又浅井开采潜水后,降低了地下水位,有利于防止土壤返盐,改良盐碱地的效果显著。开采潜水井浅,技术较为简易,所费资金不多,农户可自行管理应用,经济上支出节省,适于小农经营。

此外,古代新疆吐鲁番、哈密等地开凿独特的引取地下潜水的坎儿井,东南沿海防御海潮袭击的海塘工程,及其他御咸蓄淡工程类型在现今也都得到了继承和发展。二、传统灌渠工程技术的继承和发展

我国古代灌溉工程技术是我国人民在实践中自行创造的,适应了各地的自然地理条件,因地制宜,类型多样,内容非常丰富,不少工程技术在现今得到了继承和发展。

传统灌渠工程技术的继承和发展主要体现在以下一些方面:如建国后都江堰灌区认真总结了兴建无坝引水灌渠的传统技术和传统施工技术经验,使这些技术更加发扬光大。水利部和水利水电科学研究院曾组织人员对溢流过水土坝的传统技术进行研究和推广,取得实质性的突破。又渠道防渗技术各地多利用当地材料发展传统技术。传统淤灌和放淤技术在继承的基础上也得到很大提高。成都平原的都江堰,建于战国后期,是闻名于世的渠首为无坝引水的工程,在长期的岁修管理中,积累了丰富的引水、防洪和排沙技术经验[8]。而防御洪水和清除泥沙是世界水利学界公认的两大技术难题,都江堰却破解了这些难题,创造了世界水利史上的奇迹。其技术经验在多方面得到了继承。一是灌区各分水口广泛利用鱼嘴分水分沙,布置旁侧溢流堰(飞沙堰)泄洪排沙。如1962年修建的锦水河分水工程,在蒲阳河石坝子引水处,先在河中心修筑鱼嘴,将蒲阳河分成左支清白江,右支锦水河,汛期蒲阳河洪水流量为800—1200米3/秒,锦水河可分洪300—400米3/秒,而锦水河分干渠只能进50米3/秒,多余的水量则由设在鱼嘴以下600米的溢流堰泄回清白江,其工程布局与都江堰渠首工程的格局很相似。二是利用弯道环流原理,把进水口设在河道的凹岸,引取清水。都江堰渠首这种布置方式在灌区得到广泛的应用。如1962年所建蟇水河引水工程,引水比很小,采用无坝引水方式,修筑了弧形导水堤,形成较稳定的凹岸,在凹岸顶点稍下游处建进水闸,推移质沿主河槽左侧凸岸排往下游,进水口一直没有被淤。四川省当今修建的无坝引水灌渠是很多的,其工程技术深受都江堰无坝引水工程技术的影响。如果河道的水位和水量不能满足灌区引水要求,则需要建闸坝抬高水位或形成水库取水。传统技术所筑的坝一般为土石坝、堆石坝和砌石坝。1949年建国后,在水利水电事业建设中,坝工建设有很大发展,到1990年已经修建82900多座水坝,在这些大坝中,土石坝占绝大多数。已建的2680多座30米以上的高、中坝(坝的用途包括引水、蓄水、发电等),土石坝约占80%,砌石坝约占14%,混凝土坝约占5%[9]。采用土石坝可以利用当地材料,节省工程量,这是我国最早修建,并得到广泛应用的坝型,目前在中低坝中仍大量采用土石坝,说明传统坝工得到较多的继承和发展,特别是对过水土坝的研究和应用,成绩较大,体现出传统坝工技术持久的生命力。

在今湖北省荆门市北部的仙居河上,有一座建于同治十三年(1874)的赵家闸灰土护面过水土坝[10]。该坝由当地乡民修建,建成100多年来,经历无数次洪水过流,1935年坝顶过流水深达3.9米,竟未被冲毁,大坝至今依然完好,能使两岸3000亩农田受益。赵家闸坝高8米,坝顶长47米,基础为板状砂岩,坝身由粘土夯筑,外包1米厚灰土夯筑层。这种由夯实粘土外包灰土保护层作为河道滚水坝的独特建筑方式,国外从未见有报导。除赵家闸外,百余年前兴修的过水土坝还有湖北荆门黄鲍闸,此闸建于1859年,坝高5米,1935年大水堰顶水深达3.9米,未冲毁,至今仍安全运行。此外,山西平遥梅槐头、黎基坝等也是过水土坝,这些坝都较低,只有5—10米高。

受古老过水土坝的启示,1958年,清华大学应届毕业生组成过水土坝设计组,对过水土坝进行不透水面板的试验,肯定了这种坝型的优点,还提出修建时要注意的技术要求。1975年8月,河南发生暴雨,使50年代治淮工程建成的两座水库——板桥和石漫滩土坝漫顶。于是土坝过水问题被再度提起。水利水电科学研究院对许多省市进行土坝过水的调查,发现1958年后不少地方按清华大学的办法修建的过水土坝,经多年洪水考验,运用良好。从1975年起,吉林、安徽还修建了沥青材料护面的过水土坝。1980年10月,水利部委托吉林省召开土坝过水经验交流会,将各地经验进行交流。1983年水利水电科学院在室内试验的基础上,先后在山西省岚县上明水库和内蒙古东胜市武家沟建成两处灰土水泥土过水土坝,经历数年风化冻融和几次较大洪水的考验,工程完好无损,节省工程造价1/3以上。可见,我们祖先创造的灰土溢流坝具有很大的现实意义。据了解,国内已建成的各类坝中,90%以上是土坝,而其中66%没有泄洪建筑物。因此,让土坝的一部分过水,或在已建成土坝上加修溢洪道,也是很现实的课题。故而传统的过水土坝工程技术仍有发扬之必要。

传统施工技术以宁夏引黄灌区的草土工程(俗称“埽坝”、“卷埽”)和都江堰的杩槎、竹笼、干砌卵石等工程最具特色。宁夏引黄灌区,在1960年青铜峡枢纽建成以前,均为无坝引水,灌区普遍使用草土筑坝。如春季岁修,用草土封堵渠口,再进行修浚;用草土修筑渠河护岸,及桥、涵、闸、斗和护坡;修筑临时性的拦水坝等工程。元代宁夏水工修筑埽工已很出名[11]。灌区千百年来,草土工程一直应用于各种渠道工程。它具有就地取材,造价低,技术简便,施工快,稳定和防渗漏性好,抗震性强,对基础清理要求不高,及拆除容易等优点。建国以来,宁夏引黄灌区的草土工程,在各地大型水利水电围堰工程上相继使用。如1956年修筑甘肃省兰州市供水厂,其进水口黄河围堰工程首次使用草土工。之后,刘家峡、盐锅峡、青铜峡、三盛公、陕西省石泉石门电厂汉江进水口围堰、浙江省黄坛口电站护坦围堰,1979年援非洲建马里电站护坦围堰等,都取得了成功,且费用省,进度快。之后,人们对这一传统技术经验系统地进行了总结[12]。

都江堰灌区历年维修管理都采用传统的杩槎[13]、竹笼[14]、干砌卵石、桩工[15]、羊圈[16]等施工技术。它们的优点主要能就地取材,技术简易,施工方便,投资节省。一般应用于截流分水、筑堰护岸、抢险堵口、整治河道、维修渠道、保护桥闸堤堰等工程[17]。目前都江堰灌区岁修截流工程仍用传统的截流方法,用的是杩槎、竹笼、卵石和黄泥。岁修时内江架设杩槎后,截流合龙只需40多分钟。这种截流方法人们认为是一种生态型的截流技术,无机械的噪杂声,体现了人与自然的和谐相处,而且经济、合理、安全。

渠道加以防渗措施可减少渠水的渗漏损失,提高渠道有效利用系数,这在水资源缺乏的北方尤其重要。传统渠道防渗技术措施主要有夯土、砌石、砌砖、铺灰土、铺草皮等,这些防渗措施就地取材,施工简便,经济实用(比混凝土、塑料薄膜、沥青材料衬砌省费用),防渗效果也显著[18],各地多有应用,并不断改进技术。

灌渠还采用地下输水管道,这种设施具有节水和省地的优点。早在3000多年前的殷商时代,城市中已铺设地下陶水管道,这在安阳殷墟、郑州洛达庙商代遗址中皆有发现。元代《王祯农书·农器图谱集之十三》所载阴沟,即行水暗渠也,是一种用砖砌的暗渠。山西省一些城镇几百年前的陶管下水道一直使用至今。20世纪60年代,山西翼城县利民灌区试验用陶管修建灌溉输水工程,但未能成功运行。1974年山西临汾市屯里井灌区试验陶管灌溉输水,获得成功,多年运行状况良好,使用年限可达40年。在进行经济效益分析后,认为这种工程还是比较经济的[19]。又河南省偃师县东寺庄1957年就修建了地下瓦管渠道灌溉网[20]。之后,传统地下输水管道技术不断发展。现在将低压管道输水灌溉,简称为“管灌”,这一技术已成为目前我国北方地区一种很好的节水灌溉措施。80年代末,水利部将“管灌”作为北方农田全面节水的基础设施来抓。据统计,目前我国“管灌”面积有4500万亩,其中河北、山东、河南、北京、天津等省市的“管灌”技术发展很好,仅山东、河北、河南三省的“管灌”面积就达266.67多万亩[21]。这项技术具有省水、省地、省工、节能、省投资等优点,值得进一步发展推广。此外,江苏无锡县人多地少,为了节省土地,20世纪60年代以后发展“三暗”工程○11。“三暗”工程是灌水暗渠、排水暗沟、渗水暗管三者的简称,这些暗渠沟皆用灰土筑成,采用的是传统施工技术。1965年冬无锡埝乔公社刘巷大队建成第一条灰土暗渠,至1978年春全县已建成暗渠2588公里,灌溉面积50余万亩,占农田总数的62%。从1973年开始又进行暗沟、暗管的建设,与暗渠配套使用,形成灌、降、排、调、控综合运用的立体水利系统,为建设吨粮田创造了条件。“三暗”工程与明渠、明沟、明墒相比,具有提高土地利用率,灌水快,排水畅,降水效果好,减少渗漏,农机操作方便安全,减少岁修,取材易,造价低,节省水旱田开明沟用工多等许多优点。“三暗”工程在农田水利建设中的运用,实是在传统技术基础上的创新,这为高速发展农业,实现农业现代化迈出了新的一步。

又石质倒虹管道可视为特殊的地下输水管道。清代嘉庆十四年(1809),四川合江县锁口乡刘士朝主持修建了一条引水过河灌溉的渠堰,渠道过河处设置了石质倒虹管,全长266米,水头26米,进出口高差仅0.407米。管道用坚石预先凿成63.5×40×40厘米的承插式管节,内径13.5厘米,用糯米粥拌石灰作为管与管间胶结材料,并用这种材料抹平管内壁,以减少摩擦阻力。石质倒虹管能承受较大强度的水压力,这一倒虹管至今保存完好。解放后此种石质倒虹管在合江县得到了推广应用[22]。

我国北方含沙量高的河流多,我国人民早在2000多年前已进行引洪灌溉和淤地活动,发明了淤灌和放淤技术,以利用河流中的水沙资源。在长期的历史实践中,积累了丰富的技术经验,尤其在宋代熙宁年间,政府曾组织空前规模的大放淤活动,取得选择适时放淤水情,做好淤田工程,预筹退水出路,正确处理放淤与防洪,放淤与航运等许多技术经验。这些技术在现代进一步得到继承和发展。如陕西省传统引洛灌区,现已突破了引水含沙量不得超过15%(重量比,相当于166公斤/立米)的规定,引进含沙量高达60%(965公斤/立米)的浑水进行淤灌,基本解决了灌区汛期水量供需之间的矛盾,并改良了大片盐碱地。当今引洪漫地(放淤)已作为水土保持和农田基建的一项内容被得到重视。如关中赵老峪流域是古老的放淤区,下游富平县境内有引洪漫地34000多亩,是将上游铜川市境内来的洪水泥沙,全部引入地中淤漫。漫过的地,每亩亩产400斤,有的甚至超过千斤,多年来,发生大暴雨,下游都不发洪水,原来的河床,现在变成了农耕地。河北省张家口地区通桥河引洪灌区,面积11万亩,上游河道流域面积3060平方公里,引洪能力每秒450立米,多年来河道上游洪水基本上全部不出灌区,保护了下游的农田和村镇。万全县在五道沙河沿岸共建大小引洪渠道800多道,总引洪能力达863米3/秒,一般年引洪水总量为2000万立方米以上,初步达到大水不出县的水平。由于一般洪水已不流入洋河,从而减轻了下游河道和水库的泥沙淤积[23]。可见引洪漫地能起到良好的水土保持作用,这也可认为是传统技术在今天的发扬。三、传统塘堰和开发地下水工程技术的继承和发展

历史上山丘区的拦蓄水工程统称为塘堰、塘坝,有“堰”和“塘”之分,又有山塘(山湾塘)和平塘之分。建国后大力修筑山湾塘,一些南方省区山湾塘已达数十万座。有些地区对老式塘坝加以改造,以增加其蓄水量。如安徽省肥西县对丘陵区冲洼里的拦冲塘,将原有塘底挖平,挖出的土垫高塘埂,增加了塘的蓄水深度;或把拦河坝加长增高,成四面筑埂式;在较大冲洼里,根据地形,或在“水深”处建塘,加高塘埂,“水浅”处不建塘,仍为田,或上下冲两面筑埂成塘;或建成层递式,高处蓄水灌高地,低处蓄水灌低地,头层塘的放水渠兼作第二层塘的引洪沟,第二层塘的放水渠,兼作第三层塘的引洪沟,做到有层递的引蓄,有层递的灌溉。通过改造,蓄水深增加,老式塘坝蓄水面积与其灌区耕地面积比为1:4.6,改造后为1:9,满足了浅丘区农田灌溉的需要[24]。

我国北方地区,在地面挖掘或在洼地筑埂形成的拦蓄径流的工程叫涝池、坑塘等。建国后,北方地区群众继承以往的传统做法,继续修筑涝池,涝池数量发展很快。如陕西省黄河流域内在1956年有涝池1240座,1985年达8940座,30年增加6.21倍,总容量2588万立方米。北方陕、甘、晋、内蒙、青、宁、豫七省(区)1985年黄河流域共有涝池19.8万座,总容量8343万立方米[25]。华北平原沧州地区通过开挖坑塘,拦蓄降雨径流,滞沥、除涝、灌溉,取得了治理旱、涝、碱的经验[26]。原来在20世纪50年代末,华北平原大搞地上蓄水灌溉,不重视排水,造成了土地的次生盐碱化。进入60年代,只排不蓄,大量水资源白白流失。70年代,大力发展井灌开发利用地下水,但由于深机井布局不合理,使得地下水位普遍大幅度下降,出现了大面积的漏斗区。浅井区多年只采不补,地下水位也普遍下降,使许多浅井报废,而转向打深机井。地表水由于连年的干旱和上游节节拦截,河道全年断流。通过多年的实践,人们逐渐认识到,要利用传统的坑塘设施,拦蓄降雨径流,散蓄散排,解决抗旱灌溉水,雨时将涝水排入其中,只要注意把坑塘蓄水位控制在返盐临界水深以下,并与沟渠连通,就不会引起盐碱化。坑塘深度不宜少于3—4米,一般应深5—7米,面积15—30亩,最大不超过40亩。这样就解决了长期存在的“旱、涝对立”,“排灌矛盾”,使沥水转化为灌溉水源,还能利用坑塘采补地下水。历史上黄淮平原因为年际、年内的降雨量分布极不均衡,出现水少时强调修筑陂塘蓄水灌溉,水多时强调开挖河沟以排除洪涝和防止土壤返盐。旱涝碱问题,排灌矛盾得不到妥善解决。而沧州地区在近30年来,通过改进传统的坑塘技术,积极开挖和改进坑塘,将坑塘与井、渠联合调控,较好地解决了旱、涝、碱问题,这一方法亦成为治水改土的一条重要途径。

我国古代在开发利用地表水的同时,也很重视开发利用地下水,主要通过挖泉凿井加以利用。建国以后,传统的打井方法和提水机具继续使用,并加以改良,尤其是开凿筒管井的技术进展较大。筒管井的雏形在清代已经出现,清代郭云升《救荒简易书》卷三已载有增加新、旧井出水量的方法:旱年将两根已打通各节的长竹竿插入井底数丈,则“井水泉”。此方法简便,又能增加出水量。现代称由上部直径较大的筒井和下部的管井联合而成的井为筒管井。在筒井的井底加凿管井,可增加出水量;又筒井开挖过深施工不易或不经济,筒管井则比同样深的筒井更经济些。1956年河南省创制了一种凿井方法,称为“56”打井法。其井结构上部为8块扇形砖砌筑,形成直径为0.5米的小砖筒井,下部为木管管井。这种井取用几层含水层,出水量大增。之后,筒管井又发展为水柜,即将筒井部分用大的集水坑代替,坑底再加凿几个管井。单个井又发展为井群,各井互相通联,统一集中管理。

开凿传统土井的好处是很多的。土井主要开发浅层潜水,埋藏浅,雨水当年即能补给,一般不会产生地下水漏斗区。开采潜水后降低了地下水位,能防止土壤返盐,达到改良盐碱土的目的。目前采取井、渠结合,或井与渠、坑塘结合,河道节制闸、深渠与浅井结合等方式。如在枯水季节利用浅井,提取地下水灌溉农田,降低地下水位,腾空“地下水库”库容;汛期丰水季节,通过渠道引水灌溉和蓄水侧渗,补给“地下水库”水量。人们已认识到解决华北平原土壤盐碱化的主要途径是井渠结合的方法,该地区的灌溉抗旱,也形成以井灌为主,井渠结合的方式。

关于提取井水的工具,群众也运用传统汲水工具的工作原理,演化和革新出一些简易的汲具。如拉水井,其原理与古代渴乌利用筒内形成真空,产生压强差汲水相同。其制作简易灵巧:用一根长约八、九米的八号铁丝,一端接一小小的活塞,塞入一直径约30毫米的塑料管内,管的下端塞一木制进水活门,上端将露在管外的铁丝弯成钩形,然后将塑料管装入打入地下的外井管里,一个拉水井就做成了。制成一眼拉水井全部费用仅50元(1993年价)左右[27]。由于打井简便,取水方便,不花水钱,所以拉水井在一些地区推广开来,几乎达到每户一井,甚至一户数井的程序,有些菜园、瓜地也建造了这种井。

四、传统圩田水利和海塘工程技术的继承和发展唐后期至五代吴越时期,太湖平原已形成纵横塘浦交加圩圩相接的水网圩田系统,皖南沿江平原亦建成一些大圩。宋代以后,圩田建设更加兴盛,并发展至长江中游两湖平原、鄱阳湖平原和珠江三角洲等地区,更加讲究圩田修筑方法,提出“筑堤、浚河、置闸”是筑圩的三项基本技术要素,“缺一不可”[28]。又出现了分区分级控制和联圩并圩等圩区治理技术。这些卓越的技术经验在当今得到进一步的继承和发扬。

太湖下游苏州地区地势低洼,历史上修筑了大量的圩田。建国后,苏州地区在继承前人技术经验的基础上,总结出圩区治理的“四分开,两控制”原则,即内外分开、高低分开、排灌分开、水旱分开,控制沟港水位、控制地下水位,以全面解决洪、涝、旱、渍各方面的问题。许多圩子和圩区治理时皆遵循这一技术原则。如苏州地区昆山县同心圩由低洼低产圩田改变成高产稳产农田,重要的就是正确实行了“四分开,两控制”的水利技术原则。同心圩圩形长方,南北长3.5公里,东西平均宽1.8公里,总面积6.3平方公里(9380亩),其中耕地面积6300亩。该圩是1958年由许多零散小圩联并而成,联并前的各个小圩圩岸单薄,河网零乱,田块碎小,土壤板结,抗洪涝能力低。联圩时,加高培厚圩堤,同时开挖了一条长3.5公里的中心河。之后又整治圩内水系,发展机电排灌,田间深埋排水暗管,按“四分开,两控制”原则进行整治[29],提高了抗洪排涝能力,特别是地下排水技术,突破了传统圩田水利技术,具有很大的创造性。这项技术70年代被江苏省水利厅加以推广。到90年代,低洼圩区治理从联圩并圩,利用老河网,已发展到以治理涝渍为主,实行高筑圩,双配套(闸站),四分开(内外分开、高低分开、灌排分开、水旱分开),三控制(控制内河水位、控制地下水位、控制土壤适宜含水量)。一些条件好的圩区,发展田间“三暗”工程,进行暗灌、暗排、暗降,为农业的高产创造了基本条件。于是“四分开,三控制”也成为其他圩区治理的基本技术原则。我国东南沿海很早就修筑海塘工程,以防御海潮的侵袭,保护农田和城镇的安全,江浙海塘是修筑的重点地段。东汉时已在钱唐县建防海大塘,三国时孙吴在金山筑咸潮塘,唐代时已在江浙沿海建成系统海塘工程,五代至明清频繁地兴修海塘,不断改进海塘结构。五代以前所筑海塘都是土塘,之后海塘结构从土塘逐步发展到竹笼木桩塘、柴塘、斜坡式石塘、直立式石塘、鱼鳞石塘等,每一类海塘结构又有多种型式,以适应不同的潮势和土质,同时还修筑了护塘、护滩和挑溜工程。

目前江浙海塘,仍有土塘、各种柴塘和石塘,有些是清代一直沿用到现在,清代修建的条块石塘和鱼鳞石塘,“到目前浙西海塘尚有约80公里,仍屹立海滨”[30]。建国后继承了“鱼鳞石塘”这种型式,在材料等方面加以改进,建成“新鱼鳞石塘”。如1955年在海宁县建筑的“新鱼鳞石塘”,塘身上部采用水泥沙浆砌条石,下部采用水泥沙浆混凝土块,塘顶盖面石和塘底盖桩石均为混凝土块,基桩采用钢筋混凝土桩,这样的海塘工程更能抵御汹涌的海潮冲激。在海盐、海宁、平湖、绍兴等地也修筑了一些不同型式的“新鱼鳞石塘”[31]。可见结构坚固、耐久的“鱼鳞石塘”,今后仍是一种可继续采用的较好的海塘结构型式。此外,还可借鉴传统的海塘工程设计技术思想,如根据不同的海岸地质和动力条件,因地制宜采用各种不同的海塘工程结构,使海塘工程更加牢固耐久。

总之,我国在数千年修建灌溉工程的实践中,创造了众多的水利工程类型和卓越的灌溉工程技术经验,体现了我国劳动人民杰出的智慧。这些传统的工程和技术是适合我国各地的自然、地理条件的,体现了因地制宜的原则,所以具有很强的继承性。从工程类型来看,大致北方多兴修引渠灌溉工程;南方的山丘区以蓄水塘坝为主,低洼平原以水网圩田为主,沿海则修筑海塘、堰闸等拒咸蓄淡工程;江淮地区位于南北过渡地带,多修建陂渠串联工程。北方还发展井灌,新疆修筑坎儿井等。这些多样的灌溉工程类型经历了数千年的实践检验,具有强盛持久的生命力。又传统灌溉工程多利用当地具有的土、石、木等建筑材料,这些材料经济适用,施工技术群众易于掌握,现今各地在修建灌溉工程时仍较多采用。不少传统灌溉工程技术内涵丰富,具有合理性和科学性,在现今仍能吸收利用,有的甚至能解决技术难题。自古以来工程技术随着社会的发展不断进步,同一个技术在以往的基础上逐步提高,应用范围扩大,还常出现创新技术。我们要总结工程技术发展的规迹,尤其要重视探讨传统工程技术思想,如灌溉工程规划思想、设计思想、水利家的治水思想,水利著作中的水利理论认识,及人们对技术发展内部规律的认识等,这些思想往往能给我们以重要的启迪和借鉴作用。例如都江堰的系统工程规划设计思想,北方多沙河水土资源利用的设计思想,区域治水规划思想等都是前人给我们留下的珍贵遗产,需要继续发扬光大。此外,传统工程技术具有简便、经济、实用等诸多优点,我们应吸取其精华,用现代技术改造其不足的方面。如新疆坎儿井,具有能自流灌溉,不用提水工具;水质优良,水流稳定;冬季不封冻,可供全年灌溉和饮用;施工设备简单,农户易于操作;水行地下,能减少蒸发和避免风沙的侵袭等优点。但其开挖和维修工程量大,工作环境艰苦,费时费人力,目前掌握此技术的人员已经很少了。所以要改进坎儿井的挖掘技术,采用机械挖进提升设备,改善劳动条件,加强对坎儿井的管理和维护,使之发挥更大的作用。建国初期,吐鲁番地区的吐、鄯、托三县几乎全靠坎儿井及泉水灌溉,后来修建了防渗渠道、小型水库和机井等水利工程。目前吐鲁番地区利用地表水3.88亿立米,利用地下水9.94亿立米,总的用水量增了几亿立米,但坎儿井水和泉水的水量都显著减少了,代替它们的是每年用机井提取利用地下水四至五亿立米,原来不花钱的泉水和坎儿井水,现在变成了要支付电费和油费的机井水。故有人主张要大搞坎儿井的维修和改建工程,并把它作为今后该地区水利建设的主攻方向[32]。所以我们要认真地总结传统灌溉工程技术,使之与现代技术相结合,从而在水利建设中发挥更大的作用。

工程技术论文范文篇8

【关键词】SBS改性沥青;屋面;防水卷材;施工技术SBS

防水是建筑物的主要使用功能之一,也是房屋建筑的一项重要分部工程。其施工质量的优劣,直接影响到建筑物的使用功能和寿命,据了解,我国平屋顶钢筋混凝土建筑普遍存在漏雨,厕所、卫生间渗水和地下室渗漏等工程质量问题,而且耐久性差,维修费用较高,给用户生产和生活造成十分严重的经济损失,直接影响到各项工作的正常运转。为了改善建筑工程防水质量及其耐久性能,近几年来,世界各国普遍采用SBS改性沥青防水卷材,它与其他各类沥青基防水卷材比较,具有高温不流淌,低温柔度好,韧性强,耐老化等特性,提高了沥青自身的曲挠性、韧性和内聚力,同时改善了我国建筑防水层的质量和使用年限,无论从材料性能、应用效果以及经济性、适用性都是各国公认的并被广泛推广应用的先进的防水材料之一。

1.SBS改性沥青防水卷材SBS改性沥青防水卷材是热塑性弹性体改性沥青防水卷材中的一种,它以聚酯毡或玻纤毡为胎基,苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)热塑性弹性体为改性剂制成的沥青为涂盖料、两面覆以隔离材料制成的防水卷材(简称SBS卷材)。其在低于聚苯乙烯组分的玻璃化转变温度时是强韧的高弹性材料,SBS卷材具有高弹性、高强度、高延伸率的性能特点,耐高温、耐低温性能好,其物理力学性能见表1。改性沥青防水卷材的断裂延伸对防水基底层有较大的变形适应能力,在施工的过程中对于卷材铺贴的每道施工工艺的要求都极为严格。从卷材进场验收开始,直至卷材铺贴完毕均严格把关,从卷材进场验收开始,直至卷材铺贴完毕均严格把关。

1.1对于卷材材料进场的要求。

1.1.1储运保管:卷材宜直立堆放,其高度不宜超过两层,并不得倾斜或横压,短途运输平放不得超过4层。存料、施工现场严禁烟火,避免阳光照射和雨淋,一定要防止高温受热,存放材料地点和施工现场必须通风良好。

1.1.2进场检验:卷材材料进场后要对其按规定取样复试,工程中不得使用不合格的材料,同一品种、牌号和规格的卷材,抽验数量为:大于1000卷抽取5卷;500卷~1000卷抽取4卷;100~499卷抽取3卷;小于100卷抽取2卷。将抽验的卷材开卷进行规格和外观质量检验,全部指标达到标准规定时,即为合格。其中如有一项指标达不到要求,应在受检产品中加倍取样复验,全部达到标准规定为合格。复验时有一项指标不合格,则判定该产品外观质量不合格。

1.1.3防水卷材由两层SBS改性沥青防水卷材组合而成,厚度≥3mm+3mm,防水卷材进场必须附有出厂检验报告单、合格证和使用说明书,并注明生产日期、批号、规格、名称。

1.1.4其外观质量需符合规定,按照有关规定对SBS改性沥青防水卷材进行外观质量检验合格后,方可送检物理性能测定,SBS改性沥青防水卷材外观质量要求见表2。表1SBS弹性改性沥青防水卷材物理力学性能序号胎基型号PYⅠⅡGⅠⅠ1可溶物含量g/m2≥2mm3mm4mm-1300210029002不透水性压力MPa≥保持时间,min≥0.30.20.2303耐热度,℃9010590105无滑动、流淌、滴落4拉力,N/50mm≥纵向横向4508003505002503005最大拉力时延伸率%≥纵向横向3040-6低温柔度,℃-18-25-18-25无裂纹7撕裂强度,N≥纵向横向2503502503501702008人工气候加速老化外观拉力保持率%≥纵向低温柔度,℃1级无滑动、流淌、滴落80-10-20-10-20无裂纹表2SBS改性沥青防水卷材外观质量要求项目外观质量要求断裂、皱折、孔洞、剥离边缘不整齐胎体未浸透、露胎基涂盖不均匀不允许无明显差异不允许不允许

1.2施工准备。施工准备工作主要包括以下几项内容:

1.2.1清理用具。高压吹风机、效平铲、笤帚。

1.2.2操作工具。电动搅拌器、油毛刷、铁桶、汽油喷灯或专用火焰喷枪、压子、手持压滚、铁辊、剪刀、量尺、1500mm直径30管(铁、塑料)、划(放)线用品。

1.2.3施工前认真审核图纸,防水工程必须由专业队施工,操作人员持证上岗。

1.2.4施工用材料均为易燃物,因而应准备相应的消防器材。

2.施工工艺流程清理基层→涂刷底子油→铺贴卷材→附加层→细部处理→热熔封边→保护层。

2.1对基层的要求。

2.1.1基层表面,先将尘土、杂物清扫干净,表面残留的灰浆块,突出部分及原先已结硬的胶水清理干净。

2.1.2铺设屋面防水层前,基层表面必须保持干净、干燥。干燥程度的检验方法是将1m2卷材平坦的干铺在找平层上,静置3~4h后掀开检查,如找平层覆盖部位与卷材上未见水印,再根据天气情况来安排施工。

2.1.3基层与突出屋面结构(女儿墙、山墙、天窗壁、变形缝、烟囱等)的交接处和基层的转角处,找平层均应做成圆弧形,圆弧半径应符合要求。内部排水的水落口周围,找平层应做成略低的凹坑。

2.1.4排水口、阴阳角及管道根部等均为易出现渗漏部位,在大面积铺贴卷材之前应先用涂料,用硫化橡胶带或同类卷材裁剪成一定形状包封处理。

2.1.5找平层采用1:3砂浆找平层,用2M直尺检查凹凸偏差不超过5mm,要变化平缓,无起坡现象。且找平层宜设分格缝,并嵌填密封材料。分格缝应留设在板端缝处,不宜大于6mm;沥青砂浆找平层,不宜大于4mm。

2.2基层SBS冷底子油的涂刷。在干燥的基层上涂刷SBS改性沥青防水卷材冷底油,应符合国家规范要求。在大面积涂刷基层SBS冷底油前,用毛刷清理节点,周边、阴角等部位,施工时先将SBS冷底油搅拌均匀。基层SBS冷底油涂刷前,应根据基层处理剂干燥时间的长短和施工进度快慢确定,一定涂刷均匀,一次涂好,干燥到不黏脚为宜。SBS改性沥青防水卷材施工用的冷底油及密封材料,其质量必须符合国家有关质量标准,做到薄而均匀,厚度一致,不得有麻点、气泡、空白或透底,不应黏脚。冷底油干燥1~2d后,随时注意天气变化,再进行卷材铺贴工作。公务员之家

2.3卷材铺贴。

2.3.1弹粗线:在一处理好并干燥的基层表面,按照所选卷材的宽度留出搭接缝尺寸,将铺贴卷材的基准线位置线弹好,以便按此基准线进行铺贴。

2.3.2热熔法铺贴卷材:将改性沥青防水卷材按铺贴长度进行裁剪并卷好备用,操作时先将已卷好的卷材用直径为30的管穿入卷心,先弹出标准线,将卷材端头比齐开始铺的起始位置,摆齐对正,薄膜面向下,对好长、短方向搭接缝,掀开已展开的部分,点燃汽油喷灯或专用火焰喷枪,加热基层与卷材交接处,喷枪头与卷材保持适当距离,火焰加热器的喷嘴距卷材面的距离应适中约300mm左右;与基层呈30~45°角,幅宽内加热应均匀,不得过分加热或烧穿卷材;卷材应平整顺直,搭接尺寸准确,不得扭曲。将火焰对准卷材与基层交接处,往返喷烤,观察到卷材的沥青刚刚融化时,即热熔胶层出现黑色光泽,发亮至稍有微泡出现,慢慢放下卷材平铺于基层,手扶管心两端向前缓缓滚动铺设,然后用排汽锟压实使卷材与基层粘结牢固,要求用力均匀、不窝气,要压平压实。

2.3.3当屋面坡度小于3%时,卷材宜平行屋脊铺贴;上下层卷材不得垂直铺贴;铺贴卷材采用搭接法时,上下层及相邻两幅卷材的搭接缝应错开;各种卷材搭接宽度应符合规范要求。

2.3.4搭接缝施工:卷材铺贴时,热熔卷材表面一般有一层防粘隔离纸,因此在热熔粘结接缝之前,应先将下层卷材表面的隔离纸烧掉,以利搭接牢固严密,铺贴时尽量采用满粘法,并尽量减少短边连接。满贴法搭接宽度为80mm,条粘法搭接宽度为120mm,搭接宽度最大允许偏差为-10mm,铺贴卷材不得皱折,也不得用力拉伸卷材,并排除卷材下面的空气,辊压粘贴牢固。

2.3.5接缝口应采用密封材料封严,其宽度≥10mm。

2.3.6铺贴后的卷材应平整顺直,且确保防水层向上翻起高度不小于250mm,同一层面上的卷材之间采用热熔法,焊缝应平整,不得扭曲。

2.3.7复杂部位附加增强层的铺贴:需增强部位基层一般需涂刷一遍SBS冷底油作基层处理,以便于较好地粘接增强层;加强附加增强层卷材后应及时粘贴,因此加热前应先作试贴,以提高粘贴速度;附加增强部位较小时,宜采用手持汽油喷枪施工。

2.3.8在阴阳角交接处、穿墙套管、天沟、水落口、收头等接点部位,必须仔细铺平、贴紧、压实、收头牢靠,符合设计要求和防水工程技术规范等有关规定。

2.4热熔封边。卷材搭接缝处用喷枪加热,压合至边缘挤出沥青粘牢。卷材末端收头用橡胶沥青嵌缝膏嵌固填实。

2.5保护层施工。平面做水泥砂浆或细石混凝土保护层。

3.注意事项及工程质量验收

3.1雨天、雪天严禁施工;气温低于-10℃时不宜施工,5级风以上不得施工。

3.2燃具或喷灯点燃时,不要对着人操作;通风不好的地方务必配备换气措施。

3.3施工的各种材料,多属可燃物质,在存放材料处应严禁烟火,并配备干粉灭火器。

3.4防水卷材铺贴完毕不应有积水和渗漏现象,经检验无误后进行喷淋或闭水试验,24小时不漏不渗方为合格。

3.5卷材的搭接缝应黏结牢固,封闭严密,不得有皱折、翘边和鼓泡等缺陷;防水层的收头应与基层黏接牢固,缝口封严,不得翘边。

4.易出现的质量问题及处理方法

4.1直径不大于300mm的鼓泡(空鼓),处理方法是:割破鼓泡,排出气体,使卷材复平,在鼓泡范围面层上部增铺一层卷材,热熔封严其周边。

4.2直径大于300mm的鼓泡处理方法是:按斜一字形将鼓泡切开,翻开部分的防水卷材重新分片按流水方向粘贴,并在面上增贴一层卷材,其周边长应比开口范围大100mm,之后粘牢封边。

5.结语把住施工质量关,材料是基础,施工是关键。除要保证材料性能质量外,施工的好坏对工程质量起决定性的作用,以要做好防水工程需要正确的设计,合理的选材,精心的施工,恰当的维护,方能奏效。

参考文献

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[11]傅敏红,陈江意.铝箔面与铝膜面SBS改性沥青防水卷材的现场鉴别法[J].浙江建筑,2002,(6):34~35.

工程技术论文范文篇9

1.1实验技术力量不足,可持续发展受阻

近年来,随着高等教育规模的扩大,在校生人数大幅增长,专业教师力量不断充实,实验室规模不断扩大,实验仪器数量快速增加,但实验与工程技术队伍建设却远远滞后于学校的整体发展。实验工程技术力量不足,对教学和科研工作的支撑力度不够,严重影响学校的全面建设。队伍规模偏小是实验技术力量发挥不足的重要原因。以2013年教育部统计数据为准,国内重点高校(九校联盟)专职实验技术人员占教职工总数的比例均不足10%。笔者曾对国内外5所知名大学做过调研,这5所大学技术人员占教职工总数的比例在15%~22%之间,平均18%,具体见表1。可见,一流大学普遍重视技术人员的规模配置,以确保对教学和科研工作的支撑力度。国内高校在编制核算、岗位设置等方面都不同程度弱化实验与工程技术队伍的发展规模,从根本上削弱了实验与工程技术力量的发展和实验技能的提升。我校也面临同样问题,编制数不足,同时在岗实验与工程技术人员中,又有部分人从事管理、科研或其他岗位的工作,并没有真正从事实验和工程类的工作,导致真正从事实验室工作的人员数量实际上更少。高层次技术人才缺乏是一个原因,实验与工程技术力量发挥不足更是另一个重要原因。优秀技术人才难以引进,缺少行业领军人物或顶尖人才,使得实验与工程技术队伍的技术结构不合理,队伍可持续发展受到阻碍。调研发现,院(系)对高层次技术人才的需求一直存在,并且有增长趋势,但长期得不到解决。

1.2评价体系不完善,发展目标不明确

实验与工程技术人员主要为教学和科研提供实验测试分析和其他技术服务性工作、操作维护仪器设施、落实实验室安全、保障教学和科研正常运行。教学和科研工作可以以论文、教学、科研奖励、课题经费等量化数据对教师进行考评,但是这些标准却不适合实验与工程技术人员,不能反映实验室实际工作状况。许多高校以论文、科研等数据考核实验室人员,偏离了实验室工作实际,导致实验与工程技术人员在考核过程中很难获得合理评价,在职称晋升和职级晋升中受到许多限制。在培训培养方面,缺乏完善的激励机制,发展目标不清晰。实验与工程技术人员参加学术交流、出国研修的机会比教师少很多,职业幸福感不强。物质条件、工作成就及个人发展等方面与教师相比有较大的差距,严重制约了实验与工程技术人员工作积极性和创造力的有效发挥。

1.3实验室管理体制不顺

目前,许多高校实验与工程技术队伍的管理体制不顺,基本上是政出多门、多头管理,涉及到人事、教务、科研、实验室管理等多个部门,造成队伍规划不尽合理或者协调和实施困难,导致实验与工程技术队伍建设缺乏长期有效的规划及建设目标。我校现有实验室包括科研基地如各级重点实验室、工程研究中心。教学实验室如各级实验教学示范中心、基础教学实验室、专业教学实验室;一般科研实验室,以及校级或院级公共服务平台。不同类型、不同层级的实验室构成我校实验室的主体,这些实验室分别由多个部门管理:科研基地由科研管理部门负责实验室的申报、投入、成果和考核管理;教学实验室由教务管理部门负责实验教学管理、实验改造投入和实践教学基地建设;公共服务平台由实验室管理部门统一管理。多部门管理,容易造成职责界限不清,缺乏统一协调性,导致许多实验室过程管理缺失,如运行、安全、设备账物、设备效益考核等,所带来的直接问题就是实验室队伍缺乏整体规划、岗位职责不清、管理责任模糊、实验室资源利用效率低,制约实验室的可持续发展。

2实验与工程技术队伍发展方案探讨

2.1理顺实验室管理体制和架构

在综合改革视域下,理顺实验室管理体制,规范实验室管理架构,为实验与工程技术队伍改革和建设打下基础。学校现有实验室分为教学型、公共服务型、科研型3种类型。实体实验室实行注册制,符合一定条件的实验室可申请成为正式建制的实验室。实验室设置需具备基本要素,包括专职实验技术队伍、实验仪器、设备设施、实验场地、规章制度和资质。鼓励设置跨学科、跨专业的校、院(系)级教学、科研或公共服务类实验中心。实验室有专职实验室主任,如实验室主任由知名教授担任,可设专职实验室执行主任,有实验室安全员、设备管理员,在人员配置上保障实验室正常运行和过程管理。一般来说二级学科及以上可设置实验室。注册的实验室在人员编制、建设投入、维修改造和运行维护等工作中得到学校、学院的有效支持。在实验室的归口管理中,资产管理与实验室处负责各类实验室的规范化管理、实验工程队伍管理、设备及共享管理、实验室信息报送、安全环保监管和日常运行监管等。在实验室管理架构上,实行学校、院(系)、实验室三级管理。学校层面设立校实验室建设委员会,由分管校领导、主要职能部门领导、主要院(系)分管领导、实验室专家等组成。资产管理与实验室处承担校级实验室管理职能。院(系)层面设实验室分管院长和实验室秘书,有管理及发展需要的学院可设立实验室管理办公室。实验室层面有实验室专职人员,实验室主任或执行主任专职专岗,负责实验室日常运行、实验室安全、设备管理、实验技能培育等,由实验室专职人员落实各项实验室任务。

2.2科学设岗,合理定编,完善人才准入程序

2.2.1定岗定编实验与工程技术岗位设置应遵循“总量控制、按需设岗、统筹规划”的原则,在难以突破现有编制总体规模的情况下,通过科学设岗促进实验岗位调整。编制制定和岗位设置综合考虑院(系)规模、实验室类型、学科设置、教学科研体量、仪器设备总量、服务能力和实验室管理等因素。编制数量按院(系)核算,学校提供编制计算方式供参考。院(系)在总量控制的前提下,综合考虑各因素进行编制分配,并适当向教学实验室、实验中心和公共平台倾斜。岗位设置应体现多元化用工的需要,根据学校师资队伍发展实际情况,实验室设置固定岗位和流动岗位2种岗位类型。固定岗位包括事业编制和派遣用工,享受学校规定的薪酬待遇;流动岗位由用人单位根据工作需要以项目聘用的形式聘用,并在学校备案,薪资由用人单位承担。

2.2.2人才准入实验室岗位编制总量和岗位要求明确之后,各院(系)根据需求,进入实验室新进人员引进流程。人才引进过程中,要注重引进具有技术能力强的人才,特别是在开发大型仪器设备功能作出特殊贡献、实验技能强、实验教学水平高的高层次技术人才。在进人标准方面,不同岗位类型对学历、资质和技能的要求有差异,对于特别优秀并具有相关专业技术能力的人员在学历学位上可适当放宽。应当改变“唯学历”进人的现状,在设置一定准入条件的基础上,综合考虑实验技能、操作水准和动手能力等实践能力因素。对于研究型大学,实验室新进人员一般要求硕士和相关专业背景,特别优秀的人员在学历上可适当放宽至本科,有一技之长的特殊人才也可以特别考虑。招聘程序中,要遵循公开、公平和公正的选拔原则。一般来说,由学校或院(系)组织笔试和面试,学校相关部门参与招聘过程,实现学校层面的宏观监管。

2.3建立健全以激励为核心的成长发展体系

2.3.1专业技术职务晋升

近年来,我校实施的实验技术系列和工程技术系列职务聘任办法中,对实验室人员的评价标准过于笼统,缺乏合理性和客观性。实际操作中,在“院办校”的管理模式下,各院(系)拥有充分自主权,竞相提高评审门槛,以至于部分院(系)将实验和工程系列技术职务的评审条件调整为与专业教师相当。2012年我校设立工程技术研究员职务聘任办法,其评审条件未能充分反映实验室工作实际,过分强调高水平论文、高层次科研项目和科技成果,很大程度上打击了实验与工程技术人员的积极性和晋升意愿。因此,修订实验和工程系列专业技术职务评审办法是实验与工程技术队伍建设的重要内容。为了健全实验与工程技术人员晋升体系,我校拟设立实验系列研究员和工程系列研究员职务,评审条件尽可能反映实验工程岗位工作实际,突出实验室工作内容和业绩,强调支撑作用。工作经历上,强调实际从事实验或工程技术工作一定年限以上,正高级职务(研究员)要求5年以上,副高级职务(高级工程师或高级实验师)要求3年以上。学历上,不再追求高学历,以正高级职务(研究员)为例,一般要求硕士,作出特殊贡献的老教师学历放宽至本科。高水平论文不再是必要条件,鼓励参评人员撰写发表实验教学、实验技术、工程技术或实验室管理论文。工作成果上,强调在实验教学、仪器操作、技术支撑等工作中取得的研究项目、获奖和成果,不再强调科研项目和科研成果。评审办法修订之初,进行了广泛调研和意见征集,调研范围包括实验室基层人员、实验室主任、院(系)分管实验室或人事工作的领导等,基层调研为评审办法的修订提出了许多可操作性建议。

2.3.2专业技术岗位等级晋升

根据国家和教育部相关文件精神,我校从2007年起实施专业技术岗位等级认定工作,岗位等级从十二级至一级逐级上升。随着级别的升高,岗位工资也相应提高。岗位等级与专业技术职务挂钩,正高级职务分别对应四级至一级,副高级职务对应七级至五级,中级职务对应十级至八级,初级职务对应十二、十一级。此前,我校实验和工程系列专业技术职务最高到副高级职务,岗位等级认定也相应的最高到五级。因此,要打通专业技术岗位等级晋升的通道,增加研究员(实验技术/工程技术)岗位的等级晋升条件细则,并进一步细化现有实验或工程系列专业技术岗位等级晋升条件。条件细则应能够反映实验与工程技术岗位工作成果、业绩和贡献,体现“业绩能力”和“年功积累”。为了更有效促进实验与工程技术队伍的发展,我校拟设立基于专业技术岗位等级的荣誉计划,不同级别赋予特定荣誉称号,如“首席高工”、“主任高工”、“主管工程师”等。荣誉称号的设立从精神层面上让实验与工程技术人员感到受重视,提升自信心和满足感。除了荣誉称号,学校还需增设基于专业技术岗位等级的岗位津贴。随着岗位级别的逐级上升,岗位津贴标准亦相应增加。专业技术岗位级别的设立应遵循总量控制和岗位一致原则,以实验与工程技术队伍为主体,优化人员结构比例,合理配置人力资源,加强高层次人才队伍建设,促进实验室和学科梯队优化组合,既要保障为学校实验室建设发展做出贡献的老教师,又要充分调动中青年技术人员的工作积极性,同时还需为新的发展留有空间。

2.3.3实验室激励机制

建立完善实验与工程技术队伍人才选拔、培养、考评和奖励的激励机制,充分调动他们的积极性和主动性,促进实验与工程技术人员创新素质的全面提升,营造促进实验与工程技术队伍成长的良好环境。鼓励实验与工程人员开展技术创新工作,参与实验教学改革的课题研究,创新仪器设备的操作方法,设计开发新的实验,改进实验技术等方面的工作,从而提高他们的理论水平和实践能力。我校已经实施的激励措施包括实验室先进评比晨星青年学者奖励计划、实验室骨干培训,均为每年度实施一次。为了建设稳定的技术队伍,还需增加激励力度和范围。(1)启动实验与工程技术成果奖评选,对于在实验教学改革,实验仪器研制应用、功能开发和技术升级,实验技术和测试方法的创新,实验室建设与管理等工作中取得的突出成果进行奖励;(2)设立实验室创新研究项目,以项目研究的形式鼓励实验室人员开展实验教学、实验技术、仪器设备、实验室安全、实验室管理等内容的创新探索;(3)扩大实验室培训范围,增加出国培训交流。创造条件选派人员到国内或国外重点高校、科研院所、重点实验室进行技术合作与交流,更新知识,开阔视野,提升技术能力。

2.3.4成长发展体系建设

综合前述专业技术职务晋升、岗位级别晋升和激励机制三大实施方案,建设实验与工程技术队伍成长发展体系,见图2。实验与工程技术人员通过选拔,在专业技术职务晋升中,能够向上晋升到研究员岗位;在技术等级晋升中,最高可获得“首席高工”荣誉;在较为全面的激励措施中,实验室人员可充分施展才华,潜心实践操作和技术研究工作。

2.3.5考核评价

建立科学、客观、公正的考核评价机制,对实验与工程技术人员的考核评价方式和指标要有利于技术水平提升和实验教学水平的提高。考核内容包括工作态度、能力、表现、业绩,以及教师、学生和用户评价等,不要求科研论文和科研项目,同时参考岗位责任和坐班考勤情况。考核结果作为岗位聘任、发展晋升、薪酬分配、进修培训、评奖评优的重要依据。

3结束语

工程技术论文范文篇10

一、机械的概念规定与机械技术史的范畴

1、机械的现代定义

研究机械工程技术史,首先需要明确机械的观念规定。在我国现代的机械学著作中,“机械”一词是机构(mechanism)和机器(machine)的总称。尽管各种机械的构造、性能和用途各异,但从它们的组成和运动形式来看,却有两个共同特征:

1)它们是一种人为的实物构件的组合。

2)它们各部分之间具有确定的相对运动。

凡同时具备上述两个特征的构件组合体便称为机构或机械。机器除了具备上述两个特征外,还必须具备第三个特征:能代替人类的劳动以完成有用的机械功或转换机械能。所以机器是能转换机械能或完成有用的机械功的机构。从结构和运动的观点来看,机构和机器并无区别,因此泛称它们为机械。

机构和机器的定义来源于西方机械工程科学,它们都是现代机械原理中的最基本的概念,但在现代西方机械学著作中,并没有一个作为机构(mechanism)和机器(machine)的总称的专门名词或术语。在日本的机械工学中,机械概念是如下定义的:①

凡符合下述三项条件的,则定义为机械。

①它是物体的组合,假定力加到其各个部分也难以变形。

②这些物体必须实现相互的、单一的、规定的运动。

③把施加的能量转变为最有用的形式,或转变为有效的机械功。

这里,“机械”一词定义的是machine概念,这一定义与我国机械原理著作对机器的定义相同。mechanism一词,在日本机械工学中译为“機構”,或音译为メカニズム。

考虑到机构和机器均属现代机械学的基本范畴,我们采用能够同时涵盖机构和机器的机械概念,也是有其合理性的。

设计机械的目的是完成预定的机械运动及完成特定的动作,一般来说,一种复杂机械都由三大部分组成。一是原动部分,它是机械动力的来源。二是工作部分,它处于传动路线的终点,完成机械的预定动作。三是传动部分,它是把原动机件的运动和功率传递给工作部分的中间环节。近代机械中又有第四个部分,即自动控制部分。

2、机械的古代涵义及其演变

(1)中国古代文献中“机械”一词的涵义

“机械”一词由“机”与“械”两个汉字组成,探讨该词的涵义,首先须了解这两个字在古汉语中的意思。

“机”在古汉语中原指某种或某一类特定的装置,后来又泛指一般的机械。

古代常以“机”指弩上发箭的装置,即弩机。《尚书·太甲》有“若虞机张,往省括于度,则释”。但此篇可能作于西汉。《庄子·齐物论》:“其发若机括。”《释文》称:“机,弩牙;括,箭括。”按此言张弩发箭,以括入机,机动则发。东汉时成书的《说文解字》对“机”的解释是“机,主发者也”,说的也是弩机。由弩机延伸,触发式捕兽器也称为“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。后来的“机防阱”和“机关”也是这个意思。

古代又以“机抒”指织布机。《淮南子·氾论》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”。南北朝《木兰词》有“不闻机抒声,唯闻女叹息”。《说文解字》:“抒,机之持纬者也。”宋《集韵》也说:“机以转轴,抒以持纬。”抒就是梭子,而机为转轴部件。“机抒”二字各表织机一个特征部件,因而后有只用一个“机”字代表织机的说法。①

由以上所述可知,“机”之本义当指机械装置中构成转动副的转动构件。

《尚书》:“在璇玑玉衡以齐七政。”伏胜《尚书大传》云:“旋机者,何也?传曰:旋者还也,机者几也,微也。其变几微,而所动者大,谓之旋机。”这里“机”为轴动之物。《管子·形势解》也载:“奚仲之为车器也,方圆曲直皆中规矩钩绳。故机旋机得,用之牢利,成器坚固。”这是讲车的部件生产的质量检验工序,“机旋机得”是指达到转动配合的精度标准要求。②

“机”还引申为许多机械发明的泛称,《战国策·宋卫》说:“公输般为楚设机,将以攻宋。”注称:“机,械,云梯之属。”《荀子·议兵》有“固塞不树,机变不张。”注称“机变,谓器械变动攻敌也。”《后汉书·张衡列传》说;“衡善机巧。”《南齐书·祖冲之传》:“初,宋武平关中,得姚兴指南车,有外形而无机巧,每行,使人于内转之。”“机”字实际可以泛指各种灵巧和关键的机械装置。

“机”的涵义由此延伸,出现了更具抽象的词义。《韩非子·十过》:“此存亡之机也。”《逸周书·大武》:“此七者,伐之机也。”“机”在这里指事物之枢要、关键。《庄子·至乐》载:“万物皆出于机,皆入于机。”疏曰:“机者,发动,所谓造化也。”这是指事物变化之所由。“机”还指事物变化之迹象、征兆等等。这样,衍生出大量相关词汇,如机巧、机先、机兆、机密、机会、机缘、机要、机谋、机关和机衡等。

“械”在古代是指器械、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。”“械”在这里为一般器械或器具。《墨子·公输》:“公输般为楚造云梯之械。”这是指兵器。《汉书·司马迁传》载:“淮阴(韩信),王也,受械于陈。”“械”在此指刑具。

与“机”原指局部的关键机件有所不同,“械”在中国古代原本便指某一整体器械或器具,。这两字连在一起,组成“机械”一词,便成为为一般性的机械概念了。

在先秦时期的文献中,已经讨论了抽象的机械概念。《庄子·外篇·天地第十二》有一段关于机械技术思想意义的讨论:

(子贡)见一丈人方将为圃畦,凿隧而入井,抱瓮而出灌,然用力甚多而见功寡。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,挈水若抽,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。

这段文字是中国技术思想史的重要史料,后面将进行专题讨论。这里我们感兴趣的是,子贡与老人的对话给出了机械的概念界定:机械是能用力甚寡而见功多的器械。

关于机械的概念,在《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。”这里还有了初步的经济观点。①

由此可知,中国古代早在战国时期就已形成了与现代机械学中“机械”一词涵义比较相近的机械概念和术语了。

(2)西方古今的机械概念

英文的“machine”一词,其涵义要比现代机械学界定的“机器”(machine)概念要广。在一般使用上,它与汉语的“机械”一词类同。美国罗伯特·欧布林(RobertObrien)所著《机器》一书中指出:英文的“machine”(机械)一词来源于希腊文mechine及拉丁文mecina,两者原意都指的是“巧妙的设计”。Machine作为一般性的机械概念的出现,主要是为了区别与手工工具。在西方,一般性的机械概念的提出,可追溯到古罗马时期。

西方最先提出机械定义的是古罗马的建筑师维特鲁威(Vitruvii)。他在其著作《建筑十书》(约成书于公元前32-33年)给出了这样的定义:“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。”他对机械和工具作了区别:“机械(machane)和工具(organon)之间似乎有着以下的区别。即机械是以多数人工和很大的力量而发生效果的,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可缺少的东西。”②

亚历山大利亚城的希罗(HeroofAlexandria,公元1世纪)最早讨论了机械的基本要素,他认为机械的要素有五类:轮与轴,杠杆,滑车,尖劈,螺旋。希罗的论文只是关系到提升和推动重物,虽不够全面,但却反映了古典机械的特征。③

1724年,德国莱比锡的机械士廖波尔特(Leopold)给出的定义是:“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省时间和力量的地方,它能做到节省。”④

马克思在《资本论》中对充分发展了的机械给出了界定:“一切已经发展的机器,都三个本质上不同的部分——发动机、传动机构和工具机械工作机——构成,发动机是整个机构的动力。”⑤马克思在《1861—1863年经济学手稿》讨论了机器与工具的区别,他指出:“以上所述已经对机器和工具有什么区别的问题作出了回答。工具本身一旦由机械来推动,一旦由工人的工具(它的生产率取决于工人的技巧并需要他付出作为劳动过程的媒介的劳动)变成机械的工具,——机器就代替了工具。在这种情况下,机械应该达到这样的发展程度:它既能从人或牲畜,简言之,从任意动作的那些原动力获得动力,也能从机械推动的原动机获得动力。”⑥

马克思主要从经济学和生产工具发展的宽广视角考察机器和机械的深刻涵义,力图说明当时的社会生产从工厂手工业向大机器工业的转变。他认为机器是代替人手操纵工具的机械系统,它从一开始就应是“工作部分同传导运动的机械和推动机械的原动机的组合”。马克思还谈到了当时一些学者中关于机械和机器的概念:“就象在英国的在政治经济学家一样,在英国的力学家中,可以遇到这样一些人,他们认为,机器与工具没有本质的区别;工具是简单的机器,而机器是复杂的工具,或者说,两者只有简单机器与复杂机器之分。从这种意义上说,甚至最简单的机械,如杠杆、斜面、滑轮、螺旋、楔、轮子等,也被叫作机器”①

19世纪中、后期,西方机械工程学家开始从机械的力学原理出发讨论机械或者说机器的概念,从而给出比较专业和科学的定义。下面给出的是早期机构学的两部奠基性著作中的定义。

英国机械学家威利斯(R.Willis,1800-1875)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,其余构件将发生一定的运动,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。”②

德国机械学家勒洛(F.Reuleaux,1829-1905)在其《理论运动学》(TheoretischeKinematik,GrundzügeeinerTheoriedesMaschienenwesens,1875年)中的定义是:“机械(machine)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,同时伴随着一定的确定运动。”③

威利斯给出的machine定义实际是现代机械原理中的机构。勒洛则最早给出了现代机械学中的机器(即machine)定义。从勒洛开始,机构概念与机器也被区分开来。20世纪的机械原理著作进一步明确了机构和机器的概念。

勒洛的《理论运动学》建立了机械运动学的基础,书中的许多概念、观点和研究方法被沿用至今。20世纪初,出现了把机构学和机械动力学合在一起的机械原理著作。当时西方的机械原理教科书中有如下的定义:

(1)“机械者,固定部分与运动部分之组合体,介乎能力与工作之间,所以使能力变为有用之工作者也。”(1912年,Keown)④

(2)“机械者,两个以上物体之组合体,其相对运动皆继续受一定之限制,使一种能力由之变化或传达,以作一种特别之工作者也。”(1915年,Mcksy)⑤

1930年,我国机械学家刘仙洲在编写中国最早的机械原理教科书时,参考西方这类教科书给出了一个定义:“机械者,两个以上之物体之组合体。动其一部则其余各部各发生一定之相对运动或限制运动,吾人得利用之使一种天然能力或机械能力发生一定之效果或工作者也。”⑥

1955年,乌克兰奥德萨工业大学多布罗沃利斯基(В.А.Добрвольский)在一篇论文中给出了一个定义:“机械是为人所使用的劳动工具,在这个劳动工具中,形状和尺寸适合的部分是由能经受很高压力(阻力)的材料所制成;在引入能量不断作用下,能完成适合的实际上有利的运动和动作;这些运动和动作是人们为完成技术的工艺目的所必要的。”⑦

这里定义的“机械”,更确切地说是机器,即现代机械原理中的machine概念。

综上所述,西方有关机械的一般性概念随着机械的发展逐渐发生了变化,随着机械工程科学的建立和发展而深化。从区分机械与手工工具开始,到区别复杂机械与简单机械和工具,进而形成了机械工程学中最基本的机器和机构概念。

3、机械工程技术史的范畴

机械工程学是以机构和机器为基本对象的科学,各类和各种不同机械均属机械工程技术的范畴。机械的种类繁多,可根据部分机械在某些方面的类同特性或特征化分类别。如希罗将简单机械分为五类:轮与轴,杠杆,滑车,尖劈,螺旋。按马克思对机器系统的分类,机械可分为发动机、传动机构和工作机。刘仙洲在《中国机械工程发明史(第一编)》中将机械分为七类,即:简单机械、发动机或原动机、工作机、传动机、仪表、仅用发动机原理的机械、发电机与电动机。

按机械的使用功能则可分为动力机械、物料搬运机械、粉碎机械等;接服务的产业可分为农业机械、矿山机械、纺织机械、运输机械和化工机械等;按工作原理又可分为热力机械、流体机械、往复机械和仿生机械等。

从动态观点看,机械工程又是一个技术过程。它包含了人类的主要技术活动:(1)发明与革新;(2)设计与测试;(3)制造(加工与制作)(4)使用与维修。因此各种机械的发明、设计、加工与制造以及使用与维修均属机械工程技术的范畴。发明和设计包含了更多的智力因素和思想与知识内涵。制造和使用则包含了更多的体力因素和经验与实践的内容。机械加工与制作的对象以及加工制作过程无疑属于机械工程技术的基本内容,因此,某些通过机械加工获得的技术产品,尽管不能看作是机构和机器,也常常被认为属于机械工程的范畴。

机械工程技术史是研究机械工程技术发生、发展过程及其规律的一门学科。机械工程技术史的对象和范畴与机械工程技术的对象与范畴既有在内在的联系,由有着一定的差别。从认识上看,机械工程技术是第一个层次,机械工程技术史是第二个层次,后者是以前者为基础的。机械工程技术史是研究过去的机械技术的学问,与前者不同的特点是研究者和研究对象在时间坐标上处于不同的位置,因此它重视从时间关系研究机械技术的特点和演变过程。可以说,机械工程技术史的对象是历史上的机械成果及其影响机械工程技术发展的各种主要因素。不仅历代的机械发明、机械制造技术以及机械成果的推广与应用属于机械工程技术史的范畴,而且影响机械工程发展的社会的经济、政治和文化等因素也属于它考察的对象和范畴。

二、中国机械工程技术史的研究对象、任务和价值

1、中国机械史的研究对象与任务

中国机械工程技术史主要研究机械工程技术在中国的发展过程与模式,它的对象是中国历代的机械成果及其影响机械工程技术发展的各种因素。机械技术的发展在许多方面有其一般性的规律,适用于不同的文化和国家,当然也适用于中国。但是每个国家特别是不同文化传统的国家有着不同的特殊环境和背景,各国机械的发展是不平衡的。有的国家和地区在机械技术的某些方面发展水平较高,另一些国家和地区则在机械的另一些方面发展水平较高;有的机械成果在某些国家传播和发展较快,而在另一些国家推广应用十分缓慢。由于不同文化和社会因素的制约,各国机械工程技术的发展模式也并不是千篇一律的。因此不同国家机械工程技术的发展往往呈现出不同的特点。尤其是中国古代机械的发展,技术传统与西方有很大不同,有其独特的轨迹。既有许多优点也有不少缺点,既有很多成功的经验也有不少失败的教训,值得认真加以总结。中国机械史的主要任务就是要整理和发掘中国历代在机械工程方面的重要成果及其特点,揭示机械工程技术在中国发展的规律性和特殊性。

研究中国机械史应从考察中国历代的机械成果入手,首先需要掌握大量的历史资料。中国历史上有哪些重要机械科技成果?它们的水平和价值如何?中国传统机械及其技术、工艺方法和西方有何不同?机械工程技术对中国社会生产有何作用和影响?这些都是需要机械史研究解决的基本性问题。只有对有关史料进行全面的清理和深入的分析,才能获得这些问题的答案。对于中国古代机械史来说,历代有关机械工程的成果主要反映在三类史料之中,即文字资料、图像与图形资料和实物资料。中国机械工程的文献史料,是有关古代机械的概念名称、形制、材料、动力、结构原理、工艺方法、应用与推广情况以及相关的社会历史文化背景等方面的文字记载和描述。它包括各类典籍中的有关史料和出土文物上相关的铭刻资料等。除了少数一些技术著作中有关机械的专论性记述外,有关机械工程的文献资料十分零散,大都分散在大量的各类古籍之中。图像与图形资料主要是古代美术作品和工程技术著作及其它典籍中的机械图像与图形,这些资料不仅存在于帛、纸为载体的古代绘画作品和各类写本和印刷本书籍中,而且大量存在于古代岩画、铜器刻画、砖石刻画、壁画等平面绘画和浮雕作品之中。实物资料是考古发掘中出土的和传世的与古代机械直接有关的各种实物,主要包括大量的古代各类机械成品、半成品、零部件、机械模型、明器机械和机械加工产品,目前在民间仍然尚存不少传统机械,从技术上看属于古机械的遗制,它们也是重要的实物资料。这些实物资料具有重大的价值,由此可以获得更为确切和可靠的关于过去机械技术的信息,它们与文献资料同样属于中国机械史的研究对象。搜集、整理和分析古代机械工程史资料,是中国机械工程史研究的一项基础性工作。但是,由于多数文献史料分散在数量极大的古籍和铭文中,各类与机械有关的古代绘画作品则更是分散收藏于各地不同的机构和个人手中,实物资料同样分布在十分广泛的地域范围内,此外还有大量资料流失国外,因此,对如此众多的史料进行充分的发掘、整理和研究,由少数人在短期内显然是难以完成的。中国机械工程技术史的任务因而也十分繁重,必须多人接力工作,逐步扩大调查和研究的范围,直到基本掌握整体面貌。

中国机械工程史还要探讨影响中国机械工程技术发展的各种因素。除了研究诸如工匠和技术人员在机械工程发展中的作用、古代的技术观和设计与管理思想对工程技术实践的影响等内部因素外,还应分析文化与科学传统、社会经济与政治制度、战争与军事、思维方式、技术政策与组织管理制度以及对外交流关系对机械工程发展的影响等诸多外部的因素。这些因素对于古代机械工程的发展有时起促进作用,也有时起阻碍作用。有的因素只有短期影响,有些则长期发挥作用。这方面的研究,涉及领域很多,情况极为复杂,因而难度也更大,任务更为艰巨。如果要想在中国机械史的宏观研究方面取得突破性的进展,就必须在这方面有更多的投入和下更大的功夫。在搜集、整理和分析古代机械工程史资料的基础工作取得重要进展后,研究工作的重点应逐渐向这方面转移。

2、中国机械史的价值

中国的机械工程技术在漫长的历史发展过程中形成了自己独特的风格。中国古代机械工程技术,是世界机械史的一个组成部分,在世界机械工程史上占有重要位置。

中国古代机械工程技术成果具有重要的历史价值,有许多机械发明和技术成果在世界机械史上处于遥遥领先的地位,其中不少成果还传播到了世界各地,对世界机械技术的进步起到了直接的促进作用。著名科学史家李约瑟在讨论中西科技交流与比较问题时曾指出:“有少数几种基本技术曾经从古代美索不达米亚朝四面八方传播,……可是,中国人的发明就多了。这些发明在公一元世纪到十八世纪期间先后传到了欧洲和其他地区。这里包括:(1)龙骨车;(2)石碾和水力在石碾上的应用;3水排;(4)风扇车和簸扬机;(5)活塞风箱;6平放织机(它可能也是印度的发明)和提花机;(7)缫丝、纺丝和调丝机;(8)独轮车;(9)加帆手推车;(10)磨车;(11)拖重牲口用的两种高效马具,即胸带和套包子;(12)弓弩(13)风筝;(14)竹编蜒和走马灯;(15)深钻技术;(16)铸铁的使用;(17)游动的常平悬吊器;(18)弧形拱桥;(19)铁索吊桥;(20)河渠闸门;(21)造船和航运方面的无数发明,包括防水隔舱、高效率空气动力帆和前后索具(22)船尾的方向舵;(23)火药以及和它有关的一些技术;(24)罗盘针,先用于看风水,后来又用于航海;(25)纸、印刷术和活字印刷术;(26)瓷器。我写到这里时了句点,因为二十六个字母都已经用完了,可有许多例子、甚至还有重要的例子可以列举。我们决不能认为对以上任何一种发明已经没有话可讲了,也不能认为在所有例子中,都有足够的证据可以充分证明,后来欧洲应用的是从较早的中国人的实践中得来的。但是所有这些例子有一种共同之点,这就是它们在中国应用的时期,确实早于它们在世界其他部分出现的时期。有时甚至要早得多。”①李约瑟博士列举的这些实例绝大多数都是中国古代的机械发明或相关的技术成果,由此可见,中国古代的机械技术成果不仅在中国科技史上占有突出地位,而且在世界机械史乃至科技史上的地位也是不可低估的。中国机械史的历史价值还表现在传统机械工程技术在中国古代社会经济和科技发展中占有十分重要的位置。中国自古以来以农业立国,农业生产在古代历史发展进程中始终占据核心地位,因而作为农业生产工具的农业机械在生产中的作用极为重要。农业机械技术方面的大量发明、革新及其推广应用对社会生产力的提高起了极大的作用。同样,机械在水利工程、建筑工程、交通运输、纺织等领域中也发挥着重要作用。机械技术在军事上具有举足轻重的作用,先进和精良武器与军事装备的制造都要依赖先进的机械技术。中国古代在天文观测方面能够取得许多重要成就,与先进天文仪器的作用密不可分,而众多先进天文仪器的出现则反映了中国古代精密机械制造技术的发达。明代宋应星编著的《天工开物》是一部关于中国古代工程技术的百科全书,其中讲述机械技术的内容占了全书一半以上的篇幅,也说明机械技术在古代工程技术中的重要地位。因此,传统机械技术根植于中国古代社会生活和生产的各个领域之中,机械技术的进步不仅促进了生产的发展,丰富了古代的社会生活,而且成为推动古代不同领域科技发展的有力工具。

中国机械史的研究不仅具有重要的历史价值,而且具有较高的现实价值和意义。这主要表现在以下几个方面。

首先,中国古代机械工程技术是中国科学文化的重要组成部分,传统机械的技术成果是我国优秀的科学文化遗产,因此中国古代机械史的研究具有重要的文化价值。机械技术在人类物质文化史上一直占据核心地位,人类文明的发展阶段一般以机械技术的重要成果作为主要划分标志,便是最好的说明。而我们的祖先创造了许多杰出的机械科技成果,为后世留下了大量的物质文化财富,发掘、整理和研究这些机械成果对于丰富祖国科学文化宝库无疑极为有益。但过去这方面的工作开展得还远远不够,中国机械工程机械史仍是一个有待开发的领域,在目前情况下进一步开展中国机械史的研究也显得尤为重要。

第二,技术发展有很强的继承性和规律性,中国机械史的研究有助于揭示技术发展特质,可以起到温故知新、阐明方向和趋势的作用,因此具有重要的借鉴价值。中国历史上在机械科技方面的成功经验和失败教训,对于现今科技的发展很有借鉴价值。中国古代与机械有关的技术观和技术哲学思想,对于我们认识技术与人、技术与环境以及技术与社会的关系仍有参考价值。中国古代的一些技术思想和方法与举措正好与现代可持续发展的时代要求相切合,对于认识和解决技术给现代社会带来的环境污染,能源和资源的枯竭等一系列负面效应也有积极的参考意义。中国近现代机械史的研究则对于制定国家的技术规划、技术发展与引进的政策和战略更是有着直接的借鉴作用。

第三,研究和学习中国机械工程史,阐明中国传统机械技术的兴衰历程,了解科学家、发明家的生平、成就和思想,不仅可以学到科学和历史的知识,还可从中获得启示和汲取教益,因而中国机械史还有着比较重要的教育价值与作用。机械工程技术史知识的传播有助于人们了解机械工程技术的概念和原理的来龙去脉,加深对机械科技的认识和理解。培根说;学史可以使人明智。对于青年学生与专业科技人员来讲,机械史的知识则可起到开拓视野的作用。

第四,研究中国机械史,不难发现一些古老的机械技术、工艺和原理在现代仍然发挥着作用或具有实用价值。中国传统的农业机械与古农具至今在农业生产中广泛使用,具有极强的生命力。我国的许多传统金属工艺仍在实际应用中发挥着重要作用。在秦始皇陵墓中出土的青铜箭镞表面上有一层含铬的黑色致密层,埋在地下两千多年没有腐蚀。现代金相学研究证明这样处理有很强的抗腐蚀能力。此项表面处理技术显然具有古为今用的价值。类似的实例还有很多。机械史的研究有助于认识和发现传统机械的现代意义和实用价值。

三、中国古代机械史的分期问题

研究中国机械技术的总体发展进程,必须把中国机械技术的形成与发展过程划分为几个不同的历史阶段,因此,中国机械史的分期问题是进行中国机械工程史宏观研究的一个重要问题。合理的分期不但可以反映中国机械工程发展的阶段性,同时也应反映出中国机械科技发展的特点和主要线索。

关于中国机械史的分期问题,已有一些学者有所涉及和讨论,但目前尚未进行充分的研究,也未得出一致的结论。1984年,郭可谦、陆敬严先生最早专门讨论了这一问题。他们提出了将中国机械史分为四个时期的方案:①

(1)简单工具时期,相当于原始社会时期,即石器时代。分为两个阶段:粗制工具阶段(旧石器时代),和精制工具阶段(新石器时代)。

(2)古代机械时期,大约从四千年到十九世纪四十年代。包括三个阶段:从古车出现到秦以前为迅速发展阶段;秦到宋元时期为成熟阶段;明代到十九世纪四十年代为缓慢前进阶段。

(3)近代机械时期,,从一八四○年至新中国成立前夕。

(4)现代机械时期,新中国成立后的发展时期。

在1985年,笔者提出了关于中国机械史的另一种分期意见,将中国机械史分为六个时期:②

(1)形成与积累时期,从远古到西周时期。

(2)迅速发展和成熟时期,从春秋时期到到东汉末年。

(3)全面发展和鼎盛时期,从三国时期到元代中期。

(4)缓慢发展时期,从元代后期到清代中期。

(5)转变时期,清代后期到中国成立前夕。

(6)复兴时期,新中国成立后的发展时期。

最新出版的《中国科学技术史》机械卷有“中国古代和近代机械工程发展概述”一章,论述中基本上采用了第一种分期方案。

1987年出版的《中国的百科全书》机械工程卷有词条“中国古代机械史”、“中国近代机械工业”和“中国现代机械工业”分别涉及了中国古代机械工程技术、近代机械工业和现代机械工业发展的分期问题。这里仅介绍周世德先生在“中国古代机械史”条目中采用的古代机械史分期方案:③

(1)春秋以前(公元前770年前)。

(2)春秋至汉魏时期(公元前770年前~公元265)。

(3)两晋宋元时期(公元265~1368)。

(4)明清时期(1368~1840)。

上述分期方案都有各自的分期依据,并较好地反映了机械史与中国通史的关系。在反映中国机械工程发展的内部规律和特点方面,虽然也得到较好的处理,但细节方面似乎尚有进一步探讨的余地。笔者认为中国机械史的分期应以机械科技的重大转变和突破为主要依据,这就需要分析和研究各个历史时期各种机械在动力、材料、结构原理、工艺和功能等方面的发展水平和变化情况.此外,还应注意考察不同时期间机械工程知识的水平和先进机械的推广与应用情况以及机械的社会功能与作用。中国机械工程技术的发展是一个以波浪式曲线前进的过程。常常由于某一方面或几个方面(如材料、动力、工艺等方面)的重大转变或突变引起机械工程技术的主要内容发生了变化,使其达到新的水平,这样就形成了几个不同的自然发展时期。据此,我们在又在上述方案的基础上,提出了如下关于中国古代机械史分期的修订方案:

(1)古代机械技术的萌芽时期,从旧石器时代开始到新石器时代。

(2)传统机械技术的初步形成时期,夏、商、西周时期。

(3)传统机械技术的进一步发展时期,春秋战国到三国时期。

(4)传统机械技术的成熟与鼎盛时期,魏晋南北朝到元代。

(5)传统机械的平缓发展与西方机械的传入时期,明初到十九世纪中叶。

四、中国古代机械工程史研究的历史与现状

在我国,中国机械工程技术史的现代研究发端于20世纪二三十年代。张荫麟、刘仙洲和王振铎等是早期中国机械史研究工作的主要开拓者。张荫麟于1925年翻译了英国学者穆尔(A.C.Moule)1924年发表在ToungPao(通报)上的专题论文“TheChineseSouth-PointingCarriage”,中译文题目改为“宋燕肃、吴德仁指南车造法考”,发表在《清华学报》第2卷第1期(1925)上。张荫麟又于1926年在《清华学报》第2卷第2期上发表了“宋卢道隆、吴德仁指南车之造法”一文。此后,他又在1928年发表了论文“中国历史上之‘奇器’及其作者”(《燕京学报》第1卷第3期)。30年代开始了较为全面的古代机械的文献资料发掘、整理和专题复原研究。1935年刘仙洲在清华大学出版了《中国机械工程史料》(约6万字)一书,首次依据现代机械工程分类方法整理了中国古代机械工程的史料,初步勾勒出了中国古代机械工程的基本轮廓。几乎与此同时王振铎也开始了复原地动仪、指南车与记里鼓车的工作,他于1936年发表了专题论文“汉张衡候风地动仪造法之推测”(《燕京学报》第20期,10周年纪念专号),1937年又发表了重要论文“指南车记里鼓车之考证及模型”(《史学集刊》第3期)。40年代,刘仙洲又发表了“王征与我国第一部机械工程学”(见《国立清华大学学报》1期,《真理杂志》1卷2期)和“中国在热机历史上的地位”(《东方杂志》39卷18期)两篇有影响的论文。

西方学者早在19世纪后期就开始关注中国古文献中有关机械发明的记载,20世纪初在欧洲的技术史著作中已有关于中国古代机械发明的探讨。如奥地利著名技术史家霍维茨(H.T.Horwitz)在1913年出版的技术史著作中对中国的机械发明作了论述。此后直到30年代,在他的不少论著中都有关于中国古代机械的讨论①。葛雷斯(H.A.Giles)于1906年,劳佛尔(B.Laufer)于1912,分别对中国古代指南车进行了复原研究②。穆尔(A.C.Moule)于1924年发表了研究指南车的专题论文,并根据《宋史》的文献记载给出了具体的复原方案。穆尔的工作引起英国学者的关注,此后戴科斯(K.T.Dykes)提出了采用差动轮系复原指南车的设想(1942年),兰彻斯特(G.Lanchster)于1947年利用差动轮系制作了复原模型。美国学者霍梅尔(R.P.Hommel)在1921年在至1928年、1928年至1930年前后用了8年时间在中国各地调查传统手工业技术,在进行了广泛的实地调查后,写成专著ChinaatWork;anillustratedRecordofthePrimitiveIndustriesofChina’sMasses,whoseLifeisToil,andthusanAccountofChineseCivilization,于1937年在纽约出版,其中包含了大量传统机械与工艺方面的内容,配有大量实物照片,是一部具有重要历史和文化价值的著作。恰特莱(H.Chatley)在1942年在TransactionsoftheNewcomenSociety(22,117)上发表了TheDevelopmentofMechanismsinAncientChina(古代中国机械学的发展)综论研究性论文,在西方首次较全面地论述了中国古代机械的发展。在国外,对中国机械史研究最有建树的学者还是李约瑟博士。他从50年代开始发表有关中国机械史方面的论文,1965年他的巨著《中国科学技术史》的机械工程卷(ScienceandCivilizationinChina,Volume4,PhysicsandPhysicalTechnology,Part2,MechanicalEngineering)由剑桥大学出版社出版,它是第一部英文的中国机械史的学术专著,在国际上影响极大。李约瑟编撰此书时利用了大量的中国机械史的原始资料和研究成果,同时参考了许多世界与西方机械史的文献和研究成果,在比较科学史的视角对中国机械技术的发展及其重要成果进行了深入研究。日本和台湾学者较早分别将此书翻译成日文和中文出版,中国大陆的中文译本也在2000年有科学出版社和上海古籍出版社出版。

20世纪50年代以来,中国机械史的研究工作在中国经历了十分曲折的过程。在50年代至60年代前期,刘仙洲做了一系列机械史专题研究工作,发表了多篇论文,并主持汇集中国工程史料。1962年他编著的《中国机械工程史(第一编)》一书由科学出版社,这是第一部中国古代机械史的著作,论述了中国古代的主要机械发明成就,从机械原理和原动力的角度出发整理了中国古代机械工程发展的脉络。1963刘仙洲年撰写的《中国古代农业机械发明史》问世,这是第一部全面历史中国古代农业机械成果及其发展的著作。王振铎则在发掘古代文献和文物资料的基础上,对许多机械成果做了深入的专题研究。他在中国历史博物馆主持复原了水运仪象台、候风地动仪、指南车、记里鼓车等一系列古代机械装置。他们的杰出工作,奠定了中国机械工程史这一学科的基础,在国内外学术界产生了重大影响。正当中国机械史的研究被引向深入之时,爆发了史无前例的“”,导致了科学文化大灾难。“”期间,和其他学科一样,机械史的研究也完全处于停顿状态。“”以后,中国机械史的研究得以恢复和发展,老一辈学者也续有力作刊行,如清华大学出版了根据刘仙洲生前汇集的史料编纂而成的《中国科技史资料汇编一农业机械》(1985年),王振择先生出版他的论文集《科技考古论丛》(1989年)。同时,同济大学、中国科学院自然科学史研究所、北京航空航天大学等单位,都积极开展了中国机械史的研究工作和国内外学术交流,并通过招收机械史的研究生,努力培养新一代的专业研究人员。一些大专院校开设了机械史的选修课,取得了良好的效果。从20世纪80年代起,中国机械史的研究队伍开始形成,研究工作逐渐活跃,数百篇,涌现了不少具有较高质量和较大影响的专题研究成果。如陆敬严先生主持的古代机械模型复原等课题,华觉明先生参与主持的曾侯乙编钟的复原研究,杨青、钱小康等先生参与主持的秦陵铜车马技术研究等都取得了突出成果。综合性与系统性的整理与研究工作也有重要进展,如1986年机械工程师进修大学刊行了郭可谦、陆敬严合著的《中国机械史讲座》,1986年文物出版社出版了华觉明等撰写的《中国冶铸史论集》,和,1992年北京理工大学出版了张柏春撰写的《中国近代机械简史》,1995年山东科技出版社出版了苏荣誉等编撰的《中国上古金属技术》,1998年清华大学出版社出版了张春辉编著的《中国古代农业机械发明史》(补编),1999年大象出版社出版了华觉明撰著的《中国古代金属技术》。此外,台湾中央文物供应社也在1987年出版了万迪棣编撰的《中国机械科技之发展》一书,此书被收入中华文化丛书中。90年代初期,中国科学技术史丛书委托陆敬严、华觉明主编《中国科学技术史》的机械卷,钱小康、张柏春、何堂坤、杨青、赵丰、黄麟雏、刘克明和冯立升等多位学者参加编写,于1997年完成全书的编撰工作。此书于2000年由科学出版社出版,全书约69万字,与前面几部通史性中国机械史著作有所不同,它突破了简史的范畴,是一部较大型的中国机械工程学术著作。此书对中国机械工程的历史发展做了比较系统的论述和讨论,对已有的研究成果进行了一次较全面的总结。这表明,中国机械史的研究已走出初创阶段,进入了一个新的历史发展时期。

①真保吾一著,董万友译,机械工学概论,国际文化出版公司,1986,3。原作书名为“緿綐機械工学”,由日本理工学社1984年出版。

①②李志超,机发论—有为的科学观,自然科学史研究,1990,9(1):2。

①刘仙洲,中国机械工程发明史(第一编),科学出版社,1962,5。

②维特鲁威著,高履泰译,建筑十书,这个建筑工业出版社,1986,224-225。

③A.P.Usher:AHistoryofMechanicalInventions,DoverPublications,Inc.,1988,NewYork,120.

④转引自①。

⑤马克思,资本论(第一卷),人民出版社,1963,396。

⑥马克思,机器。自然力和科学的应用,人民出版社,1978,91-92。

①马克思,机器。自然力和科学的应用,人民出版社,1978,52。

②③转引(译)自A.P.Usher:AHistoryofMechanicalInventions,DoverPublications,Inc.,1988,NewYork,117

④⑤⑥⑦见刘仙洲:中国机械工程发明史(第一编),科学出版社,1962,5-6。

①李约瑟,中国科学技术史·总论(中译本第一卷),科学出版社,1975,545-547。

①郭可谦、陆敬严,关于中国机械史的分期意见,机械设计,1984,1(2)。

②冯立升,中国机械史的分期意见,科学、技术与辩证法,1986,(3)。