Механизация - Mechanization

Основная статья: Технологии повышения производительности (исторические)
Водный шахтный подъемник используется для подъема руды. Этот ксилография из De re Metallica Джордж Бауэр (псевдоним Георгиус Агрикола, ок. 1555) - ранний горный учебник, содержащий многочисленные чертежи и описания горного оборудования.

Механизация это процесс перехода от работы в основном или исключительно вручную или с животными к работе с машинами. В раннем инженерном тексте машина определяется следующим образом:

Каждая машина сконструирована с целью выполнения определенных механических операций, каждая из которых предполагает наличие двух других вещей помимо рассматриваемой машины, а именно движущей силы и объекта, подлежащего действию, который может быть назван работой по Фактически, машины вставлены между мощностью и работой с целью адаптации одного к другому.[1]

В некоторых сферах механизация включает использование ручных инструментов. В современном обиходе, например, в технике или экономике, механизация подразумевает: машины более сложный, чем ручной инструмент, и не будет включать в себя простые устройства, такие как мельница для лошадей или ослов. Устройства, которые вызывают изменение скорости или переход от возвратно-поступательного движения к вращательному, с использованием таких средств, как шестерни, шкивы или снопы и ремни, валы, кулачки и чудаки, обычно считаются машинами. После электрификация Когда большая часть мелкой техники перестала приводиться в действие вручную, механизация была синонимом моторизованных машин.[2] Расширение механизации производственного процесса называется автоматизация и контролируется замкнутый цикл система, в которой обратная связь обеспечивается датчиками. Он автоматически контролирует работу различных машин.[3]

История

В Часы Солсберийского собора ок. 1386. Часы - это скорее механический инструмент, чем настоящая машина. Хотя в этих часах были железные шестерни, многие машины ранней промышленной революции использовали деревянные детали примерно до 1800 года.

Древние времена

Водяные колеса относятся к римскому периоду и использовались для измельчения зерна и подъема оросительной воды. Сильфоны с водяным приводом использовались на доменные печи в Китае в 31 г. н.э.[4] К 13 веку водяные колеса приводили в движение лесопилки[5] и молотки, чтобы натянуть ткань и растолочь льняную, а затем и хлопковую тряпку в целлюлозу для изготовления бумаги. Отбойные молотки дробят руду в De re Metallica (1555).

Часы были одними из самых сложных ранних механических устройств. Производители часов были важными разработчиками Станки в том числе зубчатые и винторезные станки, а также участвовали в математической разработке конструкций зубчатых колес. Часы были одними из первых серийно выпускаемых изделий, начиная примерно с 1830 года.[6][7]

Сильфоны с водяным приводом для доменных печей, которые использовались в Китае в древние времена, использовались в Европе к 15 веку. De re Metallica содержит чертежи, относящиеся к сильфонам для доменных печей, включая производственный чертеж.

Усовершенствованная конструкция шестерен снизила износ и повысила эффективность. Математические конструкции зубчатых колес были разработаны в середине 17 века. Французский математик и инженер Desargues спроектировал и построил первую мельницу с эпициклоидные зубы ок. 1650. В 18 веке. эвольвентные шестерни, другое математическое построение, вошло в употребление. Эвольвентные шестерни лучше подходят для зацепления шестерен разных размеров, чем эпициклоидальные.[7] Зуборезные станки начали использовать в 18 веке.[6]

Индустриальная революция

В Паровая машина Ньюкомена Впервые использовался для откачки воды из шахты в 1712 году. Джон Смитон представила металлические шестерни и оси для водяных колес в середине и последней половине 18 века. В Индустриальная революция началась в основном с текстильного оборудования, такого как крутится Дженни (1764) и водная рамка (1768).

Спрос на металлические детали, используемые в текстильном оборудовании, привел к изобретению многих Станки в конце 1700-х до середины 1800-х гг. После первых десятилетий XIX века железо все чаще заменяло дерево в зубчатых передачах и валах текстильных машин. В 1840-е гг. самостоятельное действие станки были разработаны. Машины были разработаны для изготовления гвоздей ок. 1810. Фурдринье. бумагоделательная машина бумагоделательная машина для непрерывное производство бумаги была запатентована в 1801 году, заменив многовековой ручной метод изготовления отдельных листов бумаги.

Одним из первых механических устройств, использованных в сельском хозяйстве, был сеялка изобретен Jethro Tull около 1700 г. Сеялка позволяла более равномерно высевать семена и глубину посадки, чем ручные методы, повышая урожайность и экономя ценные семена. В 1817 г. был изобретен и использован первый велосипед в Германии. Механизированное сельское хозяйство значительно увеличился в конце восемнадцатого и начале девятнадцатого веков с конным запряжением жнецы и на лошади молотилки.[8] К концу девятнадцатого века на обмолоте стали применять силу пара, появились паровые тракторы. Внутреннее сгорание тракторов начали использовать в начале двадцатого века. Изначально обмолот и уборка урожая производились с помощью навесного оборудования для тракторов, но в 1930-е гг. комбайны были в употреблении.

В середине и конце 19 века гидравлические и пневматические устройства могли приводить в действие различные механические действия, такие как позиционирование инструментов или деталей.[9] Сваебойные машины и паровые молоты - примеры тяжелых работ. В пищевой промышленности пневматические или гидравлические устройства могут запускать и останавливать наполнение банок или бутылок на конвейере. В усилителе рулевого управления для автомобилей используются гидравлические механизмы, как и практически вся землеройная техника и другая строительная техника, а также многие навесное оборудование для тракторов. Пневматика (обычно сжатый воздух) широко используется для управления промышленной арматурой.

Двадцатое столетие

К началу 20 века машины развили способность выполнять более сложные операции, которые раньше выполнялись квалифицированными мастерами.[10] Примером может служить машина для производства стеклянных бутылок, разработанная в 1905 году. Она заменила высокооплачиваемых стеклодувов и помощников детского труда и привела к массовому производству стеклянных бутылок.[11]

После 1900 г. фабрики были электрифицированный, а электродвигатели и органы управления использовались для выполнения более сложных механических операций. Это привело к механизированным процессам производства почти всех товаров.

Категории

Два эвольвентные шестерни, левый движется вправо: синие стрелки показывают силы контакта между ними. Силовая линия (или Линия действий ) проходит по касательной, общей для обеих базовых окружностей. (В этой ситуации сила и контакт не требуется вдоль противоположной общей касательной, которая не показана.) Эвольвенты здесь прослеживаются обратным образом: точки (контакта) перемещаются вдоль стационарный "струна" вектора силы, как если бы она раскручивалась слева вращающийся базовый круг и намотанный вправо вращающийся базовый круг.

В производстве механизация заменила ручные методы изготовления товаров. Первичные двигатели - это устройства, которые преобразуют тепловую, потенциальную или кинетическую энергию в механическую работу. Первичные двигатели включают двигатели внутреннего сгорания, турбины внутреннего сгорания (реактивные двигатели), водяные колеса и турбины, ветряные мельницы и ветряные турбины, а также паровые двигатели и турбины. Транспортное оборудование с приводом от двигателя, такое как локомотивы, автомобили, грузовики и самолеты, представляет собой классификацию машин, которая включает подклассы по типу двигателя, например, внутреннего сгорания, турбины внутреннего сгорания и пар. Внутри заводов, складов, складов пиломатериалов и других производственных и распределительных предприятий, обработка материалов оборудование заменило ручную переноску или ручные тележки и тележки.[10]

Механизированное сельское хозяйство

В горнодобывающих и земляных работах экскаваторы заменяли кирки и лопаты.[10] Дробление горных пород и руды производилось веками с помощью воды. молотки, но молоты были заменены на современные рудные дробилки и шаровые мельницы.

Обработка сыпучих материалов системы и оборудование используются для различных материалов, включая уголь, руду, зерно, песок, гравий и изделия из дерева.[10]

Строительное оборудование включает краны, бетономешалки, бетононасосы, сборщики вишни и ассортимент электроинструментов.

Электрооборудование

Сегодня машины с приводом от двигателя обычно представляют собой электродвигатель или двигатель внутреннего сгорания. До первого десятилетия 20-го века под энергией обычно понимали паровой двигатель, воду или ветер.

Многие из первых машин и станков имели ручной привод, но к началу 19 века большинство из них перешли на воду или пар.

Перед электрификация, мощность мельницы и фабрики обычно передавалась через линейный вал. Электрификация позволила отдельным машинам приводить в действие отдельный двигатель, что называется агрегатный привод. Модульный привод позволил лучше организовать фабрики и позволить разным машинам работать с разной скоростью. Агрегатный привод также позволял значительно увеличить скорость, что было особенно важно для Станки.

Шаг за пределы механизации - это автоматизация. Раннее производственное оборудование, такое как машина для выдувания стеклянных бутылок (примерно 1890-е гг.), Требовало большого участия оператора. К 1920-м годам уже использовались полностью автоматические машины, которые требовали гораздо меньшего внимания оператора.[10]

Увидеть: Массовое производство

Военное использование

Основная статья: Бронированная война

Этот термин также используется в вооруженных силах для обозначения использования отслеживаются бронетехника особенно бронетранспортеры, чтобы перебросить в бой войска, которые в противном случае пошли бы в поход или на грузовиках. По военной терминологии механизированный относится к наземным юнитам, которые могут сражаться с транспортных средств, а моторизованный относится к юнитам, которые отправляются в бой на транспортных средствах, но затем спешиваются и сражаются без них. Таким образом, буксируемая артиллерийская установка считается моторизованной, а самоходная - механизированной.

Механический против человеческого труда

Когда мы сравниваем эффективность рабочего, мы видим, что у него эффективность около 1% -5,5% (в зависимости от того, использует ли он руки или комбинацию рук и ног).[12] Двигатели внутреннего сгорания обычно имеют КПД около 20%,[13] несмотря на то что большие дизельные двигатели, например, те, которые используются для питания кораблей, могут иметь КПД почти 50%. Промышленные электродвигатели имеют КПД до 90% до поправки на КПД преобразования топлива в электричество около 35%.[14]

Когда мы сравниваем затраты на использование двигателя внутреннего сгорания и затраты рабочего для выполнения работы, мы замечаем, что двигатель может выполнять больше работы при сравнительной стоимости. 1 литр ископаемого топлива, сжигаемый двигателем внутреннего сгорания, соответствует примерно 50 рабочим рук, работающим в течение 24 часов, или 275 рукам и ногам в течение 24 часов.[15][16]

Кроме того, общая работоспособность человека также намного ниже, чем у машины. Средний рабочий-человек может обеспечить рабочую мощность около 0,9 л.с. (2,3 МДж в час). [17] в то время как машина (в зависимости от типа и размера) может выполнять гораздо больший объем работы. Например, для выработки всего одного кВтч требуется более полутора часов тяжелого труда, который небольшой двигатель мог бы обеспечить менее чем за час, сжигая менее одного литра нефтяного топлива. Это означает, что банде из 20-40 человек потребуется финансовая компенсация за свою работу, по крайней мере, равную требуемым затраченным калориям пищи (которая как минимум в 4-20 раз выше). В большинстве ситуаций рабочий также будет нуждаться в компенсации за потерянное время, которая легко в 96 раз больше в день. Даже если мы предположим, что реальная стоимость заработной платы за человеческий труд составляет 1 доллар США в день, затраты на электроэнергию составят около 4 долларов США за киловатт-час. Несмотря на то, что это низкая заработная плата за тяжелый труд, даже в некоторых странах с самой низкой заработной платой, она представляет собой стоимость энергии, которая значительно дороже, чем даже экзотические источники энергии, такие как солнечные фотоэлектрические панели (и, следовательно, даже более дорогие по сравнению с комбайны энергии ветра или люминесцентные солнечные концентраторы).[18]

Смотрите также: Теории энергии и энергоэффективности

Уровни механизации

Для упрощения механизацию можно рассматривать как серию шагов.[19] Много[количественно оценить ] студенты называют эту серию указанием от начального до продвинутого формы механического общества.

  1. сила руки / мышц
  2. ручные инструменты
  3. ручные инструменты с электроприводом, например с электрическим управлением
  4. электроинструменты, однофункциональные, с фиксированным циклом
  5. электроинструменты, многофункциональные, с программным управлением
  6. электроинструменты с дистанционным управлением
  7. Электроинструменты, активируемые деталью (например, монетный телефон)
  8. измерение
  9. выбранный контроль сигнализации, например управление гидроэнергетикой
  10. запись выступления
  11. действие машины изменяется в результате измерения
  12. сегрегация / отклонение в соответствии с измерениями
  13. выбор соответствующего цикла действий
  14. коррекция работоспособности после операции
  15. корректировка производительности во время работы

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Уиллис, Роберт (1861). Принципы механизма: разработан для студентов университетов и студентов инженерных специальностей в целом.. Лондон: Джон В. Паркер.
  2. ^ Джером (1934) дает отраслевую классификацию станков как «кроме ручных». Начиная с переписи населения США 1900 года, использование энергии было частью определения фабрики, что отличает ее от мастерской.
  3. ^ Механизация и автоматизация В архиве 2019-04-17 в Wayback Machine, Сообщество инженеров-механиков, получено 17 апреля 2018 г.
  4. ^ Темпл, Роберт; Джозеф Нидхэм (1986). Гений Китая: 3000 лет науки, открытий и изобретений. Нью-Йорк: Саймон и Шустер. п.55 <Based on the works of Joseph Needham>
  5. ^ Макнил, Ян (1990). Энциклопедия истории техники. Лондон: Рутледж. ISBN  0-415-14792-1.
  6. ^ а б Роу, Джозеф Уикхэм (1916), Английские и американские производители инструментов, Нью-Хейвен, Коннектикут: Издательство Йельского университета, LCCN  16011753. Перепечатано McGraw-Hill, Нью-Йорк и Лондон, 1926 г. (LCCN  27-24075 ); и Lindsay Publications, Inc., Брэдли, Иллинойс, (ISBN  978-0-917914-73-7).
  7. ^ а б Муссон; Робинсон (1969). Наука и технологии в условиях промышленной революции. Университет Торонто Пресс. п.69.
  8. ^ Румели 1910.
  9. ^ Хантер, Луи С .; Брайант, Линвуд (1991). История промышленной власти в Соединенных Штатах, 1730-1930, Vol. 3: Передача власти. Кембридж, Массачусетс, Лондон: MIT Press. ISBN  0-262-08198-9.
  10. ^ а б c d е Джером, Гарри (1934). Механизация в промышленности, Национальное бюро экономических исследований (PDF).
  11. ^ "Американское общество инженеров-механиков определяет бутылочную машину Owens" AR "как международный исторический памятник инженерной мысли" (PDF). 1983. Архивировано с оригинал (PDF) на 2013-04-05.
  12. ^ Ayres, R.U .; Ayres, L.W .; Уорр, Б. (2002). «Эксергия, мощность и работа в экономике США, 1900–1998, Центр управления природными ресурсами Инсида, 2002/52 / EPS / CMER» (PDF). Цитировать журнал требует | журнал = (Помогите)
  13. ^ Двигатель IC с КПД 20%
  14. ^ «Электродвигатели с комбинированным преобразователем мощности / двигателем с КПД 86%». Архивировано из оригинал на 2016-03-05. Получено 2011-03-22.
  15. ^ 1 литр топлива дает 100 рукавов за 24 часа при КПД 40%, что никогда не бывает
  16. ^ Домашний документальный фильм Яна Артюса Бертрана, в котором тоже говорится, что из 1 литра топлива можно получить 100 единиц оружия за 24 часа; вероятно из того же расчета
  17. ^ Озкан, Бурхан (2004). «Анализ затрат-выпуска энергии в сельском хозяйстве Турции» (PDF). Возобновляемая энергия. 29 (1): 39. Дои:10.1016 / s0960-1481 (03) 00135-6.
  18. ^ Совместная работа человека и машин
  19. ^ Механизация и ее уровень

Список используемой литературы

дальнейшее чтение