Механизация (или механизация ) — это процесс перехода от работы в основном или исключительно вручную или с помощью животных к выполнению этой работы с помощью машин. В раннем инженерном тексте машина определяется следующим образом:
Каждая машина сконструирована для выполнения определенных механических операций, каждая из которых предполагает существование двух других вещей, помимо самой машины, а именно, движущей силы и объекта, подвергаемого операции, который можно назвать работой, которую нужно выполнить. Машины, по сути, вставлены между силой и работой с целью адаптации одного к другому. [1]
В каждой области механизация включает использование ручных инструментов. В современном использовании, например, в машиностроении или экономике, механизация подразумевает машины, более сложные, чем ручные инструменты, и не включает в себя простые устройства, такие как конная или ослиная мельница без редуктора. Устройства, которые вызывают изменение скорости или изменения с возвратно-поступательного движения на вращательное, используя такие средства, как шестерни , шкивы или шкивы и ремни, валы , кулачки и кривошипы , обычно считаются машинами. После электрификации , когда большинство небольших машин больше не приводились в действие вручную, механизация стала синонимом моторизованных машин. [2] Расширение механизации производственного процесса называется автоматизацией , и она управляется замкнутой системой, в которой обратная связь обеспечивается датчиками. В автоматизированной машине работа различных механизмов выполняется автоматически. [3]
Водяные колеса относятся к римскому периоду и использовались для помола зерна и подъема воды для орошения. Водяные мехи использовались в доменных печах в Китае в 31 году нашей эры. [4] К 13 веку водяные колеса приводили в действие лесопилки [5] и молоты , чтобы тянуть ткань и толкать лен, а позже и хлопчатобумажные тряпки в пульпу для производства бумаги. Молоты показаны дробящими руду в De re Metallica (1555).
Часы были одними из самых сложных ранних механических устройств. Часовщики были важными разработчиками станков, включая зубчатые и винторезные станки, а также участвовали в математической разработке конструкций шестерен. Часы были одними из самых ранних предметов массового производства, начиная с 1830 года. [6] [7]
Водяные мехи для доменных печей, использовавшиеся в Китае в древние времена, использовались в Европе к XV веку. De re Metallica содержит чертежи, связанные с мехами для доменных печей, включая чертеж изготовления.
Улучшенные конструкции шестерен уменьшили износ и увеличили эффективность. Математические конструкции шестерен были разработаны в середине 17 века. Французский математик и инженер Дезарг спроектировал и построил первую мельницу с эпициклоидальными зубьями около 1650 года. В 18 веке стали использоваться эвольвентные шестерни , еще одна математическая конструкция. Эвольвентные шестерни лучше подходят для зацепления шестерен разных размеров, чем эпициклоидальные. [7] Зуборезные станки начали использоваться в 18 веке. [6]
Паровая машина Ньюкомена была впервые использована для откачки воды из шахты в 1712 году. Джон Смитон ввел металлические шестерни и оси для водяных колес в середине и второй половине 18 века. Промышленная революция началась в основном с текстильных машин, таких как прялка «Дженни» (1764) и водяная рама (1768).
Спрос на металлические детали, используемые в текстильном оборудовании, привел к изобретению многих станков в конце 1700-х и до середины 1800-х годов. После первых десятилетий 19-го века железо все больше заменяло дерево в зубчатых передачах и валах текстильного оборудования. В 1840-х годах были разработаны самодействующие станки. Машины были разработаны для изготовления гвоздей около 1810 года. Бумагоделательная машина Фурдринье для непрерывного производства бумаги была запатентована в 1801 году, вытеснив многовековой ручной метод изготовления отдельных листов бумаги.
Одним из первых механических устройств, используемых в сельском хозяйстве, была сеялка, изобретенная Джетро Туллом около 1700 года. Сеялка позволяла более равномерно распределять семена и глубину посадки, чем ручные методы, увеличивая урожайность и сохраняя ценные семена. В 1817 году в Германии был изобретен и использовался первый велосипед . Механизированное сельское хозяйство значительно возросло в конце восемнадцатого и начале девятнадцатого веков с появлением конных жаток и молотилок на конной тяге . [8] К концу девятнадцатого века для обмолота была применена сила пара, и появились паровые тракторы. Внутреннее сгорание начало использоваться для тракторов в начале двадцатого века. Обмолот и сбор урожая изначально выполнялись с помощью навесного оборудования для тракторов, но в 1930-х годах использовались комбайны с независимым приводом.
В середине и конце 19 века гидравлические и пневматические устройства могли приводить в действие различные механические действия, такие как позиционирование инструментов или заготовок. [9] Копровые машины и паровые молоты являются примерами для тяжелой работы. В пищевой промышленности пневматические или гидравлические устройства могли запускать и останавливать наполнение банок или бутылок на конвейере. Усилитель руля для автомобилей использует гидравлические механизмы, как и практически все землеройное оборудование и другое строительное оборудование, а также многие навесные устройства для тракторов. Пневматическая (обычно сжатый воздух) энергия широко используется для управления промышленными клапанами.
К началу 20 века машины развили способность выполнять более сложные операции, которые ранее выполнялись квалифицированными мастерами. [10] Примером может служить машина для изготовления стеклянных бутылок, разработанная в 1905 году. Она заменила высокооплачиваемых стеклодувов и подсобных рабочих, что привело к массовому производству стеклянных бутылок. [11]
После 1900 года фабрики были электрифицированы , и электродвигатели и элементы управления стали использоваться для выполнения более сложных механических операций. Это привело к механизации процессов производства практически всех товаров.
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, паровые двигатели и турбины. Приводное транспортное оборудование, такое как локомотивы, автомобили и грузовики, а также самолеты, представляет собой классификацию машин, которая включает подклассы по типу двигателя, такие как внутреннее сгорание, турбина внутреннего сгорания и паровой. Внутри заводов, складов, лесных складов и других производственных и распределительных операций, оборудование для обработки материалов заменило ручную переноску или ручные тележки и тележки. [10]
В горнодобывающей промышленности и выемке грунта экскаваторы заменили кирки и лопаты. [10] Дробление горных пород и руды на протяжении столетий осуществлялось с помощью гидравлических отбойных молотков , но на смену отбойным молоткам пришли современные рудодробилки и шаровые мельницы .
Системы и оборудование для обработки сыпучих материалов используются для различных материалов, включая уголь, руду, зерно, песок, гравий и древесные продукты. [10]
Строительное оборудование включает краны , бетономешалки , бетононасосы , автоподъемники и широкий ассортимент электроинструментов.
Сегодня под силовым оборудованием обычно подразумевают электродвигатель или двигатель внутреннего сгорания. До первого десятилетия 20-го века под приводом обычно подразумевали паровой двигатель, воду или ветер.
Многие из первых машин и станков имели ручной привод, но к началу XIX века большинство из них перешли на энергию воды или пара.
До электрификации , мощность мельниц и фабрик обычно передавалась с помощью линейного вала . Электрификация позволила приводить в действие каждую машину отдельным двигателем в так называемом приводе агрегата . Привод агрегата позволил лучше организовать фабрики и позволил разным машинам работать с разной скоростью. Привод агрегата также позволял развивать гораздо более высокие скорости, что было особенно важно для станков . [12]
Шаг за пределы механизации — автоматизация . Ранние производственные машины, такие как машина для выдувания стеклянных бутылок (ок. 1890-х годов), требовали большого участия оператора. К 1920-м годам стали использоваться полностью автоматические машины, которые требовали гораздо меньше внимания оператора. [10]
Термин также используется в армии для обозначения использования гусеничных бронированных машин , в частности бронетранспортеров , для перемещения войск ( механизированной пехоты ), которые в противном случае шли бы маршем или ехали на грузовиках в бой. В военной терминологии механизированные относятся к наземным подразделениям, которые могут сражаться с транспортных средств, в то время как моторизованные относятся к подразделениям ( моторизованная пехота ), которые перевозятся и идут в бой на небронированных транспортных средствах, таких как грузовики. Таким образом, буксируемое артиллерийское подразделение считается моторизованным, а самоходное — механизированным.
Когда мы сравниваем эффективность рабочего, мы видим, что его эффективность составляет около 1%–5,5% (в зависимости от того, использует ли он руки или комбинацию рук и ног). [13] Двигатели внутреннего сгорания в основном имеют эффективность около 20%, [14] хотя большие дизельные двигатели , такие как те, которые используются для питания судов, могут иметь эффективность около 50%. Промышленные электродвигатели имеют эффективность до низкого диапазона 90%, до поправки на эффективность преобразования топлива в электричество около 35%. [15]
Когда мы сравниваем затраты на использование двигателя внутреннего сгорания с затратами на выполнение работы одним рабочим, мы замечаем, что двигатель может выполнить больше работы при сопоставимых затратах. 1 литр ископаемого топлива, сжигаемого двигателем внутреннего сгорания, эквивалентен примерно 50 рукам рабочих, работающих в течение 24 часов, или 275 рукам и ногам в течение 24 часов. [16] [17]
Кроме того, совокупная трудоспособность человека также намного ниже, чем у машины. Средний рабочий-человек может обеспечить работу, полезную для около 0,9 л. с. (2,3 МДж в час) [18] , в то время как машина (в зависимости от типа и размера) может обеспечить гораздо больший объем работы. Например, требуется более полутора часов тяжелого труда, чтобы выработать всего один кВт·ч, который небольшой двигатель может выработать менее чем за час, сжигая менее одного литра нефтяного топлива. Это означает, что бригада из 20–40 человек потребует финансовой компенсации за свою работу, по крайней мере, равной требуемым израсходованным пищевым калориям (что по крайней мере в 4–20 раз больше). В большинстве ситуаций рабочий также захочет получить компенсацию 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, стоимость энергии составляет около 4 долларов США/кВт·ч. Несмотря на то, что это низкая оплата за тяжелый труд, даже в некоторых странах с самой низкой заработной платой, она представляет собой энергозатраты, которые значительно выше, чем даже экзотические источники энергии, такие как солнечные фотоэлектрические панели (и, следовательно, даже выше по сравнению с ветряными электростанциями или люминесцентными солнечными концентраторами). [19]
Для упрощения можно изучать механизацию как ряд шагов. [20] Многие [ квантифицирующие ] студенты ссылаются на этот ряд как на указание на базовые и продвинутые формы механического общества. [21]
{{cite book}}: CS1 maint: постскриптум ( ссылка )