及时部分蒸汽时代

自18世纪中叶，欧洲发生了以蒸汽机的发明和广泛应用为标志的重大技术创新(也称及时次技术革命)，蒸汽动力突破了人力、畜力和水力、风力的局限； 新机器使用推动了从工场手工业到工厂机械化的转变。这次重大技术创新首先发生在英国，主要包括蒸汽机动力革命、棉纺织技术变革、焦煤冶炼技术改良。这些重大技术创新使英国在采掘、冶金、纺织、机器制造和运输领域建立起新的工业体系。其后，法、德等欧洲国家和大洋彼岸的美国陆续仿效英国，在19世纪上半叶开启了各自的工业化进程。

及时章蒸汽动力革命

蒸汽机发明于17世纪末，此后百年中不断改进，臻于成熟，先是在采矿业应用，而后进入冶炼、纺织、机器制造和交通运输等需要动力的行业和领域，突破以往水力、风力、畜力、人力的局限，推动了工场手工业向工厂机器生产方式的转变。一、 早期的蒸汽机蒸汽机最早发明于英国。17世纪下半叶，英国的采煤业发展很快，为排出井下积水，需要大量的马匹牵引提升，费用很高，因而，寻求廉价便利的抽水动力便成为突出问题。在伊丽莎白一世(ElizabethⅠ)、詹姆士一世(JamesⅠ)和查理一世(CharlesⅠ)时期授予的全部专利中，几乎七分之一都与矿井抽水有关，可见这一问题受关注的程度。正是特定的问题和需求，推动了从一般抽水设备到蒸汽机的研究。早期发明的蒸汽机主要有萨弗里蒸汽机、纽可门蒸汽机,而纽可门蒸汽机对瓦特的革新有直接影响。1. 萨弗里蒸汽机地说，萨弗里蒸汽机是一种使用火力的抽水设备。在早期研制抽水设备的人当中，以托马斯 萨弗里(Thomas Savery)的工作最为突出，他率先制成实用的机器，并获得专利权。萨弗里是英国皇家工程部队的军事工程师，对力学、数学和自然哲学都有浓厚的兴趣，他在实验和奇妙机械的发明方面作了很多努力。1698年7月25日，萨弗里就矿井火力抽水设备申请并获得了一项专利。萨弗里所依据的原理是，在一个密闭的容器中，由于蒸汽的冷凝，能使水位升高到大气压力所允许的较大高度； 保留住水，同时对它再施加允许的蒸汽压力，促使水位升得更高。1699年，萨弗里用一个活动模型在皇家学会做了演示，给与会者留下深刻的印象。他还把自己绘制的机器图呈给皇家学会，后来刊登在学会的《哲学学报》上。萨弗里获得的专利证书的扉页上这样写道：

授予托马斯 萨弗里先生，他独自做出了一项新发明，利用火的推动力来提升水或者驱动各类机械。它可用于矿井排水和城镇供水，以及在没有水力和风力资源的地方用于驱动各种磨机。专利有效期为十四年，条款如常。

后来，萨弗里又设计了一种更有效的蒸汽机，采用两只容器，一只在充水时，另一只在排水，用于解决科尼什矿井的积水问题。萨弗里还专门写了一本小册子，书名是《矿工之友——火力提水引擎，说明它在矿井中的安装方法以及它适合的其他用途》，这本小册子曾在矿业的股东中流传。萨弗里的蒸汽机主要用来为城镇或私人住宅供水，也为一些矿井采用，但为数不多，因为在很深的矿井中，要把相当多的水提升到一定的高度，所需的蒸汽压力是很大的，这样就有锅炉爆炸的危险。在矿井中，这种机器必须置于10米深的地方，如果井下水泛滥，就会把机器“淹没”。此外，燃料的浪费也很严重，锅炉的受热面太小，其冷凝方法造成的浪费更严重。萨弗里蒸汽机的缺点后来都被克服，它最终被纽可门、瓦特的蒸汽机取代。2. 纽可门蒸汽机继萨弗里之后，由托马斯 纽可门(Thomas Newcomen)发明的蒸汽机成功地解决了深矿井的排水问题，在18世纪20~80年代，纽可门蒸汽机在英国得到大量的应用。甚至直到18世纪末，纽可门蒸汽机仍占据着大半壁江山，同问世不久的瓦特蒸汽机相抗衡。纽可门出生于英国的达特茅斯，年轻时当过学徒，后来自己做五金生意，他带了个助手叫约翰 柯雷(John Calley)，两人常去一些矿区跑生意，因而熟悉矿井的排水问题。出于业务需要，纽可门和柯雷常做一些铜、铁、铅的金属活，这恰好成为制造蒸汽机的必要技术条件。纽可门起初并不知道萨弗里的蒸汽机，而是独立进行研究，前后花了10年才取得成功。费时之长的原因之一是遇到“比例效应”的麻烦。与萨弗里的无活塞式机不同，纽可门的蒸汽机有活塞、汽缸、平衡横梁等重要部件。纽可门为慎重起见，先试图制作小模型(在小作坊里，无法直接制作和安装大的机器)。他没有任何理论指导，开始也不懂机器尺寸缩小，摩擦和热损失就会增大，以致影响机器的运行效率。当效率低到一定值时，“比例效应”就会使模型无法工作。在克服了多种困难后，1710年，纽可门成功制造出可实际运行的蒸汽机。不过这时他发现，自己的发明之路已被萨弗里的主专利权限制住了，因为萨弗里的专利涵盖了任何一种应用“火的推动力”的蒸汽机。后来纽可门与萨弗里协商，得到妥善解决。部分原因是，萨弗里知道自己的蒸汽机没有前途，而纽可门的蒸汽机明显优越。纽可门蒸汽机的结构及工作原理是： 锅炉及其附属装置如同一个大的酿造啤酒用的铜制容器，产生的蒸汽近为大气压力。当蒸汽进入锅炉上方的汽缸底部时，主要由悬挂在杠杆另一端的泵杆的重量作用，拉动活塞升到顶部。蒸汽通过排泄管和水密封阀，将已经进入汽缸中的所有空气和水推出，然后关闭与锅炉的连接，喷射冷水，使蒸汽冷凝。所产生的真空致使大气压推动活塞回到汽缸底部，由此提升了泵杆。在进入更多蒸汽以后，运转周期再次开始。到1725年，纽可门蒸汽机已用于矿山抽水。与萨弗里蒸汽机相比，纽可门蒸汽机的效率提高了5倍，安全实用，其排水能力可与50匹马的力量相当，而费用只有使用马匹的六分之一。纽可门蒸汽机先是在英国推广，后来传入欧洲其他国家。1733年，纽可门的专利权期满，使蒸汽机的应用扩散加快，因为它能满足一定的需要而且没有竞争者。在英格兰北部的深层煤田，那里的许多矿井在17世纪末已被水淹没，蒸汽机可使这些矿井起死回生。随着纽可门蒸汽机数量的增加，其机器尺寸也在增大，不过基本结构却没多大改变。纽可门蒸汽机存在明显局限，它的体积庞大，只能在矿山工作； 汽缸的气密性差，效能差，耗费燃料。最终，纽可门蒸汽机被瓦特蒸汽机取代。二、 瓦特对蒸汽机的贡献蒸汽机的重大改进由英国发明家詹姆斯 瓦特(James Watt)完成，由此使蒸汽机技术臻于成熟，不断扩大用途，掀起了英国工业革命的高潮。1736年1月19日，瓦特出生于苏格兰小城格里诺克，瓦特家族在当地颇有影响，亲戚和朋友中有不少有身份的人。瓦特的祖父创办学校，并担任数学教师，后来出任地区长老会成员，负责当地宗教仪式及民众道德礼仪教育。瓦特的父亲是位造船师，手艺精湛，在当地很受人尊敬，后来由于顾客太多，自己忙不过来，便在自家后院开了一个作坊，长期雇用一些工人，最多时有14人。瓦特的母亲性情温和，待人友善，勤于家务，对瓦特有潜移默化的影响。瓦特受家庭影响，自幼喜欢动手，13岁时他就在父亲的作坊里制作了一些机械模型。18岁时，他到伦敦学习仪器制造技术。1757年，瓦特受格拉斯哥大学聘用，成为仪器维修工。1763年，瓦特接手修理一个纽可门蒸汽机模型，由此接触蒸汽机，逐步熟悉了结构和原理。在请教了格拉斯哥大学化学教授约瑟夫 布莱克(Joseph Black)之后，瓦特认识到，汽缸交替加热和冷却严重浪费蒸汽的“潜热”，这正是造成燃料损耗和工作效率低的原因。为此瓦特想出用一个分离冷凝器，把汽缸已做功的蒸汽引到凝汽器里凝结，避免汽缸和活塞反复加热，不仅可以加快活塞下降，还可以节约燃料。不过，要将模型制成样机，既需资金又要设备，幸好由布莱克介绍，瓦特认识了企业家约翰 罗巴克(John Roebuck)，得到资金支持，使研制得以进展。罗巴克建议申请专利，1769年1月5日，瓦特获得他的及时项蒸汽机专利——“在火力发动机中减少蒸汽和燃料消耗的新方法”(英国专利号913)。该专利的实质要点是采用分离冷凝器。瓦特向罗巴克保障，等发明成果将来获利之后，将利润额的三分之二支付给他作为回报。不料由于材料与工艺的缺陷，初期研制的蒸汽机不能正常使用。当时，由于缺乏精密镗床，瓦特的蒸汽机缸体是用锡紧贴在硬木块上锻打而成的，制成的汽缸内壁粗糙，直径误差高达3/8英寸1英寸=2.54厘米=0.0254米。，活塞与缸体的间隙需以毡或油布等物填充，致使漏气严重。1773年，罗巴克因经营不利陷于破产，蒸汽机研制被迫停顿。同年8月，制造商马修 博尔顿(Matthew Boulton)看好瓦特蒸汽机的前途，买下了罗巴克转让的利润分享权利，尽管当时它被多数人视为分文不值。博尔顿有创新魄力也精通商业运作，他来自当时英国机械制造的中心伯明翰，那里有熟练的技术工人和的设备，而这正是瓦特所需要的。博尔顿的索霍工厂坐落在伯明翰，工厂是他从父亲那里继承来的，最初规模很小，博尔顿靠着精明强干，不久就将其发展成为一家大企业。1774年，瓦特迁居伯明翰，把索霍工厂作为蒸汽机的试验和制造基地。在瓦特和工人的努力下，蒸汽机很快就实现了正常运转。特别是由机械商威尔金森(Wilkinson)发明的镗床鼎力相助，可以镗制出吻合性好的汽缸和活塞。威尔金森出生于一个工业世家，后来子承父业，经营炼铁厂，由于经常接受锻造火炮的订单，他熟悉当时的镗孔工具和方法。为了适应加工汽缸的需要，威尔金森对传统的镗床进行改进。1775年，威尔金森为瓦特的蒸汽机镗制出一台汽缸，其良好的气密性确保了所要求的真空。据博尔顿的描述，威尔金森加工的50英寸直径的汽缸，其误差不到旧英币1先令1先令=12便士=120英镑，1971年英国货币改革时被废除。的厚度。由此，瓦特的蒸汽机试验因汽缸性能的提高而获成功。不过还有问题，再有8年瓦特的913号专利到期失效。瓦特意识到这将影响他获得足够利润，在博尔顿的帮助下，瓦特向议会申请延长专利期限，1775年5月获准，延长1到1800年期满。瓦特早期制造的蒸汽机是直接作用式的，为适应更多的用途，也为阻挡住其他的竞争对手，1781年10月25日，瓦特和博尔顿为“太阳和行星”齿轮联动装置申请专利(英国专利号1306)，这是瓦特有关蒸汽机的第二项专利，是蒸汽机革新过程中取得的最重要突破之一，这套装置的实用性非常强，可以连接到多种机械设备上，以适应需要旋转运动的工作场合。1782年，瓦特设计的双作用式蒸汽机使他获得了他的第三项专利(英国专利号1321)，新设计使蒸汽交替工作于活塞两侧，使活塞往返运动时都产生动力。1783年，及时台双作用、旋转式的试验性蒸汽机建成，被用来带动小型谷物碾磨机。由于未能妥善解决活塞杆与横梁扇形轮之间的刚性连接问题，这台新机器并不实用。针对这一问题，1784年，瓦特设计了三杆平行传动连杆机构，彻底解决了双作用式蒸汽机的结构问题，很快获得新专利(英国专利号1432)。数月后，他又造出更为精巧的“平行四边形运动”机构，此后一个多世纪，这种机构成为旋转式杠杆蒸汽机的特征。瓦特的蒸汽机进入纺纱厂、面粉厂和铁厂等许多需要动力的领域，表现出良好的性能。正如博尔顿的预见，对瓦特蒸汽机的订单从全国各地纷至沓来，瓦特和博尔顿开始获得巨额利润的回报。1788年，为保障负载变化时速度恒定，瓦特又发明自动控制蒸汽机速度的离心调速器，同年获得专利。此后，瓦特基本从改进蒸汽机的工作中退出，双作用式旋转式蒸汽机也成为当时的标准机型。很长时间里，对这种蒸汽机的进一步发展，仅限于部分机构的改进。蒸汽机自17世纪末出现，在18世纪逐步成熟。先是在采矿业得到应用，而后进入冶炼、纺织、机械制造和交通运输等需要动力的各个领域，推动了工场手工业向工厂机器生产的转变，并最终由英国影响欧洲，进而影响了世界。三、 瓦特的专利期满之后1800年，瓦特的蒸汽机专利期满，各种限制条款随之失效，不少发明家、工程师早就憋了一股劲，跃跃欲试对蒸汽机进行革新。瓦特的蒸汽机，压力不超过1.5个大气压，而改进的蒸汽机在2个大气压以上。高压蒸汽机的体积和重量大大缩减，这就使蒸汽机便于移动，可以有更多的应用。19世纪初，英国的理查德 特里维西克(Richard Trevithick)、亚瑟 伍尔夫(Arthur Woolf)、美国的奥立弗 伊文思(Oliver Evans)等发明家都程度不同地对蒸汽机进行改进或革新，由此推动了高压蒸汽机的发展。特里维西克是煤矿主的儿子，年轻时已表现出机械设计才能。1790年，19岁的特里维西克已是英国康沃尔矿山的工程师。1792年，为了避开瓦特的专利，特里维西克协助发明家威廉 布尔(William Bull)制成一台倒置式蒸汽机，使蒸汽机的结构大为简化。不料，两人的做法不为瓦特所忍，瓦特控告他们对分离冷凝器构成侵权。两年后，法院裁决禁止生产倒置式蒸汽机。特里维西克再想辙，转而研究杠杆式高压蒸汽机。到1800年，他制造了三台高压蒸汽机，蒸汽压力达到25~30磅/平方英寸1磅/平方英寸=6.895千帕=0.0703千克/平方厘米=0.068大气压。。特里维西克创造力旺盛，兴趣广泛，不久又迷上制造蒸汽机车。蒸汽机车要求大功率、小体积的动力机，蒸汽机只有提高压力才能实现这些要求。1802年，特里维西克试制成一台高压直接作用式蒸汽机。同年，他和堂兄维维安(Vivian)一起，申请了一项关于“蒸汽机在构造和应用方面的改进”的专利，这项专利涵盖了固定式和道路机车用两种蒸汽机的机械构造细节。1804年，特里维西克制成他的及时台轨道式蒸汽机车，该车的蒸汽机性能优异，机车可载重25吨，以每小时4英里1英里=1.609千米=1609.34米。的速度行驶，全部操作只需要一人。特里维西克的发明举动，后来成为乔治 斯蒂芬森(George Stephenson)发明蒸汽机车的动力。1804年后，特里维西克的主要精力用在推广蒸汽机车方面，由于经营不善，他的公司一直亏损。为挽回败局，特里维西克不得已出让蒸汽机的专利权，却于事无补，1811年宣布破产。1812年特里维西克回到康沃尔，制造矿山用蒸汽机。由于先前的声望和对高压蒸汽机的精通，他再次受到矿主们的欢迎。与特里维西克差不多同时，远在美国的伊文思也痴迷把普通蒸汽机改造为高压蒸汽机。伊文思原是个修车工，坚持努力，终有所成。1797年，他申请获得一项蒸汽车的专利。1803年，当时整个美国蒸汽机不过6台，伊文思就建造了一台使用蒸汽机的挖泥机。第二年又造了一台垂直固定式蒸汽机，装有6英寸直径的双作用式汽缸、有8英寸冲程。与特里维西克一样，伊文思的蒸汽机采用了带内部火焰板和烟道的圆柱形锅炉。伊文思的工作在美国有很大影响。比特里维西克晚几年，英国的伍尔夫进行复合式蒸汽机的研究。伍尔夫是个多面的工程师，1811年，他与在兰贝斯的技师汉弗莱 爱德华兹(Humphrey Edwars)合伙，成功制成复合式蒸汽机。这种蒸汽机有两只并排设立的汽缸，两根活塞杆被连接到做平行运动的同一根枢轴上。经过测试，与一台简单的瓦特蒸汽机相比，复合式蒸汽机能节约50%的燃料。数年后，爱德华兹去法国发展，他在法国申请蒸汽机的专利，并与一家公司联手成立新公司，专门制造新型蒸汽机。到爱德华兹去世时，他所在的企业制造了约100台复合式蒸汽机。后来法国其他公司也购得制造权，这种蒸汽机在法国生产了约60年。在英国，蒸汽机一直在不断改进。一个重要因素是，从1811年开始，煤矿主们定期出版一份各矿山蒸汽机应用性能的报告，这无形鼓励了竞争，促使蒸汽机的效率提高，当然也包括操作管理的改善。四、 蒸汽机走向世界回顾历史，可能会有人认为，蒸汽机代表了那个时期的先进技术，应该容易被接受，越新的蒸汽机推广应用越快。其实不然。1830年之前，尽管蒸汽机的数量在稳步增长，但水车和风车在欧洲的动力