【星球研究所】蒸汽机的历史意义，无论怎样夸大也不为过

与我们通常所知的不同，技术的发明不是发明者一个人的工作，而是在漫长的历史中，是一大批人不断努力的结果，是一大堆人不断积累和进化的结果。技术数量。

作为生产这些产品的一种生产方法——一种以高质量、低成本和短周期组织生产的方法，它也在解决大大小小的各种问题方面不断发展，形成了今天的样子。理解技术生产方式的演进逻辑是：有利于我们更好地赶超，有利于正确有序地推进精益生产。

蒸汽机的历史

微信公众号【行星研究院】发布了一段纪念中国最后一列蒸汽机车（新疆三道岭煤矿）下线的视频。

微信截图来自公众号“行星研究院”

如果不是这段视频，很难想象在新能源汽车满大街跑，汽油（气）车即将被替代的今天，蒸汽机的生命力还有多么顽强。

“蒸汽机的历史意义再怎么夸大也不为过”，这是《世界通史》的作者LS 对蒸汽机的评价。

要正确认识蒸汽机的历史意义，首先要回顾一下蒸汽机前后人类历史的发展。《文明测量》的作者伊恩·莫里斯教授及其团队根据社会吸收和使用的能源量，估算出公元前14000年至公元2000年的社会发展指数如下图所示。

东西方社会发展指数（公元前 14000 年 - 公元 2000 年）- 来源：Ian , 2010

从图中可以看出，工业革命前后（瓦特的专利蒸汽机于1769年获得专利），社会发展指数相差很大。

工业革命前，无论是西方国家（蓝线）还是东方国家（红线），前纪元历史上的社会发展都极为缓慢，在公元前500年（战国时期）有一段比较快速的发展时期)，然后再一次。陷入了几个世纪的停滞（或波动）。

在近年走在世界前列的中国，康熙五十一年（1712年），皇帝下诏：“养人，不加赋”，是康干历史上难得的盛世。然而，根据牛津大学布拉德伯里教授（ ）、北京大学关汉辉教授、清华大学李稻葵教授等“科技与文明”估算的学者的估算，中国的人均GDP在明朝甚至出现了下降。和清朝。. 也就是说，在近年文明古国积累了2000多年成果的明清两代，中国的人力产出效率在544年的发展中并没有提高。

整个世界也是如此。

原因在于，在这漫长的历史中，人类的生产力严重依赖手，而社会总GDP也与人数密切相关，上帝需要美丽。如果发生战争或自然灾害，它将严重下降。

自从人类驯服了马、牛和其他动物后，生产力有了显着提高。马的重量和拉力大约是人类的4到5倍。这个增幅看似不小，但如果投入数千年的发展，这个增幅是非常微弱的。况且牛马的蓄电还受人力（喂食）的限制，利用程度也要看手。同时，牛马是重要的战略物资，饲养成本很高，平民（无人吃）的比例也不高。

蒸汽机不一样。蒸汽机突破了社会发展的关键瓶颈，大大减少了对人手和自然条件的限制，特别是在：

1、推挽效率成倍增长

为了判断蒸汽机的效率，瓦特曾经测量过一匹马的工作效率，并将蒸汽机的工作效率换算成马的数量，这就是今天仍在使用的马力单位。

1712年，纽科门蒸汽机的效率已经达到50马力，相当于50匹马的效率。瓦特改进后，增加了3倍。从人类几千年的历史来看，这是相当惊人的。.

2、蒸汽机突破时空限制

蒸汽机突破了时间和空间的限制，这一突破意义重大。除了积蓄力量，古人早就学会了利用大自然的力量，比如利用风的帆船，但利用风的前提是“风”，风向也很重要。三国时代赤壁之战，周瑜放火烧曹营，意味着他拥有一切，只需要东风，还要麻烦诸葛亮求风，这是有限的。借助流水的水车也是有限制的，不仅受限于河水的流量，还受限于汛期，旱季无路可借。

尤其是人和仓库需要休息，而蒸汽机则不需要，大大提高了一天24小时的利用率。在煤气灯和电灯发明之后，出现了“夜班”这个词。

蒸汽机不仅大大提高了效率，而且提高了以机器制造机器的效率，带来了技术的蝴蝶效应，创造了社会发展的指数级增长。

技术突破是大量技术积累的结果，是不断演进的结果

看到烧开水的水壶的盖子不断被蒸汽顶起，他不断思考，发明了蒸汽机的故事，这是一个极简版的事实。

重大技术进步不是一个人瞬间灵感的突然实现，而是一大批人的不断追求，技术的不断积累，关键瓶颈的最终突破。它是渐进式和渐进式发展的结果。进化的结果，迭代更新。

蒸汽机的发明和应用就是这样演变的，我们将在下面讨论的生产方式的变化也在开发过程中演变美国泰科阀门，从手工进化到大规模生产，再到精益生产。

实现蒸汽的力量

瓦特并不是唯一一个意识到蒸汽的力量的人。早在公元一世纪（汉朝王莽篡位，也是孙悟空被五行山镇压时），古埃及托勒密王朝时期的亚历山大英雄就记载了蒸汽转移。Ball，这是历史上最早实现蒸汽动力的记录。

1851年版英雄的《气动》中的旋转球和寺庙大门自动打开等装置的插图，取自《科技与文明》

这条记录是赫罗的《气动》一书中描述的 78 种机械装置之一。旋转球不是唯一的蒸汽装置，甚至不是最好的蒸汽装置，有多种装置利用蒸汽来推动机械运动，例如转动神像、自动打开或关闭的寺庙门。

可见当时的人（显然不只是写书的白）并不是简单地意识到蒸汽的力量，而是在一定程度上掌握了蒸汽的原理并广泛应用。仅受技术条件限制，在随后的 1600 年里，蒸汽的应用并没有太大的发展。而一些技术问题，如缺乏相应的冶金技术来制造气密性好的装置，导致气体泄漏和动力不足，以及无法准确控制蒸汽压力，导致爆炸事故等，被瓦特小的时候没有解决。

压力锅的发明：活塞和杠杆控制气压技术

1679年，法国物理学家丹尼斯·帕潘（Denis Papin）为了躲避教会的迫害而远赴英国，发明了压力锅，利用杠杆式安全阀来控制气压，解决了高压锅和爆炸的问题。蒸汽装置。锅里炖的肉也特别好吃。据说，已经是英国皇家科学院院士的他，也在现场为学术带头人做了一道菜。

他还根据安全阀的工作原理制作了气缸和活塞装置，完成了蒸汽机的基本结构原理，但没有成功应用。尽管如此，丹尼斯·帕平设计的活塞和杠杆式安全阀控制了气压。非常鼓舞人心。

Denis Papin 研究蒸汽机的目的是什么？矿井抽水。

现代蒸汽机的原型：塞维利亚蒸汽泵

掌握技术不同于应用实施。掌握蒸汽机技术，可用于设计蒸汽旋转球、旋转佛像、自动开闭寺门等，还可用作高压锅，还可用于矿井抽水。改进后的蒸汽机首次用于矿井抽水，并非出于偶然，而是出于需求。

行业领先的英国很早就发现了煤炭并大量应用，因此煤炭开采和采矿早已成为英国的重要产业。但由于开采技术有限，只能开采地表煤。工业革命时期，地表煤层已经枯竭，深部开采必须解决一个关键问题：透水性。矿井渗水不仅会导致严重的人员伤亡，还会使矿井无法使用。

很多矿主采用的方法是用马拉水桶提水。但是，成本非常高，而且越来越不经济。许多地雷只能废弃。那些挖出来的煤或矿石是钱，是在水里，但没什么可做的。这是非常令人心碎的。

就像今天各行各业都在讨论的人工成本高，用自动化设备代替人工一样，矿井抽水成本高，解决这些问题是行业的迫切需求。

第一个应用的解决方案是居住在矿区的英国工程师 的实现。

1698年泰科阀门，托马斯·塞维利亚的蒸汽机获得专利。这种蒸汽机的特点是它没有汽缸，也没有活塞，而是有两个锅炉，一大一小，只有2/3的水加到较大的一侧。加热煮沸后，当水蒸气充满时，它移动手柄将其引至另一个气室，然后塞住旋塞阀。这时，向气室中加入冷水，其中的水蒸气立即凝结形成真空，使气筒下方的地下水自然排出。拉起。

两个锅炉可以交替使用，做同样的工作。当大锅内的水量减少时，小边加热，里面的沸水靠蒸汽的压力通过给水管补给大锅。

这种蒸汽机立即安装在因排水问题而遭受破坏的康沃尔矿区。确实进步不少。

蒸汽机技术的演进：纽科门蒸汽机的发明

塞维蒸汽泵虽已应用，但故障较多，蒸汽压力过大引起爆炸事故时有发生，未普及。

根据《瓦特发明蒸汽机的故事》一书，托马斯·塞弗利经常请达穆斯镇一家钢铁厂的工人纽科门帮助他制造蒸汽机。因此，铁匠纽科门也在思考如何设计蒸汽机，以更好地解决矿山排水问题。

纽科门还在他家的院子里做了一个模型做实验，遇到不懂的问题，他就去当地的大学请教瓦克博士。在一次咨询中，纽科门受到启发，决定重建一台蒸汽机。

1712年，纽科门获得了蒸汽机的专利，被称为纽科门发动机。

纽科门示意图

纽科门发动机将抽水机构和提供动力的蒸汽机完全分开，控制气阀上的开关。蒸汽充满后，关闭进气阀，喷水使蒸汽冷凝。蒸汽冷凝产生负压驱动活塞向下运动。，完成工作。

这是一个划时代的进步。纽科门一分钟只转十圈，却可以在一分钟内将550升水提升到46.7米的高度。仅这些工作就需要 50 匹马。

在随后的 60 年里，纽科门机在大量煤矿中得到应用，尤其是在 1733 年专利到期后，它迅速传播到整个英国。

蒸汽机技术的演进：瓦特改进型蒸汽机

瓦数特别好。毕业后，他没有选择工厂当学徒。征得父亲同意后，他到伦敦、格拉斯哥等城市找一家修理和设计数学测量仪器、天文仪器等仪器的商店当学徒。他学得很快，并且有很好的维修技能。离开学徒期后，他在格拉斯哥大学找到了一份仪器维护工作。

有理由相信，蒸汽机技术不仅得到了广泛的应用，而且还被大学中的大量专业人士所研究。瓦特工作的格拉斯哥大学有一台小型纽科门蒸汽机模型。瓦特听说后，去找负责模型的布莱克教授，将故障的模型机借给了他。

修理这种模型是瓦特的专长，他不仅修理模型，还研究它的设计。他做了一个带刻度的蒸汽缸，用这个计算了一定量的水产生的蒸汽量，确定标准大气压下的蒸汽量大约是水的1800倍，今天仍然很高. 精确的。

他发现这个设计有一个严重的缺陷，3/4的汽包在汽包升温的过程中被浪费掉了。生产功率很低，煤耗很高，影响了新可门机的推广，只有煤矿才能负担得起煤耗成本。

经过五年的试验，1769 年，瓦特设计并申请了改进型蒸汽机的专利，但并未立即应用。制造一台可以使用的蒸汽机既需要资金，也需要相应的技术（冶金、金属加工等）来解决复杂矿山场景实际应用中的问题。

六年后，瓦特重新找到了投资人博尔顿，并赢得了英国最早的两个铁匠家族之一的威尔金森的加盟。

威尔金森精通铁艺，他被授予发明新型镗床的权利。他为瓦特做了一个合适的铁缸，并在随后的几次实验中美国泰科阀门，帮助瓦特解决了一些重要的技术问题。

1776 年 3 月 8 日，瓦特和博尔顿的蒸汽架在布伦油田设置了公开实验，非常成功，参观现场的矿主和专业人士都惊呆了。

瓦特蒸汽机的主要改进：气压功到蒸汽功

瓦特蒸汽机不是一蹴而就的。从设计成功（获得专利）到首次申请，再到成熟后的大规模推广，也经历了很多改进，其中一些是非常关键的。

（1)，带独立冷凝器的蒸汽机

瓦特蒸汽机自 1776 年首次应用以来一直在改进，第一个关键改进是带有独立冷凝器的蒸汽机。这种改进不仅节省了蒸汽利用率，而且增加了每次往复运动的工作量。根据瓦特的计算，效率提高了三倍以上。

在工作原理上还有一个本质的改进：塞维利亚蒸汽泵和纽科门蒸汽机不是靠蒸汽（膨胀）压力工作，而是靠冷凝过程的负压（大气压）工作。在这种情况下，压力是有限的（标准大气压）。瓦特将工作原理由蒸汽冷凝产生的负压（气压）功改进为蒸汽推力功。当做蒸汽推力功时，随着近缸强度、气密等技术的提高，随着技术的进步，压力会明显超过标准大气压。还可以持续改进，为后续工作中不断提高工作效率奠定基础。

将工作效率提高到煤炭开采以外的其他行业也能承担煤炭消耗成本的水平，是瓦特蒸汽机迅速普及的重要原因之一。

（2)，发明曲轴（后来改成齿轮）

曲轴和后来设计的称为太阳和行星的齿轮将活塞的往复运动转换为单向运动——旋转。

蒸汽机曲轴示意图

这一改进，极大地扩大了蒸汽机的使用范围。

（3)，设计了一种带双向装置的新型气缸，将一餐一餐的产量提升为连续产量。

1782年，瓦特试制了一种带有双向装置的新型气缸。至此，纽科门的往复作功方法得到了彻底的改进：单向连续输出旋转，通用发动机原型的基本改进完成。.

双向汽缸齿轮结构蒸汽机

很快，发动机的应用扩展到各行各业，尤其为铁路、汽车、轮船等交通发动机的进化铺平了道路。

瓦特关键改进（3)：其他持续改进

1784 年，瓦特获得了他的第四项专利，发明了纽科门蒸汽机阀门公司，该蒸汽机将高压蒸汽机与飞轮、齿轮联动装置和双向装置进行了综合组装。

1788年，瓦特发明了离心调速器和节流阀。

1790年，他发明了圆柱指示器...

从此安全阀工作原理，瓦特为世界的发展安装了引擎。

概括

可见，从蒸汽动力的实现，到这种动力的验证（蒸汽球），再到应用（庙门自动开闭），再到蒸汽泵的发明，最后到万能瓦特蒸汽机的发明。在 1600 多年的漫长过程中，无数人，如铁匠、矿工、冶金/机械工程师、物理学家等，做出了大大小小的改进。

例如，塞维利亚蒸汽泵最初是手动打开和关闭空气阀。一位矿工用一根绳子将气阀连接到同步运动的机械杆上，这启发了塞维利亚自动打开和关闭气阀。

改进的过程既包括小范围的讨论，也包括大规模推广后的相互学习。它不断适应业务场景的需求，迭代升级，直到发展成今天的样子，并不断发展以满足未来的需求。

就像新冠疫情的大规模爆发，会有大量的人参与到检测、疫苗和药物的研发中，作为当时（今天仍然如此）的重要产业，抽矿是一个极为紧迫的任务。当时需要，大量的人参与改进是必然的。最早使用的蒸汽机（ 蒸汽泵）效率低江苏阀门厂家，煤耗极高。只有煤矿才能买得起，它最早用于煤矿也并非偶然。充足的需求意味着成功的好处是可观的。技术在迭代升级过程中不断创造效益。技术的迭代升级让蒸汽机适应的范围更广，

从这个角度来看，蒸汽机的发明绝对不是偶然的，不仅仅是蒸汽机，蒸汽机到蒸汽机车、蒸汽轮船、蒸汽机火车等安全阀工作原理，还有技术的演进内燃机、汽油机和汽车。

特别是作为生产这些产品的生产方式——以高质量、低成本、短周期组织生产的方式，在解决大大小小的各种问题方面也不断进化，形成了今天的样子，尤其是当一些公司找到更好的方法时，比如丰田找到了丰田生产系统。

就像我们没有赶上芯片技术一样，我们在生产方式的演进上也没有赶上领先的公司。我们需要了解生产方式的演进，尤其是如何从大规模生产进化到丰田的精益生产方式。推进你自己的进化过程很重要。

江苏泰科流体控制阀门有限公司