Wikibeta, Bách khoa tri thức mở

Cơ giới hóa

Cơ giới hóa (Mechanization) hay Cơ khí hóa (Mechanisation) là quá trình chuyển đổi từ phương thức làm việc chủ yếu hoặc hoàn toàn bằng tay chân (sức người) hoặc dùng sức súc vật sang việc thực hiện công việc đó bằng phương tiện, công cụ, máy móc. Có một tài liệu kỹ thuật thời kỳ đầu, thì máy móc (cơ giới) được định nghĩa là mọi cỗ máy được chế tạo nhằm mục đích thực hiện các hoạt động cơ học nhất định, mỗi hoạt động trong số đó giả định sự tồn tại của hai yếu tố khác ngoài cỗ máy đang xét, cụ thể là một lực chuyển động và một đối tượng chịu sự tác động của hoạt động đó, có thể được gọi là công việc cần hoàn thành. Trên thực tế, các cỗ máy được đặt xen giữa lực và công việc, nhằm mục đích thích ứng cái này với cái kia.[1] Trong các lĩnh vực, cơ giới hóa bao gồm cả việc sử dụng các dụng cụ cầm tay.

Máy thu hoạch cơ giới
Máy đập lúa ở châu Phi
Máy móc trong xưởng rèn ở Đông Âu

Trong cách dùng từ thời hiện đại, chẳng hạn như trong kỹ thuật hoặc kinh tế học, "cơ giới hóa" ngụ ý về các loại máy móc phức tạp hơn các dụng cụ cầm tay và sẽ không bao gồm các thiết bị đơn giản như cối xay quay bằng lừa ngựa không có hệ thống bánh răng. Các thiết bị gây ra sự thay đổi tốc độ hoặc chuyển đổi qua lại giữa chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay, bằng các phương tiện như bánh răng, puli hoặc ròng rọc và dây đai, trục truyền động, vấu cam và tay quay, thường được coi là máy móc. Sau thời kỳ điện khí hóa, khi hầu hết các máy móc nhỏ không còn chạy bằng sức người, cơ giới hóa đã trở thành đồng nghĩa với máy móc có động cơ.[2] Việc mở rộng cơ giới hóa của quá trình sản xuất được gọi là tự động hóa và nó được điều khiển từ một hệ thống hệ thống phản hồi (Feedback) vòng kín trong đó phản hồi được cung cấp bằng các cảm biến. Trong một cỗ máy tự động, công việc của các cơ chế khác nhau được thực hiện tự động.[3]

Lịch sử

Tiền công nghiệp

 
Một bản thiết kế máy móc của Da Vinci

Bánh xe nước có từ thời kỳ La Mã và được sử dụng để nghiền ngũ cốc và nâng nước tưới tiêu. Quạt bễ chạy bằng sức nước đã được sử dụng trên lò cao ở Trung Quốc vào năm 31 sau Công nguyên.[4] Đến thế kỷ XIII, bánh xe nước cung cấp năng lượng cho các xưởng cưa[5] và búa nước (trip hammer), để giặt vải và đập lanh và sau đó là vải vụn bông thành bột để làm giấy. Hình ảnh búa nước được thể hiện đang nghiền quặng trong tác phẩm De re Metallica (1555). Đồng hồ là một trong những thiết bị cơ khí thời kỳ đầu phức tạp nhất. Những người thợ làm đồng hồ là những nhà phát triển quan trọng của công cụ máy bao gồm các máy cắt bánh răng và ren, đồng thời cũng tham gia vào việc phát triển toán học các thiết kế bánh răng. Đồng hồ là một trong những mặt hàng được sản xuất hàng loạt đầu tiên, bắt đầu vào khoảng năm 1830.[6][7]

Quạt bễ chạy bằng sức nước cho lò cao, được sử dụng ở Trung Quốc thời cổ đại, đã được sử dụng ở châu Âu vào thế kỷ XV. Tác phẩm De re Metallica chứa các bản vẽ liên quan đến quạt bễ cho lò cao bao gồm cả bản vẽ chế tạo. Các thiết kế bánh răng được cải thiện làm giảm mài mòn và tăng hiệu suất. Các thiết kế bánh răng toán học được phát triển vào giữa thế kỷ XVII. Nhà toán học và kỹ sư người Pháp Girard Desargues đã thiết kế và chế tạo nhà máy đầu tiên có hệ thống bánh răng hành tinh (Epicyclic gearing), răng biểu luân (epicycloidal) khoảng năm 1650. Vào thế kỷ XVIII, bánh răng thân khai (involute gear), một thiết kế có nguồn gốc toán học khác, đã được đưa vào sử dụng. Bánh răng thân khai tốt hơn cho việc ăn khớp các bánh răng có kích thước khác nhau so với bánh răng biểu luân.[7] Máy cắt bánh răng được đưa vào sử dụng vào thế kỷ XVIII.[6]

Công nghiệp

 
Dụng cụ sửa giày dép
 
Máy may của thợ may

Bước sang thời kỳ cách mạng công nghiệp, động cơ hơi nước Newcomen lần đầu tiên được sử dụng để bơm nước từ một mỏ vào năm 1712. John Smeaton đã giới thiệu các bánh răng và trục bằng kim loại cho bánh xe nước vào nửa sau của thế kỷ XVIII. Cuộc cách mạng công nghiệp bắt đầu chủ yếu với máy móc dệt may, chẳng hạn như máy kéo sợi thủ công (1764) và máy kéo sợi chạy bằng sức nước (1768). Nhu cầu về các bộ phận kim loại được sử dụng trong máy móc dệt may đã dẫn đến việc phát minh ra nhiều công cụ máy vào cuối những năm 1700 cho đến giữa những năm 1800. Sau những thập kỷ đầu của thế kỷ XIX, sắt ngày càng thay thế gỗ trong các hệ thống bánh răng và trục trong máy móc dệt may.

Vào những năm 1840, các công cụ máy tự động (self-acting) đã được phát triển. Máy móc được phát triển để làm đinh khoảng năm 1810. Máy sản xuất giấy Fourdrinier để sản xuất liên tục giấy đã được cấp bằng sáng chế vào năm 1801, thay thế phương pháp thủ công hàng thế kỷ là làm từng tờ giấy thủ công riêng lẻ. Một trong những thiết bị cơ khí đầu tiên được sử dụng trong nông nghiệp là máy gieo hạt do Jethro Tull phát minh ra khoảng năm 1700. Máy gieo hạt cho phép khoảng cách hạt và độ sâu gieo trồng đồng đều hơn so với các phương pháp thủ công, làm tăng năng suất và tiết kiệm hạt giống có giá trị. Năm 1817, chiếc xe đạp đầu tiên đã được phát minh và sử dụng ở Đức.

Nông nghiệp cơ giới hóa tăng mạnh vào cuối thế kỷ XVIII và đầu thế kỷ XIX với máy gặt kéo bằng ngựa và máy đập lúa chạy bằng sức ngựa (mã lực).[8] Đến cuối thế kỷ XIX, năng lượng hơi nước được ứng dụng vào việc đập lúa và máy kéo hơi nước xuất hiện. Động cơ đốt trong bắt đầu được sử dụng cho máy kéo vào đầu thế kỷ XX. Việc đập lúa và thu hoạch ban đầu được thực hiện với các thiết bị kèm theo cho máy kéo, nhưng đến những năm 1930, máy gặt đập liên hợp chạy bằng động cơ độc lập đã được đưa vào sử dụng. Vào giữa và cuối thế kỷ XIX, các thiết bị thủy lực và khí nén đã có thể cung cấp năng lượng cho các hoạt động cơ khí khác nhau, chẳng hạn như định vị công cụ hoặc phôi gia công.[9] Máy đóng cọc và búa hơi nước là minh chứng cho công việc nặng nhọc. Trong chế biến thực phẩm, các thiết bị khí nén hoặc thủy lực có thể khởi động và dừng việc đóng đầy lon hoặc chai trên băng chuyền. Hệ thống trợ lực lái cho ô tô sử dụng cơ chế thủy lực, cũng như hầu như tất cả thiết bị di chuyển đất và các thiết bị xây dựng khác và nhiều thiết bị đính kèm cho máy kéo. Năng lượng khí nén (thường là không khí nén) được sử dụng rộng rãi để vận hành các van công nghiệp, van cao áp.

Thế kỷ XX

 
Các linh kiện máy móc thời hiện đại

Vào đầu thế kỷ XX, máy móc đã phát triển khả năng thực hiện các hoạt động phức tạp hơn trước đây do những người thợ thủ công, công nhân lành nghề đảm nhận.[10] Một ví dụ là máy làm chai thủy tinh được phát triển năm 1905. Nó đã thay thế những thợ thổi thủy tinh được trả lương cao và những người lao động trẻ em phụ giúp, đồng thời dẫn đến việc sản xuất hàng loạt những cái chai thủy tinh.[11] Sau năm 1900, các nhà máy được điện khí hóa, và các động cơ điện cùng bộ điều khiển được sử dụng để thực hiện các hoạt động cơ khí phức tạp hơn. Điều này dẫn đến các quy trình cơ giới hóa để sản xuất hầu như tất cả các loại hàng hóa.

Phân loại

Trong sản xuất, cơ giới hóa đã thay thế các phương pháp thủ công làm ra hàng hóa. Động lực sơ cấp là các thiết bị chuyển đổi năng lượng nhiệt, thế năng hoặc động năng thành công cơ học. Động lực sơ cấp bao gồm động cơ đốt trong, tuabin đốt (động cơ phản lực), bánh xe nước và tuabin, cối xay gió và tuabin gió, cũng như động cơ hơi nước và tuabin. Thiết bị vận tải có động cơ như đầu máy xe lửa, xe hơi (ô tô), xe tải và máy bay, là một phân loại máy móc bao gồm các tiểu phân loại theo loại động cơ, chẳng hạn như đốt trong, tuabin đốt và hơi nước. Bên trong các nhà máy, nhà kho, bãi gỗ và các hoạt động sản xuất và phân phối khác, thiết bị xử lý vật liệu đã thay thế việc vác thủ công hoặc xe đẩy tay (xe rùa).[10] Trong khai thác mỏ và đào xới, máy xúc thủy lực đã thay thế cuốc và xẻng.[10] Việc nghiền đá và nghiền quặng đã được thực hiện trong nhiều thế kỷ bằng búa nước (trip hammer) chạy bằng sức nước, nhưng búa nước đã được thay thế bằng máy nghiền quặng và máy nghiền bi (ball mill) hiện đại. Hệ thống và thiết bị xử lý vật liệu rời được sử dụng cho nhiều loại vật liệu khác nhau bao gồm than đá, quặng, ngũ cốc, cát, sỏi và các sản phẩm gỗ.[10] Thiết bị xây dựng bao gồm cần cẩu, máy trộn bê tông, máy bơm bê tông, xe nâng người làm việc trên cao (cherry picker) và một loạt các dụng cụ điện cầm tay.

Máy động cơ

 
Động cơ hơi nước

Máy móc chạy bằng động cơ ngày nay thường có nghĩa là chạy bằng động cơ điện hoặc động cơ đốt trong. Trước thập kỷ đầu tiên của thế kỷ XX, chạy bằng động cơ thường có nghĩa là chạy bằng động cơ hơi nước, sức nước hoặc sức gió. Nhiều máy móc và công cụ máy thời kỳ đầu chạy bằng sức người, nhưng hầu hết đã chuyển sang sử dụng sức nước hoặc sức hơi nước vào đầu thế kỷ XIX. Trước thời kỳ điện khí hóa, năng lượng cho cối xay và nhà máy thường được truyền tải bằng trục truyền động (line shaft) ngang. Điện khí hóa cho phép từng cỗ máy riêng lẻ được cung cấp năng lượng bởi một động cơ riêng biệt trong cái gọi là truyền động đơn vị (unit drive). Truyền động đơn vị cho phép các nhà máy được sắp xếp tốt hơn và cho phép các máy khác nhau chạy ở các tốc độ khác nhau. Truyền động đơn vị cũng cho phép tốc độ cao hơn rất nhiều, điều này đặc biệt quan trọng đối với công cụ máy.[12] Một bước tiến vượt bậc so với cơ giới hóa là tự động hóa. Máy móc sản xuất thời kỳ đầu, chẳng hạn như máy thổi chai thủy tinh (khoảng những năm 1890), đòi hỏi sự tham gia của người vận hành rất nhiều. Đến những năm 1920, các cỗ máy hoàn toàn tự động, đòi hỏi ít sự chú ý của người vận hành hơn nhiều, đã được đưa vào sử dụng.[10]

Quân sự

 
Biểu tượng cơ giới hóa thời Liên Xô
 
Biểu tượng cơ giới hóa thời Liên Xô

Thuật ngữ cơ giới hóa này cũng được sử dụng trong quân sự để chỉ việc sử dụng xích xe (caterpillar track) của dòng xe chiến đấu bọc thép có bánh xích, đặc biệt là xe bọc thép chở quân, để di chuyển binh lính (bộ binh cơ giới) những người mà nếu không sẽ phải hành quân hoặc đi xe tải vào chiến đấu. Trong thuật ngữ quân sự, cơ giới (mechanized) chỉ các đơn vị mặt đất có thể chiến đấu từ trên xe, trong khi được cơ giới hóa vận tải (motorized) chỉ các đơn vị (bộ binh cơ giới vận tải) được vận chuyển và đi chiến đấu trên các phương tiện không bọc thép như xe tải. Do đó, một đơn vị pháo binh kéo xe được coi là cơ giới hóa động cơ trong khi đơn vị pháo tự hành được coi là bộ binh cơ giới.

So sức người

Khi so sánh hiệu suất của một người lao động, người đó thường có hiệu suất khoảng 1%–5,5% (tùy thuộc vào việc người đó sử dụng tay, hay sự kết hợp giữa tay và chân).[13] Động cơ đốt trong phần lớn có hiệu suất khoảng 20%,[14] mặc dù các động cơ diesel lớn, chẳng hạn như những động cơ dùng để cung cấp năng lượng cho tàu thủy, có thể có hiệu suất gần 50%. Động cơ điện công nghiệp có hiệu suất lên tới mức thấp 90%, trước khi hiệu chỉnh cho hiệu suất chuyển đổi từ nhiên liệu sang điện là khoảng 35%.[15] Khi so sánh chi phí sử dụng động cơ đốt trong với một người lao động để thực hiện công việc, chúng ta nhận thấy rằng một động cơ có thể thực hiện nhiều công việc hơn với chi phí tương đương.

Với 1 lít nhiên liệu hóa thạch bị đốt cháy bằng động cơ đốt trong tương đương với khoảng 50 đôi tay của công nhân hoạt động trong 24 giờ hoặc 275 cánh tay và chân trong 24 giờ.[16][17] Ngoài ra, khả năng làm việc kết hợp của con người cũng thấp hơn nhiều so với máy móc. Một công nhân người trung bình có thể cung cấp công việc tốt cho khoảng 0,9 hp (2,3 MJ mỗi giờ)[18] trong khi một cỗ máy (tùy thuộc vào loại và kích thước) có thể cung cấp lượng công việc lớn hơn nhiều. Ví dụ, phải mất hơn một tiếng rưỡi lao động vất vả để cung cấp chỉ một kWh – mà một động cơ nhỏ có thể cung cấp trong vòng chưa đầy một giờ trong khi đốt cháy chưa đầy một lít nhiên liệu dầu mỏ.

Điều này ngụ ý rằng một nhóm gồm 20 đến 40 người sẽ yêu cầu bồi thường tài chính cho công việc của họ ít nhất bằng lượng calo thực phẩm tiêu hao cần thiết (cao hơn ít nhất 4 đến 20 lần). Trong hầu hết các tình huống, người lao động cũng sẽ muốn được bồi thường cho thời gian bị mất, dễ dàng cao hơn 96 lần mỗi ngày. Ngay cả khi giả định chi phí tiền lương thực tế cho lao động con người là 1,00 USD/ngày, một chi phí năng lượng được tạo ra khoảng 4,00 USD/kWh. Mặc dù đây là mức lương thấp cho lao động vất vả, ngay cả ở một số quốc gia có mức lương thấp nhất, nó đại diện cho một chi phí năng lượng đắt hơn đáng kể so với ngay cả các nguồn năng lượng kỳ lạ như pin quang điện mặt trời (và do đó thậm chí còn đắt hơn khi so sánh với các thiết bị thu năng lượng gió hoặc bộ tập trung năng lượng mặt trời phát quang).[19]

Cấp độ

Để đơn giản hóa, người ta có thể nghiên cứu cơ giới hóa như một chuỗi các bước.[20] Nhiều sinh viên coi chuỗi này biểu thị các hình thức xã hội cơ học từ cơ bản đến nâng cao.[21]

  1. Sức người, cơ bắp
  2. Dụng cụ cầm tay
  3. Dụng cụ cầm tay chạy bằng động cơ, chẵng hạn điều khiển bằng điện
  4. Dụng cụ chạy bằng động cơ, một chức năng, chu kỳ cố định
  5. Dụng cụ chạy bằng động cơ, đa chức năng, điều khiển bằng chương trình
  6. Dụng cụ chạy bằng động cơ, điều khiển từ xa
  7. Dụng cụ chạy bằng động cơ, được kích hoạt bởi phôi (như điện thoại xu)
  8. Đo lường
  9. Điều khiển báo hiệu được chọn, ví dụ điều khiển thủy lực
  10. Ghi lại hiệu suất
  11. Hành động máy móc tự động được thay đổi thông qua đo lường
  12. Tách loại/từ chối theo phép đo
  13. Lựa chọn chu kỳ hành động thích hợp
  14. Sửa chữa hiệu suất sau khi vận hành
  15. Sửa chữa hiệu suất trong quá trình vận hành

Xem thêm

Chú thích

  1. ^ Willis, Robert (1861). Principles of Mechanism: Designed For The Use Of Students In The Universities And For Engineering Students Generally. London: John W. Parker.
  2. ^ Jerome (1934) đưa ra phân loại ngành công cụ máy là "khác với sức người". Bắt đầu từ cuộc tổng điều tra Hoa Kỳ năm 1900, việc sử dụng năng lượng là một phần của định nghĩa về một NHÀ MÁY, phân biệt nó với một xưởng.
  3. ^ Mechanization & Automation, Cộng đồng Kỹ thuật Cơ khí, truy cập ngày 17-04-2018.
  4. ^ Temple, Robert; Joseph Needham (1986). The Genius of China: 3000 years of science, discovery and invention. New York: Simon and Schuster. tr. 55. ISBN 9780671620288<Based on the works of Joseph Needham>{{Chú thích sách}}: Quản lý CS1: postscript (liên kết)
  5. ^ McNeil, Ian (1990). An Encyclopedia of the History of Technology. London: Routledge. ISBN 0-415-14792-1.
  6. ^ a b Roe, Joseph Wickham (1916), English and American Tool Builders, New Haven, Connecticut: Yale University Press, LCCN 16011753. Được tái bản bởi McGraw-Hill, New York và London, 1926 (LCCN 27-24075); và bởi Lindsay Publications, Inc., Bradley, Illinois, (ISBN 978-0-917914-73-7).
  7. ^ a b Musson; Robinson (1969). Science and Technology in the Industrial Revolution. University of Toronto Press. tr. 69. ISBN 9780802016379.
  8. ^ Rumeley, Edward A. (tháng 8 năm 1910). "The Passing Of The Man With The Hoe". The World's Work: A History of Our Time. XX: 13246–13258. Truy cập ngày 10 tháng 7 năm 2009.
  9. ^ Hunter, Louis C.; Bryant, Lynwood (1991). A History of Industrial Power in the United States, 1730–1930, Vol. 3: The Transmission of Power. Cambridge, Massachusetts, London: MIT Press. ISBN 0-262-08198-9.
  10. ^ a b c d e Jerome, Harry (1934). Mechanization in Industry, National Bureau of Economic Research (PDF).
  11. ^ "The American Society of Mechanical Engineers Designates the Owens "AR" Bottle Machine as an International Historic Engineering Landmark" (PDF). 1983. Bản gốc (PDF) lưu trữ ngày 5 tháng 4 năm 2013.
  12. ^ Bartelt, Terry. Industrial Automated Systems: Instrumentation and Motion Control. Cengage Learning, 2010.
  13. ^ Ayres, R. U.; Ayres, L. W.; Warr, B. (2002). Exergy, Power and Work in the U. S. Economy 1900–1998, Insead's Center For the Management of Environmental Resources, 2002/52/EPS/CMER (PDF) (Báo cáo).
  14. ^ IC Engine 20% efficient
  15. ^ "Electrical engines with combined power converter / motor at 86% efficiency". Bản gốc lưu trữ ngày 5 tháng 3 năm 2016. Truy cập ngày 22 tháng 3 năm 2011.
  16. ^ 1 liter of fuel yielding 100 arms for 24 hours, when efficiency is 40% which is never
  17. ^ Tài liệu phim Home của Yann Arthus Bertrand cũng tuyên bố rằng 1 lít nhiên liệu tạo ra 100 cánh tay trong 24 giờ; có lẽ từ cùng một phép tính
  18. ^ Ozkan, Burhan (2004). "Energy input–output analysis in Turkish agriculture" (PDF). Renewable Energy. 29 (1): 39. Bibcode:2004REne...29...39O. doi:10.1016/s0960-1481(03)00135-6. Bản gốc (PDF) lưu trữ ngày 25 tháng 5 năm 2022. Truy cập ngày 20 tháng 4 năm 2018.
  19. ^ Combined work capability of human vs machines
  20. ^ "Mechanization and its level". Bản gốc lưu trữ ngày 15 tháng 8 năm 2011. Truy cập ngày 13 tháng 5 năm 2010.
  21. ^ basic-to-advanced Lưu trữ ngày 15 tháng 8 năm 2011 tại Wayback Machine

Tham khảo

Lấy từ “https://wikibeta.org/index.php?title=Cơ_giới_hóa&oldid=7961498”