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木制品的好处

第一台车床已经开始正常运转，但李不伟又有了更大的计划，他近期要解决两件事，第一件事就是要让现有的这台车床日夜不停地加工零件，以便尽快地制造出简易铣床与第二代车床所需要的零件，之所以要先制造一台简易铣床，是因为李不伟觉得目前铸造齿轮的精度无法满足要求，而第二代车床如果要提高精度，必须使用范成法铣制齿轮，因此这几日所做的工作都是为了尽快制造出第二代车床。至于第二件事，却是李不伟最为关心的一件事，他今日一早便来到了郑永江的店铺，准备做一些先期准备工作。
由于摆钟的制作暂属机密，因此郑永江特意带了几个徒弟到自己的住处，又将一些木工工具也搬也进来，等到简易木制铣床制作好之后，便开始摆钟的试制了，按照事先的计划，批一共要制作二十台，这几日，郑永江已开始考虑木制齿轮的加工事宜了。李不伟赶去的时候，郑永江正在调整铣刀的加工角度，李不伟看他正在忙碌着，便点头示意继续。此时屋子里堆放了数百个大小不一的圆木片，这些圆木片的中心部件都已打了一个小圆孔，这个中心孔自然是为轴承所预留的位置，而圆木片的另外一处也有一个小孔，这一个小孔是便于临时定位之用。郑永江拿了一根铁棒，将相同尺寸的小圆木片由中心孔套了起来，又用另一根稍细些的铁棒将另一个定位孔也进行定位，然后又在最上面放了一只已经画好的齿轮图样，这个齿轮图样的作用便是用于齿形的定位了。在完成了这些工作之后，郑永江又将这一串圆木片以轴心为垂直方向固定在铣床之上，然后将铣刀与定位图样进行了模拟啮合，最后又将铣刀重新定位调整。此时，旁边的一个学徒将绞盘用力摇了起来，这绞盘经过几根皮带的传动，又带动铣刀，只见此时铣刀头已转得飞快，郑永江小心翼翼地控制着铣刀的升降，每铣制一段距离之后，又重新将铣刀提出，并且用蘸湿了的毛巾不时将刀头进行冷却。李不伟又观察这简易铣床，只见铣刀的定位架为垂直排列，虽然是采用木头制作，但相互间配合甚是精确，而且一次可以加工近十个齿轮，李不伟看得暗暗赞赏，心想自己只是随便画了个图样，这郑永江竟然将木工铣床做得有模有样。

李不伟的这张图画得极为简单，郑永江凑上前去一看，只见图中仅仅画了一个机构的剖面图，其中有一部分是个筒状物，里面有一个活塞，然后这活塞的两端用连杆引了出来，其中一根连杆的末端又有一个连接杆，这连接杆又与到一个圆盘状的东西固定在一起，郑永江看了半天，却始终看不明白这机械到底有何用途。李不伟道;“郑师傅，我所画的只是一个模型而已，但实物也与此相差无几，因此我想先用木头做了出来，定好了各种连杆的尺寸之后，才会用铜铁重新制作，只是这张图上所画的极为机密，万万不可让旁人知道。”郑永江忙道：“李大人放心，我这里平常只有几个徒弟才有机会进来，如今大人既然特意吩咐了，便是连我的几个徒弟也不会让他们知晓。”李不伟摇头道：“我倒不是这个意思，其实再过一段时间之后，又会有更多的机器将被制造出来，而这些机器在制造前需先用木头制出模型，等到各个尺寸参数确定之后，才会使用铜铁进行铸造，因此郑师傅不如搬到皇家实验室去，我在那里已专门准备了一间大房子用于木制零件的加工，而且过不了多久又会配备一批全新的木工工具，到时郑师傅必会大吃一惊。倘若郑师傅干得好，我自会举荐你在实验室中任职。至于永久自行车行，可以暂时交给你的徒弟管理，郑师傅你看如何？”郑永江听得又惊又喜，连声道：“全听李大人吩咐。”其实郑永江只是一个普通的木匠，自从见到李不伟之后才有了自己的生意，如今听李不伟如此一说，竟然是有意举荐自己为官，他又如何不喜？

其实李不伟之所以想让郑永江加入实验室，一来是因为他与郑永江已相当熟悉，这关系上就近了一层，二来是因为李不伟觉得众学者虽然已掌握了一些设计知识，但毕竟刚刚运用不久，再说此时并无计算机等辅助设备工具，因此对于一些重要的机构来说，还是先用木头制作出模型，等到各种尺寸参数都确定下来之后，再采用铸造或锻造的方法生产。至于木制模型，完全可以满足期望的要求，因为木质材料容易加工，而且还有一定的强度，制作出来的模型基本可以仿真一些机械运动，虽说临安城中好木匠也不少，但毕竟郑永江还算是自己人，因此李不伟才有了让郑永江加入实验室的想法。其实，李不伟还是没有将情况了解得清楚，简单的机械设计并不需要太过高深的数学知识，只需要掌握了运动学与力学，再辅以机械零件与机械设计的相关知识，便可以设计出相应的机械工具，实验室中的众学者虽然只学习了不到半年，但要设计出一些常用机械还是不成问题的。而郑永江也没想到自己去了皇家实验室之后，竟然又会在后来参与到兵器制作中去，而且这种兵器的威力极大，远远出了众人的想象，这当然又是后话了。

郑永江来临安之时便带了其夫人，因此搬到皇家实验室也不麻烦，当天回到家中简单打了招呼，第二天便将一些工具搬到了李不伟准备好的木工房，并且带来了两个手艺最好的徒弟，在制作摆钟零件的同时也开始考虑李不伟的那台模型了。

李不伟这次设计的正是一台蒸汽机模型。

自从第一台车床正常运转之后，李不伟已有了更多的想法，第二代车床的制造当然是最为优先的，但新的车床制造出来之后，总不能再由人工驱动吧？因此，李不伟已开始考虑蒸汽机的制作了，他觉得以目前的加工工艺，完全能制造出低精度的汽缸与活塞，而且轴与轴承的制作也应该不是很难，毕竟车制的轴承在精度与寿命上要比铸造出来的强上许多，况且杨万景与胡永谦此时又有掌握了球墨铸铁的生产方法，因此从技术与工艺上讲，要造出蒸汽机已不是什么难事。其实，李不伟这个想法并没有错误，因为历史上蒸汽机明的时候，加工工艺也根本达不到要求，当时制造汽缸的工具甚至比李不伟设计的第一台车床还要差上许多，但就是在这种情况下，蒸汽机一代代地展起来，同时工具与工艺也相应跟着展，这才有了蒸汽机车、蒸汽轮船的出现。

来李不伟曾想着先试一下冲动式汽轮机，毕竟汽轮机的热转换效率要比蒸汽机好上许多，而且汽轮机的转也更高，但汽轮机的制作极为复杂，仅是一个单级的汽轮机，动叶片与静叶片加起来就要一百多个，况且以目前的技术尚无法制造出高转的轴承，而且在历史上，汽轮机也要比蒸汽机晚出现几百年，因此李不伟思前想后，决定先设计出一个蒸汽机，等有了基本动力，再与更为精确的制造机械相结合，才有条件开始考虑电动机或汽轮机的制作了。其实李不伟想得有些简单，电动机的制作倒不困难，但汽轮机涉及到太多的热力学知识，其精度要求也比蒸汽机要高出许多，一台两级叶片的汽轮机，其零件就有近五百个，每个零件都有着极高的精度要求，并非想像得那般容易。

但蒸汽机就不一样了，蒸汽机的制造要容易上许多，历史上较出名的有两种蒸汽机，最早出现的是纽科门蒸汽机，这种蒸汽机的充汽和冷凝都在汽缸中进行，蒸汽进入汽缸后推动活塞运行，活塞返回时又需要在汽缸外面浇上冷水便蒸汽收缩，这种设计耗能大不说，功率又极低，因此过不了多久就被淘汰了。而瓦特蒸汽机则成功解决了这个问题，具体的方法是，在锅炉和汽缸之外再加一个冷凝器，使得蒸汽在汽缸外进行冷却，如此一来，汽缸可以一直保持着高温，冷凝器也可以不间断工作，从而减少功耗与提高效率。瓦特蒸汽机虽然比纽科门蒸汽机先进，但由于汽缸和冷凝器分离，对于密封的要求就非常高，而且同时利用大气压力和蒸汽张力驱动活塞运动，对于材料的选择也非常挑剔，制作工艺稍差，又或原材料质量不过关，都无法造出瓦特蒸汽机。相比之下纽科门蒸汽机的要求就低得多，它的充汽和冷凝都在汽缸中进行，活塞和缸壁如果存在缝隙，工作时就用浇水来封闭，虽然能耗与功率不成正比，但好歹可以正常工作。

其实李不伟对于蒸汽机并没多少了解，他刚开始还以为蒸汽机就是用蒸汽吹动一些叶片来使一个轴转动而已，后来在《大百科中一查，才现需要用到汽缸与活塞，与后世的内燃机的原理倒是差不多。另外，书中还详细画出了几种效率较高的蒸汽机模型图，更有几个图形还标示出了原型的尺寸。李不伟当时看到这些资料之后如获至宝，准备就按此尺寸进行制造，后来仔细一看，却现图中所画的都是机车上所使用的蒸汽机，更有一张图是用于轮船的，而且有的是双缸蒸汽机，有的是四缸蒸汽机，如果按此制造出来，恐怕四个汽缸加起来要比车床本身都大上许多了。因此李不伟只好又重新开始设计，不过因为有了原型图纸，设计起来也容易了许多，但李不伟这次的设计并未经过太多的计算，也没有考虑活塞的惯性问题，其实按李不伟设计的样子做出来也就是一个模型，当然李不伟要的也正是一个模型。这是一台单缸往复式蒸汽机，蒸汽按一定的时序进入活塞两边的汽缸中，又通过四个凸轮机构来控制进汽与排汽，然后在活塞的一端使用曲柄连杆机构，将直线运动转化为圆周运动。但此时李不伟遇到一个问题，便是蒸汽的密封，后来他参考了类似活塞环与汽缸套之间的原理，终于想到了解决办法，因为此时已有球墨铸铁，因此在设计密封圈时可选方案就多了许多。至于锅炉的设计，李不伟一时还没时间考虑，只是在进汽与排汽的地方安装了两个法兰盘，心想到时找范东来等人计算一番，要设计出锅炉也不太难，再说书中也有几种锅炉的示意图，到时大不了缩小比例照搬就是。

第一台车床的工作情况还算不错，李不伟本来担心主轴与轴承会出现磨损，但事实证明他的担心是多余的，如今过去了十多天，负责转动绞盘的人已换了几拔，每个人都被磨得双手起泡，车刀也损坏了几十把，但主轴与轴承的配合依然良好，这也许是因为主轴的转过低的原因吧。

此时，第一批的近百学者中，已有四十多人被李不伟分配到了各个实验室中，并且各自开始了相关的实验工作，虽说这些学者中的大部分以前都在其它部门任职，但自从听了李不伟的讲课之后，竟然对李不伟的安排没有半句怨言，这也是因为目前他们对李不伟的做法充满信心，又有理宗的批示，因此才可以暂时放下原来的职位不管，倘若万一李不伟的计划失败，他们仍然可以回到原来的职位上去，因此对这于些学者来说自然是没有任何风险。

第二代车床的设计也进行得极为顺利，李不伟与范东来、史可、石仲秋等人在忙碌了六天之后，终于完成了新车床的设计图纸，更有一些零件已开始制作了。新车床的底座与主平台仍然是铸造件，只是各种轴承、轴等回转体零件已改为车削件了，但因为李不伟对于第二代车床的精度要求极高，因此仅是主轴就车制了几十根，最终才在其中找出三根相对比较满意的制成品来，而丝杠的车制更是麻烦，为了车制三根合格的丝杠，竟然报废了近百根毛坯件，主要原因是因为丝杠太长，第一代的跟刀器设计又有些缺陷，再加上丝杠驱动齿轮的精度存在问题，因此自然也无法加工出合乎要求的产品，后来众人掌握了一些方法，才将这种由齿轮带来的误差减少到最低，这才制作出了三根较为满意的丝杠。新车床的进刀与退刀机构已加上了刻度指示，而丝杠的联动机构也进行了重新设计，采用了三级齿轮传动，来实控制十五种不同的导程，从主要功能上看，新车床与后世的手控车床已差别不大了。

至于那台用于制造齿轮的简易铣床，范东来等人早已设计完毕，目前已交给铁厂去铸造相关的零件去了，当然，加工齿轮所用到的铣刀自然也需要准备上几十把。

就在几人刚刚完成新车床的设计之时，郑永江也正好将蒸汽机的模型做好，李不伟大概看了一下，只见这个模型的每个运动件的表面已修整得十分光滑，活塞与汽缸间的滑动极为顺畅，而曲柄连杆机构也能够良好转动，李不伟看得大喜，当时便又有些等不及，将范东来、史可等人召集起来，准备开始蒸汽机的设计了。众人到齐之后，李不伟拿出郑永江制作的蒸汽机模型，将其原理大概说了一下，又详细讲了各个阀门的开关时机，活塞位置如何与阀门的开关相配合，直线运动如何转化为圆周运动，以及飞轮的作用等等。这几名学者不愧为李不伟**出来的高才生，马上便明白了蒸汽机的工作原理，一时间都是激动万分，显然没想到如此简单的机构便可以实现持续的动力输出。待众人平静下来之后，李不伟又道：“其实眼前这只是个模型，真正要开始制作的话，还要进行更为详细的参数设定，如今第二代车床刚刚设计完毕，本来是该休息几天的，但这蒸汽机的重要性众位也必定清楚得很，因此我才又将众位请了过来，便是要商议一下，如何能将这机器设计得更好一些。”

其实，众学者刚刚参与了新车床的设计，虽然经过五六天的工作已有些劳累，但如今既然有了蒸汽机种极为不可思议的动力机械，众学者又哪能按奈得住，当下便开始讨论起来，这一讨论又是连续五天，终于拿出了最佳方案。

的设计中，蒸汽在活塞的一端膨胀做功时，活塞会被推向另一边，当活塞处于最大行程时，会打开一个排汽阀门，膨胀的蒸汽通过这个阀门流入排汽管道，然后进入汽缸外面的容器中进行冷却，便形成了真空负压，形成一种将活塞往回吸的力，而此时活塞的另一端又有蒸汽进入，产生了推力，如此一来活塞便由两端同进作用以保持往复运动，而且蒸汽又可以回收再利用，同时由于蒸汽机与管线都采用了保温处理，热力损耗也可以大大减少。与此同时，李不伟还加入了瓦特后来的一些明，如离心式、压力计、节流阀等装置，通过这些装置可以调整蒸汽机的压力，从而达到控制转的目的，只是因为当时材料与工艺的限制，这些装置做得都极为粗糙，甚至已被改得面目全非，但好在还能凑合着使用。

其实李不伟自己也不知道，他与众学者所设计出来的蒸汽机，已比原历史十八世纪的蒸汽机都要先进上许多，虽然这台蒸汽机只用了三天进行设计，但李不伟早已参考了后世几百年的蒸汽机展史，况且连他自己也不知道，目前大宋学者的机械设计水平已出瓦特当年甚多了。

蒸汽机还有一个重要的部分就是锅炉。几人综合考虑了目前的情况，最后决定采用铜合金来铸造锅炉。李不伟原本想经过复杂的设计，造出一台最为高效的锅炉，因此他在设计时进行了大量的计算，锅炉采用三节制造，两端是半球型，中间是圆桶型，内置加强筋，采用法兰盘进行连接。因为锅炉是垂直安装，因此还要考虑支架，吊耳等设计，但刚刚进行了不久，李不伟马上现自己的这种计算方法太过复杂，采用弹性力学有限元的分析方法最终要求解几个个高元高次的微分方程，因此他马上又换为严格的材料力学计算公式，却现其中不仅牵涉到复杂应力计算，更有一些地方涉及到了静不定的问题，后来干脆按最基本的力学方法进行了分析，考虑了一些温度的影响，便拿出了炉体的设计方案。这个锅炉设由两个阀门控制进水，进水时先开第一个阀门，等到进水完毕后，关闭第一个阀门，打开批二个阀门，便能保证无需停机也能加水。另有一个外置的蒸汽回收装置，一个出汽口，并有一个椭圆型的顶盖从内部盖上。为了安全起见，几人又设计了放气阀，与气压计相互联动。

等到全部设计完成之后，几人都已疲倦不堪，李不伟决定要好好睡上两天。他喜滋滋地回到家中之后，正准备将此事与周依依细说一番，却在各个房间遍寻不见。李不伟此时满脑子兴奋，又找不到人分享心中的喜悦，一时有些憋得慌。待问了院子里几个小丫鬟之后，才知道周依依与香儿正在后院。

李不伟急忙跑向后院，却见周依依与香儿正在那里摆弄水稻苗。本来水稻种子要经过半年的休眠期才能芽，但李不伟当时存了侥幸心理，心想这批新式稻种说不定不需要休眠便可芽，再看周依依与香儿二人也跃跃欲试，便取了极少的一部分留了下来，其它的都由史红袖带回去保存起来。后来，李不伟大失所望，这些没有经过休眠的稻种芽率极低，但好歹也有极少部分了芽，因此周依依与香儿又在后园中将这批稻苗栽了下去。

到两个小姑娘光着脚在地里忙来忙去，李不伟远远地笑道：“快忙完了么？我有大好消息要告诉你们。”周依依此时正低头忙碌，听到李不伟声音便抬起头来，又听说他有好消息相告，马上光着脚跑了出来问道：“我忙完了，什么好消息啊？快说来听听。”李不伟此时正站在一条石子铺成的，周依依刚一踏了上来，突然‘哎呀’一声惊呼。原来这路面上的小石子有些过于尖锐，周依依光着脚站上去竟然有些无法忍受，此时已蹲了下来用手借力。李不伟见状忙走上前去，笑道：“怎么连鞋也不穿就跑上来了。”周依依看到李不伟走近，忽然跳在李不伟的鞋上，笑道：“有你的鞋就行了，俩人穿一双鞋也还不错。”李不伟看她站了上来，正好面对着自己，却又好像害怕跌了下去，将自己的腰抱得紧紧的。此时香儿尚且在场，李不伟忽然觉得有些不好意思，低声笑道：“快下来吧，香儿看着呢。”如此说着，李不伟又转头向香儿道：“香儿你也快忙完了么？”

话音刚落，李不伟已现香儿神情有异，此时正呆呆地看着自己与周依依，对方才的话语充耳不闻，显然是在想着心事。又过了片刻，香儿忽然也意识到自己有些失态，茫然地‘哦’了一声，脸上一红，又低头道：“我还要忙一会儿，你与依依姐姐先说话吧，我马上就来。”周依依又笑着闹了一会，这才穿上鞋，此时香儿也已忙完，笑盈盈地走了前来问道：“有什么好消息啊？”说着，已是迅地穿好了鞋。

李不伟忙将今日之事大概说了一下，二女听了之后均是满脸喜色，但李不伟却明显感觉出她们关心的并不是实验室如何，造出蒸汽机又能如何，又或是朝庭到底出了多少钱，更不在乎有了钱能解决什么问题，这两位姑娘之所以如此高兴，完全是因为自己今日解决了困忧已久的难题。

着眼前这两位朝夕相处小姑娘，李不伟忽然觉得有些歉意。心想这几个月以来我虽然一直在忙碌，但依依与香儿却也一直没有闲过，不仅如此，我甚还给了她们安排了诸多繁重的任务，但她们二人却无半句怨言，这份情意又如何能算得清楚？李不伟一时不知说些什么才好，只觉得自己欠她们实在太多，他想了半天也不知道如何才能有所补偿，忽然道：“过几天咱们放松一下心情，出外游玩一次吧！”

注：文中所述的木头加工方法是作者自己想出来的，但应该是可行的。而且木制摆钟对齿轮要求不高从理论上也是对的。不过关于重物卷动转轴，是作者自己想出来的，应该可行。）