清朝末期，经受了两次鸦片战争打击和国内人民起义的冲击，统治者感到了生存危机。在慈禧太后的默许下，19世纪60年代到90年代国内掀起了一场以“师夷长技以自强”为目的的洋务运动，主要是采用西方先进技术，创办近代军事工业和民用工业。
清光绪18年（1892年）胡聘之出任山西布政使，在游历了南方几个省市后，见到办洋务的前辈，名利双收，陡然而富，遂起大办洋务之兴趣。曾上奏清朝政府，建议“开发山西石炭和铁矿资源，以兴工业。”因投资过大，未获批准。光绪20年（1894年），胡聘之再次上奏清政府，建议成立山西招商局、山西机器局。招商局获准，山西机器局开始筹办。因国库空虚无资金，只是筹办而已。光绪21年胡聘之升任山西巡抚。光绪23年胡聘之再次上奏清政府，提出建立以制造军火为目的的山西机器局，建议动用“整顿”归化（现呼和浩特市）关税余银5万两，作为山西机器局开办费。
清光绪二十四年正月初一（1898年1月22日），光绪帝紧急寄諭各地：“据荣禄（清朝大臣）奏‘各省煤铁矿产以山西、河南、四川、湖南为最，请饬筹款设立制造厂局，渐次扩充，从速开办，以重军需’。着各地方情形，认真筹办，总期有备无患，足以仓猝应变等因。钦此，当以晋省向无机器制造局厂，亟应赶速筹办。”（见东华续录45卷）。根据这一旨令，胡聘之委任太原兵备道徐桂芬为山西机器局总办，王曾彦为提调。3月27日用银480两，在太原城北门外柏树园，购买普济观（旧址在山西机床厂）旁庙地308亩和庙宇房屋，成立了山西机器局。
5月，新建一座办公厅，名叫过厅院，合20余间；两座厂房，各合10余间。其中较宽敞的一座厂房，内设机器、木样、虎钳三部分；另一座厂房，内设翻砂、熟铁两部分。在修建厂房的同时，派人到天津口岸采购机器设备。通过英国福公司天津洋行，定购了金属切削机床9部，其中车床6部、刨床1部、大小钻床各1部，并购进35马力蒸汽机1部。
山西机器局成立后，用每月30两白银的高薪从天津、汉阳、江南等地招来30余名工匠做技术骨干，又用低薪在省内招收了一部分手工业工人和徒工。
光绪25年10月，山西机器局建成投产，全局分为机器厂、翻砂厂、熟铁厂、木样厂，以及生产火枪引火帽的铜帽厂等5个厂，钳工部分属于机器厂。其中机器厂有车床6部、旋臂钻床1部、龙门刨1部。虎钳案4个，共有虎钳20余个；翻砂厂有鼓风化铁炉1座；熟铁厂有烘炉5盘；铜帽厂有手摇钻床5部。另外还有1座锅炉房，内设35马力蒸汽机1部。全局工匠、徒工约200余人。山西机器局生产动力为蒸汽机，既以蒸汽为动力，驱动天轴皮带，带动机器启动而进行金属切削，以这种传动方式进行生产在山西尚属首次使用。厂房照明为烛光，工人只上白班，不上夜班。主要进行枪械修理，同时制做洋鼓、洋号、大刀、长矛等器具。
光绪26年（1900年），八国联军进攻北京，慈禧太后携光绪皇帝逃出京城。在太原期间，马玉昆护驾卫队的枪只需要修理，山西机器局奉旨挑选技术精湛的工匠，对枪只进行了精心修理，为此，工匠徒弟都得到了奖赏。因山西机器局厂房高大明亮，慈禧太后当场将一件“团龙马褂”赐予建造厂房的监工陶庆春。
山西机器局经过历时16年的草创，为以后太原北城工业区的形成及山西工业的发展奠定了基础。期间，宣统三年（1911年）辛亥革命爆发，阎锡山在袁世凯的支持下，逐渐掌握了山西的军政大权。1912年（民国元年），山西机器局取消总办、提调等职，由英国留学生李蒙淑（字陶庵）任局长。用新办法管理企业，局长下设局员、录事等16个办事人员，匠徒200余人。局内设翻砂、铁工、木样、机器等四厂。
1914年—1918年，欧美各帝国主义国家集中力量从事第一次世界大战，暂时放松了对中国的侵略，给中国民族工业让出了发展的道路。此时，已取得山西军政大权的阎锡山为减少外省军阀的注目，打着“保境安民”的旗号，声称要致力于对山西的治理，实则积极为其军事扩张做准备。1914年（民国三年），阎锡山将山西机器局改组为山西陆军修械所，隶属山西督军署军械局。主要进行步枪和机关枪的修理。1917年，阎锡山在山西首次扩军。同年，阎锡山参加北洋政府在北京召开的督军团会议，观看了陆军部举办的国产武器射击比赛。汉阳兵工厂生产的武器精良，促使阎锡山下定大造武器之决心，当即邀汉阳兵工厂总办来晋指导。商定由汉阳兵工厂代培技术人员，并亲自选派山西大学优等生张书田等10人赴汉阳兵工厂学习制造枪砲技术。筹款10万元扩建陆军修械所。
1918年（民国7年），阎锡山为扩充和巩固势力，积累资金，在修械所内增加铜元生产业务，投资十余万元,从杭州购来旧铜元机1套，计有印花机8部、碾片机3部、校准机2部、铳光3部、100马力蒸汽机1部。并聘请来4名技术工人。将所内机器厂和虎钳厂迁入新建的厂房，腾出房子安装制造铜元的设备。另外新建提铅厂7间，安装坩锅28个，烘炉3盘；炼铜厂7间，安装反射炉两座；熔炼厂5间，安装锅炉20余座，增添了大锅炉1部。新设提铅、炼铜、熔化、钢模等四个厂。原机器厂改为印花、碾片、校准、铳光厂。阎锡山从军队中抽调连级以上军官50余人，分别担任职员和练习生，成为制做铜元的职能人员主力。随后，又指示所长李陶庵到外地高价聘请有技术专长的工人，先后从杭州、南京、天津等地召来技术工人近30名，组成制做铜元的技工队伍。与此同时，又连招收了数批徒工，修械所员工发展到400余人。年底制做铜元设备安装工作基本就绪，随即开始投入生产。制做铜元的设备大部分为自动化机械，设计能力为每班产30万枚。投产初期，由于技术工人不熟、原料供应不足、动力落后等因素，产能很低，且时断时续，根本达不到设备的生产能力。为保证铜元的生产和进一步提高铜元的产量，阎锡山采取了4条措施：1、设立机构。制做铜元的原料主要依靠民间流通的制钱，为保证原料的正常供应，专门成立“制钱采运处”、“铜元兑换处”、“铜元经理处”等机构，加以收购，同时下令禁止民间私自熔化制钱。2、动力由蒸汽改为电力。1920年从德国购买回两部96千瓦发电机，全部供应铜元生产和照明，减少了动力故障的发生，保证了铜元生产。3、延长工作时间，在没有有电力照明前，工人的劳动时间为12至18个小时。有电力照明以后则实行两班工作制，昼夜开工，使产量提高了一倍。4、加大皮带轮的转数。由于采取了以上措施，铜元生产大量增加和流入社会，致使全省通货膨胀。
1920年（民国九年），北洋政府为巩固自己的统治，限制各省军阀势力，以中央政府的名义通令各地裁军。阎锡山一方面将山西陆军修械所改名为“山西军人工艺实习厂”，以缩小目标；另一方面从军队中抽调300余名青年士兵补充到工艺实习厂学徒，明为裁军，实为扩充工厂规模。改组后，阎锡山任命第一旅旅长商震为总办，李陶庵为厂长。下设铜元科、化炼科、总务科。铜元科科长王梦龄领导碾片、印花、校准、钢模、铳光、烘洗、铁工、木样、虎钳、机器等10个分厂；化炼科科长郑永锡负责管理炼铜、提铅、化渣、熔炼、淘铜、翻砂等6个分厂。以上各厂部设有厂监和工长等职，以便监督生产。之后又增设电气科，负责管理发电厂，专门为制做铜元服务。这时，铜元生产占着很显著的地位，机器厂同时还修理枪械。年内，新建厂房，增添设备，为发展军工生产奠定了基础。并开始制造子弹、手榴弹、仿制重机枪。当年，全厂机器63部，员工达500余人。
经过1921年（民国十年）7月的第二次扩充，全厂员工增加到900余人，机器设备182部。机构调整为化炼科、机械科、子弹科。其中化炼科管理炼铜、提铅等一切熔化事宜；机械科管理蒸汽机、发电厂、机器厂、铜元厂及各厂修理工作；子弹科专管火药、子弹、炸弹（即手榴弹）等制造事宜。新设立的制罐厂，专门生产军用罐头。另设罐头厂，专门生产军用罐头。这时，军火生产已在组织上占了明显的地位，手榴弹月产1万枚、步枪子弹月产2万4千余发，而铜元生产相对减少。
1923年（民国十二年）7月1日进行了组织调整，取消总办，改称厂长。各科改为一、二、三科，职工增加到1840人，机器320部。新建了制药、制酸、铜壳3个厂。机械科改为一科，管理机器厂、铜元厂、电气厂、罐头厂及新组建了火砲厂、机关枪厂、铁工厂。其中火砲（即砲厂）早在1920年（民国九年）就开始筹建，主要生产迫击炮和一三式山炮；子弹科改为二科，管理枪弹厂、炸弹厂、炸药厂及新增设炮弹、无烟药、制酸3个厂；化炼科改为三科，仍管原来的炼铜、熔炼2个厂。另设铜壳厂，生产炮弹铜壳，直属厂长领导。改组后的各厂均设主任或管理员。1925年4月，恢复总办制，同年，取消铜元厂及炼铜厂，停铸铜元。
这时，全厂职工随着规模的不断扩大，猛增到1840余人。各类机器扩充到350部左右。机关枪厂试制成功马克沁重机枪，日产可达30余挺；砲厂仿制日本三八式山砲成功，定名为“一三式山砲”，成为山西省制造的第一门大砲，随即开设批量生产。到1926年底，全厂职工人数已达5000余人，各种设备1100余部。日产山砲7至8门，机关枪数十挺，以及大批的步枪与子弹。这一时期，是山西军人工艺实习厂全面转向军火生产的发展时期，经过先后三次扩充，基本形成一个完整成套的军火工业体系，不仅能生产枪支弹药，而且能制造机枪、大砲。期间，砲厂的成立为日后形成独立的太原机车车辆厂奠定了基础。
砲厂首任主任为张书田。厂房建筑有4座，分别为东、西、前、后4厂。其中前、后、西3厂是机器工作厂房，东厂为钳工厂房，另有一座办公室，共计300余间。各种机器280余部，主要有车床100余部、刨床40余部、插床、立铣床、平铣床、钻床各30余部、车来复线专用车床5部、锅炉5部、铣砲筒床2部、剪刀机1部。主要生产迫击砲和一三式山砲。主任以下设厂监2人、工长5人、厂务员3人、其他雇员、练习生10余人、工人1000余人。
1927年（民国十六年）1月，阎锡山为适应军事力量的不断膨胀，将山西军人工艺实习厂改名为太原兵工厂，至此，工厂步入军火工业的鼎盛时期。为便于直接控制，废除了厂长制，改设6大处：采运处、工务处、稽查处、验收处、检验处、核计处。6处均设处长1人，各负其责，互相牵制，都直属阎锡山的督办公署领导，文件则由督办公署军械处经办。工务处事务最繁、责任最大，共管辖21个部分，计有：工务处本部、工程师室、医疗所、制图室及枪厂、冲锋枪厂、砲厂、枪弹厂、炮弹厂、机械厂、炸弹厂、双用引信厂、机关枪厂、压药厂、电气厂、压铜壳厂、压钢弹厂、铁工厂、罐头厂、熔炼厂、木样厂等17个分厂，后压铜壳厂与压钢弹厂合并改为铜壳厂，成为16个分厂。工务处处长张书田、副处长郭凤朝。另设技监1人、处员、事务员各9人。各分厂各设主任1人，因事务繁简而设厂务员、事务员、监工、领工等职。这时，全兵工厂职工人数猛增为15000余人，拥有各种设备3800余部。兵工厂每月生产能力为：山炮30余门、迫击炮100余门、机关枪30余挺、冲锋枪90余枝、步枪3000枝、迫击炮弹9000余发、子弹约400余万发。
太原兵工厂发展到这个时期，已进入到鼎盛阶段，不仅形成了完整成套的军火工业体系，而且垄断了整个华北的军事工业，成为全国规模最大的兵工厂之一。太原兵工厂之所以能有这样大的发展，主要有3个方面的原因：1.资金积累。铜元厂从1918年成立到1925年取消，历时7年多，共生产出“十文”的铜元451608472枚，“二十文”的铜元23257023枚，共值4981255180文。以10万元的投资，获纯利360万元（根据当时铜元局董事会的报告），不仅为阎锡山巩固自己的统治奠定了坚实的经济基础，而且为进一步扩充军火生产积累了雄厚的资金。随着铜元的大量生产，山西经济出现通货膨胀，铜元贬值。这时，阎锡山的目光已不再盯着继续生产铜元，而是转移到了扩大军火生产上来。为获取足够的原料，阎锡山又发行纸币，回收铜元，用铜元化成铜料，再制成枪砲子弹，不仅保证了原料的供应，而且提高了军火产量。2.对外国兵工厂的依附。太原兵工厂与德国克虏伯兵工厂有着密切联系，阎锡山不惜重金从德国聘请来造砲工程师杜尔华、绘图工程师梯尔、电气工程师严鼐、造枪工程师查处土、炮弹工程师颜宝生以及工程师费尔、亥斯布尔根等，生产技术完全依靠他们。特别是太原兵工厂依靠造砲工程师杜尔华，设计了重砲厂，建成厂房210余间，其中就有当时山西省唯一的，最先进的钢筋混凝土结构的厂房建筑。并用50万（银元）从德国购回全套重砲厂设备200余部。兵工厂造砲的主要钢材也几乎全部是由克虏伯厂供应。3.包干制在兵工各厂中的实行。张书田由砲厂主任升为兵工厂公务处处之后，先以砲厂为试点，继而推广到兵工各厂中，加快了太原兵工厂的发展。
随着兵工厂的发展壮大，砲厂也进入顶峰时期。主任为刘以仁，下设山砲、野砲、重砲、铆工、木工、翻砂等6部。厂房、库房及八五规划室共计2000余间；各种工作机器830余部；职工人数达到3000余人，约占兵工厂总人数的五分之一。其中，监工、领工、工务员、事务员及雇员、练习生30余人。最高年产量为山砲1000门、八生六野砲25门、七生五山砲40门、十五生野砲20门。在16个分厂中，砲厂堪称精华。
1930年（民国十九年）冬，阎锡山与蒋介石作战失败，逃往大连。1931年初夏，失去支柱的太原兵工厂，因财政不济，遂大量遣散工人职员，万余人的兵工厂只剩2000余人。同时，取消太原兵工厂名称，撤销6大处。原工务处、核计处、稽查处、验收处合并，改组为太原修械所，所长由郭凤朝担任。所辖各厂名称依旧不变，生产基本陷于停顿。剩下的工人主要完成以前未完的军火武器、修理枪炮和拆洗机器，同时，零星试制社会用品，如丝扣量规、理发刀、理发推子、绘图仪器等。期间，砲厂人员缩减至300余人，仅为顶峰期的十分之一。
1931年8月，阎锡山在日本侵略军的护送下遣回山西。正当其处于山西人民与南京政府双方驱逐，进退两难之际，“9.18”日军侵华事变爆发。阎锡山利用群众抗日反蒋情绪，捣毁国民党山西省党部，将蒋介石的势力赶出山西，在山西做起了“土皇帝”。阎锡山以“造产救国”为口号，以“建设西北”为招牌，声称只埋头建设，不打内战，继而编制推出了《山西省十年建设计划案》。1932年（民国二十一年）1月开始筹建西北实业公司，8月，将太原修械所改组为壬申制造厂，厂长由郭凤朝担任，下设一、二、三科。第一科，科长刘以仁，管辖砲、炮弹、炸弹和水压机等4厂；第二科，科长周维丰，管辖步枪、机枪、枪弹、冲锋枪等4厂；第三科，科长赵莜三，管辖电气、铁工、木工、熔炼等4厂。同年，枪弹厂重新开始生产子弹，日产1万发。炮厂、枪厂也开始大量修复内战中损坏的武器。
1933年（民国二十二年）8月1日，西北实业公司正式成立。次年1月，壬申制造厂重新改组，改一、二、三科为工务、审核、设计、事务等4科。所辖各厂改组合并为6个分厂，统由工务科领导，工务科长刘以仁。6个分厂中，炮厂与水压机厂合并为第一分厂；炮弹厂与炸弹厂合并为第二分厂；步枪厂为第三分厂；枪弹厂为第四分厂；机关枪厂、木工厂、铁工厂、熔炼厂合并为第五分厂；、冲锋枪厂为第六分厂。
1934年（民国二十三年）9月,
壬申制造厂归属西北实业公司后，所属各厂调整划分为9个厂，统归西北实业公司机器局领导。壬申制造厂第一分厂因厂房、设备精良，承担了同蒲铁路施工所需中的铁路桥梁机具和机、客、货车的制造与修理，遂更名为西北机车厂。原壬申制造厂第一分厂中的水压机部分另设为西北水压机厂。改组后的机车、水压机、发电、化学、机械、铸造、铁工、育才炼钢厂、汽车修理厂、农工器具厂等10个厂均采取独立经营、自负盈亏的办法，各厂长的管理权限极大，因而积极性也大，对推动各厂的发展起了很大的刺激作用。1936年夏，西北实业公司重新改组，削弱了公司的技术领导部分，健全了经营部分，把各厂的购料、销售等业务收归公司管辖，厂长只负责完成生产任务，不管成本高低，各工厂实则已成为生产车间。
西北机车厂成立之日到1935年夏不足一年的时间内，共装配各式机车45台、货车260辆，并自制各种货车200辆、三等客车2辆。
1936年（民国二十五年）10月，原兵工系统改为西北各厂的10个分厂组合为西北制造厂，并分为18个分厂。张书田任总办。西北机车厂为第一分厂，下设机器部、钳工部、铁工部、木工部、翻砂部、修理部、盘簧部、检查部。同年开始试制机车，完成二六式机车两台。到1937年，西北机车厂职员110人、工人1700余人。厂房建筑1483间，各种主要设备800余部。这一时期，西北机车厂因有较大的设备，所以有能力为同蒲铁路装配机、客、货车，并且能自制客车和货车，筑路和行车所用的机具也能大批供给，因此，对同蒲路的早日完成，起了重大作用。
至抗战前，西北机车厂在从事铁路机、客、货车装配及路用机具生产的同时仍生产一些军火产品，并为西北钢铁厂制造厂房房架，为西北煤矿制造锅炉。
1937年（民国二十六年）11月9日，日军板垣部队侵占太原市，随即劫收了西北实业公司各厂。包括西北机车厂在内规模较大、设备较好8个工厂被拆卸一空。仅西北机车厂的造砲专用设备及一部分精密机械、西北熔化厂造枪弹的自动化设备和西北水压机厂全部压炮弹壳的设备就800余部，全部运走，只剩下3个工厂的厂房和数十部残留的机器。与此同时，日军鉴于交通运输在战争中的地位，积极恢复西北机车厂的修理能力。1938年3月19日，日军派第一铁道材料厂阿九井部队进厂开始整理。5月20日，日本铁道省有派车辆修理班若林部队进入协助整顿。1939年（民国二十八年）2月15日，若林部队解散，成立了华北事务局太原铁道工厂（军管理第14工厂），包括原西北机车厂、西北熔化厂、西北水压机厂，若林任厂长。4月17日，华北交通株式会社成立，太原铁道工厂归属其管辖，并更名为太原铁路工厂。日军侵占期间，先后从日本国内调来200余人占据所有领导岗位。1938年开始陆续从各地运来机械，并扩建厂房、扩大厂区面积。向西扩至印刷厂及西北窑厂以东；向北将面积较大的烧砖、炼瓦窑区域扩入；向东南将西北修造厂西部(电灯厂以东)及延伸的西北部部分区域扩入。1939年全厂总占地面积130339平方米，轨道延长线2640米。民国30年（1941年）1月31日推测数据，太原铁路工厂占地面积为35万平方米，轨道延长线7700米。民国33年（1944年）4月，太原铁路工厂实际总占地面积为358792.96平方米。民国32年（1943年）4月1日，厂内机械设备共计363部。经过日军改组，太原铁路工厂成为纯粹的机车车辆修理工厂。产品产量由1939年前后的每月修理机车3至5台、客货车20余辆，增加到1941年太平洋战争爆发前后每月修理机车32台、货车81辆，并能制造与修理锅炉、轨道摩托车、压道车、水泵及各种铁路附属设备等。期间，日军为提高运输能力，改石太线窄轨为准轨，太原铁路工厂担负了240辆窄规车改准规车的加工任务；1940年东晋线通车，又承担了修理车辆及制造给水设备的任务。
1945年（民国三十四年）8月15日，日军投降。9月1日，西北实业公司接收了山西产业株式会社所统属的各工厂，各厂厂名都恢复了抗战前的名称。接收时，西北机车厂总占地面积为358793平方米，临近的西北修造厂总占地面积为242673平方米。为适应战争需要，西北机车厂自行制造设备，增扩军火生产能力，并将主要设备和技术力量集中在制造大砲上。到1947年6月，制造各种机床97部，1948年又制造142部，同时，从其他厂及日本赔偿物资中调拨来机器97部，使全厂各处设备达到500余部。职工人数也又日军投降时的1200余人增加到1948年的2450人，其中职员150人、工人2300人。西北机车厂原有2000余间厂房，因美机轰炸和年久失修，大部分倒塌。抗战胜利后，西北机车厂首先将旧有的厂房、库房整理出1058间，继而又新建汽锤房、铸工房、给水室各1座，以后陆续又有添建，满足了生产需要。从1945年10月到1946年底，主要产品为：修理机车280台、客车84辆、货车760辆；改装装甲车11辆（列）、制造迫击砲345门修理山砲40门，此外，还制造了一些炮弹、修理了一些摩托车。1947年，随着反革命战争的失利，西北机车厂生产军火的比重逐渐增加，全年共生产山砲8门、修理各种山砲78门、生产手榴弹40万颗；改装装甲车18辆；仿制2-10-0过热蒸汽机车1台、修理机车145台、客车29辆、货车273辆。
1948年，解放战争更加激烈，西北机车厂全力转向军火制造，并以生产大砲为主。其中新制36式山砲113门、修理各式山砲320门；改装装甲车18辆。同时，生产了大量的手榴弹、掷弹筒、飞雷筒、黄磷弹等。而铁路用品大为减少，只修理了机车55台、货车55辆、客车2辆。
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