МАШИ́Н И МЕХАНИ́ЗМОВ ТЕО́РИЯ

МАШИ́Н И МЕХАНИ́ЗМОВ ТЕО́РИЯ (ТММ), раз­дел ма­ши­но­ве­де­ния, изу­чаю­щий ме­то­ды ис­сле­до­ва­ния и про­ек­ти­ро­ва­ния ма­шин и ме­ха­низ­мов. ТММ тес­но свя­за­на со мно­ги­ми на­уч. дис­ци­п­ли­на­ми (ма­те­ма­ти­кой, тео­ре­тич. ме­ха­ни­кой, со­про­тив­ле­ни­ем ма­те­риа­лов и др.). При этом во­про­сы про­ек­ти­ро­ва­ния на всех эта­пах пе­ре­пле­та­ют­ся с ре­ше­ни­ем за­дач уп­рав­ле­ния, ин­фор­мац. обес­пе­че­ния и ди­аг­но­сти­ки со­стоя­ния ма­ши­ны или ме­ха­низ­ма. Ме­то­ды ТММ яв­ля­ют­ся об­щи­ми прак­ти­че­ски для всех ме­ха­низ­мов и ма­шин.

За­да­чи ТММ очень раз­но­об­раз­ны, важ­ней­шие из них мож­но сгруп­пи­ро­вать по трём раз­де­лам: ки­не­ма­ти­ка ме­ха­низ­мов, в т. ч. син­тез ме­ха­низ­мов; ди­на­ми­ка ме­ха­низ­мов и ма­шин; тео­рия ма­шин-ав­то­ма­тов. Син­тез ме­ха­низ­мов за­клю­ча­ет­ся в вы­бо­ре ки­не­ма­тич. схе­мы ме­ха­низ­ма и оп­ти­ми­за­ции её па­ра­мет­ров, что яв­ляет­ся важ­ней­шим эта­пом про­ек­ти­ро­ва­ния и рас­чё­та, по­сколь­ку от пра­виль­но­го вы­бо­ра схе­мы в зна­чит. ме­ре за­ви­сит обес­пе­че­ние за­дан­ных ус­ло­вий функ­цио­ни­ро­ва­ния ма­ши­ны, а так­же её про­из­во­ди­тель­ность, на­дёж­ность и эко­но­мич­ность. Ка­ж­дый ме­ха­низм в за­ви­си­мо­сти от на­зна­че­ния и ус­ло­вий экс­плуа­та­ции дол­жен удов­ле­тво­рять ря­ду тре­бо­ва­ний, раз­но­об­раз­ных по фор­ме и со­дер­жа­нию. Все­гда мож­но ус­та­но­вить, ка­кое тре­бо­ва­ние яв­ля­ет­ся глав­ным для пра­виль­ной ра­бо­ты ме­ха­низ­ма, и в со­от­вет­ст­вии с этим вы­брать осн. кри­те­рий, по ко­то­ро­му оце­ни­ва­ет­ся его ка­че­ст­во. Осн. кри­те­рий син­те­за яв­ля­ет­ся функ­ци­ей па­рамет­ров ме­ха­низ­ма (на­зы­ва­ет­ся так­же функ­ци­ей-кри­те­ри­ем или це­ле­вой функ­ци­ей), ос­таль­ные тре­бо­ва­ния к не­му фор­му­ли­ру­ют­ся в ви­де ог­ра­ни­чи­ваю­щих ус­ло­вий на па­ра­мет­ры. Вы­бор осн. кри­те­рия оп­ре­де­ля­ет­ся на­зна­че­ни­ем ме­ха­низ­ма. Вы­бор схе­мы ме­ха­низ­ма и оп­ре­де­ле­ние его па­ра­мет­ров обыч­но вы­пол­ня­ют­ся пу­тём срав­нит. ана­ли­за разл. ме­ха­низ­мов для вос­про­из­ве­де­ния од­них и тех же дви­же­ний с ис­поль­зо­ва­ни­ем ком­пь­ю­тер­ных уст­ройств, что по­зво­ля­ет учи­ты­вать боль­шое ко­ли­че­ст­во ки­не­ма­ти­че­ских, ди­на­ми­че­ских и кон­ст­рук­тив­ных ог­ра­ни­че­ний, а так­же ре­шить слож­ные за­да­чи ки­не­ма­тич. ана­ли­за дви­же­ния ра­бо­чих ор­га­нов мно­го­звен­ных, с боль­шим чис­лом сте­пе­ней сво­бо­ды, ме­ха­низ­мов. В боль­шин­ст­ве ра­бо­чих ма­шин для пе­ре­да­чи дви­же­ния от дви­га­те­ля к ис­пол­нит. ме­ха­низ­му при­ме­ня­ют пе­ре­да­точ­ные ме­ха­низ­мы, в ка­че­ст­ве ко­то­рых ча­ще все­го ис­поль­зу­ют зуб­ча­тые пе­ре­да­чи. В свя­зи с этим в ТММ про­во­дят­ся ис­сле­до­ва­ния син­те­за зуб­ча­тых за­це­п­ле­ний, тео­рии и ме­то­дов про­ек­ти­ро­ва­ния слож­ных зуб­ча­тых ре­дук­то­ров с пла­не­тар­ны­ми и диф­фе­рен­ци­аль­ны­ми схе­ма­ми.

С рос­том на­гру­жен­но­сти и бы­ст­ро­ход­но­сти ма­шин и по­вы­ше­ни­ем тре­бо­ва­ний к их ка­че­ст­ву зна­чи­тель­но из­ме­ни­лось со­дер­жа­ние за­дач ди­на­ми­ки ма­шин: по­я­ви­лась не­об­хо­ди­мость учи­ты­вать уп­ру­гие свой­ст­ва звень­ев, за­зо­ры в по­движ­ных со­еди­не­ни­ях, пе­ре­мен­ность масс и мо­мен­тов инер­ции и т. п. Учёт уп­ру­го­сти звень­ев в ма­ши­нах по­зво­лил вы­явить ко­ле­бат. дви­же­ния в слож­ных ки­не­ма­тич. це­пях и оп­ре­де­лить ре­аль­ные на­груз­ки на зве­нья и ки­не­ма­тич. па­ры, дать ре­ко­мен­да­ции по демп­фи­ро­ва­нию воз­ни­каю­щих ко­ле­ба­ний и ме­то­дам пре­дот­вра­ще­ния ре­зо­нан­сов, ре­шать за­да­чи точ­но­сти ис­пол­не­ния за­дан­но­го за­ко­на дви­же­ния ме­ха­низ­ма. Тен­ден­ци­ей раз­ви­тия ма­ши­но­строе­ния яв­ля­ет­ся по­вы­ше­ние ра­бо­чих ско­ро­стей ма­шин. Это при­во­дит к уве­ли­че­нию ди­на­мич. на­гру­зок на зве­нья ме­ха­низ­мов и ра­бо­чие ор­га­ны ма­шин, а так­же к рос­ту уров­ня виб­ра­ций и по­ро­ж­дае­мо­го виб­ра­ци­ей шу­ма. В свя­зи с этим в ТММ уде­ля­ет­ся боль­шое вни­ма­ние сни­же­нию уров­ня виб­ра­ции и шу­ма ма­шин и раз­ра­бот­ке эф­фек­тив­ных средств виб­ро­за­щи­ты че­ло­ве­ка-опе­ра­то­ра. Од­ной из при­чин виб­ра­ции ма­шин яв­ля­ет­ся не­урав­но­ве­шен­ность ро­то­ров и ры­чаж­ных ме­ха­низ­мов, по­это­му в ТММ раз­ра­ба­ты­ва­ют­ся ме­то­ды ба­лан­си­ров­ки ро­то­ров и урав­но­ве­ши­ва­ния ры­чаж­ных ме­ха­низ­мов. На­ря­ду с вред­ным, воз­мож­но и по­лез­ное при­ме­не­ние ко­ле­ба­ний в виб­ра­ци­он­ных ма­ши­нах и виб­ра­ци­он­ных кон­вей­е­рах, для ко­то­рых ко­ле­бат. дви­же­ние ра­бо­че­го ор­га­на со­став­ля­ет осн. дви­же­ние, за­дан­ное на­зна­че­ни­ем ма­ши­ны. Про­ек­ти­ро­ва­ние их ба­зи­ру­ет­ся на ме­то­дах ана­ли­тич. ме­ха­ни­ки и не­линей­ной тео­рии ко­ле­ба­ний, ме­ха­ни­ки пе­ре­мен­ной мас­сы и тео­рии уп­ру­го­сти, что по­зво­ля­ет по­лу­чать ди­на­мич. кри­терии для рас­чё­та ме­ха­низ­мов по час­то­там и ам­пли­ту­дам ус­та­но­вив­ших­ся ко­ле­ба­ний, оп­ре­де­лять гра­ни­цы ус­той­чи­во­сти сис­тем и т. п.

Раз­ви­тие тео­рии ма­шин-ав­то­ма­тов и сис­тем ав­то­ма­тич. дей­ст­вия свя­за­но в осн. с со­вер­шен­ст­во­ва­ни­ем ме­то­дов по­строе­ния схе­мы сис­те­мы управ­ле­ния, оп­ре­де­ляю­щей со­гла­со­ван­ность дви­же­ния ис­пол­нит. ор­га­нов. При­ори­те­том яв­ля­ет­ся соз­да­ние ме­то­дов по­строе­ния са­мо­на­стра­и­ваю­щих­ся схем, в ко­то­рых про­грам­ма управ­ле­ния ав­то­ма­ти­че­ски кор­рек­ти­ру­ет­ся в со­от­вет­ст­вии с из­ме­не­ния­ми ра­бо­че­го про­цес­са. Так­же к тео­рии ма­шин-ав­то­ма­тов от­но­сит­ся про­ек­ти­ро­ва­ние про­мыш­лен­ных ро­бо­тов и раз­ра­бот­ка ме­ха­нич. уст­ройств ме­ха­трон­ных сис­тем (см. Ме­ха­тро­ни­ка).

Од­ной из важ­ней­ших за­дач ТММ яв­ля­ет­ся раз­ви­тие экс­пе­рим. ме­то­дов изу­че­ния ха­рак­те­ри­стик ма­шин и ме­ха­низ­мов, их тех­нич. ди­аг­но­сти­ка. Ис­сле­дова­ния про­во­дят­ся как на на­тур­ных объ­ек­тах (в ла­бо­ра­то­ри­ях, экс­плуа­тац. ус­ло­ви­ях), так и ме­то­да­ми ма­те­ма­тич. мо­де­ли­ро­ва­ния с ис­поль­зо­ва­ни­ем ком­пь­ю­те­ров; при этом осо­бое зна­че­ние при­об­ре­та­ют ис­сле­до­ва­ния ма­шин в ус­ло­ви­ях их про­из­водств. ра­бо­ты с ав­то­ма­тич. ре­ги­ст­ра­ци­ей и ком­пь­ю­тер­ной об­ра­бот­кой по­лу­чен­ной ин­фор­ма­ции. Раз­ра­бот­ка ме­то­дов тех­нич. ди­аг­но­сти­ки ма­шин ос­но­ва­на на вы­де­ле­нии объ­ек­тив­ных кри­те­ри­ев ка­че­ст­ва, оп­ре­де­ляю­щих ра­бо­то­спо­соб­ность и од­но­вре­мен­но при­зна­ки де­фект­ных со­стоя­ний ме­ха­низ­мов.

Историческая справка

Как нау­ка ТММ на­ча­ла фор­ми­ро­вать­ся в эпо­ху пром. ре­во­лю­ции 18 в., ко­гда воз­ник­ла не­об­хо­ди­мость в пе­ре­хо­де от еди­нич­но­го и мел­ко­се­рий­но­го про­из-ва к ма­шин­но­му. Со­от­вет­ст­вен­но воз­рос­ли тре­бо­ва­ния к ка­че­ст­ву тех­но­ло­гич. обо­ру­до­ва­ния и его про­из­во­ди­тель­но­сти, по­тре­бо­ва­лись ква­ли­фи­ци­ров. спе­циа­ли­сты для ре­ше­ния инж. за­дач. В 1794 в Па­ри­же Г. Монж ос­но­вал пер­вый тех­нич. уни­вер­си­тет (По­ли­тех­ни­че­скую шко­лу) и ввёл в курс на­чер­та­тель­ной гео­мет­рии раз­дел опи­са­ния ма­шин и их эле­мен­тов, да­лее пре­об­ра­зо­ван­ный в пер­вый в ис­то­рии инж. курс «Эле­мен­ты ма­шин», ко­то­рый объ­е­ди­нял «Де­та­ли ма­шин» и «Тео­рию ме­ха­низ­мов». В 1808 в Па­ри­же А. Бе­тан­кур и Х. М. Ланц (1762–1837), а в 1811 Ж. Ашетт (1769–1834) пред­ло­жи­ли пер­вую клас­си­фи­ка­цию ме­ха­низ­мов, в ос­но­ве ко­то­рой ле­жа­ло их раз­де­ле­ние по функ­цио­наль­но­му при­зна­ку. В 1853 П. Л. Че­бы­шев опуб­ли­ко­вал статью «Тео­рия ме­ха­низ­мов, из­вест­ных под име­нем па­рал­ле­ло­грам­мов», по­ло­жив­шую на­ча­ло цик­лу ис­сле­до­ва­ний по па­ра­мет­рич. оп­ти­ми­за­ции схем ме­ха­низ­мов. Ис­поль­зуя раз­ра­бо­тан­ные им ме­то­ды, он изо­брёл и спро­ек­ти­ро­вал свы­ше 40 но­вых ме­ха­низ­мов, осу­ще­ст­в­ляю­щих за­дан­ные тра­ек­то­рии дви­же­ния, а струк­тур­ная фор­му­ла пло­ских ры­чаж­ных ме­ха­низ­мов по­лу­чи­ла назв. фор­му­лы Че­бы­ше­ва. В 1875 нем. учё­ный Ф. Ре­ло (1829–1905) впер­вые дал оп­ре­де­ле­ние ки­не­ма­тич. па­ры и раз­ра­бо­тал гра­фич. ме­тод син­те­за со­пря­жён­ных про­фи­лей, из­вест­ный как ме­тод нор­ма­лей; он же на­пи­сал ряд ра­бот по струк­ту­ре (строе­нию) и ки­не­ма­ти­ке ме­ха­низ­мов. В 1886 рос. учё­ный Х. И. Гох­ман (1851–1916) од­ним из пер­вых опуб­ли­ко­вал ис­сле­до­ва­ние по ана­ли­тич. тео­рии за­це­п­ле­ния, в 1890 из­дал труд, став­ший фун­да­мен­том для тео­рии ки­не­ма­тич. пар. Зна­чит. вклад в раз­ви­тие ди­на­ми­ки ма­шин внёс Н. Е. Жу­ков­ский – ав­тор це­ло­го ря­да ра­бот по при­клад­ной ме­ха­ни­ке и тео­рии ре­гу­ли­ро­ва­ния хо­да ма­шин. В 1914 Л. В. Ас­сур от­крыл об­щую за­ко­но­мер­ность в струк­ту­ре мно­го­звен­ных пло­ских ме­ха­низ­мов, и сей­час при­ме­няе­мую при их ана­ли­зе и син­те­зе; он раз­ра­бо­тал так­же ме­тод «осо­бых то­чек» для ки­не­ма­тич. ана­ли­за слож­ных ры­чаж­ных ме­ха­низ­мов. Су­ще­ст­вен­ный вклад в ста­нов­ле­ние ме­ха­ни­ки ма­шин как цель­ной тео­рии ма­ши­но­строе­ния внёс И. И. Арт­обо­лев­ский – ос­но­во­по­лож­ник отеч. шко­лы ТММ, ав­тор мно­го­числ. тру­дов и учеб­ни­ков, по­лу­чив­ших все­об­щее при­зна­ние. Ре­ше­ние за­дач ТММ по­слу­жи­ло ос­но­вой для соз­да­ния но­вых раз­де­лов разл. на­ук (напр., за­да­ча о ре­гу­ли­ро­ва­нии хо­да ма­ши­ны по­ло­жи­ла на­ча­ло тео­рии ав­то­ма­тич. ре­гу­ли­ро­ва­ния). К кон. 20 в. ТММ эво­лю­цио­ни­ро­ва­ла от экс­перт­ной сис­те­мы (ана­ли­за ра­бо­то­спо­соб­но­сти ме­ха­низ­ма) к нау­ке о раз­ра­бот­ке об­щих прин­ци­пов про­ек­ти­ро­ва­ния ме­ха­нич. сис­тем, об­ла­даю­щих слож­ны­ми функ­цио­наль­ны­ми воз­мож­но­стя­ми.