ДИНАМИКА МАШИН И МЕХАНИЗМОВ

ДИНАМИКА МАШИН И МЕХАНИЗМОВ, раздел теории машин и механизмов, в к-ром изучается движение механизмов и машин с учётом действующих на них сил. Д. м. и м. решает следующие основные задачи: установление законов движения звеньев механизмов, регулирование движения звеньев, нахождение потерь на трение, определение реакций в кинематич. парах, уравновешивание машин и механизмов.

Определение законов движения звеньев механизма по заданным характеристикам внеш. сил решают с помощью дифференциальных ур-ний движения механич. системы или машинного агрегата, состоящего обычно из двигателя, передаточного механизма, рабочей машины и иногда управляющего устройства. Число ур-ний равняется числу степеней свободы этой механич. системы. В плоских механизмах с одной степенью свободы для удобства решения задачи все силы и массы приводят к одному звену или точке механизма, к-рые наз. звеном приведения или точкой приведения. Условный момент, приложенный к звену приведения, наз. моментом приведения. Момент приведения равен совокупности всех моментов и сил, приложенных к звеньям механизма. Условный момент инерции звена приведения наз. приведённым моментом инерции. Кинетич. энергия звена приведения равна сумме кинетич. энергий всех звеньев механизма. Аналогично определяют приведённые силу и массу в точке приведения (рис., а):

где Мп - приведённый момент; j_п -приведённый момент инерции; Р_п -приведённая сила; m_п - приведённая масса; M₁, М₂, P₂, Р₃ - моменты и силы, приложенные к звеньям механизма; w1, w2 - угловые скорости звеньев; v_B, v_c- скорости точек В и С механизма; vS₂ - скорость центра тяжести звена 2; v_K - скорость точки К приложения силы Р₂; a₂ - угол между векторами Р₂ и v_K‘, a₃ - угол между векторами Р₃ и v_c. Ур-ние движения для данного случая:

т. е. Мп в общем случае зависит от времени, положения, скорости.

Действие сил и моментов кривошипно-ползуиного механизма (а) в звене приведения (б) и в точке приведения (в): 1- кривошип; 2 - шатун; 3 - ползун; М - приведённый момент М_п; А-неподвижная опора.

Ур-ния движения обычно являются нелинейными. Методов точного решения их не существует, поэтому пользуются приближёнными графич., графо-аналитич. и численными методами интегрирования. Установить закон движения меха-нич. системы сложнее, если учитывать трение и зазоры в кинематич. парах, упругость и переменность масс звеньев. Иногда, напр. при изучении быстротекущих процессов в машинах, нек-рые внеш. силы нельзя считать заданными, т. к. движение механизма может оказать обратное воздействие на характеристику этих сил. Напр., в нек-рых режимах с большими ускорениями нельзя принимать механич. характеристику электродвигателя как заданную зависимость момента на валу двигателя от угловой скорости, т. к. на этот момент существ. влияние могут оказать электромагнитные процессы в электродвигателе. В этом случае к дифференциальным ур-ниям движения механич. системы добавляют дифференциальное ур-ние электромагнитных процессов в электродвигателе и решают их совместно.

Вопросы регулирования движения машинного агрегата и управления им рассматриваются в теории регулирования. Различают неустановившийся, переходный и установившийся режимы движения. При установившемся режиме скорости точек механизма являются пери-одич. функциями времени или положения или остаются постоянными. Регулирование установившегося движения сводится к обеспечению угловой скорости звена приведения, не превышающей допустимого отклонения от её значения. Для этого рассчитывают и устанавливают на машину спец. массу - маховик. Необходимость регулирования неустановившегося движения возникает в том случае, когда, несмотря на непериодич. изменение внеш. сил или масс, в механизме требуется поддерживать ср. скорость звена приведения постоянной. Для этого на машину устанавливают спец. автоматич. регуляторы. Осн. задачей при этом является определение устойчивости движения системы машина -регулятор. Если же скорость к.-л. звена (или др. параметра) нужно изменять по заданному закону (программе), то в машину встраивают программное устройство. Примером может служить программное управление металлорежущими станками. Конкретная задача, рассматриваемая теорией регулирования, -отыскание оптим. режимов движения машин (оптим. управление). Напр., определение движения с наибыстрейшим переходным режимом при огранич. ускорении, т. е. оптимального по быстродействию, или движения с минимумом затрачиваемой в переходном режиме энергии, т. е. оптимального по потерям.

Нахождение непроизводит. потерь в машинах сводится к определению потерь на трение, к-рые являются основными и влияют на эффективность работы машин и механизмов. Степень использования энергии в машине оценивается механич. кпд.

Кинетостатич. расчёт механизмов, выполняемый при известном законе движения механизма, производится определением реакций в кинематич. парах от всех заданных внеш. сил, а также сил инерции звеньев и сил трения в кинематич. парах. Значения этих реакций входят в расчёты звеньев на прочность и необходимы для подбора подшипников и расчёта их смазки.

Уравновешивание машин и механизмов осуществляется рациональным подбором и размещением противовесов, снижающих динамич. давления в кинематич. парах механизмов. На практике осуществляют уравновешиванием машины на фундаменте (предотвращение вибраций) или уравновешиванием вращающихся масс - балансировкой. Инерц. силы в совр. быстроходных машинах достигают больших значений. Переменные по величине и направлению силы инерции нарушают нормальную работу узлов машины, являются источником вибраций и шума, к-рые вредно воздействуют на обслуживающий персонал и нарушают нормальную работу др. механизмов и приборов. В вибрационных машинах рассчитывают условия создания интенсивных колебаний их исполнит. органов. Динамич. исследования в машинах непосредственно связаны с расчётами на прочность и жёсткость элементов машин, к-рые проводятся с целью выбора размеров и конструктивных форм деталей. Методы таких расчётов обычно излагаются в учебных дисциплинах: сопротивление материалов, динамика сооружений, детали машин.

Динамические исследования проводят также для пространственных механизмов со многими степенями свободы. Системы подобного типа обладают большой универсальностью выполняемых операций.

См. также Машин и механизмов теория. Динамика сооружений, Кинетостатика механизмов. Сопротивление материалов, Пространственный механизм.

Лит.: Кожешник Я., Динамика машин, пер. с чешек., М., 1961; Зиновьев В. А., Бессонов А. П., Основы динамики машинных агрегатов, М., 1964; Артоболевский И. И., Теория механизмов, 2 изд., М., 1967; Кожевников С. Н., Теория механизмов и машин, 3 изд., М., 1969.

И. И. Артоболевский, А. П. Бессонов.