Большая советсткая энциклопедия Динамика машин и механизмов

Динамика машин и механизмов

Динамика машин и механизмов, раздел теории машин и механизмов, в котором 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 кинематических парах, уравновешивание машин и механизмов.

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

где М_п — приведённый момент; J_п — приведённый момент инерции; Р_п — приведённая сила; m_п — приведённая масса; M₁, M₂, P₂, P₃ — моменты и силы, приложенные к звеньям механизма; w₁, w₂ — угловые скорости звеньев; u_B, u_C — скорости точек В и С механизма; uS₂ — скорость центра тяжести звена 2; u_K — скорость точки К приложения силы P₂; a₂ — угол между векторами P₂ и u_K; a₃ — угол между векторами P₃ и u_C. Уравнение движения для данного случая:

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

Уравнения движения обычно являются нелинейными. Методов точного решения их не существует, поэтому пользуются приближёнными графическими, графо-аналитическими и численными методами интегрирования. Установить закон движения механической системы сложнее, если учитывать трение и зазоры в кинематических парах, упругость и переменность масс звеньев. Иногда, например при изучении быстротекущих процессов в машинах, некоторые внешние силы нельзя считать заданными, т.к. движение механизма может оказать обратное воздействие на характеристику этих сил. Например, в некоторых режимах с большими ускорениями нельзя принимать механическую характеристику электродвигателя как заданную зависимость момента на валу двигателя от угловой скорости, т.к. на этот момент существенное влияние могут оказать электромагнитные процессы в электродвигателе. В этом случае к дифференциальным уравнениям движения механической системы добавляют дифференциальное уравнение 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 периодическими 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 специальную массу — маховик. Необходимость регулирования неустановившегося движения возникает в том случае, когда, несмотря на непериодическое изменение внешних сил или масс, в механизме требуется поддерживать среднюю скорость звена приведения постоянной. Для этого на машину устанавливают специальные автоматические регуляторы. Основной задачей при этом является определение устойчивости движения системы машина — регулятор. Если же скорость какого-либо 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 оптимальных режимов движения машин (оптимальное управление). Например, определение движения с наибыстрейшим переходным режимом при ограниченном ускорении, т. е. оптимального по быстродействию, или движения с минимумом затрачиваемой в переходном режиме энергии, т. е. оптимального по потерям.

Нахождение непроизводительных потерь в машинах сводится к определению потерь на трение, которые являются основными и влияют на эффективность работы машин и механизмов. Степень использования энергии в машине оценивается механическим кпд.

Кинетостатический расчёт механизмов, выполняемый при известном законе движения механизма, производится определением реакций в кинематических парах от всех заданных внешних сил, а также сил инерции звеньев и сил трения в кинематических 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 динамические давления в кинематических парах механизмов. На практике осуществляют уравновешиванием машины на фундаменте (предотвращение вибраций) или уравновешиванием вращающихся масс — балансировкой. Инерционные силы в современных быстроходных машинах достигают больших значений. Переменные по величине и направлению силы инерции нарушают нормальную работу узлов машины, являются источником вибраций и шума, которые вредно воздействуют на обслуживающий персонал и нарушают нормальную работу др. механизмов и приборов. В вибрационных машинах рассчитывают условия создания интенсивных колебаний их исполнительных органов. Динамические исследования в машинах непосредственно связаны с расчётами на прочность и жёсткость элементов машин, которые 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 чешск., 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.