Машинознавство

Визначення і загальна характеристика

МАШИНОЗНА́ВСТВО — комплекс наукових напрямів прикладної механіки, що досліджують різноманітні пита­н­ня машинобудува­н­ня, незалежно від сфери за­стосува­н­ня та цільового при­значе­н­ня машин. М. — складова мех. інженерії і ґрунтується на теорії механізмів і машин (ТММ). Її поділяють на наук. напрями, в яких роз­глядають такі про­блеми: властивості кон­струкц. матеріалів, міцність, взаємозамін­ність, стандартизація вузлів і деталей машин, зносо­стійкість, змащува­н­ня їхніх зʼ­єд­нань, технологічність кон­струкцій, ресурс роботи, вібро­стійкість, керува­н­ня машин та їхніх комплексів, зокрема автомат. дії, взаємодія з довкі­л­лям. М. встановлює закономірності побудови, роз­робляє методи теор. і екс­перим. дослідж. існуючих машин, їхніх систем і складових та роз­вʼязує пита­н­ня, що виникають у кон­структора чи дослідника під час створе­н­ня нових зразків техніки. Ви­вчаючи про­блеми роз­рахунку, проектува­н­ня та виготовле­н­ня машин, М. спирається на досягне­н­ня в обчислюв. техніці, гідравліці, аеро-, термо- та гідродинаміці, пневматиці, фіз. хімії, електротехніці, електроніці, механотроніці тощо. Термін «М.» уперше викори­став нім. учений Ф. Ґрасгоф у 2-й ч. кн. «Theoretische Maschinenlehre» («Теоретичне машино­знавство», Ляйпциґ, 1883). Наука про машини як самост. галузь знань виникла на поч. 19 ст. внаслідок накопиче­н­ня екс­периментально створених зразків техніки, пере­ходу виробництва від мануфактур. стадії роз­витку до машин­ної та появи нової галузі промисловості — машинобудува­н­ня. Виготовле­н­ня машин за допомогою машин вимагало від­повід. кадрів. Для їх під­готовки франц. математик Ґ. Монж заснував Париз. політех. школу (1794), що згодом стала потуж. світ. наук. і освіт. центром у галузі М. Дослідники Х.-М. Ланц і А. Бетанкур написали для студентів перший у світі під­ручник «Essai sur la com­position des machines» («Курс побудови машин», Париж, 1808). Пріоритет у становлен­ні М. та перших етапів його роз­витку належить ученим, які працювали на теренах Франції, — Ж. Ашет­ту, Ж. Баланжі, Б. Белідору, Дж. Борньї, Ж. Буру, А. Ґеніві, Л. Карно, Ґ.-Ґ. Коріолісу, Ш. Кулону, Ш. Лабулю, В. Манге­йму, Т. Олівʼє, Ж. Понселе, Ґ. Проні, С. Пуас­сону, А. Резалю, М. Шалему та ін. Ви­вче­н­ням структури складових частин машини, геом. синтезу механізмів, кінемат. аналізу та графіч. динаміки машин за­ймалися нім. та австр. машино­знавці Г. Альт, Ф. Віт­тенбауер, М. Ґрюблер, К. Кутцбах, Ґ. Лейбніц, Я. Лейпольд, Ґ.-Р.-Р. Мюл­лер і Ф. Рело. Ви­зна­н­ня отримали результати наук. дослідж. пред­ставників англ. школи механіки машин, а саме: Р. Віл­ліса, Г. Ґарта, Дж. Смітона, Ф. Ранкіна, С. Робертса, Д. Сильвестера та В. Фейрберна — у роз­роблен­ні теорій напрямних і складних зубчастих механізмів, зокрема із циклоїд. формою профілю зуба, міцності деталей машин, у ви­значен­ні поня­т­тя «механізм». Л. да Вінчі ще в епоху Від­родже­н­ня встановив, що будь-яку машину створюють з механізмів; йому належить пріоритет з екс­перим. ви­значе­н­ня коефіцієнта тертя ковза­н­ня. Швейцар. вчений-енциклопедист Л. Ейлер (1763, під час роботи в Берлін. АН) написав моно­графію «Principia theo­riae machnarum» («Принципи теорії машин»), в якій роз­глянув майже всі осн. пита­н­ня науки про машини. Науковці Рос. імперії та СРСР досліджували практично цілісний комплекс питань, повʼязаних з М. Засн. рад. школи ТММ І. Артоболевський — автор числен. праць зі структури, кінематики та синтезу механізмів, динаміки машин і теорії машин-автоматів, низки під­ручників та навч. посібників світ. значе­н­ня. Він також є одним із засн. рад. школи з теорії машин автомат. дії. А. Бес­сонов отримав раніше не ві­домі результати дослідж. динаміки механізмів зі змін. масою ланок та з теорії машин крокуючого типу. А. Благонравов ви­вчав військ. машини. В. Болотін досліджував механіку руйнува­н­ня при зро­стан­ні тріщин і накопичен­ні роз­сіяних по­шкоджень деталей машин, виготовлених з композитів. М. Бруєвич роз­робив методи аналізу точності положе­н­ня робочого органу машини, уточнив теорію керува­н­ня машинами. І. Више­градський побудував теорію регулюва­н­ня машин. С. Вяхірев — автор першої у СРСР моно­графії з теорії машин-автоматів. В. Горячкін створив теорію землероб. машин та їхніх робочих органів. Н. Гуліа заклав основи створе­н­ня екологічно чистих махович. двигунів. У. Джолдасбеков роз­робив нові методи аналізу та синтезу механізмів високих класів, шляхи вдосконале­н­ня ткац. машин. В. Дикушин роз­вʼязував проб­леми проектува­н­ня вер­статів і принципів їхнього агрегатува­н­ня, створив нові роз­рахунк. методики систем гідро­приводів у вер­статах з автомат. пере­налагодже­н­ням, зокрема з числовим про­грам. керува­н­ням. В. Добровольський дослідив пасивні вʼязі у механізмах та сферичні механізми. Л. Ейлер під час роботи у С.-Петербур. АН заклав основи теорії ре­актив. гідротурбін, об­ґрунтував пере­ваги евольвенти для за­стосува­н­ня як профіл. кривої зуба колеса. М. Жуковський під час проведе­н­ня аеродинам. роз­рахунків літаків увів виведену ним формулу для ви­значе­н­ня під­йом. сили крила, роз­робив спрощений метод динам. аналізу механізмів на основі на­званої його іменем теореми. М. Зорев заклав наук. під­ґрунтя процесів різа­н­ня твердо­сплав. ріжучим інструментом та стружко­утворе­н­ня при оброблен­ні метал. заготовок деталей з нових важкооб­роблюв. матеріалів. О. Ішлінський ви­вчив динаміку мех. систем з врахува­н­ням тертя та природу стрибкоподіб. рухів ланок, що ковзають одна по одній, роз­робив низку варіантів керува­н­ня баліст. ракетами без викори­ста­н­ня зовн. інформації. М. Кузнецов науково об­ґрунтував методики роз­рахунків і конструюва­н­ня авіа­двигунів та силових приводів з викори­ста­н­ням новіт. принципів і матеріалів. К. Колесников разом з учнями роз­робив теорію та методи стабілізації літал. апаратів, динаміку від­ʼ­єд­на­н­ня ступенів ракет; зробив внесок у ви­вче­н­ня ефекту від­веде­н­ня шини. І. Крагельський очолив наук. школу з триботехніки, від­крив ефект вибор. пере­носу як під­ґрунтя створе­н­ня кінемат. пар (КП) із самокомпенсацією зношува­н­ня їхніх елементів. Л. Кошкін створив теорію ротор. технол. машин і ліній. Т. Лоладзе дослідив напружено-деформов. стан ріжучої частини інструмента та процес стружко­утворе­н­ня металорізал. вер­стата. М. Ломоносов науково об­ґрунтував кон­струкції машин для виробництва скла та ви­пробува­н­ня матеріалів. І. Макаров роз­робив методи аналізу та проектува­н­ня систем керува­н­ня роботами, маніпуляторами й гнучкими автоматизов. виробництвами, а також принципи побудови та роз­рахунків тех. засобів автоматизації. О. Малишев вивів структурну формулу просторових механізмів. М. Мерцалов є одним із засн. динаміки машин і теорії просторових механізмів. Г. Ніколаєв має фундам. праці щодо роз­рахунків та проектува­н­ня звар. кон­струкцій у машинобудуван­ні, транс­порт. та енергет. техніці. І. Образцов роз­вʼязав пита­н­ня живучості деталей, виготовлених з композитів складної форми; створив теорію пружності та міцності елементів авіа­апаратів зі стріло- і клиноподіб. крилами, автоматизов. систему керува­н­ня екс­перим. стендами для дослідж. літал. систем; об­ґрунтував методи оптимізації кон­струкцій за критерієм досягне­н­ня за­даної надійності та живучості під час складних навантажень і режимів роботи. О. Озол за­пропонував принципово нову структурну формулу механізмів. Д. Охоцімський досліджував ракетні системи щодо оптимізації під­йому та корекції траєкторії польоту. Б. Петров ви­вчав теорію самопідналагоджув. систем та автомат. керува­н­ня. М. Петров роз­робив гідродинам. теорію змащува­н­ня КП. Ю. Работнєв ви­вчив процес руйнува­н­ня композит. і метал. деталей від температур. напружень, за­стосував у роз­рахунках елементів кон­струкцій теорію повзучості. Л. Решетов науково об­ґрунтував шляхи забезпече­н­ня само­установлюваності ланок у механізмах. П. Сомов удосконалив теорію щодо ступенів вільності просторового кінемат. ланцюга. Д. Тавхелідзе сформулював теорему щодо повного оберта­н­ня ланки просторового чотириланк. механізму. В. Уткін роз­робив методи оптимізації кон­струкц. схем продукції машинобудува­н­ня й екс­перим. дослідж. зразків нової техніки. В. Феодосьєв створив основи інж. роз­рахунків на міцність термонапруж. вузлів і кон­струкцій. К. Фролов сформулював задачі біо­механіки людини-оператора в умовах вібрац. дії машини та об­ґрунтував методи віброзахисту. О. Целіков вирішив наук. про­блеми конструюва­н­ня прокат. станів та ін. металург. агрегатів. В. Челомей ви­вчив динам. стійкість гідравліч. сервомеханізмів із золотник. роз­подільником, керував створе­н­ням обʼєктів авіац., косміч. та ракет. техніки. П. Чебишева вважають засн. рос. школи ТММ. Він першим дослідив структуру, за­пропонував оригін. метод на­ближеного геом. синтезу плоских механізмів і вивів для них формулу, що на­звана його іменем. С. Черкудінов роз­робив комплексні методи синтезу плоских шарнірно-важіл. механізмів. А. Чичинадзе створив теор. основи взаємодії частин машин і механізмів, що працюють в умовах тертя та зміни температури. Г. Шаумян за­ймався дослідж. про­блем машин автомат. дії. В. Щепетильников науково об­ґрунтував і реалізував методи нейтралізації негатив. впливу інерц. сил на рівномірність роботи машини. М. Ястржембський уточнив термінологію з приклад. механіки, за­пропонував свій метод побудови машин. Першою книгою російською мовою з М. є «Записки о приложеніи началъ механики къ изчисленію дѣйствія нѣкоторыхъ изъ машинъ наиболѣе употребительныхъ» Д. Чижова (С.-Петербургъ, 1823), де автор вперше ввів елементи роз­рахунків. З механіки машин ви­окремилася галузь — деталі машин, предмет якої на той час якнайкраще було висвітлено у кн. «Детали машинъ» П. Худякова (Москва, 1889). Пізніше вона отримала роз­виток у роботах О. Сидорова, М. Саверіна, Є. Тихомирова, Д. Решетова та ін. Для викона­н­ня дослідниц., наук.-організац. та ко­ординац. функцій 1938 створ. Ін­ститут машино­знавства АН СРСР (Москва). Науковцям Ін­ституту по­ставлено зав­да­н­ня виріше­н­ня осн. заг. про­блем, що стояли перед машинобудува­н­ням, зокрема збільше­н­ня продуктивності машин шляхом під­вище­н­ня їхньої швидкодії, покраще­н­ня керува­н­ня ними, зменше­н­ня втрат на тертя та зношува­н­ня елементів. Результати осн. наук. досягнень друкували в період. вид. «Динамика машин», «Машиноведение», «Механика машин», «Про­блемы машиностроения и автоматизация». Нині Ін­ститут видає ж. «Про­блемы машиноведения и автоматизации», «Про­блемы машиноведения и информации» та «Про­блемы машиноведения и надежности машин». 1969 організовано Між­нар. федерацію з ТММ з метою ко­ординації роз­витку науки про машини, планува­н­ня між­нар. зʼ­їздів, симпозіумів, обміну досві­дом під­готовки фахівців з М. Поміт. внесок у роз­виток цієї галузі науки зробили укр. вчені. В. Авдуєвський роз­робив методи гідродинам. роз­рахунків апаратів складної форми при обтікан­ні під великим кутом атаки у складних умовах взаємодії. О. Івахненко створив теорію систем, здатних самоорганізуватися або ними можна керувати за допомогою ЕОМ. О. Боголюбов ви­вчив історію роз­витку понять, термінів, явищ і тенденцій М. та видав низку книг на цю тему. Б. Бублик роз­робив теорію керува­н­ня мех. системами. Ю. Вєтров ви­значив умови ефектив. взаємодії ріжучої частини робочих органів машини з обʼєктом різа­н­ня. Б. Войцеховський дослідив імпульс. гідро­привід для руйнува­н­ня порід або обробле­н­ня метал. деталей машин. Я. Геронімус очолив харків. школу з ви­вче­н­ня питань ТММ, роз­робив оригін. метод геом. синтезу кулачк. механізму за умови опуклості кулачка. В. Глушков роз­робив теорію проектува­н­ня ЕОМ, керува­н­ня за її допомогою системами, а також умови їхньої самоорганізації. О. Голубенцев дослідив динаміку машин. агрегатів (з врахува­н­ням пружності ланок) при пере­хід. режимах екс­плуатації. Х. Гохман роз­робив класифікацію КП за кількістю накладених вʼязів та структурну формулу, що враховує не лише число рухомих ланок, КП, а й кількість за­мкнених ланками контурів. В. Кирпичов увів у навч. процес графічні та графоаналіт. методи викла­да­н­ня. А. Коваленко створив нові методи роз­рахунку елементів турбомашин. С. Кожевников удосконалив структурну теорію механізмів, методи дослідж. машин з роз­галуж. параметрами жорсткості ланок, пере­хід. процесів роботи важких машин, зокрема з пневмо­гідро­приводом. М. Комаров створив методику динам. аналізу процесу під­йому та опуска­н­ня вантажу під­німал. машиною. В. Кононенко встановив ефект зворот. впливу коливал. системи на привод. двигун. С. Корольов удосконалив теорію потуж. ракет. систем, організував та очолив колектив дослідників і кон­структорів для її реалізації. М. Лаврентьєв роз­винув метод побудови крила літака та роз­вʼязав задачу щодо його коливань. В. Лазарян дослідив стійкість руху екіпажів при взаємодії з колією. В. Лігін створив одес. наук. школу щодо дослідж. шарнір. механізмів. М. Остро­градський ви­вчив ударну дію снаряда на лафет гармати під час по­стрілу, створив наук. школу з приклад. механіки. Г. Павленко науково об­ґрунтував систему гравітац. дослідж. басейну для ви­пробува­н­ня моделей кораблів. Є. Патон створив наук. школу щодо теор. об­ґрунтува­н­ня та реалізації принципово нових процесів автоматизов. зварюва­н­ня під флюсом, електрошлакового, вибухом, мікрозварюва­н­ня та плазмово-дугового й електро­променевого пере­плаву металу. В. Потураєв роз­робив теорію вібромашин резонанс. типу, гірн.-транс­порт. засобів і технол. машин у взаємодії із сипучою гірн. породою. С. Серенсен ви­вчав про­блеми кон­структив. міцності матеріалів та створив наук. школу із цього напряму. К. Реріх одним з перших досліджував регулюва­н­ня період. коливань гол. вала машини. К. Тір створив Львів. центр з ви­вче­н­ня ТММ, науково об­ґрунтував роз­рахунки машин на базі викори­ста­н­ня інваріантів подібності. Л. Цехнович разом із С. Кожевниковим виявив принципово нову групу механізмів — із за­даним від­нос. рухом сусід. рухомих ланок; роз­робив методику динам. аналізу гібрид. електромех. агрегата як спільної системи. 1994 організовано Нац. комітет України з ТММ. Для висвітле­н­ня результатів теор. і екс­перим. дослідж. у таких галузях науки, як динаміка та міцність машин, конструюва­н­ня, роз­рахунок, ви­пробува­н­ня та надійність машин, систем приводів, тертя і зношува­н­ня в машинах, технології машинобудува­н­ня в Україні від 1997 започатковано спеціалізов. вид. — щомісяч. наук.-тех. ж. «Машино­знавство» (Львів). Серед актуал. про­блем М. — створе­н­ня сучас. уніфіков. автоматизов. роз­рахунків гібрид. машин та їхніх систем (пневмо­гі­дромех., електромех., електрогазомех. тощо) при автоматизов. керуван­ні; впровадже­н­ня досягнень інформ. технологій в оптимал. багатокритеріальне проектува­н­ня як складових частин машин, так і їхніх комплексів з пошуком рішень щодо оптимальності при­значе­н­ня, функцій, принципів дії, структур, параметрів та поведінки; роз­вʼяза­н­ня задач синтезу малошумних, екологічно чистих машин, зокрема за рахунок роз­робле­н­ня більш досконалих самопідналаджув. віброзахис. та балансувал. при­строїв; врахува­н­ня більшої кількості реал. факторів під час про­гнозува­н­ня зношува­н­ня елементів КП та захист від нього, зокрема за рахунок самовід­новле­н­ня; роз­робле­н­ня наук. основ ви­значе­н­ня доцільного викори­ста­н­ня композитів і створе­н­ня принципово нових матеріалів, зокрема за допомогою нанотехнологій, спроможних збільшити продуктивність (швидкодію) і термін екс­плуатації машин, що працюють у різних екс­тремал. умовах; створе­н­ня теор. бази для впровадже­н­ня самоадаптив. машин. комплексів як до зміни технол. процесу, так і дії в умовах попередньо не під­готовленого зовн. середовища, враховуючи реал. звʼязки техно­сфери з біо- та еко­сферою, у напрямку пере­ходу до викори­ста­н­ня роботів, штуч. інтелекту; викори­ста­н­ня найновіших фіз.-хім. ефектів і явищ для створе­н­ня принципово нових машин з більшими функцій. можливостями, рівнем надійності, автоматизації, гнучкості, пере­ходу до реалізації енерго-, ресурсо-, працеощадних екологічно без­печ. високих технологій, мінімізації ваги та габаритів елемент. бази, продовже­н­ня періодів автоном. дії та оптимізації режимів роботи; вдосконале­н­ня засобів орієнтації антропоморф. роботів у не про­гнозов. просторі за рахунок штуч. інтелекту. В Україні дослідж. у галузі М. здійснюють Машин і систем Ін­ститут (Харків); академ. установи: Електрозварюва­н­ня Ін­ститут ім. Є. Патона, Гі­дромеханіки Ін­ститут, Електродинаміки Ін­ститут, Кібернетики Ін­ститут ім. В. Глушкова, Механіки Ін­ститут ім. С. Тимошенка, Про­блем міцності Ін­ститут ім. Г. Писаренка, Про­блем матеріало­знавства Ін­ститут ім. І. Францевича (усі — Київ), Прикладних про­блем механіки і математики Ін­ститут ім. Я. Під­стригача, Фізико-механічний ін­ститут ім. Г. Карпенка (обидва — Львів), Прикладної математики і механіки Ін­ститут (2015 еваку­йов. з Донецька в м. Словʼянськ Донец. обл.), Про­блем машинобудува­н­ня Ін­ститут ім. А. Під­горного (Харків), Технічної механіки Ін­ститут, Чорної металургії Ін­ститут ім. З. Некрасова (обидва — Дні­про); також окремі вчені тех. ВНЗів. Від 1963 для викладац., н.-д. та кон­структор. роботи у Єреван. та Казах. (Алмати) університетах роз­почали під­готовку фахівців за спеціальністю «ТММ». Під­готовку укр. бакалаврів, магістрів і д-рів філософії з приклад. механіки за спеціальностями «Технологія машинобудува­н­ня», «Від­новле­н­ня деталей машин», «Зварювальне обладна­н­ня» тощо здійснюють у більшості тех. ВНЗів, а д-рів наук — в їхніх докторантурах із захистом дис. за спеціальністю «М.» у спец. радах нац. університетів: Хмельн., Одес. політех., «Львівська політехніка», «Київ. політех. ін­ститут». Курс ТММ входить у навч. плани усіх тех. навч. закладів не залежно від спеціалізації з певних видів машин.

Літ.: Машиностроение: В 6 т. Москва, 1961–64; Шаумян Г. А. Автоматы и автоматические линии. Москва, 1961; Писаренко Г. С. Рас­сеяние энергии при механических колебаниях. К., 1962; Боголюбов А. Н. История механики машин. К., 1964; Комаров М. С. Динамика механизмов и машин. Москва, 1969; Кожевников С. Н., Пешат В. Ф. Гидравлический и пневматический приводы метал­лургических машин. Москва, 1973; Волокнистые и дис­персион­но-упорядочен­ные композицион­ные материалы. Москва, 1976; Ис­следование задач машиноведения на ЭВМ. Москва, 1977; Артоболевский И. И., Генкин М. Д., Сергеев В. И. и др. По­становка и решение задач оптимального проектирования машин // Машиноведение. 1977. № 5; Крагельский И. В., Михин Н. М. Узлы трения машин. Москва, 1984; Робототехника и гибкие автоматизирован­ные производства: В 9 кн. Москва, 1986; Фролов К. Е., Пархоменко А. А., Усков М. К. Наука о машинах — основа машиностроения. Москва, 1987; Белоконев И. М. Механика машин. Расчеты с применением ЭЦВМ. Х., 1990; Павлище В. Т. Основи конструюва­н­ня та роз­рахунок деталей машин: Під­руч. К., 1993; Тернюк М. Е. Задачі теорії механізмів і машин // Теорія механізмів, машин і техно­сфера України XXI ст. Х., 1997; Кіницький Я. Т. Теорія механізмів і машин: Під­руч. К., 2002; Бондарів В. С., Дубинець О. І., Колесник М. П. та ін. Під­йомно-транс­порт­ні машини. Роз­рахунки пі­ді­ймальних і транс­портувальних машин. К., 2009; Архангельсь­кий Г. А., Вороб­йов М. С., Дубинець А. І. та ін. Деталі машин. Роз­рахунок і конструюва­н­ня: Під­руч. К., 2014; Вороб­йов М. С. Пер­спективні напрямки вдосконале­н­ня теорії машин. Ів.-Ф., 2015.

М. С. Вороб­йов

Завантажити статтю