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 з’єднань, 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 розв’язує 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. Олів’є, 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, пов’язаних 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 розв’язував 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 в’язі 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 від’єднання 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 розв’язав 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 об’єктів 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. з’їздів, 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 об’єктом 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 в’язів 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 розв’язав 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; розв’язання 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. зв’язки 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. Слов’янськ 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.

Завантажити статтю