Учебное пособие «ТЕОРИЯ МЕХАНИЗМОВ И МАШИН»

Теория механизмов и машин
Учебное пособие «ТЕОРИЯ МЕХАНИЗМОВ И МАШИН»
Авторы: М.З. Коловский, А.Н. Евграфов, Ю.А. Семенов, А.В. Слоущ
(Допущено Министерством образования и науки РФ в качестве учебного пособия
для студентов высших учебных заведений)
Москва: Издательский центр «Академия», 2006. – 560с.
Эта книга базируется на курсе лекций, прочитанных авторами в течение ряда лет студентам-механикам в СанктПетербургском государственном политехническом университете.
Отличительной особенностью книги является глубокая проработка аналитических методов структурного, геометрического, кинематического и динамического анализа механизмов и машин. Эти
методы учитывают потребности современного машиностроения и
возможности современных компьютеров и пакетов прикладных
программ.
В последние десятилетия машиностроение развивалось быстрыми темпами, в нем происходили качественные изменения. В
частности, поиск новых технологий производства привел к появлению широкого класса многодвигательных машин. К существовавшим ранее подъемно-транспортным машинам добавились разнообразные роботы с открытыми и замкнутыми кинематическими
цепями, многооперационные станки с программным управлением, механизмы относительного манипулирования, всевозможные
позиционирующие платформы и т.д. Поэтому в книге наряду с
одноподвижными механизмами рассматриваются механизмы с
несколькими степенями подвижности.
Структурный анализ механизмов базируется на новом определении структурной группы, позволяющем рассматривать открытые и замкнутые кинематические схемы, которые не могут сводиться только к группам Ассура. В книге предложена оригинальная методика разделения механизма на
структурные группы, в основе которой лежит теория графов.
Ранее методы геометрического анализа механизма рассматривались применительно к простым
структурным схемам, поскольку более сложные схемы было невозможно рассчитать. Сейчас ситуация радикально изменилась, с применением ЭВМ решение уравнений геометрического анализа стало
возможно для самых сложных схем. В книге методы геометрического анализа сводятся к анализу
плоских и пространственных механизмов с открытыми и замкнутыми кинематическими цепями с одной и с несколькими степенями подвижности. Особое внимание уделено проблеме множественности
конфигураций механизма с несколькими степенями подвижности, связанной с неединственностью
решения задачи геометрического анализа, что имеет большое значение для разработки систем управления современными машинами.
Курс ТММ выступает, как известно, в двух ипостасях: во-первых, он дает представления о явлениях и процессах, происходящих в современных машинах и механизмах; во-вторых, он является
прикладной дисциплиной, дающей теоретические основы проектирования механизмов и машин, являясь тем самым частью конструкторской подготовки инженера. Решением уравнений для той или
иной модели не исчерпываются задачи курса ТММ как прикладной дисциплины. Конструктору необходимо на каждом этапе проектирования оценить качество разработанной конструкции и наметить
пути по ее улучшению. Это – чрезвычайно важная задача. Для ее решения необходимо располагать
критериями качества механизма или машины, связанными с их кинематическими и динамическими
свойствами, и уметь формировать оценки, соответствующие этим критериям. На каждом этапе проектирования должны выбираться свои критерии, отражающие те свойства механизма или машины, которые формируются на этом этапе.
На этапе выбора кинематической схемы механизма и его геометрических размеров критерии
качества должны иметь, в основном, геометрический и кинематический характер. Здесь важно оценить близость движения, реализуемого механизмом, к программному, требующемуся для выполнения
рабочего процесса (близость траектории некоторой точки звена, точность реализации выстоя рычажного механизма в окрестности крайнего положения и т.д.).
Вместе с тем в процессе разработки кинематической схемы механизма могут быть исследованы некоторые важные характеристики механизма, отражающие условия передачи сил. НеобходиТеория Механизмов и Машин. 2006. №2. Том 4.
95
Книги
мость их исследования обусловлена тем, что при неудачном выборе геометрических параметров механизма, удовлетворяющего кинематическим требованиям, он может оказаться неработоспособным
из-за возникновения недопустимо больших реакций в кинематических парах или из-за необходимости
создания очень больших движущих сил.
При техническом проектировании, после разработки конструкции механизма, необходимо проверить допустимость реакций, возникающих в кинематических парах, и нагрузок, возникающих в
звеньях передаточных механизмов. Здесь важно также оценить внутреннюю виброактивность механизма, т.е. уровень переменных возмущающих сил, возникающих при его движении и являющихся
причиной возбуждения упругих колебаний в передачах. Важным критерием является степень неуравновешенности механизма, уровень его внешней виброактивности, характеризуемой величинами главного вектора и главного момента сил, действующих на стойку. Наконец, критерием качества механизма является его КПД.
Современная машина состоит из двигателей, механической системы и системы автоматического управления. Традиционно изучение этих частей проводилось в различных учебных дисциплинах.
Объективным основанием для такого подхода являлась слабая динамическая связность частей машины, обусловленная существенной разницей их постоянных времени. В последнее время в связи с созданием быстродействующих систем управления и малоинерционных двигателей взаимное влияние
частей машинного агрегата стало настолько существенным, что без изучения характеристик двигателей, системы управления движением невозможно получить представление о поведении машины, ее
точности, быстродействии и т.д. На этапе исследования поведения машины в целом критерии качества должны характеризовать согласованность динамических свойств механической системы, двигателя
и системы управления движением. Здесь критериями качества являются чувствительность машины к
изменению рабочей нагрузки, устойчивость режима установившегося движения, динамические
ошибки законов рабочих органов, время и качество переходного процесса.
В книге излагаются методы расчета этих критериев качества, а также способы их улучшения.
Конструктор должен понимать, какие параметры машины влияют на те или иные критерии качества,
в каком направлении нужно изменять эти параметры или какие дополнительные устройства нужно
вносить в конструкцию, чтобы повысить качество машины. Откорректировав параметры системы,
конструктор должен иметь возможность, работая в диалоге с компьютером, быстро оценить эффективность этой коррекции.
В основе изучения процессов и явлений, происходящих в машинах, в основе методов проведения конструкторских расчетов лежит переход от реального объекта (механизма или машины) к его
расчетной схеме, физической модели. Важная задача курса ТММ – научить основным правилам этого перехода, основным требованиям, предъявляемым к модели: ее адекватности, математической разрешимости, максимальной простоты. При этом следует отметить определенную эвристичность процесса построения модели, необходимость использования различных моделей на различных этапах
проектирования машины, ограниченность всякой модели, формулировать условия перехода от более
простой модели к более сложной. Для построения физических моделей механизмов и машин приходится применять методы теории колебаний, теории автоматического управления, теоретической электротехники и гидравлики. В книге динамический анализ машинных агрегатов базируется как на моделях «жесткого» механизма, так и на моделях, в которых учитывается упругость звеньев и связей в
кинематических парах. Особое внимание уделяется динамике машин с системами управления движением, построенными по принципу обратной связи.
В книгу включено много задач. Некоторые из них решены подробно, другие имеют только ответы. Авторы полагают, что решение задач необходимо для полного понимания курса. Для того чтобы успешно овладеть предложенным материалом, читатель должен обладать определенным уровнем
знаний в области математики и теоретической механики. В целом этот уровень соответствует учебным программам высших технических учебных заведений России. Авторы надеются, что написанное
ими учебное пособие окажется полезным для студентов, аспирантов и научно-технических сотрудников, занимающихся проблемами теории механизмов и машин.
Авторы выражают глубокую признательность профессорам Г.А. Тимофееву, И.И. Вульфсону за
большую работу по рецензированию рукописи и ценные критические замечания.
При работе над рукописью книги особенно остро ощущалась тяжелая утрата Михаила Захаровича Коловского, роль которого в создании этой книги была определяющей. Долю участия каждого
из остальных авторов было бы трудно выделить.
Работа над книгой не завершается с публикацией. Авторы будут искренне благодарны читателям за критические замечания и предложения по улучшению книги, которые просим направлять по
адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29 или по электронному адресу:
[email protected].
96
http://tmm.spbstu.ru