Теорія механізмів та машин: наука та люди.
Спогади та роздуми.
Грунауер О. А., д.т.н., проф., завідував кафедрою ТММ ХПІ з 1968 по 1991 рік
(Статтю взято зі збірки «Вісник НТУ “ХПІ”» 53’2005)
Моє перше знайомство з кафедрою теорії механізмів та машин ХММІ ХПІ відбулося весняним семестре 1940-1941 навчального року. Правильніше, напевно, сказати, що у передвоєнному семестрі 1940-1941 навчального року.
Кафедрою тоді завідував проф. Я.М. Майєр. Він читав лекції нашому потоку. До цього часу під його керівництвом було створено і надалі запущено у виробництво двигун В-2, який став серцем неперевершеної тридцятьчетвірки. зі зрозумілих причин я дізнався про це значно пізніше.
Більш ранню історію кафедри знаю мало. Пам’ятаю лише, що до 1940 року кафедрою завідував проф. І.Є. Любарський, про наукові інтереси якого я дізнався зі спеціального номера інститутської багатотиражки “За кадри”, випущеного до 55-річного ювілею інституту. У цьому номері було вміщено дружній шарж на багатьох викладачів. Зокрема, професору Любарському були присвячені такі рядки:
“…але, кажуть, у його праці про планетарні механізми
є пункт один дуже кумедний – двосотвідсотковий ККД…”
Так вельми кумедно відреагував студентський поет на справді кумедну властивість планетарних механізмів: за деяких значень передавального відношення вони можуть мати ККД вище, ніж ККД відповідного зверненого механізму, але, звичайно ж, не вище 100%. Після складання заліку по ТММ за 4-й семестр та інших іспитів мені, як і багатьом студентам, довелося відкласти навчання на час війни.
Коли 1945 року я продовжив вивчення курсу ТММ, кафедрою завідував доц. Ю.В.Епштейн, людина дуже ерудована і енергійна. Саме завдяки цим якостям у ХММІ було відновлено та значно розширено навчальну лабораторію, створено кабінет курсового проектування, обладнаний креслярськими комбайнами, створено базу для проведення наукових експериментів.
Дуже велика увага приділялася на кафедрі вивченню та освоєнню співробітниками нових на той час методів вимірювання та реєстрації неелектричних величин електричними методами, розробці оригінальних датчиків – перетворювачів. Лабораторні роботи, що виконувались на кафедрі, пов’язані з основними розділами курсу. Проектував та “пробивав” їх виготовлення на дослідному заводі ХПІ інженер кафедри, дослідний конструктор, А. Д. Мукоєд. Виконані вони були настільки вдало, деякі з них почали випускатися МПО СРСР. На жаль, модель для демонстрації різних схем врівноваження головного вектора сил інерції кривошипно-повзунного механізму залишилася унікальним експонатом лише у ХПІ.
Ще в передвоєнні роки на небосхилі ТММ почала сходити зірка першої величини І. І. Артоболевський, який у 1946 році був обраний дійсним членом АН СРСР. Саме Артоболевський витяг із забуття роботи Л. В. Ассура за структурою, кінематикою та кінетостатикою плоских механізмів і докорінно змінив виклад цього розділу курсу ТММ у своєму класичному підручнику видання 1940 р. наприклад, розв’язання задач дослідження механізмів із чотириланковими групами викладено тут з використанням “ особливих точок Асура ”. це завдання в підручнику х. Ф. Кетова та н. І. Колчина видання 1939 вирішується значно складнішим методом “хибних положень”.
Багаторічна робота з використання та розвитку основоположних для ТММ ідей Л. В. Ассура отримала завершення у 1991 році, коли в офіційну термінологію було внесено термін “група Ассура”.
Однак повернемося до ХММІ. Ю.В.Эпштейн був гарячим прибічником використання ідей Л. У. Ассура, які послужили основою розробки загальних методів дослідження плоских механізмів. на основі цих методів і читався у ХММІ, а потім у ХПІ, курс ТММ. Природно, що за півстоліття з’явилися нові технічні можливості, і інженер змінив логарифмічну лінійку на персональний комп’ютер, але загальний підхід до вирішення завдання зберігся.
Бурхливий розвиток обчислювальної техніки, починаючи з 70-х років минулого століття (подумати страшно, якими одиницями виміру доводиться користуватися), дозволило замінити графічні методи вирішення багатьох завдань ТММ аналітичними, для чого потрібно розробити доступні для інженера-механіка алгоритми та показати можливість їх реалізації на існуючих ЕОМ.
Наприклад, для вирішення згадуваних вище завдань кінематики плоских механізмів зручним виявився метод проектування планів швидкостей та прискорень на координатні осі. Його застосування для механізмів із дволанковими групами Ассура було опубліковано ще 1980 року. цей метод викликав великий інтерес працівників кафедр ТММ Радянського Союзу, і для його поширення була використана система запрошення фахівців, що існувала тоді, у ВНЗ країни. Протягом 1981-1993 р. я побував у 13 містах у межах від Владивостока до Львова та від Іжевська до Алма-Ати, де читав лекції викладачам та студентам.
Колектив кафедри ТММ у 80-ті роки.
У ці роки комп’ютери на кафедрах ТММ були рідкістю і щоб забезпечити рішення студентами хоча б простих завдань, були розроблені програми для мікрокалькуляторів, розроблялися також програми і для ПК мовами Бейсік і Паскаль.
Завершенням робіт у цьому напрямі було узагальнення методу “проектування планів” на групи Ассура з кількістю ланок понад два. ці результати були повідомлені мною в 1995 р. на 9-му всесвітньому конгресі в Мілані, опубліковані в журналі та використані на кафедрі Технічного Університету Кайзерслаутерн для вирішення завдання кінематики робота типу “павук”.
Значним успіхом кафедри слід вважати розробку методу дослідження руху машинного агрегату, що встановився, з урахуванням механічної характеристики електродвигуна, що зв’язує таким чином розрахунки “механічних” та “електричних” процесів.
У всіх підручниках ТММ, виданих до 1994 р., під час викладення цього розділу робиться необґрунтоване припущення про сталість моменту двигуна, що призводить до значної похибки результатів розрахунку. Вперше на необхідність враховувати залежність моменту електродвигуна від швидкості обертання його валу вказав М. А. Скурідін. Однак складність отриманих ним формул ускладнювала його практичне застосування. Доц. В. П. Ізюмському та ст. пр. В. П. Заблоцькому вдалося знайти більш просте і, тим не менш, точніше рішення, яке надалі успішно використовувалося під час читання лекцій та в курсовому проектуванні.
Зазначу, що якщо не враховувати зв’язки між процесами різної фізичної природи, що мають місце під час роботи складних технічних систем, можна зіткнутися з якісно несподіваними і тому небезпечними процесами, що викликають аварії, а часом і катастрофи. До таких явищ відносяться флаттер і шиммі в авіації, обмінні коливання при роботі кількох дизельгенераторів на загальну мережу. з цією проблемою мені довелося зіткнутися суто практично. Є підстави вважати, що Чорнобильська катастрофа є результатом виведення складної фізичної системи, в якій протікають ядерні, електричні та механічні процеси на нерозрахунковий режим, який виявився нестійким.
У науковому плані робота кафедри зазнавала впливу двох найбільших в Україні фахівців у галузі ТММ: проф., доктора фіз.-мат. наук Я. Л. Геронімус та чл. кор. АН УРСР, проф. д.т.н. С. Н. Кожевнікова.
Проф. Я. Л. Геронімус домігся відкриття у Харкові філії семінару з ТММ Інституту машинознавства АН СРСР. Засідання семінару проходили регулярно на кафедрі ТММ ХММІ, а відтак і ХПІ. На них заслуховувалися доповіді працівників інститутів та заводів Харкова та інших міст. Керівником семінару з моменту його заснування у 1944 р. до 1981 р. був проф. Я. Л. Геронімус, який вирізнявся глибокими знаннями математики, теоретичної механіки та ТММ. Мене завжди вражала його здатність виділити головну ідею і фізичний зміст роботи, що доповідається, очистити її від словесних і математичних прикрас.
Дуже важливим засобом розвитку та поширення наукових ідей у галузі ТММ у межах України, Союзу та за кордоном була організація Республіканського міжвідомчого науково-технічного збірника “ТММ”, до редакційної колегії якої входили найбільші в цій галузі знання фахівці України.
Редакторами збірки з моменту його заснування у 1966 р. та до 1994 р. послідовно були Я. Л. Геронімус, С. Н. Кожевніков та автор цих рядків. Засідання редакції збірника проводилися поперемінно на кафедрах різних вузів України, що дозволяло розширити обсяг корисної інформації, яка отримується як “гостями”, так і “господарями”. Робота в редакції збірки дозволила мені познайомитися з характером “інженерного мислення” С. Н. Кожевнікова, який блискуче доводив свої теоретичні викладки до прикладних рішень, що включають конструктивні, експлуатаційні та технологічні, а часом і монтажні вимоги до машини. Все це було можливим завдяки поєднанню глибокого знання математики, механіки та практичного досвіду як на рівні інженера, так і робітника.
Саме роботи С. Н. Кожевнікова дали початковий поштовх до вирішення задачі оптимального синтезу кулачкових механізмів. У цьому випадку завдання містить як варіаційну для визначення профілю кулачка, так і параметричну частину, і ускладнюється тим, що сила опору залежить від хвильових гідродинамічних процесів у трубопроводі між насосом і форсункою, а отже, і від швидкості штовхача. У ході рішення мають бути враховані вимоги робочого процесу дизеля, обмеження експлуатаційного, технологічного та міцності.
Ці роботи виконувались А. Л. Григор’євим, А. А. Зарубіною, І. М. Вештаком, С. І. Королем за участю доц. І. І. Тартаковського, ст. н. с. Р. А. Ланіс та В. Н. Погарського. Вони отримали своє завершення у докторській дисертації А. Л. Григор’єва у 2004 р.
Я добре запам’ятав висловлювання Я. Л. Геронімус, що найкращим рішенням технічного завдання є рішення за допомогою чотирьох дій арифметики. Мені завжди здавалося, що найкрасивішим є результат наукової роботи, який легко перевіряється “на пальцях”. Прикладом цього може бути дискусія про характер сил тертя в регуляторах швидкості дизелів.
До 40-х років були відомі дві математичні моделі системи прямого регулювання, описані Н. Є. Жуковським та І. А. Вишнеградським. Перший ґрунтувався на припущенні, що у механізмі регулятора діють сили сухого тертя. Другий враховував лише сили в’язкого тертя. Роботи, виконані у цьому напрямі під керівництвом акад. В. Н. Жолтинського, ґрунтувалися на теорії Н. Є. Жуковського. Звідси випливало, що рейка паливного насоса має бути нерухома, коли коливання навантаження на двигун не виходять за межі “зони застою”.
Засідання вченої ради ХММІ у м. Красноуфимську 1943 р.
У всіх роботах ЦНІДІ використовувалася теорія І. А. Вишнеградського. І тут система регулювання лінійна, і “зона застою” у ній відсутня.
Ретельні експерименти показали, що навіть при постійному навантаженні рейка робить високочастотні коливання. Демонстрація В.М. Жолтинському цього явища на стенді ЛТКД викликала в нього здивування та сумнів у “чистоті” експерименту. Сумніви були розсіяні, коли я, ризикуючи, звичайно, пустити двигун у рознос, притиснув пальцем рейку до корпусу насоса і повністю погасив її коливання, що відразу відзначив “зайчик” на екрані осцилографа. Цей найпростіший експеримент однозначно визначив необхідність використовуватиме дослідження систем регулювання швидкохідних дизелів теорію І. А. Вишнеградського.
Ще одна дослідницька робота, в якій я брав участь, мала не лише “гарний”, а й повчальний результат. У середині 60-х років ХТЗ став отримувати рекламації, пов’язані з поломками ВОМ трактора нової моделі під час роботи з дощувальною машиною. У ті роки газети були сповнені статтями про поливне землеробство, і тут – на тобі – незрозумілі поломки валу приводу дощувальної машини. І найнеприємніше, що їх не дуже багато, і закономірність їх появи незрозуміла. Але вони повторюються, і злам завжди має чітко виражений втомний характер. Завод звернувся до ХПІ з проханням знайти причину поломок та дати рекомендації щодо їх усунення.
Перевірка заводських розрахунків на втомну витривалість показала їх повну бездоганність. Потім перейшли до експериментального визначення напруги на небезпечній ділянці валу. Завод виділив для цієї мети новий трактор, на кафедрі тракторобудування його обладнали необхідними засобами вимірювань та почали шукати небезпечний режим роботи з дощувальною машиною. Але, як ми не намагалися, ми не могли знайти цей режим.
Після довгого та марного перекладу осцилографічного паперу настав день, коли потік сальник дощувальної машини, і його знадобилося розібрати. Звичайно, був розібраний і карданний привід, що з’єднує ВОМ з дощувальною машиною. Після ремонту все було зібрано заново, і раптом, про радість, осцилограф показує приблизно 5-кратну навантаження ВОМ моментом, що змінюється по синусоїді з частотою, що дорівнює подвоєній частоті обертання валу. Значить, перевантаження – це результат неправильного складання карданного приводу. І тут тільки ми звернули увагу, що його середня ланка була виконана з двох труб квадратного перерізу, вставлених одна в іншу так, що вони могли передавати крутний момент і змінювати відстань між вилками кардана, закріпленими на кінцях цих труб, тобто працювати як спрощене шліцеве з’єднання. Але така конструкція допускала два варіанти складання кардану: або так, що виделки на середній ланці паралельні між собою, або так, що вони схрещуються під кутом 90 °. Перший варіант складання забезпечує нормальну роботу механізму, другий перетворює його на генератор крутильних коливань, які і призводили до поломок слабшого провідного валу.
Тому висновки по всій темі містили лише одну пропозицію: слід замінити квадратний переріз проміжної ланки на прямокутне, що унеможливлює неправильне складання.
(Можна було б, звичайно, на пакувальних ящиках дощувальних машин писати: «ПЕРЕД ЗБІРКОЮ ПРОЧИТАЙ ІНСТРУКЦІЮ», але хто ж такі написи, а тим більше, інструкцію, читає).
Підбиваючи підсумки, можна сказати, що у кожного в житті свій критерій удачі. Мені здається, вдале завершення обраної чи дорученої роботи і є найвищим успіхом незалежно від галузі діяльності та посади.
Не менше задоволення, ніж від описаних вище наукових праць, я отримував від виявленої причини аварійної зупинки турбіни, і від ремонту важкого дизеля, і від того, що вдалося виручити недосвідченого мотоцикліста, запустивши двигун мотоцикла або від того, що мені доручили виточити першу на завод макетної гільзи двигуна В-2.
…Такі спогади та роздуми завітали до мене, коли цього року рідна кафедра звернулася з проханням поділитися ними з дорогими моєму серцю політехніками, вітаючи їх зі 120-річчям ХПІ та 85-річчям кафедри ТММ.