CC BY
34
УДК 621.01 (574)
18 СТАНОВЛЕНИЕ И РАЗВИТИЕ НАУКИ ■ МЕХАНИКИ МАШИН В КАЗАХСТАНЕ
Г. Уалиев
Институт механики и машиноведения им. У А. Джолдасбекова, Алматы
Аталган макрла Казацстандагы аса танмчал крлданбалы механика-машина механикасыныц лсасалуы мен дамуына арналады.
Данная статья посвящена становлению и развитию одной из ветвей прикладной механики-механики машин в Казахстане.
The article considers the formation and development of one of the branches of applied mechanics - machine mechanics in Kazakhstan.
Одна из ветвей прикладной механики - механика машин - возникла в XVIII веке, когда количество, применяемых человеком, машин значительно увеличилось, и непрерывно изменялись их качественные характеристики. Если для XIX века, характерной была разработка методов анализа механизмов, то для первой половины XX века большое значение имело исследование и разработка методов синтеза механизмов, а для последнего десятилетия - вопросы динамики машин. Хотя простые механизмы и машины применялись еще во времена Архимеда, Герона, трактаты о машинах появились только XIII веке в работах Гоннек>ра, Бэкона, Альберта, Леонардо да Винчи, Галилея. Однако учение о машинах еще не было оформлено в науку.
В начале XVIII века инженерные школы начали открываться сначала в странах Западной Европы, а затем и в России - в Петербурге (1719г.), в Москве (1720г.).
В 1724г. в Лейпциге была издана первая книга Якоба Лейпольда под названием "Театр машины" и одновременно в Петербурге издана книга Г.Г.Скорняко-ва - Писарева "Механика или наука статическая", позже вышли мему ары Эйлера "О машинах вообще" и "Принципы теории машин", где впервые были указаны и изучены вопросы о совокупности силы, приводящей машину в движение, структура самой машины и силы сопротивления, преодолеваемые машиной. Позже вышли работы о механике машин ученых стран Западной Европы Л.Кар-
но, Г. Монжа, А. Бетанкура, М. Ашетта, Г.Кориолиса и первые учебники и программы курса о построении машин. Так, на рубеже XVIII в. и XIX вв. была создана новая наука - наука о машинах.
Создание русской школы механики машин связано с именем выдающегося математика и механика М.В.Остроградского. Его непосредственными учениками были И.А. Вышнеградский, Н.П. Петров, Н.Д.Брашман, Н.Е.Жуковский, П.Л.Чебышев, И.В.Мещерский, В.Л.Кирпичев.
К концу XIX в. в России прикладная механика была введена в число предметов, изучавшихся на физико-математических факультетах университетов. В области прикладной механики работали такие выдающиеся механики, как Н.Е.Жуковский, Н.И. Мерцалов, Л.В.Ассур, В.П. Горячкин, С.А.Чаплыгин, Д.С.Зср-нов, В.Л.Кирпичев.
Начиная с 1920г. фундаментальные исследования в области механики машин появляются в России и Германии, где превалируют вопросы кинематики и синтеза механизмов (Р.Бейер, Альт, К.Зикер, Р.Краус, позже в работах В.Лих-тенхельда. К.Лукка, Г.Кунада, Р.Фишера и др.).
После войны некоторые ученые Западной Европы вернулись на родину; но многие остались в США. В области теории машин и механизмов (ТММ) наиболее ранними являются теория зубчатых и кулачковых механизмов (Г.Рот-барт, РХинкль), синтеза шарнирных механизмов (Т.Гудмен, М.Голдберг, Ф.Фрей-денштейн, а позднее РГартенберг, Ж.Денавит, Ф.Кроссли, К.Росс и др.).
Первыми советскими учебниками по прикладной механике были учебники А.П.Малышева, Л.Б.Левенсона, В.В Арнольда, Л.П.Смирнова. Из школы В.П. Горячкина и Н.И. Мерцалова вышли академики И.И.Артоболевский, В.А. Же-лиговский, проф. С.И.Артоболевский и др.
Основными направлениями советской школы ТММ были: теория структуры и кинематики механизмов, синтез механизмов, динамика механизмов и машин. Основополагающие научные результаты в этих направлениях были получены в работах И.И.Артоболевского, А.П.Малышева, В.В.Добровольского, Н.Г. Бру-евича, Л.Н.Решетова, Н.И.Колчина, Г.Г.Баранова, Ф.Л. Дименберга, Н.И.Ле-витского, Черкудинова, С.И.Кожевникова, П.А.Лебедева, Н.А.Гавриленко, И.И.Вульфсона, Э. Пейсаха, К.Фролова, Л.Т. Дворникова и др.
В 1940г. И.И.Артоболевский впервые издал свой известный курс по теории механизмов и машин (сборник лекций, прочитанных им на механико-математическом факультете МГУ - этот курс читался в УШ-1Х семестрах).В этот период в стимулировании исследовательских работ особенно возрастает роль Семинара по ТММ при Институте машиноведения АН СССР, который в послево-
енные годы стал Центральным семинаром для советских ученых, работавших в области механики машин. Позже организовывались различные филиалы Центрального Семинара: с 1947г. в Ленинграде (руководили: Х.Ф. Кстов, М.В. Семенов, Г.А.Смирнов), с 1950г. в Харькове (Я.Л. Геронимус), с 1963г. в Киеве (С.Н.Кожевников), в Тбилиси (Д.С.Тавхелидзс), позже в Свердловске, Новосибирске, Ташкенте, Хабаровске и с 1971г. начал функционировать Казахский филиал семинара под руководством У.А.Джолдасбекова.
Каково же было 40 лет тому назад в КазССР состояние такой важной отрасли науки, как механика машин?
Единственный кандидат наук по теории механизмов и машин в Казахстане У.А.Джолдасбеков, получивший фундаментальное образование на мехмате МГУ, предвидел необходимость развития математических методов в механике машин. Он увидел и оценил нерешенные проблемы механики и впервые в СССР, после В.И.Доронина и др., начал заниматься решением задач, связанных с анализом механизмов высоких классов (МВК), и которым посвятил значительную часть своих исследований в дальнейшем.
После окончания мехмата У.А.Джолдасбеков пригласил меня на кафедру теоретической механики и ТММ КазГГГИ стажером-исследователем и через год прикомандировал в Институт машиноведения АН СССР. Так, в 1966г я оказался стажером-исследователем лаборатории теории колебания под руководством с.н.с. К В. Фролова (заведовал лабораторией проф. Ф.М. Диментберг). Помню, во время наших частых встреч в Москве, У.А.Джолдасбеков при случае меня знакомил с крупными учеными - машиноведами А.П.Бессоновым (лаб. динамики машин ИМаш), Я.И.Коритысским (лаб динамики текстильных машин), Н.П.Раевским (лаб.экспериментальной динамики машин ИМаш) и др. научными сотрудниками ИМаш и просил их оказывать мне помощь по мере необходимости. Так началась моя исследовательская работа (стажировка-аспирантура) под руководством У.А.Джолдасбекова в Москве и учеными ИМаш АН СССР.
Такую же неоценимую помощь в процессе руководства научными работами своих молодых учеников, УА.Джолдасбеков оказал Х.Р.Казыханову, Е.Р.Рахимову, К.С.Иванову, С А.Булаткулову, М.М.Джакашевой, Т.Омарову, К.Исакову и др., которых он с1966-67г.г. отправлял на стажировку и аспирантуру в ведущие научные центры, и вузы г. Москвы, Ленинграда, Киева, Севастополя, Новосибирска. Так, благодаря стараниям и заботе Великого нашего Омске, я и другие его ученики нашли свой путь в Большую Науку. Нашими руководителями были крупные ученые Москвы - В.А.Гавриленко (МВТУ, теория зубчатых передач), А.П.Бессонов (ИМаш, динамика роторных систем), Н.И.Лекитский
(ИМаш. синтез рычажных механизмов), Б.К.Кучеров (МВТУ, движение твердых тел); Украины - С.Н.Кожевников (Институт механики АН Украины, динамика тяжелых машин), С.Г. Кислицын (движение механизмов со сферическими парами), Ленинграда - П.А.Лебедев (аналитическая кинематика пространственных механизмов), Новосибирска - П. Алабужев (вибрационно-импульсные механизмы) и т.д.
Я здесь указал названия тематик научных направлений молодых Казахстанских исследователей - учеников Великого Омеке. Хочу особо здесь отметить, что, именно благодаря мудрости и дальновидности У.А.Джолдасбекова, Казахстан в начале 70-х годов, за сравнительно короткий срок, получил группу молодых перспективных ученых, прошедших обучение в различных ведущих научных школах СССР.
У.А.Джолдасбеков в 1971г. организовал Казахский филиал Всесоюзного Семинара по ТММ, издал русско-казахский терминологический словарь по машиноведению, издал первый учебник по ТММ на казахском языке и в 1974 году был выпущен первый специализированный научный журнал "Труды Казахского филиала по ТММ" под эгидой Научного Совета по машиноведению АН СССР. В редколлегию журнала входили кандидаты наук - ГУалиев, Е.Рахимов, К.Иванов, С.Булаткулов, Х.Казыханов.
Так происходило становление Казахстанской школы по ТММ под руководством У.А.Джолдасбекова.
Эти молодые ученые после окончания аспирантуры и защиты кандидатских диссертаций вернулись в Алматы к своему наставнику. В 1970г. на мехмате КазГУ У.А.Джолдасбеков организовал научно-исследовательскую лабораторию механики машин, а в 1973г. кафедру прикладной механики, где преподавателями начали работать Г.Уалиев, Х.Казыханов, Е.Рахимов, К.Иванов, Л.Слуцкий, М.Джакашева, Н.Я.Тер-Эммануильян, А.Амандосов, А.Айдосов и др.
Так, впервые в нашей Республике, начался выпуск специалистов по ТММ с фундаментальным университетским образованием.
Советская школа по ТММ, несомненно, являлась самой сильной и влиятельной в мире. Наука о механике машин и сегодня успешно развивается в России и других странах СНГ. Ее представители принимают активное участие во всех международных конгрессах, съездах и симпозиумах.
Этому свидетельствует признание мировой научной общественностью результатов фундаментальных научных исследований в области механики машин Российских ученых-машиноведов во главе академиком К.В.Фроловым, национальных школ по теории механизмов машин, созданных в странах СНГ выдаю-
щимися учеными: на Украине - член.корр. АН УССР С.Н.Кожевниковым, в Казахстане - академиком У.А.Джолдасбековым, Кыргызстане - академиком О.Д.Алимовым, Грузии - академиком Д.С.Тавхелидзе, Армении - академиком Ю.Л.Саркисяном, Латвии - академиком К.Рагульскисом и др.
В Институте механики и машиноведения им. академика У.А.Джолдасбекова (начало шестидесятые годы при Институте математики и механики АН КазССР) получены следующие важнейшие фундаментальные нау чные результаты:
Академиком У. А. Джолдасбековым и его учениками разработана общая теория механизмов высоких классов. На основе разработанных аналитических и численных методов анализа и синтеза МВК созданы принципиально новые механизмы и манипуляционные устройства, не имеющие аналогов в мировой практике и защищенные многочисленными авторскими свидетельствами СССР и патентами Англии, Италии, Польши. Это различные передвижные грузоподъемные устройства, фронтально-перекидные погру зчики с одним и двумя рабочими органами, устройства строительно-монтажных работ, универсальные погрузчики, грейферные механизмы, механизмы протезов рук и ног человека, манипуляторы и др.
Работе "Разработка теоретических основ и создание многоцветных ткацких станков типа СТБ высокой производительности и расширенных технологических возможностей", выполненной под руководством У. А. Джолдасбекова и Уалиевым Г., Ермоловым А., была присуждена Государственная премия КазССР в области науки и техники.
Циклы работ в области механизмов и манипуляционных устройств высоких классов (У.А.Джолдасбеков, М.Молдабеков, С.У.Джолдасбеков) удостоены Золотой медали им. В;Г. Шухова Международного и Российского союза научных и инженерных обществ, Золотой медали им. Хорезми (Иран).
Академику Г.Уалиеву за выдающиеся достижения в области естественной и технической продукции, а также за особые достижения в организации научно-технической и инновационной деятельности, активные содействие индустриально- инновационному экономики Казахстана Национальной инженерной академией РК присуждена премия и золотая медаль имени академика У А.Джолдасбекова (2004г.).
Подготовлено более 20 докторов и 50 кандидатов наук, опубликовано 32 монографии, получено 90 патентов дальнего и ближнего зарубежья, а также Республики Казахстан.
В настоящее время Институт механики и машиноведения имени академика У.А.Джолдасбскова работает над выполнением 2-х Программ фундаменталь-
ных исследований (ПФИ): "Теоретические проблемы механики тектонических процессов земной коры, разработки объектов нефтегазовой и горнорудной отрасли, подземного и транспортного строительства" (научный руководитель: академик НАН РК Ш.М Айталиев); "Разработка методов исследования динамики машин, манипуляционных роботов и систем управления технологическими процессами" (научный руководитель: академик НАН РК Г. Уалиев).
В рамках этих программ Институт координирует НИР и ОКР организаций-исполнителей, подведомственных Министерству образования и науки Республики Казахстан: Казахский национальный у ниверситет имени аль-Фараби, Казахский национальный технический у ниверситет имени К.И.Сатпаева, Казах-станско-Британский технический университет. Казахский государственный аграрный университет, КазАТК, НИЦ "Легпром", НИВЦ Национальной Инженерной академии и др.
Основными научными направлениями Института являются:
- аналитическая теория плоских и пространственных механизмов высоких классов и разработка на их базе принципиально новых машин, механизмов и манипуляционных устройств;
- динамика, прочность, надежность и устойчивость машин и систем с учетом нелинейности функции положения, переменности параметров и характеристик двигателей;
- автоматизированное проектирование и управление робототехническими системами;
- механика Земли как планетарного тела, вращение вокруг собственной оси и движение в поле тяготения других тел;
- космические исследования и природоресурсный мониторинг;
- механика природных и техногенных подземных процессов в Земле;
- теоретические основы расчета, проектирования и конструирования сейсмостойких сооружений, устойчивости глубоких и сверхглубоких скважин;
- наземно-спутниковые и альтиметрические исследования Каспия по обеспечению надежного фу нкционирования морской нефтегазодобычи.
Институт имеет аспирантуру и докторантуру по специальностям: 01.02.04-механика деформируемого твердого тела; 01.02.07-механика сыпучих тел, грунтов и горных пород; 01,02.06-динамика, прочность машин, приборов и аппарату ры; 05.02.18-теория механизмов и машин. По этим же специальностям в Институте успешно функционируют 2 докторских диссертационных совета.
Признанием на мировом у ровне крупных фундаментальных и прикладных дост ижений казахстанской науки в области механики является членство (с 1996г.)
и контакты Национального комитета РК по теоретической и прикладной механике с Международным союзом по теоретической и прикладной механике (НК по ТПМ)- ШТАМ, который объединяет механиков 49 стран мира. Штаб-квар-тира которого находится в США.
Признанием на мировом уровне крупных фундаментальных и прикладных достижений казахстанской науки в области машиноведения является членство (с 1993г.) и контакты Казахстанского Национального комитета по ТММ с Международной федерацией по теории механизмов и машин (1РТоММ), объединяющей комитеты 40 стран мира.
По перечисленным научным направлениям в области механики и машиноведения в 1991-2005 годах опубликовано 557 научных работ, в том числе 32 монографий, 90 пал-ентов дальнего, ближнего зарубежья и Республики Казахстан.
Были проведены и проводится совместные исследования с Дрезденским техническим университетом (Германия), университетом Киота (Япония), Новосибирским техническим у ниверситетом, Институтами машиноведения РАН и Кыргызстана, Институтом механики Украины, Институтом теоретической гидродинамики СО РАН Новосибирск, техническим университетом Санкт-Петербурга. академией нефти и газа имени Губкина, Техническим университетом Хемнитц, университетом Гаиновер (Германия), университетом Медлсекс (Англия), у ниверситет Миннисота (США), университетом Киюши (Япония).
В области фундаментальных исследований в ИММаш в настоящее время выполняются работы в лаборатории механики машин (зав.лаб. Г.Уалиев). Разработаны методы кинетостатического и динамического анализа механизмов нелинейными функциями положения, переменной структуры с существенно упругими звеньями на основе построения их динамических моделей. (Академик НАН РК Г. Уалиев).
Решены задачи динамического анализа многоконтурных плоских и пространственных рычажных механизмов с учетом нелинейных геометрических и избыточных связей, трения и зазоров в кинематических парах. Разработаны методы кинематического и кинетостатического анализа пространственных рычажных механизмов на основе использования векторных рекуррентных формул. (Академик НИА РК А.К. Тулешов ).
Получена оценка сходимости итерационного процесса приближенного метода анализа кинетостатики механизма с учетом сил трения. Разработаны методы определения начальных условий уравнений связи на основе модульного принципа анализа сложных систем и решения уравнений связи путем введения избыточно-обобщенной координаты.
Результаты теоретических исследований использованы при проектировании и создании новых механизмов и устройств для нефтегазовой отрасли и агропромышленного комплекса, защищенных авторскими свидетельствами и патентами. (Г. Уалиев, профессор П. Жунисбеков)
В лаборатории автоматизации проектирования механизмов и управления машинами (зав.лаб. академик НАН РК М.М. Молдабеков) разрабатывается методы анализа, синтез и основ алгоритмического обеспечения АСНИ и САПР, систем управления манипуляционными роботами и создание на их базе конструкций нефтегазового и горнорудного оборудования.
На основе спинорного преобразования трехмерного пространства разработаны методы анализа положений механизмов с вращательными и посту пательными кинематическими парами.
Разработаны методы кинематического синтеза ИКЦ со сферическими и вращательными парами по заданным положениям входного и выходного звеньев механизма. (С. Косболов).
Разработаны методы, алгоритмы и программы идентификации сборок рычажных механизмов (РМ) без применения теоремы Штурма. Найдены признаки сборок для механизмов высоких классов. Разработан методы автоматизации идентификации сборок перемещений механизмов высоких классов, позволяющая избежать трудоемких вычислений при определении всех сборок перемещений механизма. Выявлен признак сборок для РМ в виде интервалов изменения условной обобщенной координаты, внутри которых введенная функция невязки является монотонной. (М. Молдабеков, С. Мурушкин).
Разработаны методы, алгоритмы и программы аппроксимационного синтеза РМ без "дефекта ветвления" на основе Чебышевского и квадратического приближений. Разработаны методы синтеза РМ направляющего типа с непосредственным использованием выходного критерия, т.е. ошибки воспроизведения заданного движения. (С.Ибраев).
Составлена символическая формула манипуляционного робота параллельной структуры позиционирующего типа (МРПС ПТ) с жесткой платформой, состоящего из подвижной платформы, соединенной со стойкой при помощи одной пространственной кинематической цепи вида ВВВ, и двух пространственных кинематических цепей вида ВСС, где через В и С обозначены вращательная и сферическая кинематические пары. Предложена методика описания рабочей зоны МРПС ПТ с жесткой платформой с применением К-функций, состоящая из двух этапов. (Ж.Ж. Байгунчеков).
Созданы дискретные конечно-элементные механико-математические модели
по исследованию квазистатического напряженно-деформированного состояния МРПС ПТ с жесткой платформой с вращательными и сферическими кинематическими парами при упругих деформациях. (Ж.К. Масанов).
Для стационарного режима движения роторной системы найдено аналитическое решение, которое используется в качестве начального условия при численном решении задачи для нестационарного режима роторной системы с АБУ с учетом динамических характеристик двигателя. Получены зависимости амплитуды, момента двигателя, угловой скорости, сдвига фаз колебаний от времени при вариации параметров системы. (Е. Рахимов, А. Кыдырбекулы).
Результаты, полученные нами за последние годы, опубликованы в Трудах Международных конгрессов (Польша, Китай, Турция), съездов и конференций (Румыния, Шотландия, Япония, Москва, Улан-Удэ, Новосибирск, Пермь и др. странах СНГ) и трех монографиях.
В области прикладных исследований в настоящее время проводится научно-исследовательские ОКР с выходом на практическую реализацию. Так за последние 3 года созданы:
- опытный образец привода штанговых насосных установок (ШНУ) на основе новых преобразующих механизмов (патент РК №15043 от 10.08.2004г.), заменяющих станков-качалок с балансирами, исключающий большую металлоемкость (уменьшая - высота 2 раза, масса - 3 раза), низкий КПД (К.П.Д. увеличивается на 20%), необходимости массивного фундамента. Промышленное испытание намечено проводить совместно "НПК Мунай-Геосервис" (Г. Уали-ев, С М. Ибраев);
- комплекс расчетов и проведен системный анализ влияния тектонических разломов на сейсмичность и внедрения ее в практику проектирования Атма-тинского метрополитена (Айталиев Ш.М.);
- опытные устройства и машины на базе бесступенчатой передачи с системой управления (а.св. 1788365 СССР, патенты РК 647, 5061, 10530) применяемые в тра!лх)рах. комбайнах, автомобилях, станках-автоматах, для передачи энергии ог двигателей к исполнительным механизмам с большим К.П.Д. (П. Жунисбеков),
- опытные образцы виброоборудования для производства высокопрочных плит для укладки городских автомобильных и пешеходных дорог (А.К. Тулешов);
- опытные образцы гидростанции, которые показали хорошие результаты (5-6 кв.т.) в хозяйствах Жамбульской области;
- действующие погрузочно-разгрузочные установки по соглашению с Акта-уским морским портом.
рассказать молодым ученым и студентам о роли и месте выдающегося учено-го-механика, крупного организатора науки и образования в Казахстане - Умир-
беке Арислановиче в деле подготовки научных кадров высшей квалификации.
>
становления и развития Казахстанской школы по механике машин, полу чившей мировое признание.
