Снижение низкочастотной вибрации. Низкочастотные вибрации. Характерные спектрограммы низкочастотных вибраций. Влияние вибрации на женский организм

Основной особенностью низкочастотной вибрации является то, что под действием вынуждающей силы машина или ее элементы колеблются как единое целое. При математическом описании таких колебаний объект диагностирования может быть представлен конечным числом жестких тел с упругими связями между ними, т.е. системой с сосредоточенными параметрами. В зависимости от размеров и сложности формы машин или оборудования низкочастотные колебания имеют частоты ниже 100...300 Гц. Однако эта граница может несколько меняться в зависимости от частот колебательных сил, действующих в машине.

Рис. 4 а. Механизм как простейшая колебательная система

Под действием гармонической вынуждающей силы F(t) с амплитудой F 0 он совершает одномерные в вертикальном направлении колебания, описываемые дифференциальными уравнениями второго порядка вида:

где m - масса механизма; С - суммарная жесткость виброизоляторов;

R м механическое сопротивление, определяющее активные потери колебательной энергии; y(t) - смещение инерционного элемента от положения равновесия; инертные силы,- силы трения, Cy(t) - упругие силы, F(t)=F 0 cos щt - вынуждающая сила.

Колебания организма будут также гармонического вида:

Амплитуда колебаний без учета активных потерь, когда имеет вид:

где F 0 /C=Y ст статистическая деформация виброизоляторов под действием силы тяжести; собственная частота колебаний механизма на виброизоляторах.

Таким образом, амплитуда низкочастотных колебаний механизма Y 0 зависит от параметров вынуждающей силы (ее амплитуды F 0 и частоты щ и от параметров канала передачи (суммарной жесткости виброизоляторов С и собственной частоты колебаний механизма на виброизоляторах щ 0).

На рис.4 б показана зависимость амплитуды низкочастотных колебаний механизма от частоты при постоянной амплитуде вынуждающей силы. Как видно из рисунка, на резонансе (собственная частота щ 0) амплитуда колебаний резко увеличивается. Активные потери в упругих элементах ограничивают амплитуду резонансных колебаний (рис.4 б, пунктирная линия).

Низкочастотная вибрация механизмов, машин и оборудования содержит преимущественно гармонические составляющие, создаваемые вынуждающими силами, часть которых зависит от технического состояния объектов. Диагностическими параметрами низкочастотных составляющих вибрации чаще всего являются амплитуды колебаний на определенных частотах, пропорциональные величине соответствующих вынуждающих сил. Иногда в качестве диагностического параметра используется величина собственной частоты колебаний щ 0 , характеризующая, в первую очередь, свойства упругих элементов.

Выше были рассмотрены особенности одномерных гармонических колебаний. На самом деле объект имеет в пространстве шесть степеней свободы (три поступательных и три вращательных). Сравнение колебаний по каждой из них, а также сопоставление соответствующих им собственных частот дает возможность расширения объема диагностической информации, получаемой из анализа низкочастотной вибрации.

Основные трудности диагностирования машин и оборудования по низкочастотной вибрации связаны, во-первых, с тем, что не все элементы имеют упругие связи, т.е. не все установлены на виброизоляторах, что значительно усложняет описание колебательной системы. Во-вторых, собственные частоты элементов машин или оборудования точно неизвестны, а от их величин в значительной степени зависит амплитуда колебаний, являющаяся, как правило, основным диагностическим параметром.

Низкочастотная вибрация (НЧВ)

Низкочастотной называют вибрацию турбоагрегата с частотой, близкой к половине рабочей частоты. Она возникает при потере устойчивости вращения вала. Случайно появившееся отклонение вала от состояния устойчивого вращения вызывает появление сил, которые поддерживают эти отклонения и даже усиливают их. Такой вид колебаний называют автоколебаниями . Жесткие роторы практически не подвержены НЧВ. Практически все гибкие роторы имеют первую критическую частоту, примерно равную половине рабочей частоты вращения ротора. Одной из особенностей автоколебаний является их гистерезисный характер, когда формируется пороговое значение мощности турбоагрегата, выше которого из-за повышенной вибрации не удается поднять его нагрузку. По источникам низкочастотную вибрацию делят на масляную и паровую.

Масляная вибрация . Она возникает при потере устойчивости вращения вала на масляной пленке подшипников. Процесс возникновения автоколебаний в масляном слое подшипника комментируется схемой, показанной на рис. 22.11.

Рис. 22.11. Схема возникновения масляной вибрации

Пусть невесомая шейка вала, на которую не действуют никакие силы, вращается в расточке подшипника. В этом случае центр шейки О 1 будет совпадать с центром расточки О и вибрации не будет. Пусть в какой-то момент времени шейка сместится вертикально вниз на расстояние е под действием случайной силы, после чего последняя исчезает. Рассмотрим расходы масла через сечения А-В и С-D в момент смещения шейки вала вниз. Масло, увлекаемое шейкой, в точках В и С имеет скорость wr ш , где r ш – радиус шейки вала. Треугольные эпюры изображают объемные расходы масла через зазор. Количество масла на единицу ширины зазора при входе через сечение А-В равно 0,5(D+е)wr ш , а через сечение C-D выходит количество масла 0,5(D-е)wr ш . Тогда разность объемных сходов еwr ш должна остаться в зазоре слева от линий АВ и CD . Но, так как масло несжимаемая жидкость, то в этой области формируется повышенное давление, которое стремится сдвинуть шейку вала вправо.

Таким образом, из-за появления случайной силы шейка вала не только смещается вниз, но и формируется другая сила С , действующая перпендикулярно смещению. Под действием этой силы шейка вала сдвинется вправо, а точнее, повернется вокруг точки О с некоторой угловой скоростью W, отличной от частоты вращения w . Но при сдвиге шейки вправо уменьшится правый боковой зазор и появится сила, действующая вертикально вверх, которая будет уменьшать верхний зазор и т.д. В итоге процесс формирования силы С создает ее прецессию вокруг центра расточки. Эту силу называют циркуляционной . Очевидно, что перемещение данной силы совпадает с направлением скорости ее прецессионного движения. Поэтому, как и в случае резонанса, создаются условия для роста самоподдерживающейся прецессии, т.е. вибрации. Скорость прецессии W=0,5w , т.е. масляные циркуляционные силы вызывают прецессию с частотой, равной половине рабочей частоты вращения. Данную вибрацию невозможно ликвидировать более тщательной балансировкой. Возникновение интенсивной НЧВ зависит от сочетания упругих и демпфирующих свойств в конкретном подшипнике и при конкретных условиях работы. Чем ниже температура масла, тем больше его вязкость, больше всплытие шейки и тем вероятнее НЧВ. Неравномерный характер распределения радиальной нагрузки по подшипникам также является источником НЧВ для наиболее разгруженного подшипника. При парциальном подводе водяного пара (рис. 22.12) проекции окружной силы R u , формирующейся в регулирующей ступени ЦВД турбины, изменяются по мере открытия клапанов (РК №№1, 2, 3 и 4).

Рис. 22.12. Появление разгружающей силы на шейке вала при парциальном подводе пара:

а - при неправильном порядке открытия РК; б - при правильном открытии РК

При определенном порядке открытия клапанов могут возникать составляющие R 1 и R 2 силы R u , разгружающие передний подшипник турбины (рис. 22.12,а). Это свойство проверяется при развороте турбины с полностью открытыми регулирующими клапанами посредством главной паровой задвижки (ГПЗ) и ее байпаса. При выборе порядка открытия клапанов следует обеспечивать первоначальное открытие тех, которые способствуют дополнительному вертикальному нагружению подшипника (рис. 22.12,б), а также появлению поперечной силы, направленной в сторону вращения ротора (положительного угла нагрузки).

Радикальным способом борьбы с НЧВ является применение подшипников с овальной расточкой вкладышей (см. рис.21.10,г) и самоустанавливающихся сегментных подшипников (см. рис.21.12), в которых циркуляционных сил, вызывающих прецессию вала, не возникает. Они снимают проблему масляной вибрации, но не вибрации вообще.

Паровая НЧВ . Этот вид низкочастотной вибрации роторавозникает из-за появления в проточной части турбины и в ее уплотнениях циркуляционных сил газодинамической природы. Из них венцовые циркуляционные силы формируются на венце рабочих лопаток из-за неравномерной по окружности надбандажной утечки водяного пара из-за разного радиального зазора (рис.22.13).

Рис. 22.13. Схема формирования венцовой циркуляционной силы в турбинной ступени

Природа формирования паровой НЧВ следующая.Допустим, что при случайном отклонении оси ротора, например, вниз, радиальный зазор в надбандажном уплотнении в его нижней части уменьшится, а в верхней - увеличится (d rв >d rн). В результате такого смещения ротора утечка над верхней частью рабочего колеса станет больше на DG у. Поэтому в верхней части турбинной ступени (в ее рабочей решетке – венце) будет формироваться окружное усилие R u меньше по значению, чем в нижней половине венца. Действие этих двух противоположно направленных сил вызывает появление неуравновешенной силы С в , приложенной к центру вала и действующей перпендикулярно вектору смещения r . Эту силу называют венцовой и она создает условия для возбуждения интенсивных колебаний. Такая же сила возникает при появлении в диафрагменном уплотнении неравномерной по окружности утечки. Частота циркуляционной силы равна примерно половине рабочей частоте вращения ротора.

Венцовые силы возбуждают колебания роторов ЦВД преимущественно турбин со сверхкритическим давлением водяного пара на входе (турбин СКД). Эффективным способом борьбы с такими силами является использование виброустойчивых уплотнений в турбинной ступени (с увеличенными радиальными и уменьшенными осевыми зазорами в них). Часто в процессе наладки или эксплуатации турбины происходит постепенное самопроизвольное уменьшение уровня НЧВ вследствие износа радиальных уплотнений из-за задеваний при повышенной вибрации. Для турбин СКД в формировании НЧВ существенную роль играют «бандажные» силы, формирующиеся при нарушении симметрии эпюры скоростей в зазорах. Такая же природа возникновения сил третьей группы – «лабиринтовых » сил, возникающих в каналах промежуточных и концевых уплотнений.

Вибрация

Вибрация представляет собой механические колебательные движения, непосредственно передаваемые телу человека. Основными физическими характеристиками вибрации являются амплитуда и частота колебаний. Амплитуда вибросмещения измеряется в м или см, а частота колебаний - в герцах.

Учитывая, что при любом колебательном движении непрерывно изменяется скорость и ускорение (наибольшие на осевой линии колебания и наименьшие в крайних позициях), вибрацию оценивают по скорости и ускорению.

Для вибрации отсчет децибел ведется от условной опорной виброскорости, равной 5 10 8 м/с, виброускорения - 3 10 4 м/с 2 .

Виброскорость и виброускорение выражаются в дБ относительно их нулевых порогов. При этом порог восприятия вибрации составляет около 70 дБ.

Виброскорость и виброускорение оцениваются в пределах стандартных октав со среднегеометрическими частотами - 1; 2; 4; 8; 16; 31,5; 63; 125; 250 Гц и выше. Вибрация с частотой до 32 Гц относится к низкочастотной, а более 32 Гц - к высокочастотной.

Преимущества одночисловых интегральных показателей, таких, как доза или эквивалентный уровень, определили интерес исследователей к дозовой оценке вибрации. Если для шума этот подход достаточно обоснован, что нашло отражение в стандарте ИСО R-1999 (1971 г.), то в отношении вибрации имеются лишь единичные работы экспериментального плана.

Необходимо отметить, что действующий ГОСТ 12.1.012-78 регламентирует ПДУ вибрации по кинематическому параметру виброскорости, а доза - параметр энергетический, учитывающий уровень вибрации и время ее действия.

Источниками вибрации являются широко применяемые в промышленности, строительстве, транспорте, сельском хозяйстве и в быту пневматические и электрические ручные механизированные инструменты, различные машины и оборудование, станки, транс-портные средства. Вибрацию широко применяют не только в технике, но и в медицине для лече-ния некоторых нервных и мышечных заболеваний (вибротерапия, вибромассаж).

Вибрация относится к факторам, обладающим большой биологической активностью. Характер, глубина и направленность физиологических сдвигов различных систем организма определяются уровнями, спектральным составом вибрации, а также физиологическими свойствами тела человека. В генезисе этих реакций важную роль играют анализаторы - вестибулярный, двигательный, зрительный, кожный и др.

Следует отметить важную роль биохимических свойств человеческого тела в субъективном восприятии вибрации. Действие вибрации на организм опосредуется следующими явлениями: физическим воздействием на поверхность контакта, распрос-транением колебаний по тканям, непосредственной реакцией на воздействия в органах и тканях, а также раздражением механорецепторов, вызывающим нейрорецепторные и субъективные реакции.

В настоящее время накоплен экспериментальный и клинический материал, под-черкивающий роль рефлекторных регуляторных влияний ЦНС в возникновении функциональных сдвигов в нервно-мышечном аппарате у лиц, подвергающихся воздействию вибрации. Эти исследования показывают, что расстройства двигательной функции, возникающие под воздействием вибрации, обусловлены как нарушениями регуляторных воздействий ЦНС, так и непосредственным поражением мышц. При этом преобладание диффузных сдвигов может быть объяснено преимущественно изменениями в деятельности суперспинальных структур, тогда как большая выраженность локальных изменений в мышцах может быть связана с их непосредственной травматизацией.

Особенно чувствительными к действию локальной вибрации являются отделы симпатической нервной системы, регулирующие тонус периферических сосудов, а также отделы периферической нервной системы, связанные с вибрационной и тактильной чувствительностью.

Доказано, что направленность сосудистых нарушений определяется, в первую очередь, параметрами воздействующей вибрации. Спастические явления в капиллярах происходят при вибрации выше 35 Гц, а ниже наблюдается преимущественно картина атонии капилляров или спастико-атоническое их состояние. Область частот 35-250 Гц наиболее опасна в отношении развития спазма сосудов.

Вибрация может прямым путем мешать выполнению рабочих операций или косвенно отрицательно влиять на работоспособность человека. Ряд авторов рассматривают вибрацию как сильный стресс-фактор, оказывающий отрицательное влияние на психомоторную работоспособность, эмоциональную сферу и умственную деятельность человека и повышающий вероятность возникновения несчастных случаев.

За последние годы установлено, что вибрация, как и шум, действует на организм человека энергетически, поэтому ее стали характеризовать спектром по колебательной скорости, измеряемой в сантиметрах в секунду или как и шум, в децибелах; за пороговую величину вибрации условно принята скорость в 5 10 6 см/сек. Вибрация воспринимается (ощущается) лишь при непосредственном соприкосновении с вибрирующим телом или через другие твердые тела, соприкасающиеся с ним. При соприкосновении с источником колебаний, генерирующим (издающим) звуки наиболее низких частот (басовые), наряду со звуком воспринимается и сотрясение, то есть вибрация.

В зависимости от того, на какие части тела человека распространяются механические колебания, различают местную и общую вибрацию. При местной вибрации сотрясению подвергается лишь та часть тела, которая непосредственно соприкасается с вибрирующей поверхностью, чаще всего руки (при работе с ручными вибрирующими инструментами или при удержании вибрирующего предмета, детали машины и т. п.). Иногда местная вибрация передается на части тела, сочлененные с подвергающимися непосредственно вибрации суставами. Однако амплитуда колебаний этих частей тела обычно ниже, так как по мере передачи колебаний по тканям, и тем более мягким, они постепенно затухают. Общая вибрация распространяется на все тело и происходит, как правило, от вибрации поверхности, на которой находится рабочий (пол, сиденье, виброплатформа и т. п.).

При воздействии вестибулярных раздражителей, к которым относится вибрация, нарушаются восприятие и оценка времени, снижается скорость переработки информации. Низкочастотная вибрация вызывает нарушение координации движения, причем наиболее выраженные изменения отмечаются при частотах 4-11 Гц.

Длительное влияние вибрации приводит к стойким патологическим нарушениям в организме работающих. Всесторонний анализ этого патологического процесса послужил основанием для выделения его в качестве самостоятельной нозологической формы профессионального заболевания - вибрационной болезни.

Вибрационная болезнь продолжает занимать одно из ведущих мест среди всех профессиональных заболеваний. Причиной этого является как использование ручных машин, не отвечающих требованиям санитарных норм, так и развивающаяся специализация труда, ведущая к увеличению времени воздействия на организм вибрации. Опа-сность развития вибрационной болез-ни возрастает с увеличением интенсив-ности и длительности действия вибрации; при этом существенное значение имеет индивидуальная чувствительность. Вредное действие вибрации усиливают шум, охлаждение, переутомление, значитель-ное мышечное напряжение, алкогольное опьянение и др. Условно различают местную вибрацию, дей-ствующую преимущественно на руки работающих, и общую вибрацию, когда при колебании пола, сиденья (рабочего ме-ста) действию вибрации подвергается весь организм.

В отличие от местной при действии общей вибрации возникают клинические симптомы, свя-занные с расстройствами деятельности мозга. При этом особенно часто стра-дает вестибулярный аппарат, появля-ются головные боли, головокружения. По степени выраженности патологиче-ского процесса выделяют 4 стадии за-болевания:

I -- начальная,

II -- уме-ренно выраженная,

III -- выраженная,

IV -- генерализованная (встречается крайне редко).

Помимо стадий, отме-чают наиболее типичные синдромы: ангиодистонический, ангиоспастический, вегетативного полиневрита, невротиче-ский, вегетомиофасцита, диэнцефальный и вестибулярный.

Низкочастотная общая вибрация, особенно резонансного диапазона, вызывая длительную травматизацию межпозвоночных дисков и костной ткани, смещение органов брюшной полости, изменения моторики гладкой мускулатуры желудка и кишечника, может приводить к болевым ощущениям в области поясницы, возникновению и прогрессированию дегенеративных изменений позвоночника, заболеваний хроническим пояснично-крестцовым радикулитом, хроническим гастритом.

У женщин, подвергающихся длительному воздействию общей вибрации, отмечается повышенная частота гинекологических заболеваний, самопроизвольных абортов, преждевременных родов. Низкочастотная вибрация вызывает у женщин нарушение кровообращения органов малого таза.

Ткани человека обладают различной способностью к передаче вибрации. Наилучшим проводником вибрации являются кости, мягкие ткани. Суставы же являются эффективными гасителями колебаний. С повышением частоты вибрации амплитуда колебаний частей тела по мере удаления от точки приложения уменьшается. Так, например, в диапазоне частот 50-70 Гц до головы доходит около 10% энергии передаваемой вибрации человеку, находящегося на виброплатформе. Вибрация частотой более 100 Гц практически не передается по телу человека и является большей частью местной.

Органы, непосредственно воспринимающие вибрации, делятся на две группы. К первой относятся органы равновесия (вестибулярный аппарат), находящиеся во внутреннем ухе. Взаимодействуя с соответствующими связями в мозгу, они работают как интегральный измеритель угловых и линейных ускорений. Информация, посылаемая в мозг органами равновесия, находящимися под влиянием вибраций, может оказаться искаженной, дезориентирующей, а в некоторых случаях раздражающей и вызывающей у человека состояние болезни. Силы и перемещения, вызываемые вибрацией, улавливаются большим числом механорецепторов во всем организме. Некоторые из них, находящиеся в мышцах и сухожилиях, сигнализируют о положении тела и действующих на него нагрузках. Они взаимодействуют с отделом центральной нервной системы, регулирующим положение тела и его движение. Эти рецепторы реагируют на любые изменения, в том числе низкочастотные.

Ко второй группе относятся рецепторы, расположенные в коже и соединительных тканях. Они выполняют функции осязания, реагируя на более высокие частоты (около 30 Гц). Вибрации оказывают определенное влияние на организм также через органы зрения и слуха.

Характер воздействий вибрации на человека зависит от их длительности. Нарушения физиологических функций организма, наступающие под влиянием вибраций, имеют тенденцию к усилению с увеличением длительности воздействия.

Вибрация, высокий вибрационный фон среды представляют опасность для здоровья не только рабочих, в условиях производства, но и для других групп населения. Источниками вибрации в жилых зданиях являются: транспорт, промышленные установки, инженерно-тех-нологическое оборудование зданий. По интенсивности колебаний наиболее воздействует на человека городской рельсовый транспорт: мелкого заложения и открытые радиусы метрополитена, железнодорожные магистрали. Вибрация, возникающая в зданиях от движения поездов, имеет регулярный прерывистый характер. По мере уда-ления от источника амплитуда колебаний снижается.

При распространении колебаний по высоте много-этажного здания на верхних этажах наблюдается как ослабление, так и усиление вибрации, в зависимости от резонанса. Изученные типы конструкций зданий в условиях одинаковых грунтов не оказывают существен-ного влияния на уровни вибрации в жилых помещениях.

В некоторых случаях регистрируются высокие уров-ни вибрации от инженерно-технологического оборудова-ния самих зданий (лифты) и встроенных объектов.

В основе профилактики вибрационной болезни лежит гигиенически обоснован-ное нормирование уровней вибрации. При этом учитываются направленность, продолжительность действия, характер вибрации. В Российской Федерации уровни вибрации на рабо-чих местах в производственных по-мещениях, на горных, сельско-хозяйст-венных, мелиоративных, строительно-дорожных машинах, железнодорож-ном и автомобильном транспорте, на судах регламентируются санитарным законодательством.

Основными нормативными правовыми актами, регламентирующими параметры производственных вибраций, являются: "Санитарные нормы и правила при работе с машинами и оборудованием, создающими локальную вибрацию, передающуюся на руки работающих" № 3041-84 и "Санитарные нормы вибрации рабочих мест" № 3044-84.

В настоящее время около 40 государственных стандартов регламентируют технические требования к вибрационным машинам и оборудованию, системам виброзащиты, методам измерения и оценки параметров вибрации и другие условия.

Список литературы

1) Арустамов Э.А. Безопасность жизнедеятельности. - М.: 2001.

2) Гарин В.М. Экология для технических вузов. - Ростов на Дону: 2001.

3) Криксунов Е.А., Пасечник В.В., Сидорин А.П. Экология. - М.: «Дрофа», 2004.

цесса оказывается пропорциональным номеру гармоники. Реально существующая измерительная аппаратура в большинстве случаев имеет нелинейные фазочастотные характеристики, особенно в области граничных частот рабочего диапазона. Дифференцирование и интегрирование вибросигналов также вносит дополнительные фазовые сдвиги и искажения. Более подробно вопросы искажения вибросигналов в отдельных звеньях аппаратуры будут рассмотрены ниже.

1.2. НИЗКОЧАСТОТНЫЕ ВИБРАЦИИ

В практике эксплуатации различных машин наиболее распространенными являются низкочастотные вибрации, спектральный состав которых в основном определяется частотами вращения роторов и находится в диапазоне 2... 1000 Гц.

Максимально допустимые значения амплитуд виброскоростей роторных вибраций на установившихся режимах в рабочем диапазоне частот от 10 до 1000 Гц составляют: для стационарных машин и установок 6... 25 мм/с, для транспортных двигателей 20... 60 мм/с. На переходных режимах (вследствие их кратковременности) допускаются значительно большие виброскорости. Низкочастотные вибрации до 50... 100 Гц обычно записывают и наблюдают в режиме измерения амплитуды перемещения, а на более высоких частотах (до 1000 Гц) измеряют амплитуду виброскорости. Измерение амплитуды ускорения низкочастотных вибраций, форма сигналов которых в большинстве случаев имеет вид случайных колебаний, проводится в основном с записью на магнитную ленту для более детальной обработки, например, для спектрального или корреляционного анализа. Форма низкочастотных вибраций даже на установившихся режимах работы машины претерпевает существенные изменения, если переходить от наблюдения вибросигналов перемещения к скорости или ускорению. Большое влияние на форму вибросигналов оказывают нелинейности упругих элементов машин. Если с увеличением амплитуды вибраций жесткость упругих элементов заметно возрастает, то форма сигналов становится ограниченной по амплитуде. В случае уменьшения жесткости упругих элементов форма сигналов становится обостренной. Довольно часто наблюдаются несимметричные искажения формы сигналов, что указывает на несимметричность колебаний упругих элементов в измеряемом направлении. Несимметричные искажения возможны в тех случаях, когда происходят касания (или задевания) вибрирующих деталей соседних элементов машины. На рис. 1.4, в приведена спектрограмма вибраций воздуходувки с дефектом в подшипнике в диапазоне частот от О до 500 Гц. Виден целый ряд дискретных составляющих, расположенных через интервал в 16...25 Гц, что свидетельствует о периодическом ударном возбуждении корпуса и нелинейностях преобразования в системе ротор-корпус. На рис. 1.4 (а и б) приведены спектрограммы вибраций неисправной мешалки барабанного

Рис. 1.4, Характерные спектрограммы низкочастотных вибраций:

с-неисправной мешалки барабанного типа в диапазоне частот 0 ... 800 Гц; б-то же, в Диапазоне частот 0 ... 40 Гц с более высоким разрешением по частоте; в - воздуходувки с неисправным подшипником типа. В диапазоне собственных частот корпуса 250... 350 Гц см. рис. 1.4, а) видны три дискретные составляющие различной интенсивности. Спектральный анализ огибающей (см. рис. 1.4,6) отфильтрованного сигнала в указанной полосе частот показал, что сигнал имеет модуляцию с частотами 11; 14,8 Гц и др. Частота 14,8 Гц соответствует частоте прокатывания тел качения неисправного подшипника. Таким образом, ударные возбуждения корпуса с неисправным подшипником вызывают его резонансные колебания, которые имеют модулирующую частоту, равную частоте прокатывания тел качения.

В системе ротор - корпус машины имеют место нелинейные

преобразования, которые легко выявляются путем спектрального

анализа вибросигналов. В этом случае в спектре имеются гармоники роторной частоты, а также наблюдаются существенные изменения коэффициентов амплитуды (1.3) и формы (1.4). Поэтому

оценка вибронапряженности машины по среднему квадратичному (1.1), среднему (1.2) или максимальному амплитудному значению. а также их взаимный пересчет, осуществляются с учетом этих коэффициентов. Выявить наличие нелинейных преобразований

Можно путем визуального наблюдения за формой сигнала по виб-

Физическая природа звука и вибрации одна и та же. В обоих случаях речь идет об упругих колебаниях, волнообразно распространяющихся в среде газообразной, жидкой и твердой. Вместе с тем, как мы уже отмечали, биологический эффект действия звука и вибрации на клетки и ткани организма далеко не одинаков. К сожалению, природа различий в действии этих двух физически родственных факторов во многом еще не изучена. Для эффективного действия вибрации существенным ее параметром являются ускорение, частота колебаний гравитационных сил, векторы этих колебаний. Для звука, однако, ведущими параметрами являются интенсивность, выраженная через давление, и так же, как для вибрации - частота: в первом случае вибрационная, во втором - звуковая. Но ближе эти различия до сих пор не установлены.

Для сравнения эффективности действия на один и тот же объект звука и вибрации проведены следующие опыты. Эстрагированный из мышц белок миозин подвергался действию звука. Эффективность действия звука оценивалась по степени денатурации белка. Оказалось, что при действии звука максимальный эффект наблюдается при частоте 3000 Гц. Далее, из раствора белка получали миозиновые нити и также действовали на них звуком различной частоты. Мерой оценки эффективности действия звука служила величина связываемого красителя нитями. Оказалось, что и в этом случае максимальный эффект действия звука наблюдается в области 3000 Гц. Именно эти объекты и гомогенат тех же мышц мы подвергали вибрации с различными частотами. Эффект действия вибрации оценивали по изменению ферментативной активности. Во всех случаях максимальный эффект наблюдался при вибрации частотой 200 Гц. Далее мы попытались найти наиболее эффективные частоты вибрации для мышцы, оценивая эффект вибрации также по изменениям АТФазной активности белка, экстрагированного из этой мышцы. Оказалось, что частотой, при которой все более нарушается ферментативная активность, также является частота 200 Гц.

Мы уже видели, что при действии звука с частотой на те же объекты никакого заметного эффекта не обнаруживается. Тогда как при вибрации с частотой 200 Гц в какой бы упаковке белок ни находился, вибрация будет оказывать на него максимальное действие. 200 Гц - это резонансная частота данного белка.

При сравнении эффективных частот звука и вибрации при их действии на самые различные по своим характеристикам клетки и ткани частота вибрации примерно на порядок ниже частоты звука. Природа этого различия пока не ясна.

Результаты многочисленных опытов показали, что низкочастотные вибрации в большинстве исследованных тканей, за исключением селезенки и печени, вызвали заметные, статистически достоверные структурные изменения в клетках. Установлено также, что степень их изменения для каждой ткани и органа различна, что свидетельствует о их различии чувствительности к данным частотам вибрации. Более чувствительными оказались ткани нейрогенного происхождения, особенно при вибрации с частотой 25 Гц.

Оценивая роль частотных характеристик вибрации в ее биологическом действии на ткани организма, бросается в глаза одно удивительное и пока еще трудно объяснимое явление - отсутствие каких бы то ни было заметных изменений в тканях от вибрации с частотой 50 Гц. Почему вибрация с частотой 25 Гц вызывает довольно значительные субстанционные изменения тканей, но еще более значительными являются изменения, наблюдаемые при вибрации с частотой 75 Гц, а при 50. Гц - отсутствуют? К сожалению, для объяснения этого явления мы не имеем сколько-нибудь убедительных экспериментальных данных и вынуждены ограничиться некоторой аналогией, например с сердечной деятельностью. Как известно, сердце работает в строго постоянном ритме. Если мы будем подавать сигналы раздражения сердца в том же ритме, это будет способствовать улучшению его деятельности в привычном для него ритме. Представим себе, однако, подачу сердцу стимулов, попадающих в противофазу его ритма. Тогда неизбежны сердечные перебои с катастрофическим последствием для его дальнейшей судьбы. Нечто подобное можно представить и для других тканей, предполагая, что не только сердце, но и все живые ткани "работают" в определенном ритме, и ритм с такой частотой, подаваемый извне, будет вызывать лишь улучшение их деятельности. Напротив, другие ритмы, например 25 и 75 Гц, приведут к серьезным нарушениям и структуры, и функции этих тканей, что нами и наблюдалось.

Основной вывод из этой серии опытов заключается в том, что вибрация организма ин тото не отражается от поверхности тела животного, как это характерно для звука, а проникает во все органы и ткани, вызывая соответствующие нарушения их деятельности. Конечно, звуковые волны частично проникают через толщу тканей, но давление звуковой волны при этом значительно снижается, и поэтому наиболее эффективным местом действия звука являются рецепторы поверхности тела "экстероцепторы" - представители нервных центров. Поэтому становится понятным тот факт, что звук, в особенности смешанный шум, является источником головных болей, неврозов, психических расстройств. Вибрация же имеет своим адресатом действия структуры всех тканей организма, и, следовательно, патологические явления при ее действии на целый организм могут быть самые различные и в самых различных участках организма. Это определяется в значительной степени физическими характеристиками вибрации.

Влияние вибрации на зрение

Для проверки гипотезы о понижении работоспособности человека при частоте 5 гц (резонансная частота тела) проведено две серии опытов. В обеих из них стенд был неподвижным, а испытуемый подвергался воздействию вибрации в вертикальном направлении. Единицей деятельности считалось среднее время, требуемое для выполнения целого рада действий по каждому заданию. Первое из них заключалось в разборе машинописного текста, второе – в правильном размещении маркеров.

В предварительной пробе по первому заданию работоспособность при действии вибрации 4 гц снижалась сильнее, чем при 8 гц. Сравнивались работоспособность четырех испытуемых во время действия синусоидальной вибрации 2–10 гц и в статическом положении. Амплитуда ускорения сиденья составляла 0,25 g при всех частотах. Наибольшее воздействие вибрации отмечено при 3–4 гц, что приходится на более низкую частоту, чем резонансная человеческого тела. Это явление можно объяснить ограниченной скоростью движений глаз при прослеживании сравнительно большого движения объекта во время действия низкочастотной вибрации при постоянном ускорении.

В последующих экспериментах измеряли частотную реакцию прослеживающих движений глаз при фиксации неподвижной цели и действие на все тело вибрации в вертикальном направлении. Испытуемые фиксировались в жестком каркасе для сведения к нулю резонанса тела и движений головы. Фазовый угол и угловая амплитуда движения глаз в вертикальном направлении определялась с помощью скоростной киносъемки.

При вибрации частотой 3–4 гц и последующем снижении её до 2 гц динамика компенсаторных движений глаз резко снижалась. Так, при частоте 3–4 гц она составляла менее 1/3 от исходной величины. Отмечалась ограниченность скорости прослеживающих движений глаз при выявлении четкой видимости приборной доски в период воздействия вибрации. Определялось, в какой степени четкость изображения приборной доски оказывается под влиянием относительного движения, какие частоты и амплитуды смещения наиболее переносимы и возможность увеличения четкости, путем усовершенствования конструкции. Отражение циферблата на качающемся зеркале подвергалось вибрации в направлении вверх-вниз при частотах до 16 гц с различными амплитудами смещения. Точность чтения в большей степени зависела от частоты. До 2 гц можно довольно легко определять показания циферблата, но при более высокой частоте это оказывалось невозможным. В диапазоне от 2 до 4 гц в зависимости от амплитуды углового смещения четкость изображения оказывалась наиболее искаженной. Однако выше 4 гц она вновь улучшалась. Установлено, что циферблат читается легко, когда стрелка расположена по направлению движения.

Одной из главных причин понижения остроты зрения является нечеткость изображения на сетчатке в результате неспособности глаза прослеживать перемещающийся предмет. Увеличение амплитуды ускорения также понижает остроту зрения, что, вероятно, объясняется физическим дискомфортом и последующим снижением мотивации.

Итак, острота зрения особенно резко снижается при действии вибрации в полосе частот 2–5 гц. В пределах нижней границы этой полосы происходит нарушение прослеживающих движений глаз, тогда как при более высоких частотах в той же полосе относительное движение видимого объёма может быть усилено резонансом тела. При конструировании самолета необходимо свести до минимума (2–5 гц) вибрацию каркаса. Кресло должно «гасить» как можно больше остаточной вибрации, чтобы показания приборов могли читаться в динамических и статических условиях.

Приведем еще один поучительный пример, который подтверждает мысль о множественном характере явлений, вызываемых вибрацией, о многообразии патологических процессов, возникающих в результате ее действия.

Для белка - актомиозина резонансной частотой вибрации является 200 Гц. Кроме этой частоты значительный эффект вызывается и вибрацией с частотой 25 Гц; в какой бы упаковке белок ни находился - эти частоты его найдут. При действии вибрации с этой частотой белок теряет способность расщеплять АТФ, добывать энергию для работы мышц. Будем теперь, исходя из идеи, что характер патологии определяется физической характеристикой вибрации, подвергать животное вибрации с частотой именно в 25 Гц, заведомо зная, что кроме прочего белок при этом будет утрачивать АТФазную активность. Как это скажется на состоянии организма? Опыты подтвердили ожидаемые результаты. Животные, подвергавшиеся вибрации, утратили физическую силу держаться на воде, плавать. Эти данные в высшей степени поучительны. Становится понятным, почему экипажи вертолетов, трактористы, танкисты и вообще лица других профессий, казалось бы, не выполняя в процессе своей трудовой деятельности непосредственно физической работы, но подвергающиеся вибрации, ощущают невероятную физическую усталость. Теперь это явление уже экспериментально доказано.

В проведенных опытах обнаруживаются два очень важных факта. Во-первых, вибрация подавляет физическую выносливость в первые же часы своего действия, и этот эффект, по нашим данным, сохраняется в течение нескольких суток. Из этого следует очень важный практический вывод - необходимо исключать всякие физические нагрузки лицам, подвергавшимся в процессе трудовой деятельности вибрации. Во-вторых, вибрация нарушает одно из фундаментальных биологических свойств мышц - способность повышать функциональную активность посредством тренировки. После вибрации эту способность мышцы на какое-то время утрачивают. Приведенные опыты показывают также исключительное значение избирательного действия вибрации в возникновении патологических процессов. При подготовке статьи использовались материалы Ю. Каменщикова, Н. Хваткова а так же издания Human Problems of Supersonis and Hypersonic flight, 1962.