Формирование концепции вибродиагностических методов неразрушающего контроля. Современные представления

Хоменко А.П., Елисеев С.В., Засядко А.А.,

УДК 62.031

ФОРМИРОВАНИЕ КОНЦЕПЦИИ ВИБРОДИАГНОСТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ

В настоящее время главным направлением развития передовых стран является вовлечение результатов научно-технического прогресса в интенсификацию общественного производства. В связи с этим, возникает качественно новый этап развития экономики, который определяется ныне как становление «новой экономики» или «экономики знаний». Накопленный потенциал научно-технических достижений превращается в движущую силу преобразований материально-технического фундамента общества, где приоритетным фактором развития становятся «интеллектуальные» ресурсы.

Как никогда воспрошенными практикой оказываются решения, которые продиктованы арсеналом возможностей методов и средств информатизации и автоматизации. Задачи системного анализа, обработки информации и управления накладывают свой отпечаток на тенденции развития всех отраслей техники. Однако, их решения до сих пор не всегда и не в полной мере обнаруживаются результативными в условиях необходимости обеспечения высокого качества, надежности и производительности машин, механизмов, приборов, оборудования, агрегатов и сооружений. Это порождает сложные проблемы, связанные с необходимостью развития новых подходов, способных успешно гарантировать эффективность их проектирования, производства и эксплуатации в условиях современных требований к перевооружению технической базы производства.

Тенденция увеличения энергетической отдачи машин и механизмов при снижении их материалоемкости с одновременным наращиванием ресурсов интеллектуализации обнажает одну из таких важных проблем как создание нового поколения машин и механизмов с учетом их динамических

свойств. В отличие от классической теории машин и механизмов возникающие новые постановки исследовательских задач определяются возрастающим значением решений в сфере информационных технологий и автоматизации процессов управления. В условиях необходимости создания технических объектов, отвечающих современным требованиям к их динамическим характеристикам, сегодня рождается и «встает на ноги» новое направление науки и практики, называемое «мехатрони-кой». В свою очередь, традиционные для этого направления задачи автоматизации движений машин и механизмов должны получить «свежее звучание» в связи с рядом актуальных проблем последнего времени.

Выявилась более глубокая системная сущность разностороннего динамического взаимодействия объектов управления и их управляющих устройств. Представления об этих воздействиях, только как о некоторых сигналах, т.е. влияниях одностороннего вида, широко употребляемых в классической теории управления, не всегда являются в целом оправданными. Во многих случаях в системах мехат-роники на практике обнаруживаются эффекты динамики, которые выходят за рамки информационной природы и выражаются как механические характеристики. Такие важные двухсторонние взаимодействия не учитываются в алгоритмах управления при обосновании возможностей их технической реализации и в целом оказываются не задействованными в рациональных построениях этих систем.

Главное внимание в этих аспектах уделяется функционированию систем мехатроники в условиях вибрации, которая, как правило, обнаруживается нежелательной с технической точки зрения. Порождают данную вибрацию многочисленные явления, которые су-

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

ществуют практически в каждой машине и любом механизме из-за наличия неуравновешенности масс и инерционных сил, периодического характера рабочих нагрузок и изменений конфигурации, электромагнитной нестабильности, пульсации жидкостей и газов, многих других причин в зависимости от их принципа устройства и конструкции.

В этих условиях попытки построения эффективных систем мехатроники наталкиваются на специфичные явления несовершенства качества их работы. Вследствие возбуждения вибрации как в самих объектах, так и со стороны других объектов окружающей среды, наблюдаются отклонения и нарушения законов движения, приводящие к неустойчивости процессов управления и отказам систем. За счет воздействия такой вибрации может происходить перераспределение усилий между отдельными звеньями систем, которое способно порождать, не только значительное нештатное возрастание, но существенное нерасчетное влияние динамических нагрузок, влекущие разрушения элементов и самих объектов. На практике встречается множество других случаев негативного проявления вибрации; возникают и новые актуальные задачи, требующие более полного проникновения в свойства механических колебательных систем. Характеристики, отражающие влияние вибрации на объекты, становятся предметом рассмотрения условий динамических преобразований в системах. Их результаты, продиктованные задачами анализа, становятся более адекватными природе мехатронных систем и определяются задачами синтеза специальных машин и механизмов с требуемыми характеристиками объектов защиты. Вместе с тем, подобного рода задачи, направленные на построение соответствующих систем, обретают, наряду с использованием управленческих подходов, характер, свойственный подходам механики к снижению виброактивности объектов. Именно, этот симбиоз подходов обеспечивает новизну в получении более рациональных решений при создании конструкций машин и механизмов, ориентированных на инженерную практику.

Традиционно структура научно-технических и инженерных знаний в области снижения вибрации разнообразных объектов защиты представляет следующий комплекс задач.

1). Определение источников виброактивности и установление уровней вибровозбуж-

дения объектов. Решения этих вопросов находится в связи с задачами виброметрии и, в известной степени, вибродиагностики.

2). Моделирование вибрационных состояний объектов защиты и получение оценок влияния на них вибровозбуждений с учетом вибронормирования. Это касается решений задач виброанализа и, в известной мере — виброиспытаний.

3). Обеспечение снижения виброактивности или уровней вибросостояний. Эти вопросы определяются задачами виброзащиты, а их решения в общем случае опираются на результаты всех предыдущих задач.

Актуальность задач оценки уменьшения вибрации объектов. Оценка вибрационного состояния различных объектов техники, стоящая в основе ряда передовых подходов к их конструированию и изготовлению, является предметом постоянного внимания со стороны инженерного корпуса. Такими объектами в качестве некоторых источников вибрации выступают машины, механизмы, оборудование, приборы, сооружения, многое иное, что полезно используется человечеством для обеспечения производства и осуществления технологических процессов в самом широком смысле употребления всех этих понятий, как необходимого технического фундамента преобразующей деятельности любой направленности. Вместе с тем, оценка вибрационного состояния, рассматриваемая в качестве этапа жизненного цикла изделий техники любого назначения, должна быть направлена на обеспечение этого требования, в контексте реализации объектов.

Современные технические объекты, номенклатура которых в настоящее время является разнообразной, имеют различные вибрационные состояния, неотъемлемые отпринци-па их функционирования или же обусловленные спецификой их поведения. В качестве источников такого рода состояний выступают, с одной стороны, многие несовершенства объектов по природе их конструктивных и эксплуатационных характеристик. С другой стороны, специальные вибрации и удары формируются в объектах для намеренного осуществления рабочих действий, обладающих особыми характеристиками. Все эти многочисленные источники вибрации порождают влияние друг на друга за счет всегда сопутствующих работе технических объектов в большей или меньшей мере естественных процессов

передачи динамических нагрузок в окружающие среды. Распространение вибрации от нескольких источников особенно важно для технологических систем, что приводит к многократному воспроизведению их взаимных вибрационных действий. В обоих случаях функционирование объектов техники приходится контролировать, поскольку происходят разнообразные эффекты такого рода проявления своих и влияния наведенных вибрационных состояний, что может часто и крайне негативно сказываться на собственной работе и поведении других объектов, прежде всего, человека. В связи с этим остро возникает актуальная проблема ограничения, в первую очередь, уровня вибрационного состояния объектов, которая требуется, как при введении в строй ранее разработанных, так и при создании новых объектов прогрессивной техники.

Современная установка на контроль и ограничение уровней вибрации объектов, отражающих их динамическое состояние, следовательно, на процессы качества и успешности функционирования этих объектов является задачей высокой научной и технической значимости.

В подтверждение этого можно указать на существование обязательств по применению во всех развитых странах обширного слоя специальных документов, которыми закрепляются передовые исследовательские и технологические достижения. Речь идет, в первую очередь, о стандартах, которыми регламентируются обоснованные и установленные нормы в областях измерения, расчетной и испытательской оценки, обеспечения контроля или ограничения вибрационных состояний.

В соответствии ГОСТ 24346-80 «Вибрация. Термины и определения» понятие вибрации означает «движение точки или механической системы, при котором происходят колебания характеризующих его (это движение) скалярных величин. Механические колебания — это колебания значений кинематической или динамической величины, характеризующей механическую систему» [1]. Несмотря на практическую равнозначность терминов, сложившееся словоупотребление соотносит термин вибрация больше с характерными движениями, обусловленными работой машин, механизмов, агрегатов и т.п. При этом вибрацией обычно называют наиболее свойственный технике и ввиду этого распространенный вид механи-

ческих колебаний. Часто условная специфика этого термина заставляет говорить о вибрации в случаях относительно малых амплитуд и немалых частот колебаний [2]. Применение термина механические колебания связывают с определенным абстрагированием от технизированного понятия, специфика использования которого больше связывается с математическими или физическими интерпретациями теории колебаний, т.е. моделями процессов, отвечающих периодическим или тяготеющим к ним движениям. Источником вибрации выступает практически всякая машина, механизм, агрегат. Источником вибрации и ударов может быть окружающая среда для транспортных машин или сооружений, подвергающихся сейсмонагрузкам. При проектировании, изготовлении и эксплуатации техники, как правило, исходят из предпосылок, что вибрации являются вредным фактором, как для самой машины, механизма, агрегата, так и всем объектам окружающей среды — приборам, оборудованию, сооружениям и человеку из обслуживающих операторов или находящемуся внутри и вблизи производственного процесса. В ряде случаев вибрации или удары создают специально для использования в технологических процессах. Однако, эти источники, оказываясь полезными в производстве, не перестает быть также вредными для конструкций тех же машины, механизма, агрегата и человека. Поэтому в технике особое значение приобретают специальные методы и средства уменьшения вибрации, совокупность которых принято называть виброзащитой [3]. Данный термин является наиболее распространенной формой определения, за которым на практике обычно закрепились не только случаи защиты от вибрации, но и другие случаи нагружения объектов защиты, начиная от воздействия ударов, заканчивая воздействиями, так называемых, линейных ускорений [4]. Термин виброзащита обязан своему сложившемуся обобщению тем, что независимо от причин во всех случаях нагружения объектов, по-существу, индуцируются их вибрации. Нельзя не согласиться со словоупотреблением в отношении потребности защиты, именно, от вибрации, если, тем более, применяются конструктивно одинаковые методы и средства уменьшения их при различных видах источников возбуждения. Но опыт показывает также уместным использование, наряду названием виброзащита, терминов по отдельности

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

ударозащита, виброударозащита и т.п. При этом их различия определяются дифференциацией случаев решения задач защиты, где условия и когда итоги оценки динамических состояний объектов соответственно индивидуальны [3].

В обеспечение виброзащиты должна быть задействована, так называемая, вибрационная техника (в широком смысле понятия), которая подразумевает «совокупность методов и средств возбуждения, полезного применения и измерения вибрации, вибрационной диагностики, вибрационной защиты и вибрационных испытаний» [1]. В связи с достаточно развитым в настоящее время потенциалом этой вибрационной техники (вибротехники), целесообразно далее рассмотреть вопросы её современного состояния в различных направлениях, сформулированных по определению.

Сначала представляется необходимым определить вибрационные процессы в производственных условиях, где осуществляется работа машин, механизмов и агрегатов, возбуждающих или продуцирующих вибронагрузки (настоящая статья, 1 часть). Далее раскрывается положение в сфере виброметрии, посвященной измерению вибрации, которая позволяет по полученным результатам проводить виброконтроль уровней или осуществлять вибродиагностику в распознавание состояний объектов (часть 2 — следующая публикация). Наконец, обзорно будут изложены известные подходы и обсуждено содержание основных достижений в области вибрационной защиты (часть 3 в продолжение настоящей статьи). Как известно, результаты разработок систем виброзащиты могут на практике увязываться с задействованием сфер виброметрии и вибрационных испытаний (в конкретных случаях реализаций) при оценках вибрационных состояний объектов защиты, а также могут подлежать виброконтролю или вибродиагностике (по необходимости) с позиций обеспечения их качества работы. Вместе с тем, в настоящей статье (часть 1) указывается на положение о нормировании вибрации, позволяющее выполнять конкретную оценку уровней вибрационного состояния объектов, закладываемых в основу построения современных систем виброзащиты.

Вибрационные процессы. Вибрационным процессам и механическим колебаниям в технике посвящена обширная научно-техническая литература. Наиболее полно эти результа-

ты изложены в систематизированных изданиях: популярный шеститомный справочник «Вибрации в технике» [5]; известный трехтомный справочник «Прочность, устойчивость, колебания» [6]; в ряде разделов энциклопедии «Машиностроение. Том I-3. «Динамика и прочность машин. Теория механизмов и машин» в двух книгах [7]; в справочнике мировой известности «Harris* Shock and Vibration Handbook» [4] и др. Фундаментальные труды по этим вопросам представлены в настольных для специалистов отечественных книгах, указываемый список авторов которых далеко не полон: Андронов А..А., Артоболевский И.И., Бабаков И.М., Бидерман В.Л., Биргер И.А., Бишоп Э.Р.Д., Блехман И.И., Боголюбов Н.Н., Болотин В.В., Булгаков Б.В., Бутенин Н.В., Витт А.А., Вайнберг Д.В., Вульфсон И.И., Ганиев Р. Ф., Генкин М.Д., Ден-Гартог Дж.П., Диментберг М.Ф., Елисеев С.В., Журавлев В.Ф., Иориш Ю.И., Климов Д.М., Клюев В.В., Колесников К.С., Коловский М.З., Кононенко В.О., Крен-делл С., Лавендел Э.Э., Ларин В.Б., Магнус К., Малкин И.Г., Мандельштам Л.И., Митропо-льский Ю.А., Морзе И.Е., НеймаркЮ.И., Паль-мов В.А., Пановко Я.Г., Первозванский А.А., Писаренко Г.С., Писаренко Н.Г., Светлицкий

B.А., Синев А.В., Стрелков С.П., Тимошенко

C.П., Троицкий В.А., Фрадков А.Л., Фролов К.В., Фуфаев Н.А., Хайкин С.З., Хаяси Т., Хвингия М.В., Хинкл Р.Т., Цзе Ф.С., Челомей В.Н., Черноусько Ф.Л. и многие другие.

Багаж полученных научных и инженерных результатов по механическим колебаниями и вибрационным процессам столь велик, что сделать содержательный обзор литературы в целом не представляется возможным. Однако, ряд систематизированных сведений следует привести, что позволит очертить конфигурацию обсуждаемых вопросов, касающихся известных решений многоаспектных проблем современной виброзащиты технических объектов. При этом будем исходить из возможностей описания положения дел в области вибрационных процессов, с одной стороны, по результатам теории колебаний, с другой стороны, по материалам стандартов, в которых принято закреплять известный опыт практики этих направлений.

Современное производство, в широком смысле, представляют систему отраслей техники или специализированных видов технологий, призванных выпускать определенную продукцию и услуги для потребления в общес-

тве. Подавляющее большинство вибрационных процессов имеет место в отраслях промышленности и транспорта. Значительная часть выполняемых там работ состоит из обработки исходных материалов и превращения их в готовые изделия с помощью техники, энергии, труда и информации, которые в своей совокупности образуют рабочие или технологические процессы. Часть этих процессов являются транспортными, выполняющих передачу материалов к местам переработки и потребления. Многие рабочие процессы производства обеспечиваются за счет механических движений. Меньшая часть этих движений осуществляется вручную, посредством включения человека в рабочие процессы. Большая часть рабочих процессов, связанных с осуществлением механических движений, производится с помощью машин.

«Машиной» принято называть устройство, выполняющее механические движения для преобразования энергии, материалов и информации с целью замены или облегчения физического и умственного труда человека [8]. Вид рабочего процесса разделяет машины на технологические, транспортные, энергетические, информационные. Наряду с машинами в производстве участвуют «аппараты», которые не связаны напрямую с механическими процессами (например, химические). Однако и в аппаратах происходят явления механических движений, отвечающие процессам преобразования и перемещения материалов. Таким образом, машины, а также в общем случае и аппараты, являются сложными механическими системами, способными под действием динамических нагрузок совершать в определенных условиях колебания. Их колебательные или вибрационные процессы, по-существу, зависят от принципа устройства и особенностей реализации их конструкции. Существующие производственные машины, несмотря на их разнообразие, имеют однотипный состав, включающий: двигатель, рабочий орган, систему управления движением. Эти функциональные части машины не приходят в действие без механизмов. Про «механизмом» принято понимать систему тел, предназначенную для преобразования движения одного или нескольких твердых тел (обычно — двигателя) в требуемые движения других твердых тел (обычно — рабочих органов) [8]. В случае нескольких функциональных частей одновре-

менно нередко говорят о наличии «машинного агрегата» [9].

В теории механизмов и машин (в контексте данного выше определения механизма) под твердыми телами понимаются как абсолютно твердые, так и деформируемые и гибкие тела [8, 10-12]. Вместе с тем, принято различать гидравлический механизм, в котором преобразование движения происходит посредством твердых и жидких тел; пневматический механизм, в котором преобразование движения происходит посредством твердых и газообразных тел [8]. Употребляют также электромеханизмы [11]. В составе механизмов выделяют приводы, которые определяются системой взаимосвязанных устройств для приведения в движение одного или нескольких твердых тел из состава машины или механизма. В свою очередь, приводы в общем случае состоят из двигателя, насоса (для случаев гидро и пневмо-механизмов), передаточных механизмов и управляющих органов. Однако, двигатели и насосы (для гидро и пневмомеханизмов) по определению называют также машинами [8]. Поэтому целесообразно, не выделяя отдельно термины механизма и машины, поскольку каждые из них содержат части, преобразующие, так или иначе, свою энергию в механические движения, сосредоточиться на понятиях их как сложных механических систем. В общем случае такого рода комплексные, составные системы, включающие элементы самой разнообразной природы: гидромеханические, пневмомеханические, электромеханические и многие другие, какие угодно иные, становятся в современной технике наиболее актуальными. В теории механизмов и машин в качестве основного предмета внимания выступали только чисто механические системы, колебательная механика которых порождалась, наличием в их действующем составе, помимо инерционных, прежде всего, упругих элементов [13]. В настоящее же время начинает преобладать внимание к вибрационным процессам, причинами которых оказываются намного более сложные и разнообразные явления, свойственные поведению динамических систем с гибридной или смешанной природой происхождения.

Рассмотрим систему в качестве некоторой совокупности объектов в виде материальных точек или твердых тел (абсолютно неподатливых, упругих или деформируемых), которые взаимодействуют между собой по определен-

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

ному закону (механики, электромагнетизма и т.д.) и также испытывают некоторую нагрузку от окружающей среды. Состояние такой системы в каждый момент времени — 1 будет определяться некоторым набором параметров. Основная задача теории колебаний обычно заключается в том, чтобы описать движение системы в некотором известном классе процессов, позволяющее отыскивать (прогнозировать или предсказывать) эволюцию - движения системы во времени. При этом известно, что должны быть заданы набор начальных условий движения (параметры начального состояния: положение и скорость системы, т.е. её траектория в момент времени 1 =0) и внешнее воздействие (нагрузка) на систему [2]. Эта прямая задача имеет название - второй задачи динамики [14]. В теории колебаний решается и обратная задача (первая задача динамики [14]), заключающаяся в том, чтобы отыскивать приложенные к системе возбуждающие силы, отвечающие заданным движениям в виде известных функций координат системы от времени.

Пусть имеет место процесс движения во времени — 1 рассматриваемой системы, который характеризуется определяющим параметром и (1). Тогда изменение состояния системы по этому параметру может быть в зависимости от условий задачи приобретать монотонный, немонотонный и периодический немонотонный (абсолютный или относительный) характер изменения на ограниченном (1 = 0,1) отрезке времени (рис.1).

Рис. 1. Изменение определяющего параметра состояния системы.

Монотонная функция — это функция, приращение которой не меняет знака, т.е всегда неотрицательная либо неположительная, например для и1(1) или и2(1) (на рис. 1.а) и т.п. В отличие от строго монотонной функции, когда приращение не равняется нулю, противоположные случаи и3(1) и и4(1) могут быть названы существенно немонотонными (рис. 1.б, в).

Процесс изменения параметра (скалярной величины, компонента векторной или тензорной), обусловленный возрастанием и убыванием своих значений - повторно, поочередно и многократно принято называть колебательным процессом, а сам параметр — колеблющейся величиной [15]. Можно говорить о колебаниях системы в таких характерных случаях её поведения, которые определяются процессами регулярных немонотонных приращений функций, описывающих определяющие параметры (рис 1.б, в). В случае (на рис. 1. г) показано, что величина и3(1) является колеблющейся величиной в двояком смысле, как в абсолютном (аналогично поведению кривой и3(1) на рис. 1.б), так и в относительном (подобно отклонению и3(1) от кривой и1(1) на рис. 1.а), поскольку величина разности и3(1) — и1(1) также представляется равнозначно колеблющейся величиной.

Поскольку в системе имеется, как правило, несколько параметров, то говорят о системе, что она совершает колебания, когда все её параметры или наиболее существенные или один определяющий параметр выступают в виде колеблющихся величин. В связи с невозможностью точно указать четкую границу, отделяющую колебания от неколебательных движений, принято считать, что система является колебательной при определенных условиях. Хотя для любой системы можно указать такое воздействие, когда она будет испытывать колебательное движение, полагают систему колебательной, если она способна совершать колебания при отсутствии источника возбуждения от внешнего воздействия (без поступления энергии извне), т.е. находится в режиме свободных колебаний (за счет заранее накопленной энергии) [2, 15].

Вибрационные процессы в современной технике представляют собой сложные механические колебания с множеством разновидностей их поведения. Определение этих поведений опирается на свойства уравнения, которое в операторной форме выражает связь между параметрами состояния системы - и (1) и пара-

метрами внешнего воздействия на систему - q (1):

Lu = q,

где L — оператор системы, представляющий уравнения движения и условия однозначного описания поведения системы в векторном представлении величин и (1) иq (1).

Для механических систем операторное уравнение (1), как правило, сводится к совокупности некоторых дифференциальных уравнений с начальными (в сосредоточенных системах) и граничными или краевыми (в распределенных системах) условиями, а также некоторых уравнений связей -дополнительных соотношений между переменными в системах.

Систематизация механических колебаний обычно проводится с позиций рассматриваемых в этих областях исследований механико-математических моделей [2,12,16-18 и др.]. Ниже их классификация представлена в ка-

честве некоторых условно-типизированных схем, отражающих основные известные виды колебательных систем (рис. 2) и колебательных процессов (рис. 3).

Одним из важнейших признаков такой систематизации является число степеней свободы системы, которое определяется как число независимых, допускающих выбор по произволу вариаций координат системы [14]. Это понятие тесно связано с определением возможных перемещений, имеющихся в несвободной (от связей, ограничивающих движения) механической системе под действием приложенных сил. Если взаимная связь между элементами системы такова, что для однозначного установления её конфигурации (положение всех точек системы в пространстве) достаточно только одна пространственная координата, то такая система имеет одну степень свободы. В механике число выбор числа степеней свободы нередко, а в теории колебаний — часто, зависит от допустимого уровня идеализа-

Рис. 2. Классификационная схема видов колебательных систем.

Рис. 3. Классификационная схема видов колебательных процессов.

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

ции и задач исследования реальных систем. Если интересующий фактор является значимым, то соответствующая модель и выбирается за основу обоснований.

В связи с этим различают системы с бесконечным и конечным числом степеней свободы. В последнем случае системы называют сосредоточенными (системы с одной или несколькими степенями свободы). В первом случае системы могут быть представлены с континуальным множеством степеней свободы, называемые распределенными (континуальными) системами, или со счетным числом степеней свободы. Математически сосредоточенные системы описываются обыкновенными дифференциальными уравнениями, распределенные системы - дифференциальными уравнениями в частных производных, а счетные — бесконечной системой обыкновенных дифференциальных уравнений, позволяющих получать их приближенную трактовку как систем одновременно с бесконечным или конечным числом степеней свободы.

Одним из наиболее актуальных признаков систематизации является известный принцип суперпозиции, справедливость применения которого к математическому описанию позволяет указать на представление их в виде линейных или нелинейных систем. По природе всякая система, по — существу, есть нелинейная. Если удается найти подходящие модельные условия, т.е. приближенности оператора L выражения (1) к линеаризованной форме, то система оказывается линейной, например, в случае малости её колебаний. Математическая формулировка этих задач динамики приводит к линейным дифференциальным уравнениям, обыкновенным или в частных производных. В случае невозможности линеаризации по проявлению качественно особых характеристик систем имеют место существенно - нелинейные системы. Признак линейности или нелинейности, как впрочем, и некоторые другие, ниже рассматриваемые свойства систем, в частности, стационарности и нестационарности, автономности и неавтономности, консервативности и неконсервативности реальных систем это вопрос о пригодности различных способов идеализации к исследовательским целям и условиям [18].

По признаку изменяемости свойств во времени на некотором интервале системы разделяются на стационарные и нестационарные,

которые, в свою очередь, описываются дифференциальными уравнениями с постоянными или переменными коэффициентами (параметрами).

В автономных системах колебания происходят за счет только внутренних источников энергии либо энергии начального возмущения. Неавтономные системы совершают свои колебания с поступлением энергии непосредственно во время движений от внешних источников, располагающихся в окружающей среде.

Признак консервативности определяется постоянством полной механической энергии (суммы кинематической и потенциальной) системы при колебаниях. Вместе с тем, неконсервативные системы в случае убывания этой энергии называют диссипативными. В автоколебательных системах возникают явления самовозбуждения колебаний при условии их стационарности и консервативности. При этом такого рода автоколебания в системе возникают вследствие поступления энергии от наличия в её составе источника неколебательной природы посредством движений самой системы.

Классификационная схема видов колебательных процессов (рис. 3) определяет в системах различного рода установившиеся или переходные движения, связанные с характеристиками действия в системе внешнего источника энергии — нагрузки возмущения или возбуждения. Вынужденные колебания представляют собой установившиеся процессы, вызываемые периодическим воздействием нагрузки извне так, что отвечают проявлениям свойств систем в режимах неавтономности. Свободные колебания, наоборот, относятся к свойствам систем в режимах автономности. Свободные колебания, выступая коренной характеристикой колебательных систем по их определению, вызываются некоторыми начальными условиями движения за счет придания системе в начальный момент времени предварительных перемещений и/или скоростей (иного источника энергии системы при этом не имеется). В условиях переходных процессов, которые обусловливаются приложением или отключением внешних нагрузок, причем не обязательно в качестве лишь периодических возмущений, происходят «смешанные» процессы так, что некоторое время одновременно имеют место свободные и вынужденные колебания, постепенно уступая по-

следним. Решения системы, описываемой обыкновенными дифференциальными уравнениями, строятся для смешанных колебаний как общего случая суммой общего решения соответствующего однородного уравнения, касающейся свободных колебаний, и частного решения неоднородного уравнения, отражающего вынужденные колебания [2].

В качестве возмущений колебательных систем, вызывающих различные установившиеся и/или переходные движения, рассматривается ряд типовых случаев представления процессов: вибрационные, волновые, ударные (импульсные, в частном случае - ступенчатые) и, так называемые, линейные перегрузки (ускорения движений в переходных режимах работы).

Вибрационные процессы — это наиболее распространенный в технике вид движений, свойственных колебательным системам, которыми отражают воздействия на данные объекты со стороны других, однородных этим же объектам, источников возмущения (одного или нескольких одновременно). На рис. 4 (а-ж) представлены характерные виды вибрационных процессов.

Простейшим видом вибрации является «гармоническое колебание», которое в виде функции времени выражается синусом и / или косинусом (рис. 4.а). В механике такого рода представления движений выступают, как правило, преобладающими ввиду классической элементарности форм их описания в математике. Однако, в технике они встречаются намного реже, где чаще имеют место «квазигармонические колебания» в виде вибрации близкой к гармонической с непрерывным изменением частоты колебаний (рис. 4.б). Но большая часть колебаний оказывается в форме «искаженной синусоиды» (рис. 4. в, г, д) или «полигармонической», при наличии многочастот-ности вибрации, представляющейся в виде суммы двух или нескольких гармоник. Наряду с детерминированными колебаниями, которые выражаются моделями с однозначными величинами параметров движения, в реальных системах имеются флуктуации параметров, как движения, так и возмущений. Эти неизбежные вероятностные отклонения состояний систем, приводящие к множественным реализациям движений, порождают случайные колебания.

Движения, которые вызываются переменным внешним воздействием с отклонения-

ШЖ1ШЛ

б)

Рис. 4. Виды вибрационных процессов.

ми от регулярных (периодических) будут вызывать случайные вынужденные колебания. В случае изменений во времени параметров системы (одного или нескольких) происходят параметрические колебания. Такие колебания возможны лишь в нестационарных системах. Автоколебания или самовозбуждающиеся колебания принадлежат стационарным, консер-

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

вативным системам и существенно определяются нелинейностью их свойств.

Вследствие наличия достаточно быстрых флуктуаций по сравнению с регулярным динамическим процессом можно представить существование скачкообразных изменений состояния. В связи с этим движения подчиняются законам статистики, перестают быть «мо-нохроматичными» и оказываются лишь приблизительно периодическими. На практике их обычно наблюдают в качестве «широкополосной» (рис. 4.е) или «узкополосной» (рис. 4.ж) вибрации [17]. Принципом деления случайных процессов на узко и широкополосные является величина относительной ширины полосы частот к средней частоте, в которой, главным образом, сосредоточен спектр мощности процесса. «Широкополосная» вибрация — это скорее идеализированная модель процесса более простая в теоретических обоснованиях случайных вибраций. Однако, на практике в подавляющем большинстве случаев встречается, именно, «узкополосная» вибрация.

Различают чисто случайные процессы, в которых отсутствуют детерминированные составляющие, «смешанные» — в виде совокупности чисто случайного процесса и детерминированных составляющих, а также «квазиде-терминированные», реализации процессов которых описываются функциями времени определенного вида, содержащих один или несколько случайных параметров, не зависящих от времени.

Вибрации могут быть как периодические, так и непериодические. Периодические вибрации образуются процессами, в которых значения колебательных величин повторяются через одинаковые промежутки времени. Примерами периодической вибрации являются процессы гармонических или полигармонических колебаний. Механические колебания, близкие к периодическим, слагающиеся из гармоник с несоизмеримыми периодами образуют почти периодическими колебаниями [16]. В колебаниях систем при наличии двух и более гармоник с близкими частотами возникают биения. Периодические процессы могут быть описаны, не только функциями времени, но и в форме частотного спектра. Под спектром (частот) понимают характеристику совокупности частот гармонических составляющих, расположенных в порядке возрастания [15]. Для гармонических, полигармонических колебаний такие частотные спектры имею вид

дискретных характеристик, и называются «линейчатыми». Периодические колебания двух и более механических систем образует эффект синхронных колебаний.

Непериодические вибрации разделяются на «почти периодические» (квазипериодические) и переходные [17]. Почти периодические вибрации могут быть представлены в виде дискретного спектра. Однако, переходные непериодические процессы позволяют определить спектр в качестве лишь непрерывного представления.

Непериодические вибрации возникают в случае воздействия на системы ударов, как некоторых специфических процессов, обладающих импульсным характером проявления. К этому виду воздействий тяготеют, так называемые линейные перегрузки (линейные ускорения), имеющие зачастую характер ступенчатых нагрузок. В обоих случаях в колебательных системах возникают переходные процессы, которые оказываются комбинацией апериодических движений с наложенными на них вибрациями.

Вибрационные и ударные процессы зачастую переводят механические колебательные движения в класс нелинейных. В этих случаях происходят специфические колебания, которые не встречаются в линейных системах. В частности, могут возникать «комбинационные колебания», отвечающие процессам периодических движений с наличием гармоник вынужденных колебаний, частоты которых в целое число раз отличатся от частоты гармонического возбуждения. Если частоты гармоник периодических вынужденных колебаний в целое число раз больше, то их определяют в качестве «супергармонических колебаний», если в целое число раз меньше частоты гармонического возбуждения, то имеют место «субгармонические колебания».

Вибрационные процессы выражаются параметрами поступательных (прямолинейных) или вращательных (угловых) колебаний, атак-же могут быть комбинированными в случае рассмотрения сложных пространственных движений (поступательно-вращательных).

Вибрационные процессы характеризуют колебательные движения в окрестностях некоторого состояния системы как среднего положения (например, около устойчивого положения равновесия). В связи с этим о колебаниях подобного рода можно говорить в случаях идеализации реальных систем с введением ко-

нечного набора их параметров, изменяющихся лишь во времени. Поэтому вибрационные процессы описываются одним или несколькими обыкновенными дифференциальными уравнениями. Волновые же процессы встречаются в колебательных системах как вполне естественные проявления их механической сущности при наличии фактора влияния протяженности систем.

Волновые процессы — это распространение колебательных движений в пространстве с некоторой конечной скоростью. Волна представляется более сложной моделью движения, адекватность которых реальным системам выше. Поэтому волновые процессы описываются уравнениями в частных производных, которыми учитываются в состояниях колебательных систем не только временные, но и пространственные переменные.

Критерием перехода от колебательного движения к волновому может служить условие некоторой «квазистационарности». Пусть Ь - характерный размер системы, с — скорость распространения возмущения, Т- время его заметного изменения. В случае, если Ь меньше сТ, то процесс считается вибрационным, а система - с сосредоточенными параметрами. В случае, если Ь больше сТ, то процесс считается волновым, а система - с распределёнными параметрами [19].

Волны обычно служат механизмом переноса энергии, осуществляющим в системе переход от неравновесного состояния к равновесному. При этом не происходит существенного перемещения материи, но такое иногда возможно как некоторое побочное действие, сопровождающее распространение волны. Физика подтверждает, что волны выступают фундаментальным явлением в природе, например, выражая корпускулярно-волновой дуализм микромира. В механике волновые процессы занимают, видимо, не менее важное место. Примерами могут служить явления прохождения волн в периодических структурах, которые образуются многослойными материалами, длинными цепями элементов, передающих воздействия, или системами для замедления. Механизмы распространения возмущений в волновых процессах линейных и нелинейных систем существенно различаются. Упругие волны в жидкостях и газах происходят вследствие того, что коллективные движения частиц среды создают чередующиеся сжатия и разрежения. Возмущения передают-

ся от слоя к слою среды преимущественно в направлении, вдоль которого имеются колебания частиц, т.е. волны в жидкостях и газах являются продольными. Твердые тела, обладая сдвиговой упругостью, позволяют распространяться также поперечным волнам.

Различие физических механизмов, реализующих волновой процесс, приводит к их описаниям, основанным на различных сложных системах уравнений. Например, имеют место, в частности, волновые уравнения в виде линейных уравнений в частных производных. Решение волнового уравнения должно находиться с учетом начальных и граничных условий. Большое значение в теории волн имеют гармонические волны. В механике модели волнового характера применяются, например, в акустических процессах, которые определяют поведение систем в условиях шумов. Такие явления оказываются родственными процессам действия высокочастотной вибрации. Поскольку длина волны становится соизмеримой с размерами системы, то рассмотрение движений ведется в качестве волновых процессов.

В общем случае в колебательных системах возможны любые комплексы движений, не только с наложением свободных и вынужденных колебаний, но и совмещение их со случайными, как впрочем, и с учетом возникновения различных комбинации вибрационно-волно-вых процессов.

Источники и оценки вибрации. Вибрационные процессы следует рассматривать как в аспекте описаний, так и нормирования с точки зрения технического фактора их проявления и допустимого воздействия на объекты современного производства.

Данный фактор обусловливает содержание решений задач оценки и формирования заданных вибрационных состояний объектов техники. В дальнейшем он предопределяет осуществимость разработок методов и средств уменьшения вредного влияния вибрации и динамических нагрузок на надежность, качество объектов, участвующих в технологических процессах, а также на здоровье человека, подверженного опасным виброболезням [20]. Такой фактор в итоге способствует успешности создания проектов и конструкций, открывает возможности достижения требуемой эффективности машин и механизмов, приборов и оборудования, агрегатов и сооружений.

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

В целом вибрационные процессы в отмеченных аспектах обнаруживают проблему, в узком смысле, обеспечения их контроля, в широком смысле, обеспечения качества, в том числе, безопасности объектов.

Надежность и безопасность являются показателями качества, которое характеризует способность продукции, в том числе изделий, удовлетворять установленным и предполагаемым потребностям (ИСО 8402-94).

Вместе с тем, обязательные требования к продукции, продиктованные безопасностью, принято закреплять нормативно-технической документацией определенного статуса. В России основными формами таких документов являются обязательные стандарты, а также другие руководящие документы, правила и инструкции. В свое время концепция увеличения качества, повышения надежности и безопасности продукции была закреплена международными стандартами качества серии ИСО 9000, которые принимались за основу национальных стандартов в этой области во многих странах, включая Россию (ГОСТ Р ИСО). Согласно этим нормативно-техническим документам организуется и осуществляется направленная деятельность в обеспечение надлежащих требований к качеству продукции.

Такая деятельность содержит, наряду с необходимой оценкой состояний объектов в условиях нагружения (с учетом факторов влияния окружающей среды), проведение соответствующих разработок этих объектов (с учетом факторов опасности), а также выполнение контроля качества, в том числе безопасности. Такой контроль включает проведение измерений, экспертиз и испытаний показателей качества работы объектов.

В основу контроля качества закладываются определенные нормы как допустимые уровни его состояния, способные обеспечить соответствие достигнутых, а также удостоверяемых соответствующими проверками, характеристик надежности и безопасности продукции, включая объекты и процессы, установленным требованиям (по видам продукции).

При этом выполняемая оценка соответствия объектов (прямое или косвенное определение и установление факта соблюдения требований), осуществляется в различных формах, определенный порядок которых документально удостоверяет соответствие продукции, объектов и процессов требованиям стан-

дартов (обязательная сертификация) или условиям договоров и т.п. (добровольная сертификация). Государственные органы и специализированные организации (экспертные, испытательные и прочие), руководствуясь нормативными актами, обеспечивают на основе достигнутых результатов контроля качества надзор за безопасностью продукции [21].

Статистика свидетельствует, что масштабность случаев возникновения серьезных событий нарушения безопасности (аварий и катастроф) в технике велика и продолжает нарастать. Массовыми и весомыми оказываются факты отклонения в режимах работы от допустимых значений, искажение форм и взаимного положения деталей в ненормированных условиях, приводящие к нерасчетным случаям нагрузок деталей, изменению посадок и ослаблению креплений в узлах, ещё многое другое. Это позволяет считать множество объектов, так или иначе сопряженных с какими-либо механическими движениями, особо критичными в отношении показателей надежности и безопасности. Положение усугубляется стремлениями снизить удельные расходы материалов, уменьшить весогабаритные характеристики, увеличить скорости и мощности в работе. Практика показывает, что вибрационные процессы становятся основными причинами отказов (в работе) и разрушений современных машин, агрегатов и механизмов, приборов и оборудования, многих зданий, строений, сооружений и пр.

В свою очередь, это выступает стимулами необходимости усиления контроля за безопасностью и надежностью объектов подобного рода, вибрации которых оказываются в настоящее время одной из важнейших характеристик качества их функционирования. Очевидно, что продукция ответственного назначения становится наиболее приоритетным объектом оценки и контроля качества. В нормативно-техническую документацию по обеспечению надежности стали включать прогнозно-вероятностные оценки серьезности проявления и учета влияния последствий отказов в событиях надежности или безопасности (серия стандартов «Менеджмент риска» -ГОСТ 51901.2,5,6 и др. согласно МЭК 60300-1:2003, 61014:2003 и пр.).

В связи с необходимостью при обеспечении надежности и безопасности получения оценок вибрационных состояний принято раз-

личать следующие группы специфических случаев их проведения:

1) «Вибронадежность» - задачи, решение которых направлено на получение способности объектов выполнять свои функции и сохранять значения параметров в пределах установленных норм вибрации.

2) «Вибропрочность» - задачи, предопределяющие «вибронадежность» так, что решения призваны обеспечивать объектам свойства поддержания их несущей способности с учетом предохранения от разрушающих воздействий вибрационных процессов.

3) «Виброустойчивость» - задачи, решение которых сопряжено с задачами «вибронадежности», но придающие объектам способности функционировать при выдерживании показателей точности (стабильности) их работы в условиях вибрации.

Стремление к ограничениям влияния вибрации по критериям качества и безопасности приводит к необходимости её регламентации, предполагающей установление требований к характеристикам и обоснование определения понятия «нормы». Под требованиями, как правило, полагают предельно допустимые уровни вибрации, которые являются необходимыми и обеспечиваются для удовлетворения заданного (возможного) поведения конкретных объектов. Под нормами следует понимать условия, которые являются обязательными, исходя из реально достижимых для данного класса объектов с предельно минимальными уровнями вибрации для исключения их вредного влияния по заданным показателям качества, включая безопасность.

Определение количественных значений нормы обычно обосновывается (в оговоренных реальных условиях экспериментальным путем с помощью, как правило, статистического анализа процессов). Следует отметить, что их величины в большинстве случаев являются компромиссными, поскольку находятся в зависимости от многих критериев поведения и свойств объектов. Попытки завышения или занижения их нормативных значений вибрации отражаются на показателях эффективности работы, материалоемкости, весогабаритных размерах, наконец, критериях контролеспо-собности объектов, на затратах производства, сроках и стоимости эксплуатации.

При рассмотрении вопросов обеспечения контроля вредного влияния и уменьшения действия вибрации обычно принято в интересу-

ющей механической колебательной системе выделять следующие две подсистемы:

1) Источник, в котором непосредственно порождаются вибрации, т.е. происходят физические процессы, вызывающие нежелательные колебания;

2) Объект, в которых через связи с источником колебания наводятся, а вызывая негативные последствия, заставляют уменьшать вибрации.

Связи в составе этой схемы интерпретируются, как правило, в качестве некоторых динамических воздействий [3]. В дальнейшем будет показано, что возможность целенаправленного формирования этих связей, образующих третью компоненту механических колебательных систем, обнаруживает способность преобразовывать динамические воздействия, тем самым, влиять на свойства и поведение объектов в условиях вибрационных процессов.

Существующие нормы и соответственно требования к вибрационным процессам принято с точки зрения стандартизации подразделять на следующие случаи:

1) «Виброактивность», когда объект, сам генерирует или возбуждает вибрации (объект и источник совмещаются, поскольку внешние воздействия в колебательной системе отсутствуют). Пример — вибрирующие машины или механизмы, по функционированию конструкций которых с собственными колебаниями наступает виброактивность. Она выступает опосредствованной производной качества итогов процесса проектирования, изготовления и эксплуатации объекта. В частности, в этом случае отдельно выделяются эксплуатационные нормы допустимой вибрации.

2) «Вибростойкость», когда объект подвергается воздействию вибрации источника, выступающего по отношению к объекту внешним возбуждением. Пример - вибрирующие приборы, оборудование, здания, строения и сооружения, которые испытывают воздействия со стороны иных источников, включая возбуждение от виброактивных машин и механизмов, динамических нагрузок от транспорта или землетрясений, создающих колебания их оснований или фундаментов.

3) «Вибробезопасность», когда объектом защиты считают человека (тело, его отдельные части), контактирующего с источниками, вибрации которых ограничиваются санитарно — гигиеническими нормами и правилами.

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Изложенная градация, исторически послужила определению всех этих случаев в виде различия систем виброзащиты по принципу направления приложения нагрузок, воздействующих между источниками вибрации и объектами. В прежнее время в соответствии с понятием «виброактивности» стали и виброзащиту называть «активной», когда имеется необходимость защиты основания, на котором устанавливается возбуждающий её вибрации объект. Сегодня этот случай определяется другим термином - силовые возмущения, поскольку, именно, они прикладываются в направлении от источника к основанию, фигурирующего в качестве объекта защиты. Тогда же, согласно понятию «вибростойкости», виб-розашиту стали называть пассивной, имея ввиду защиту объекта от воздействия его возбуждающего основания. Ныне этот случай определяется термином - кинематические возмущения, которые проявляются в направлении воздействия вибрации от основания, которое выступает в качестве источника перемещений или скоростей колебательных движений. В настоящее время терминология в отношении употребления понятий «активная» и «пассивная» виброзащита изменилась и назначается по принципу наличия в составе механических колебательных систем источников энергии, что будет обсуждаться далее.

Вибрации в условиях современного производства порождают множество разнообразных источников, что затрудняет введение уровней соответствия их в статусе «нормы» с учетом дифференцированных требований к качеству. При этом оценка вибрационного состояния объектов должна отвечать систематизации, как масштабно потребляемых и новых видов конструкций, так и массово сложившихся и вновь образующихся условий их применения.

Стандарты по вибрации и ударам. В связи с необходимостью оценок вибрации и ударов, а также установления технологических принципов, позволяющих получить результаты и признать достоверными эти оценки, осуществляется соответствующая стандартизация во всех индустриально развитых странах.

Большая часть стандартизующих документов по указанной тематике берет начало в изданиях Международной организации по стандартизации (ISO - ИСО).

Технический комитет «Механическая вибрация и удар» ИСО (ТК 108) контролирует любые международные стандарты, связанные с вибрациями и ударными нагрузками. По решению Технического совета ИСО в 2006 г. были уточнена область деятельности и изменено название ТК 108 — «Mechanical vibration, shock and condition monitoring» («Вибрация, удар и контроль состояния). За эти стандарты в сфере ответственности ТК 108 отвечают его подкомитеты (ПК) по следующим разделам:

- ПК 1: «Компенсация, включая компенсирующие машины»;

- ПК 2: «Измерение и оценка влияния механической вибрации и ударных импульсов на машины, транспортные средства и конструкции»;

- ПК 3: «Использование и настройка оборудования, измеряющего вибрации и ударные импульсы»;

- ПК 4: «Влияние вибрации и ударных импульсов на человека»;

- ПК 5: «Контроль состояния и диагностика машин»;

- ПК 6: «Системы возбуждения колебаний и ударных импульсов».

ТК 108 и его ПК поддерживают связи со многими другими комитетами и подкомиссиями ИСО (ТК 20 «Воздушные и космические средства передвижения»; ТК 43 «Акустика»; ТК 45 «Резина и резиновые продукты»; ТК 159 «Эргономика» и др.) и МЭК (ТК2 «Вращающиеся машины»; ТК 5 «Паровые турбины»; ТК 87 «Ультразвук» и пр.). Они также контактируют с любыми другими организациями (вне ИСО и МЭК), которые заинтересованы в их работе. В ТК 108 ИСО передаются материалы по тематике вибрации и ударных импульсов: комитетом ТК 231 CEN (в части управления оборудованием Европейского союза), подкомиссией СП 37.20 ОИпСА (по вибрационным датчикам) и т.д.

В США главным аналогом ТК 108 ИСО является, аккредитованный ANSI, стандартизующий комитет С2 «Механические вибрации и ударные нагрузки». Комитет С2 руководит Американской технической консультативной группой (ТКГ), которая привлекается для взаимоотношений с ТК 108 ИСО и его ПК (кроме ПК 4). Аналогичный стандартизующий комитет С3 «Биоакустика», аккредитованный ANSI, руководит ТКГ по вопросам влияния вибрации и ударных импульсов на человека» с ПК 4 ТК 108 ИСО.

Однако, стандартами, которые посвящены испытаниям, приближенным к реальности, включая испытания с использованием вибрации и ударных импульсов, занимается в основном Международная электротехническая комиссия и её технический комитет ТК 104 МЭК.

В настоящее время установленные рамки деятельности ТК 108 ИСО охватывают нижеперечисленные вопросы (в скобках - номера стандартов).

1) «Терминология по вибрации и ударам», касающаяся компетенции всех шести ПК ТК 108 ИСО (ИСО 2041) по общим вопросам.

2) «Использование и настройка датчиков и оборудования», которые измеряют вибрации и ударные импульсы, как для контроля при этом состояния объектов

3) «Возбудители колебаний и ударных импульсов», включая терминологию (ПК6ТК 108

- ИСО 5344, 6070, 7919, 8568, 8626, 10813, 10816, 10817, 14839, 15261, 18431 и др.).

4) «Конструкции и конструктивные системы», которые относятся к объектам стационарного размещения (ПК 2 ТК 108 - ИСО 8569, 14964 и др.), включая вопросы по вибрации строительных конструкций (ИСО 4866 и др.).

5) «Транспортные средства», которые относятся к вибрации и ударам на мобильных объектах (ПК 2 ТК 108) определенного назначения: наземного транспорта (ИСО 8002, 8608, 10326 и др.); судов (ИСО 4867, 4868, 6954, 10055, 20283); железнодорожного транспорта (ИСО 10056, 10815, 14837);

Многие объекты транспорта стандартизуется в других профильных ТК ИСО (ТК 20 -воздушные и космические средства) или находятся под управлением ОАИ (автотехника), ТК 144 СЕЫ (трактора и сельхозтехника), ТК 151 СЕЫ (строительное оборудование), где в частном случае действует стандарт СЕЫ ЕС 1032

- испытания движимого машинного оборудования.

6) «Машины и механизмы», затрагивающие определение вибрации и ударов, возникающих во вращательных и возвратно-поступательных машинах, включая компенсацию (ПК 2 ТК 108).

Здесь стандарты определяют широкий спектр вопросов:

- балансировку (ИСО 1925, 1940, 2953, 3719, 10814, 11342, 19499, 20806, др.),

- демпфирование вибрации и ударов объектов (ИСО 10112, 18437 и др.),

- изоляцию объектов от вибрации и ударов (ИСО 2017, 10846, 22762 и др.),

- измерения, оценку влияния вибрации, ударов (ИСО 8528, 13332, 20643 др.),

- контроль состояния и диагностику объектов (ПК 5 ТК 108 - ИСО 13372, 13373, 13374, 13379, 13380, 13381, 17359, 18436 и др.).

Наряду с ИСО многие профессиональные организации (НАПЭ, АНИ, ИПГ, ИГ и многие др.) издают смежные стандарты, посвященные двигателям, генераторам, турбинам, насосам, компрессорам, которые могут содержать разделы, посвященные вибрации и ударам.

В связи с машинами и механизмами ТК 108 сотрудничает с комитетами ИСО (ТК 14 — валы машин и приспособления; ТК 39 - станки и пр.) или МЭК (ТК2 — вращающиеся машины и пр.), а также СЕЫ (ТК 231 - вибрации переносных станков и пр.) и иными профессиональными сообществами.

7) «Человек», посвященные изучению вибрации и ударных импульсов, влияющих, как на организм человека, так и на всю или отдельные части виброконструкции, имеющей контакт с человеком (ПК 4 ТК 108 ИСО).

В связи с этим здесь существуют стандарты по терминологии в этой области (ИСО 5805), специфическим измерениям (ИСО 8041, 8662, 15694 и др.), оценки вибрации человека (ИСО 2631, 5249, 5982, 6897, 8727, 9996, 13091 и др.), передачи воздействий на части тела (ИСО 10068, 10819, 13753, 15230 и др.), особым решениям (эластичность и упругость материалов: ИСО 13753 и др.), руководства по безопасности испытаний и виброэкспериментов с участием людей (ИСО 10227, 13090).

8) «Испытания», касающиеся экспериментальных оценок влияния вибрации и ударных воздействий на объекты.

Следует отметить, что стандарты в этой области, наряду с ИСО, выпущены большей частью МЭК (ТК 104 «Условия окружающей среды, классификация и методы испытаний»). Например, МЭК — 60068, 60721, др. Они посвящены определению реальных изменений в объектах, вызванных воздействиями извне, включая приложение виброударных нагрузок. В частности, рекомендации МЭК 60068-2 в рамках «рабочих программ» испытаний касаются действия синусоидальной вибрации, широкополосной случайной вибрации, ударных импульсов испытаний и свободного падения.

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Вместе с тем, большой вклад в стандартизацию проведения испытаний различных транспортных средств, оборудования и сооружений в случаях многих видов воздействий, включая приложение виброударных нагрузок, принадлежит NASA и МО (министерству обороны США).

К настоящему времени NASA, ориентируясь на летательные аппараты и бортовое оборудование, выпустило три стандарта, посвященные испытаниям на виброакустические и ударные нагрузки (www.standards.nasa.gov).

Стандарт NASA-STD 7001 «Критерии виброакустических испытаний бортового оборудования» затрагивает условия структурно возникающей в конструкциях объектов вибрации вследствие интенсивных акустических шумов возбуждения окружающей среды и устанавливает уровни испытаний. Стандарт NASA-STD 7002 «Требованиями к испытаниям бортового оборудования» нормирует факторы возбуждения в виде наиболее критичных нагрузок, которые устанавливают планируемые воздействия при испытаниях с определенными значениями параметров или статистических оценок и используются для проверки (демонстрации) заданных функций объектов. Стандарт NASA-STD 7003 «Критерии испытаний пироудара» определяет методологию испытаний объектов с контролем допустимых пределов нагрузок, динамического анализа и прогнозирования развития возбуждения в виде ударных нагрузок. Руководящий документ NASA -NDBK - 7004 «Силовые ограничения вибрационных тестов» затрагивает методологию проведения испытаний в случаях необходимости детализации влияния вибрационных сил (по режимам полета). Руководящий документ NASA -NDBK - 7005 «Критерии изменения окружающей среды» формулирует схему и критерии испытаний объектов, находящихся под воздействием широкого диапазона ударных импульсов и вибрации. Рассматриваемые методики могут быть пригодными для испытаний, не только в NASA, но и в отношении оборудования гражданских сфер техники.

Во многих случаях стандарты МО США уникальны и более полезны, как признается зарубежными специалистами, чем гражданские стандарты, хотя последние призваны постепенно упразднить военные. Стандарт МО STD-810 «Инженерия окружающих условий и лабораторные испытания» (6 изд.) охватывает

большинство случаев внешних воздействий на объекты, включая вибрации и ударные нагрузки. Его вкладом в развитие стандартизации является введение в схему и процессы проектирования процедур испытаний, которые не затрагивались в коммерческих условиях и были положены в основу американских испытательных программ техники и распространились на многие страны. Наиболее полезными признаются стандарты по вибрации и ударам на космических аппаратах (МО STD-340, 1540), на военно-морском флоте по ударным воздействиям (M0-S-901D) и корабельной вибрации (MIL-STD-167), а также надежности (MIL-STD-781), части которых находятся в процессах преобразования в стандарты ANSI или ИСО.

Центральное место среди тематических направлений деятельности ИСО занимают стандарты, посвященные, так называемой, «оценке серьезности вибрации или ударов», касающиеся «виброактивных» объектов.

К сожалению, охватить вопросы стандартизации и нормирования с единых позиций (в рамках обобщающей классификации существующих и возможных источников вредной вибрации) представляется крайне сложным вследствие весьма широкого диапазона типов машин и механизмов, создаваемых и используемых в современной технике.

В связи с этим в стандартах ИСО, интересующая оценка серьезности и описание пределов допустимых вибрации, отнесено к двум основным группам объектов:

1) «Механическая вибрация не возвратно-поступательных машин — измерения на вращающихся валах и критерии оценки» (стандарты ИСО серии 7919), включающие:

- общие принципы (часть 1);

- наземные паровые турбины и генераторы мощностью более 50 МВт с нормальными рабочими скоростями 1500, 1800, 3000, 3600 об/мин. (часть 2);

- спаренные промышленные машины (часть 3);

- газовые турбинные наборы (часть 4);

- набор машин в производстве гидроэнергии и насосные заводы (часть 5).

2) «Механическая вибрация - оценка вибрации машины измерениями на невраща-ющихся частях (стандарты ИСО серии 10816), включающие:

- общие принципы (часть 1);

- наземные паровые турбины и генераторы мощностью более 50 МВт с нормальными рабочими скоростями 1500, 1800, 3000, 3600 об/мин. (часть 2);

- промышленные машины с нормальной мощностью более 15 КВт и номинальными скоростями, измеренными на месте 120 -1500 об/мин. (ч. 3);

- группы газовых турбин, исключая самолетные модификации (часть 4);

- группы гидроэнергетических машин и насосные заводы (часть 5);

- возвратно-поступательные машины с мощностью выше 100 КВт (часть 6);

- центробежные насосы промышленного применения (часть 7).

Для определения требований и оценки серьезности вредной вибрации, которые позволяют в целом установить соблюдение норм в рассматриваемых объектах, используются измерения данных, как снятые с вращающихся валов (первая группа стандартов), так и сделанные на неподвижных корпусах и/или основаниях (вторая группа стандартов). Стандарты, несмотря на приложение к различным классам и типам машин, учитывает их специфику через введение определенных критериев оценки в конкретных случаях источников.

Технологические процедуры оценки вибрации в этих стандартах сведены к широкополосным измерениям сериями колебаний вала и/или основания (независимо от частоты и фазы). Предложенный способ позволяет для определенных групп машин выбрать соответствующие ключевые критерии. Они включают оценки величин смещений вала от центральной линии шейки, а также отношения жесткости основания и подшипников, определяемого через вибрации вала относительно вибрации основания. Машины лучше подходят для измерения вибрации: при низких отношениях жесткости (жестких опорах) - в основании и/или на корпусе, при высоких отношениях жесткости (относительно мягких опорах) - на вале.

Величины вибрации, ограничиваемые этими стандартами, основываются на среднек-вадратических оценках, которые определяются максимальными значениях их в виде широкополосной скорости в заданном диапазоне частот (обычно от 10 до 1000 гц). Допускаются вместо среднеквадратических значений пиковые оценки в виде перемещений и/или ускорений вибрации. Критерии оценки «серьез-

ности вибрации», наряду с величинами вибрации, учитываются в этих стандартах также в качестве наличия изменений в таких величинах (по указанным зонам оценки).

Стандарты ИСО посвящены, не только оценке «серьезности вибрации», но и контролю состояния вибрации, который должен проводиться путем измерения вибрации (ИСО 13373), мониторинга состояния и диагностики машин и иных объектов (ИСО 11372, 11373, 11379, 17359).

Предлагаемые этими документами, общие принципы измерения вибрации машин для контроля над состоянием предусматривают: методы измерения и параметры; выбор датчиков, местоположение и крепление; сбор данных; эксплуатационные режимы машины; контролирующие системы; системы концентрации сигнала; интерфейсы с системами обработки данных; непрерывный и периодический контроль.

Относительное новое направление в деятельности ТК 108 в рамках системы «Мониторинг состояния и диагностика машин» стандарты для обучения персонала и сертификации (ИСО 18436). Требования в контроле состояния вибрации и диагностике предусматривают схему и 4 категории (сложности работ) для сертификации персонала по вибрационному анализу, который выполняет мониторинг состояния и диагностику. При этом кандидаты должны освоить определенный курс обучения и пройти практику. Регламентируются требования к сертифицирующим и обучающим органам, обучение специалистов по управлению смазкой и анализом, термографии, диагностике и прогнозированию, контролю над состоянием, балансировке.

Продолжают действовать стандарты ИСО серии «вибрация», которые устанавливают соответствующие требования, относительно самостоятельно, для транспортной отрасли, ввиду специфичности их объектов и источников.

Под эгидой ТК 108 в рамках подкомиссии ПК 2 имеют место стандарты: измерения профилей дорожных покрытий (8608); измерения и оценки вибрации сидений транспортных средств, применяемых на колесных сельскохозяйственных тракторах (5007), на машинах для полевых работ (5008), на землеройных машинах (7096), на железнодорожном транспорте (10326); измерения и анализ общей вибрации, воздействующих на пассажиров и экипаж железнодорожных транспортных средств

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

(10056), также оценке вибрации и шума, вызываемого их движением (14837), включая измерение вибрации внутри железнодорожных туннелей при прохождении поездов (10815); испытаниям на вибрацию и удары оборудования подвижного состава (61373); измерениям вибрации на судах (4867), включая оценку вибрации на пассажиров и членов экипажа судов (6954); измерения и представления их результатов для судовых конструкций оборудования (4868) и испытаниям судового оборудования и машин (10055).

Широкий круг вопросов, касающихся вибрации и ударов, затрагивает компетенции не только ТК 108, но и других технических комитетов ИСО по ряду смежных проблем.

В введении ТК 43 и подкомиссии ПК 1 ТК 108 находятся стандарты серии «Акустика и вибрация». ТК 104 под эгидой МЭК принял участие в издании серии нормативных документов по испытаниям на воздействие внешних факторов - механических воздействий

Известны, разработанные ТК 45 совместно с ПК 4 ТК 108, которые отвечают вопросам безопасности при защите объектов в условиях сейсмических воздействий.

Сюда же примыкают вопросы ТК 98 с участием ПК 2 ТК 108 по расчетам строительных конструкций при сейсмических колебаниях, измерениям и оценкам воздействия вибрации и ударов на здания, контролю состояний сооружений и оценке влияния вибрации зданий на оборудование, чувствительное к этим воздействиям.

Вопросы, относящиеся к вибрации ручных машин, прорабатываются ТК 118 и ТК 23 (ручные машины лесного хозяйства) с участием ПК 3 ТК 108.

По ряду проблем создания и работоспособности объектов и источников отраслевого назначения, касающихся важных вопросов вибрации и ударов, действуют самостоятельные стандарты ИСО других технических комитетов: измерение вибрации подшипников качения (ТК 4); измерение вибрации гидравлических машин - турбин, гидроаккумулирую-щих насосов и насосо-турбин (ТК 5); определение вибрации зубчатых механизмов (ТК 60); измерения вибрации и качество балансировки промышленных вентиляторов (ТК 117);

измерения, оценка и испытания вибрации двигателей внутреннего сгорания поршневых (ТК 70).

Рассмотренные выше стандарты ИСО -одной из наиболее признанных организаций в этой области, являются для России, как и для других стран, актуальными, поскольку внимание во всем мире переместилось с развития национальных стандартов к использованию сложившихся международных норм и регламентов как некоторых региональных стандартов. Потенциал стандартизации, снимая препятствия в научно-техническом сотрудничестве, гарантируют доступ к высокотехнологичной продукции всех стран мира.

В нашей стране функции стандартизации (бывшего Госстандарта СССР), переданные Комитету РФ по стандартизации, метрологии и сертификации (Госстандарту РФ), впоследствии - Федеральному агентству по техническому регулированию и метрологии (Ростехре-гулированию http://techreglament.ru). С учетом решения Межгосударственного совета по стандартизации, метрологии и сертификации (стран СНГ) полномочия в области вибрации и ударов возложены с 1999 г. на Межгосударственный технический комитет по стандартизации (МТК) 183 «Вибрация и удар».

За технический комитетом по стандартизации (ТК) ««Вибрация и удар» закреплены вопросы (Приказ Госстандарта РФ от 8.12.99 N 530), связанные с работами машин, механизмов, оборудования и транспортных средств, а также воздействия вибрации и удара на человека и конструкции.

Ведение секретариата ТК 183 "Вибрация и удар" поручено Открытому акционерному обществу "Научно-исследовательский центр контроля и диагностики технических систем" (АО НИЦ КД, г. Нижний Новгород http://nitskd.ru) с возложением на него функций постоянно действующего национального рабочего органа в МТК 183. НИЦ КД под эгидой ТК 183.

В России стандарты, относящиеся к этой сфере, как правило, имеют национальное происхождение так, что государственный фонд изданий на настоящее время насчитывает около 120 соответствующих документов в области вибрации, ударов, шума, других, примыкающих к ним направлениям приложений. Значительная часть этих стандартов, особенно в последнее время, введены в действие на основа-

нии разработок и рекомендаций ИСО, отражая процессы перехода России в международное сообщество.

В последние десятилетия ведущей тенденцией в развитии принципов международной стандартизации во всех областях деятельности является решение вопросов, так называемого, «технического регулирования» [21].

Под «техническим регулированием» понимают- правовое регулирование отношений в области установления, применения и исполнения обязательных требований к продукции или к связанным с ними процессам проектирования, изыскания, производства, строительства, монтажа, наладки, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации и утилизации. В отношении других требований (необязательных) к продукции и процессам, выполнению работ и оказанию услуг действует правовое регулирование на добровольной основе путем введения оценки соответствия (прямого или косвенного определения соблюдений согласованных требований, предъявляемых к объектам) [21].

В настоящий период в нашей стране осуществляется реформирование системы стандартизации так, что создаются обязательные технические регламенты с соответствующей системой дополняющих стандартов добровольного (декларативного) плана. Под техническими регламентами следует понимать документы, которые устанавливают обязательные для применения и исполнения требования, прежде всего, обязательные по основным показателям безопасности для продукции, включая здания, строения, сооружения, и связанным с ними процессам (поименованным выше) - объектам технического регулирования. Всё это направлено на более определенную упорядоченность и

ужесточение условий обеспечения качества продукции (изделий).

В основу контроля качества продукции (включая объекты и процессы) закладываются определенные нормы (допустимые уровни их состояния), способные обеспечить соответствие достигнутых (удостоверяемых проверками) или декларированных изготовителем (в реформируемой системе стандартизации) характеристик надежности и безопасности установленным требованиям.

Вместе с тем, оценка соответствия объектов (прямое или косвенное определение или установление соблюдения требований), осу-

ществляется в различных формах, определенный порядок которых документально удостоверяет соответствие продукции, объектов и процессов требованиям технических регламентов, положениям стандартов или условиям договоров.

Государственные органы и аккредитованные специализированные организации (экспертные, испытательные и другие), руководствуясь нормативными актами, обеспечивают на основе контроля качества надзор за безопасностью продукции. При этом предусматривается за невыполнение обязательных требований введение штрафов разработчикам и изготовителям, устранение нарушений за счет виновной стороны, также возмещение убытков потребителя или заказчика (по их требованию).

Кроме того, разработчик и изготовитель несут ответственность за декларированные показатели на всех этапах жизненного цикла продукции. Вместе с тем, потребитель (в статусе работодателя) несет ответственность за безопасную эксплуатацию изделий, за соблюдение необходимых режимов работы и должного технического состояния, за проведение требуемого обслуживания, ремонтов в соответствии с действующим законодательством.

В настоящее время постановлениями Правительства России закреплен перечень первоочередных технических регламентов, подлежащих разработке и введению в действие в стране. В связи с этим в процессах реформирования следует ожидать некоторого нового порядка использования действующих и необходимых в перспективе стандартов, которые касаются продукции и связанных с ней процессов во всех сферах современной и будущей техники. Соответствующим изменениям, видимо, подвергнуться и стандарты, которые относятся к области установления, применения и исполнения требований по вибрации и ударам. Важным будет включение в технические регламенты технологий оценки вибрационных состояний объектов, достигнутых к настоящему времени передовым научно-техническим сообществом в мире.

БИБЛИОГРАФИЯ

1. ГОСТ 24346-80 «Вибрация. Термины и определения». Издательство стандартов, 1980. - 36 с.

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

2. Вибрации в технике: Справочник. В 6-ти т. / Ред. Совет: В.Н.Челомей (пред.) — М.: Машиностроение, 1978. Т. 1. Колебания линейных систем / Под ред. В.В. Болотина. 1978.352 с.

3. Вибрации в технике: Справочник. В 6-ти т. / Ред. Совет: В.Н.Челомей (пред.) — М.: Машиностроение, 1981. - Т. 6. Защита от вибрации и ударов / Под ред. К.В. Фролова. 1981. 456 с.

4. Harris* Shock and Vibration Handbook / Суп1 M. Harris, ed.; Allan G. Piersol, ed. / - 5 th ed. McCraw - Hill, 2002. 866 p.

5. Вибрации в технике: Справочник. В 6-ти т. / Ред. Совет: В.Н.Челомей (пред.) — М.: Машиностроение, 1978-1981.

6. Прочность, устойчивость, колебания. Справочник в 3-х т. / Под общ. ред. И.А. Биргера, Я.Г. Пановко. - М.: «Машиностроение», 1968.

7. Энциклопедия "Машиностроение". В 2-х кн. / Под ред. К.С. Колесникова. Том I-3. «Динамика и прочность машин. Теория механизмов и машин». - М.: «Машиностроение», 1994.-534 с.

8. Теория механизмов и машин. Терминология. Буквенные обозначения величин. Вып. 99. — М.: Наука, 1984. - 40 с.

9. Коловский М.З. Динамика машин. - Л.: Машиностроение ЛО, 1989. -263 с.

10. Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин. — М.: Наука, 1975. - 676 с.

11. Левитский Н.И. Теория механизмов и машин. — М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит.,1990. -502 с.

12. Фролов К.В., Попов С.А. Теория механизмов и механика машин, — М.: Высш. шк., 2005. - 496 с.

13. Светлицкий В.А., Нарайкин О.С. Упругие элементы машин. - М.: «Машиностроение», 1989. - 264 с.

14. Лойцянский Л.Г., Лурье А.И. Курс теоретической механики. В 2-х т. Т. II Динамика. — М.: Наука, Гл. ред. физ.- мат. лит., 1983. - 640 с.

15. Теория механических колебаний. Терминология (проект) — М.: изд. ИМАШ, 1984. — 20 с.

16. Механические колебания. Основные понятия. Терминология. Буквенные обозначения величин. Сб. рекомендуемых терминов. Вып. 106. - М.: Наука, 1987. — 24 с.

17. Приборы и системы для измерения вибрации, шума и удара: Справочник. В 2-х кн. Кн. 1 /Под ред. В.В. Клюева - М.: «Машиностроение», 1978. — 448 с.

18. Андронов А.А., Витт А.А., Хайкин С.Э. Теория колебаний. — М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит.,1981. -568 с.

19. Виноградова М.Б., РуденкоО.В., Сухоруков А.П. Теория волн. — М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1979. - 384 с.

20. Ивович В.А., Онищенко В.Я. Защита от вибрации в машиностроении. - М.: «Машиностроение», 1990. — 272 с.

21. Аронов И.З., Версан В.Г., Галлеев В.И. Техническое регулирование: теория и практика / Под ред. Версана В.Г. — М.: ЗАО «Изд-во Экономика», 2006. — 308 с.