Трение внешнее. Страховой случай механическое воздействие Читаем, когда наступает страховой случай

Избежать механических воздействий на электротехническое оборудование в современном мире практически невозможно, поэтому должна быть проведена оценка стойкости к влиянию внешних механических факторов. Существует несколько способов подобной проверки, о которых и рассказывают авторы материала.

ВНЕШНЕЕ МЕХАНИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ
СПОСОБЫ ПОДТВЕРЖДЕНИЯ СТОЙКОСТИ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ

Валентин Шишенин,
д.т.н.,
Владимир Бакин,
к.т.н.,
Владимир Павлов,
инженер НИЦ 26 ЦНИИ МО РФ,
г. Санкт-Петербург

Научная разработка задач проверки факторов влияния удара и вибрации на различное оборудование была начата еще в 50–60-х годах прошлого века. Проведенные в этой области исследования позволили выявить группы оборудования, наиболее критичные к вибрационным и ударным нагрузкам.
Электротехническое оборудование относится к группе, наиболее чувствительной к вибрационным и ударным (далее – механическим) нагрузкам, т. к. оно имеет в структуре функциональных схем автоматические выключатели (переключатели), электромагнитные пускатели, реле и размыкатели различного типа, показывающие приборы контроля (амперметры, вольтметры и др.). Эти выводы подтверждаются и зарубежными исследованиями .
Механические воздействия на электротехническое оборудование во многом обусловлены динамическими явлениями, возникающими при вращении и возвратно-поступательном движении неуравновешенных элементов и деталей. В свою очередь механические колебания с малой амплитудой часто вызывают резонансные колебания других элементов конструкций. Дополнительным источником механических воздействий на электротехническое оборудование являются факторы техногенного характера, а также внешние природные факторы, в том числе землетрясения. Примеры последних лет подтверждают, что на земле сейчас нет мест, где землетрясения невозможны .
Еще большей потенциальной опасностью для окружающей среды и населения отличаются случаи нарушения нормальной работы и выход из строя от механических воздействий электротехнического оборудования, установленного на опасных производствах и атомных станциях. Поэтому к стойкости электротехнического оборудования на объектах повышенной опасности предъявляются более высокие требования.

Стандарты испытаний
В зависимости от области применения и места установки электротехнические изделия по ГОСТ 17.516.1-90 разделяются на группы механического исполнения. Исходя из этого к ним предъявляются требования по прочности, устойчивости и стойкости к механическим внешним воздействующим факторам различной степени жесткости.
Для аппаратуры, приборов, устройств и оборудования военного назначения требования по стойкости к внешним воздействующим факторам выдвигаются по ГОСТ РВ 20.39.304-98 . Испытания электротехнического оборудования на соответствие требованиям ГОСТ 17.516.1-90 в части стойкости к механическим внешним воздействующим факторам проводятся в соответствии с методами испытаний по ГОСТ 20.57.406-81 и по ГОСТ 16962.2-90 . Испытания электротехнического оборудования военного назначения на соответствие требованиям ГОСТ РВ 20.39.304-98 в части стойкости к механическим внешним воздействующим факторам проводятся в соответствии с методами испытаний по ГОСТ 20.57.305-98 .
В общем случае проверка соответствия электротехнического оборудования выдвигаемым требованиям может осуществляться экспериментальным, расчетным и расчетно-экспериментальным способами. У каждого из них есть свои особенности, достоинства и недостатки.

Экспериментальный способ
Наиболее полные и достоверные данные о прочности, устойчивости и стойкости оборудования к механическому воздействию внешних факторов можно получить только экспериментальным путем. Анализ результатов испытаний электротехнического оборудования на воздействие внешних механических факторов, проведенных за последние 10–20 лет в НИЦ 26 ЦНИИ, позволил установить наиболее характерные отказы и недостатки.
1. Поломки или разрушения узлов крепления, обусловленные:

• срезом крепежных болтов и шпилек;
• деформацией опорных узлов, выполненных из профильной или листовой стали;
• появлением трещин и разрушением чугунных фундаментных рам у основания;
• появлением трещин в сварных швах опорных узлов агрегатов.

2. Деформация или разрушение целостности корпуса из-за:

• деформации каркаса, крышек и створок дверей оборудования стоечного и шкафного исполнения;
• деформации опорных узлов стоек дверей, препятствующей их дальнейшей фиксации в закрытом положении;
• разрушения и откола фланцевых выступов на чугунных крышках электродвигателей.

3. Деформация или поломка внутренних узлов и элементов в результате:

• смещения выкатных тележек;
• разрушения проходных и опорных изоляторов, гетинаксовых плат и текстолитовых корпусов;
• выпадения дугогасительных камер, электроизмерительных приборов;
• разрушения нити накала ламп в светотехническом оборудовании и аппаратуре;
• разрушения подшипников.

4. Ложные срабатывания контактных элементов.

Самопроизвольное замыкание и размыкание контактных элементов аппаратов в момент воздействия нагрузки может привести к отключению важных технических систем и нарушению технологических процессов.
По объективным причинам в России за последние пятнадцать лет произошло значительное сокращение числа функционирующих испытательных лабораторий и испытательных центров и, как следствие, количества испытательных средств, воспроизводящих механические, в том числе и сейсмические, воздействия.
Следует также отметить большую изношенность парка испытательных средств на механические воздействия, относительно небольшие размеры испытательных столов и недостаток многокомпонентных установок.
Фактически отсутствует возможность испытания крупногабаритного оборудования с линейными размерами более 3 м и массой более 3 т на вибрационные воздействия и удар.
А как показывает практика, уникальное крупногабаритное и массивное оборудование из-за своих инерционных характеристик хуже переносит механические воздействия и поэтому нуждается в обязательной проверке на воздействие ожидаемых внешних механических факторов. Аналогичным образом обстоят дела с испытательными средствами для проверки на воздействия, адекватные интенсивным землетрясениям. В бывшем СССР функционировало пять крупных сейсмоплатформ программного действия, оснащенных гидравлическими приводами. В последние годы сейсмоплатформы, расположенные на территории Российской Федерации, практически не работали, и остается неясным, каковы необходимые объемы ассигнований для восстановления их работоспособности и модернизации.

Расчетный способ
Существенным недостатком использования экспериментального способа является его зависимость от ограниченных возможностей испытательного оборудования. Поэтому в случае необходимости проведения оценки прочности к механическим воздействиям образцов электротехнического оборудования, изготовленных из материалов с известными характеристиками, применяют расчетный способ. Этому способствует современное развитие методов моделирования и расчета, программных средств и вычислительной техники. Неоспоримое преимущество расчетного пути определения прочности заключается в том, что его применение не ограничено размерами и максимальной массой рассчитываемого оборудования. Кроме того, по сравнению с экспериментальным путем расчетный имеет достаточно низкую себестоимость.
Среди основных недостатков данного метода определения прочности можно подчеркнуть следующие:

• расчетным путем практически нельзя оценить устойчивость работы электротехнического оборудования во время воздействия внешнего механического фактора;
• практически нельзя подтвердить соответствие выдвигаемым требованиям по прочности к воздействию внешних механических факторов для образцов оборудования с нелинейными характеристиками и сложных систем электротехнического оборудования;
• точность определения прочности зависит от принятой расчетной модели, квалификации специалистов-расчетчиков, применяемых программных продуктов и методик.

Расчетно-экспериментальный способ
Учитывая технические возможности существующих испытательных средств, испытание сложной электротехнической системы на стойкость при воздействии механических факторов может оказаться фактически нереализуемым или потребует значительных материальных затрат, а оценка стойкости системы в целом расчетным путем – невозможной. В этом случае используется расчетно-экспериментальный способ.
На вибродинамическом стенде были проведены испытания шкафов на стойкость к воздействию синусоидальной вибрации с указанными амплитудами виброперемещения и виброускорения в диапазоне от 7 до 100 Гц. Как известно, виброиспытания в диапазоне от 1 до 5 Гц представляют сложность из-за отсутствия вибродинамических стендов необходимой грузоподъемности. Во время испытаний с помощью установленных в определенных местах шкафов трех датчиков регистрировались параметры ускорений. Параллельно были разработаны расчетные модели шкафов и проведены расчеты на аналогичное воздействие.

Пример из практики
Была поставлена задача произвести оценку стойкости группы шкафов электротехнического оборудования с максимальными габаритами 600х800х2000 мм и максимальной массой 250 кг к воздействию синусоидальной вибрации в диапазоне от 1 до 100 Гц, с амплитудой виброускорения 7 м/с2 от 1 до 35 Гц и с амплитудой виброускорения 10 м/с2 от 35 до 100 Гц.

После испытаний было произведено сравнение расчетных и экспериментальных данных в диапазоне частот от 7 до 100 Гц и выявлена достаточная сходимость результатов расчета и испытаний. Испытания показали стойкость шкафов к испытательному воздействию в диапазоне от 7 до 100 Гц. После испытаний были проведены расчеты шкафов на проверенных расчетных моделях на воздействие синусои-дальной вибрации в диапазоне от 1 до 7 Гц. Полученные по расчету в установленных точках кинематические параметры не превышали параметров движения, зарегистрированных в этих же точках во время испытаний. Поэтому по результатам расчетно-экспериментальной оценки был сделан положительный вывод о стойкости оборудования в диапазоне от 1 до 100 Гц при воздействии заданной синусоидальной вибрации.

Расчетно-экспериментальный – это наиболее универсальный способ определения стойкости (прочности, устойчивости) образцов оборудования и их систем к внешним механическим воздействующим факторам. Он сочетает достоинства и частично исключает недостатки расчетного и экспериментального способов, однако его применение требует достаточного объема необходимых исходных и экспериментальных данных, корректности используемых методов и методик, высокой квалификации специалистов.

Несколько советов производителям
Повышение стойкости электротехнического оборудования к воздействию внешних механических факторов может осуществляться за счет:

• применения оптимальных схемных решений;
• применения в оборудовании стойких комплектующих;
• уменьшения габаритов изделий;
• рациональной компоновки и крепления комплектующих изделий, повышения коэффициента заполнения;
• применения унифицированных каркасов оптимального профиля;
• совершенствования запорных устройств дверей и крышек шкафного оборудования;
• устройств дополнительного закрепления в верхней точке изделия;
• расчета узлов штатного крепления оборудования;
• контроля при монтаже необходимого усилия затяжки болтовых соединений.

Литература
1. Вибрации в технике. Справочник в 6 томах. – Т. 3. Колебания машин, конструкций и их элементов. – М.: Машиностроение, 1980.
2. Coloiaco A.P., Elsher E. G. Sine-beat tests verifies switchgear control equipment// IEEE Trans. Power Appar. and Syst. – 1973. – Vol. 93, N2. - P. 751-758.
3. Кириллов А.П., Амбриашвили Ю.К. Сейсмостойкость атомных электростанций. – М.: Энергоатомиздат, 1985.
4. ГОСТ 17.516.1-90 «Изделия электротехнические. Общие требования в части стойкости к механическим внешним воздействующим факторам».
5. ГОСТ РВ 20.39.304-98 «Требования по стойкости к внешним воздействующим факторам». 6. ГОСТ 20.57.406-81 «Изделия электронной техники, квантовой электроники и электротехнические».
7. ГОСТ 16962.2-90 «Изделия электротехнические. Методы испытаний на стойкость к механическим внешним воздействующим факторам».
8. ГОСТ РВ 20.57.305-98 «Методы испытаний на воздействие механических факторов».
9. Бакин В.А., Беляев В.С., Виноградов В.В., Сирро В.А. Испытание строительных конструкций и крупногабаритного оборудования на сейсмические воздействия//Сейсмостойкое строительство. – М.: ВНИИНТПИ, 1996. – Вып. 6. – С. 3–10.

Механические воздействия принято делить на три класса: а) линейные перегрузки; б) вибрационные воздействия; в) ударные воздействия.

Линейные перегрузки

Линейными перегрузками называются кинематические воздействия, возникающие при ускоренном движении источника. Существенные линейные перегрузки возникают на транспортных машинах, в особенности на летательных аппаратах, при увеличении скорости, торможении, а также при различных маневрах летательного аппарата (вираж, разворот).

Рис. 2. Закон изменения линейной перегрузки

Рис. 3. Характеристика гармонических кинематических воздействий

Основными характеристиками линейных перегрузок являются постоянное ускорение (рис. 2) и максимальная скорость нарастания ускорения называемая резкостью или градиентом ускорения.

Вибрационные воздействия

Кинематические и силовые вибрационные воздействия являются колебательными процессами. Силовые воздействия характеризуются функциями времени, выражающими составляющие сил или моментов сил, действующих на объект или кинематические воздействия характеризуются ускорениями точек источника, связанных с объектом их скоростями и перемещениями

Вибрационные воздействия делятся на стационарные и нестационарные. Простейшим видом стационарного вибрационного воздействия является гармоническое:

где силовое или кинематическое воздействие.

Распространенным источником гармонических воздействий являются неуравновешенные детали механизмов, вращающиеся или движущиеся поступательно по гармоническому закону. В некоторых случаях амплитуда и частота гармонического воздействия могут принимать различные значения в зависимости от режима работы источника; например, ротор двигателя может иметь различную скорость вращения при различных рабочих режимах. Силовые воздействия на корпус двигателя, вызванные неуравновешенностью ротора, будут иметь частоту, равную угловой скорости, а их амплитуда (в случае жесткого ротора) пропорциональна квадрату угловой скорости.

Гармоническим воздействиям подвергаются различные технические объекты при вибрационных испытаниях. Гармонические силовые воздействия создаются

механическими, электромагнитными или электродинамическими вибраторами, а гармонические кинематические воздействия - механическими, электродинамическими или гидравлическими вибрационными стендами. Сравнительная простота устройств, воспроизводящих гармонические воздействия, обусловливает широкое распространение испытаний на гармоническую вибрацию. При этом нормативными документами определяются диапазон изменения частоты вибрационного воздействия и значение амплитуд в этом частотном диапазоне. График, задающий гармоническое кинематическое воздействие (рис. 3), строится обычно в логарифмических координатах; при этом степенные зависимости амплитуды от частоты изображаются отрезками прямых.

О кинематических характеристиках гармонических котебаннй и их комплексном представлении см. т. 1, гл. I, параграф 4.

В машинах, содержащих цикловые механизмы, при установившемся движении возникают периодические механические воздействия

Часто в таких системах можно пренебречь влиянием всех гармоник, кроме одной, и считать воздействие гармоническим. Это возможно в тех случаях, когда одна из гармоник (обычно первая) превалирует над остальными или когда одна из гармоник воздействия является резонансной для данного объекта.

При спектральном анализе периодических процессов (см. т. 1, гл. I, параграф 4) можно ограничиться определением коэффициентов Фурье для тех гармоник воздействия, частоты которых попадают в область спектра собственных частот объекта.

На многих современных технических объектах стационарные вибрационные воздействия не являются периодическими, закон их изменения во времени носит нерегулярный, хаотический характер. Основными причинами этой хаотичности являются существование большого числа независимых источников вибрации и нерегулярность некоторых физических процессов, вызывающих появление вибрационных воздействий (например, процессов горения в реактивном двигателе, аэродинамических сил при турбулентности потока и т. п.).

Во многих случаях достаточно адэкватным описанием хаотической вибрации может служить полигармоиическая функция времени

(предполагается, что в вибрационном воздействии постоянная составляющая отсутствует), В частности, таким образом может быть приближенно представлена сумма конечного числа периодических процессов

Если среди частот окажутся несоизмеримые, то эта сумма будет описывать почти периодический процесс (см. т. 1, гл. I, параграф 5). Полигармонический процесс с несоизмеримыми частотами адэкватно описывает вибрационное воздействие, возбуждаемое несколькими независимыми источниками, поскольку при этом моделируются изменения фазовых сдвигов («набегание» фазы) между отдельными компонентами.

Нестационарные вибрационные воздействия возбуждаются чаще всего переходными процессами, происходящими в источниках. Например, силовое воздействие на корпус двигателя с неуравновешенным ротором, возникающее при разгоне, может быть приближенно описано выражением

где закон изменения угловой скорости ротора.

При торможении самолета, совершившего посадку, возникают колебания, вызывающие нестационарные вибрационные воздействия на аппаратуру и экипаж самолета.

Сложность представления вибрационных воздействий в виде явных функций времени привела к широкому использованию различных характеристик, отражающих наиболее существенные свойства этих процессов. Характеристиками вибрационного процесса называются функционалы от зависящие от некоторых параметров

Аналогичным образом определиются совместные характеристики процессов

Определение характеристик процессов по записям их реализаций является задачей анализа вибрации (см. т. 5).

Преобразование Фурье. Преобразованием Фурье абсолютно интегрируемого на бесконечном интервале процесса называется комплексная функция со:

Вещественные функции

называются соответственно косинус-преобразованием и синус-преобразованием. Для процессов (1) - (4) интеграл (8) расходится; для этих процессов под преобразованием Фурье понимается функция

Здесь функционал, равный среднему значению функции, стоящей в скобках, на бесконечном интервале;

Для гармонической функции

Для периодического процесса (2)

Для полигармоиического процесса (3)

В дальнейшем используется также функция

представляющая собой преобразование Фурье на конечном интервале времени. Для полигармонического процесса (3)

Функция приведена на рис. 4.

Спектральные представления (8) и (10) не всегда могут быть использованы для адэкватного описания механических воздействий. Первое из них пригодно лишь для абсолютно интегрируемых, т. е., практически, для затухающих процессов; при использовании второго теряется информация о любых слагаемых воздействия, не состоящих из гармонических компонент. Например, для процесса (5) преобразование (10) тождественно равно нулю. По этой причине используется еще одна форма спектрального представления.

Рис. 4. Функция

Вещественная функция

называется амплитудным спектром процесса Функции и связаны формулой Парсеваля:

где называется энергией процесса Выражение

можно рассматривать как энергию некоторого процесса для которого преобразование Фурье определяется следующим образом:

Процесс получается пропусканием процесса через идеальный полосовой фильтр, частотная характеристика которого показана на рис. 5, а (16) есть энергия той части процесса спектр которого лежит в полосе пропускания этого фильтра.

Рис. 5. Частотная характеристика идеального узкополосного фильтра

Величина

называется плотной спектральностью энергии процесса х на частоте

Для незатухающего вибрационного воздействия преобразование (8), а следовательно, и амплитудный спектр не существуют, Однако для любого процесса, ограниченного по модулю, существует и конечная величина

которая называется мощностью процесса Для мощности справедливо соотношение

в котором определяется по (12).

Величина

называется спектральной плотностью мощности, или короче, спектральной плотностью процесса

Спектральная плотность существует и ограничена для любого незатухающею ограниченного процесса, не содержащего гармонических компонент. Для гармонического процесса (1)

где дельта-функция.

Связь между среднеквадратичным значением процесса и его спектральной плотностью

Если и два процесса, ограниченных в среднеквадратичном, то

называется их взаимной спектральной плотностью. Для получаем

Корреляционное преобразование. Функция

называется корреляционным преобразованием или сверткой процесса Для полигармонического процесса (3)

Таким образом, при корреляционном преобразовании как и при переходе к спектральной плотности процесса, теряется информация о фазах отдельных

гармонических компонент. Для процесса, не содержащего гармонических компонент,

Корреляционное преобразование и спектральная плотность процесса связаны между собой преобразованием Фурье:

При достигает максимального значения!

Функция распределения и плотность распределения. Функцией распределения механического воздействия называется относительная продолжительность интервалов времени, в течение которых При этом

где единичная функция, Производная

называется плотностью распределения процесса Если некоторая ограниченная функция, то

где и наименьшее и наибольшее значения

Наибольший практический интерес представляют моментные характеристики вибрационных воздействий, являющиеся средними значениями целых степеней от

В силу сделанного ранее предположения

Функция распределения процесса совпадает с функцией распределения случайной величины - значения при случайном выборе если случайная величина, значения которой равномерно распределены на бесконечном интервале). Поэтому обладает всеми свойствами плотности распределения случайной величины. В частности,

Плотность распределения полигармонического процесса (3) является функцией и не зависит от частот Если все

распределения не зависят от фаз. В этом случае для процесса (3)

Здесь функция Бесселя нулевого порядка,

Первые моменты полигармонического процесса с несоизмеримыми частотами

Здесь 2 означает сумму тех членов, для которых различны. Совместная функция распределения процессов и

представляет собой относительную продолжительность интервалов времени, в течение которых одновременно выполняются неравенства

Совместная плотность распределения

При исследовании вибрационных воздействий наибольший интерес представляет совместная плотность распределения процесса и его производной

Через выражается такая важная характеристика вибрационного воздействия, как среднее число пересечений уровня за единицу времени:

Эта характеристика имеет непосредственное отношение к исследованию усталостных явлений в объекте. Величина

называется средней частотой вибрационного воздействия.

Плотность распределения большого числа независимых вибрационных воздействий, сравнимых по уровню, может считаться близкой к гауссовскому нормальному закону:

где среднее значение квадрата Средняя частота нормального процесса

Близость суммы большого числа независимых вибрационных воздействий (например, полигармонического процесса с большим числом гармоник, возбуждаемых независимыми источниками) к нормальному процессу не обеспечивается при больших значениях (в «хвостах» закона распределения).

Диапазон, в котором располагаются частоты полигармонических воздействий, возникающих в современных технических объектах, весьма широк. Полигармонические воздействия, охватывающие диапазон, превышающий несколько октав называются широкополосными; если ширина диапазона мала по сравнению со средней частотой процесса, воздействие называется узкополосным. Узкополосные воздействия проявляются в форме биений (см. т. 1, гл. I, параграф 5).

При решении задач виброзащиты учет ширины полосы механических воздействий имеет первостепенное значение. В частности, от широкополосности воздействия зависит выбор динамической модели (расчетной схемы) защищаемого объекта; она должна выбираться с таким расчетом, чтобы были учтены собственные частоты объекта, расположенные в полосе спектра воздействия.

Высокочастотные вибрационные воздействия могут передаваться объекту не только через элементы механических соединений его с источником, и через окружающую среду (воздух, воду). Такие воздействия, называемые акустическими, оказываются особенно интенсивными на современных реактивных летательных аппаратах. Интенсивность акустических воздействий характеризуется величиной давления акустического поля; относительная эффективность измеряется в децибеллах. Связь между абсолютной и относительной интенсивностями выражается формулой

где давление, относительное давление, пороговое давление, соответствующее обычно принимают

Примерные значения амплитуд отдельных гармоник полигармонических кинематических воздействий, лежащих в различных частотных диапазонах, следующие:

Случайные вибрационные воздействия. Характеристики механических вибрационных воздействий, необходимые для расчета внброзащитных систем, определяются либо расчетным путем, либо непосредственными измерениями в натурных условиях. В обоих случаях существенную роль играют случайные факторы, влияние которых заранее предопределить невозможно: разброс параметров источника и объекта, различие в режимах работы источника и т. п. Невозможность точного учета всех

(см. скан)

Продолжение табл. 1. (см. скан)

факторов, влияющих на характер вибрационных воздействий, приводит к целесообразности их описания как случайных процессов и использования при расчетах виброзащитных систем усредненных характеристик вибрационных воздействий, полученных усреднением рассмотренных выше характеристик по записанным в натуре или рассчитанным теоретически реализациям (см. т. 1, гл. XVII, параграфы 1-3).

При стохастическом представлении вибрационных воздействий следует осторожно относиться к предположению об эргодичности процесса (см. т. 1, с. 272). Реализация вибрационного воздействия, полученная на отдельном техническом объекте, не может, например, считаться реализацией эргодического процесса, поскольку она не содержит информацию о разбросе параметров, характерном для множества объектов той же конструкции и на тех же рабочих режимах.

Ударное воздействие.

Ударными называют кратковременные механические воздействия, максимальные значения которых являются весьма большими.

Функция, выражающая зависимость силы, момента силы или ускорения при ударе от времени, называется формой удара. Основными характеристиками формы являются длительность удара и его амплитуда - максимальное значение механического воздействия при ударе.

Кинематические ударные воздействия возникают при резких изменениях роста движения источника (например, при посадке летательного аппарата, запуске ракеты, наезде колеса автомобиля на глубокую выбоину и т. п.). Часто эти явления сопровождаются возникновением колебаний конструкции источника и возбуждением вибрационных воздействий.

В некоторых случаях ударное воздействие можно рассматривать как классический удар, сводящийся к «мгновенному» изменению скорости движения источника или к приложению «мгновенных» сил и моментов. В этих случаях

где приращение скорости, импульс силы или момента силы за время" удара. Использование такого представления допустимо лишь в тех случаях, когда продолжительность удара существенно меньше наименьшего из периодов собственных колебаний объекта. В остальных случаях необходимо учитывать форму удара, которая обычно определяется непосредственными измерениями в натурных условиях.

Кинематические ударные воздействия разделяются на удары с приращением скорости и без приращения скорости Удары без приращения скорости отличаются тем, что скорость источника в конце удара равна его скорости До удара. Они возникают при взрывах, землетрясениях и т. п. Часто такое ударное воздействие по своему характеру приближается к нестационарному вибрационному.

Ударные воздействия могут быть описаны рассмотренными выше характеристиками (8) и (14). В табл, 1 приведены амплитудные спектры ударных воздействий различной формы,

Механические воздействия представляют собой статические, вибрационные и ударные нагрузки, линейные ускорения и акустический шум. Они вызывают разрушения вследствие растяжения, сжатия, изгиба, кручения, среза, вдавливания и усталости материала изделий.

Изделия, предназначенные для функционирования в условиях воздействия механических нагрузок, должны быть прочными и устойчивыми при воздействии. Изделия, нс предназначенные для функционирования в условиях воздействия механических нагрузок, должны быть только прочными при их воздействии.

Рис. 2.1.

Прочность к воздействию механических факторов - это способность изделий выполнять свои функции и сохранять свои параметры в пределах установленных норм во время воздействия механических факторов .

На практике обычно имеют дело со сложным нагружением, при котором на изделие воздействует комплекс механических нагрузок - статических и динамических. Характер, величина, направление и распределение усилий, напряжений и других факторов могут изменяться во времени. Без должного учета всего комплекса нагрузок и их изменений во времени невозможна правильная оценка прочностных свойств изделий. В процессе эксплуатации, при транспортировании, перемещении и складском хранении изделия и материалы подвергаются воздействию динамических нагрузок.

Наиболее распространенными факторами динамического механического воздействия являются вибрационные нагрузки. Возникающие при вибрациях инерционные силы могут вызвать напряжения, превышающие пределы прочности и выносливости конструкции. Интенсивность воздействия вибрации характеризуется частотой и амплитудой колебания, а также величиной максимального ускорения. Вибрации представляют собой механические колебания в диапазоне частот 0,1...2000 Гц и более, амплитуд перемещений 0,001 мкм...100 мкм и более, амплитуд ускорений до 1 000 м/с 2 и более. Большая часть колебаний, встречающихся на практике, имеет форму искаженной синусоиды .

К параметрам линейной вибрации относятся перемещение, скорость, ускорение, резкость (третья производная перемещения по времени), сила, мощность. К параметрам угловой вибрации относятся угол поворота, угловая скорость, угловое ускорение, угловая резкость, момент сил. К параметрам обоих видов вибраций относят также фазу, частоту и коэффициент нелинейных искажений. Характер вибраций как по частоте, так и по амплитуде может значительно изменяться от конструкции к конструкции в зависимости от условий эксплуатации изделий, других воздействующих факторов. Наибольшая опасность - умножение колебаний, возникающее на резонансных частотах упругих конструкций.

Вибрационные нагрузки, создаваемые различными энергетическими установками, оборудованием, а также несбалансированными вращающимися и перемещающимися частями машин, вызывают разрушение конструкции усталостного характера, выводят из строя крепежные приспособления, способствуют появлению «микрофонного» эффекта и нарушению установок регулируемых элементов, вызывают короткое замыкание и обрывы электрических цепей элементов радиоэлектронных и электротехнических устройств, приводят к нарушению герметизации блоков.

В зависимости от величины и вида вибрационных нагрузок устанавливают степень жесткости изделия и проводят испытания на вибропрочность, виброустойчивость и обнаружение резонансов конструкции. При испытаниях на воздействие вибраций используют синусоидальную, случайную широкополосную или предварительно измеренную на прототипе вибрацию.

Ударные нагрузки также часто встречаются при эксплуатации современных сооружений, машин и приборов. Механические удары могут быть одиночными, многократными и комплексными. Одиночные и многократные ударные процессы могут воздействовать на объект в горизонтальной, вертикальной и наклонной плоскостях. Комплексные ударные нагрузки оказывают воздействие на объект в двух или трех взаимно перпендикулярных плоскостях одновременно. Ударные нагрузки изделий могут быть как непериодические, так и периодические и могут иметь как переменную, так и одну и ту же степень жесткости. Возникновение ударных нагрузок связано с резким изменением ускорения, скорости или направления перемещения изделий. Наиболее часто в реальных условиях встречается сложный одиночный ударный процесс, представляющий собой сочетание простого ударного импульса с наложенными колебаниями. Основными параметрами ударного процесса являются ускорение, перемещение, скорость, деформация рассматриваемой точки тела при ударном воздействии. Важное значение имеет форма ударного импульса. Изделия, получившие удар, сотрясаются, и в них возбуждаются быстрозатухающие собственные колебания. Величина перегрузки при ударе, характер и скорость распространения напряжений по изделию определяются силой и продолжительностью удара и характером изменения ускорения. Удар, воздействуя на материал и изделие, может приводить его к механическому разрушению.

Разрушающее воздействие могут оказать также нагрузки от линейных ускорений , возникающие в узлах вращающихся механизмов. Воздействие центробежного ускорения определяют в каждом из трех взаимно перпендикулярных направлений по отношению к изделию. Линейные ускорения изменяются до 10 4 м/с 2 и более.

Акустический шум - в большинстве случаев мешающий фактор, который также может влиять на способность изделий выполнять свои функции. Наиболее распространенные частоты шума 125... 10000 Гц, максимальный уровень звукового давления 200 дБ и более. Для учета воздействия на изделия изменения частоты шума проводят соответствующие испытания тоном меняющейся частоты 125... 10000 Гц. Акустический шум оказывает значительное действие на относительно крупные изделия. Поэтому полупроводниковые приборы, изделия микроэлектроники мало подвержены разрушительному воздействию звукового давления. Действие акустического шума на изделия зависит от величины усилия на изделия, определяемого уровня звукового давления и площади изделия. Механизм разрушительного воздействия звукового давления аналогичен разрушительному воздействию вибрации. При этом в результате действия энергии колебания звуковой частоты в радиоэлектронных устройствах возникает «микрофонный» эффект и появляются резонансные явления.

Случай 1

Случай 2

А- Первичное действие

В- Реакция без рассеяния энергии

С- Первичное действие

D- Противоположная реакция с рассеянием энергии

В случае 2 соединительная ткань благодаря присутствующему в ней эластическому элементу позволяет “поглотить” толчок и широко распространить его по поверхности.

Это свойство, получившее название пассивной защиты , крайне эффективно, даже если становится иногда обоюдоострым оружием. В случаях удара плетью из-за энергии, аккумулированной жидкими массами тканей тела, ущерб проявляется позднее.

“...а если бы эта энергия не рассеивалась собственными жидкими массами фасциальной ткани и последствия удара хлыстом, толчка или травмы появлялись бы сразу, какой ущерб был бы нанесен организму?”

Есть только один ответ: конечно, гораздо более тяжелый!

Пример: лезвие ножа разрывает ткани и образует резаную рану только будучи примененным с заточенной стороны; использование тупой стороны может привести к натиранию, распуханию, кожной реакции, но не к подлинному органическому повреждению; единственное отличие между этими двумя ситуациями - это площадь поражаемой поверхности. Чем больше площадь, на которую распространяется травмирующее воздействие, тем менее серьезным будет биологический ущерб , причиненный травмой.

Вторая фаза защитной роли следует за первой и заключается в распространении приложенной ударной силы посредством сплошной фасциальной системы.

Сила, воздействовавшая на тело, приводит к концентрации кинетической энергии в точке удара, вызывая мощные повреждающие последствия. Непрерывность соединительной ткани препятствует большой концентрации кинетической энергии; она перераспределяется через звенья ткани и затем рассеивается посредством ряда факторов, связанных с возобновлением движения и функциональной адаптацией, как фасциальной, так и общей органической, при которой кинетическая энергия преобразуется в тепловую, электрическую и пр., не допуская образования большого количества потенциальной энергии. Эта вторая фаза обозначается термином активная защита .

“Биологический ущерб” - это стратегия, которой фасциальная система оперирует с целью предотвратить накопление кинетической энергии, неожиданно поступившей за такое короткое время, что организм не в состоянии вытерпеть и перераспределить ее (физика учит, что энергия не может быть разрушена, но переводится в другие формы).

Остеопатия с ее фасциальными техниками продемонстрировала себя эффективным орудием для нейтрализации таких ситуаций, облегчая перераспределение кинетической энергии посредством все увеличивающегося рассеяния и уменьшая потенциальную разрушительную мощность.

Роль фасций в координации движений

Фасции и апоневрозы участвуют в координации движений как мышц, так и внутренних органов, разделяя перепонками мышечные структуры и гарантируя, что группы, способные сокращаться, нацеленные на выполнение подобной роли (синергической), могут работать одновременно над выполнением одной и той же функции.

Каждой перепонке и мышечному ложу способствует в выполнении их функций способность соединительной оболочки поддерживать совокупность частей тела. Нервные структуры, содержащиеся в каждом ложе, находятся в тесном механическом соотношении с тканями, которые должны стимулировать. Роль нервов осуществляется посредством нервно-мышечных волокон, сухожильных аппаратов Гольджи, телец Пачини и органов Руффини.

Окончания Руффини

Располагаются в суставных капсулах и смежных с ними областях; ответственны за мышечное сокращение, которое, вместе с последующим движением, изменяет напряжение капсулы. Неутомимые структуры, призываются во время движения, чтобы оно могло производиться плавным образом, без рывков. Кроме того, что позволяют поддерживать положение, отмечают направление движения.

Окончания Гольджи

Структуры медленной адаптации, долгое время “усваивают” направленную им информацию. Находятся в связках, присоединенных к суставам, и поставляют информацию независимо от уровня мышечного сокращения таким образом, чтобы сообщать организму о положении суставов, миг за мигом, независимо от мышечной деятельности.

Корпускулы Пачини

Обнаруживаются в надсуставной соединительной ткани; быстро адаптируются и информируют ЦНС относительно степени ускорения производимого движения (рецептор ускорения).

Мышечное веретено

Регулирует тонус мышцы. Расположение веретен, поскольку они крепятся к скелетным мускулам (сухожильная часть), параллельно мышечным волокнам. В то время как спирально-кольцевое окончание быстро реагирует на малейшее изменение длины мышцы, “цветастое” окончание для равновесия выдает информацию только после значительных изменений длины мышцы. Мускульное веретено - это “блок сравнения длины”, который на каждую стимуляцию может долгое время отдавать информацию.

Внутри веретена находятся тонкие межверетенные фибры, меняющие его чувствительность; они могут меняться без какой либо реальной вариации длины мышцы посредством особой приносящей-гамма, управляемой самими фибрами.

Сухожильные рецепторы Гольджи

Больше отражают напряжение мышцы, чем ее длину. Если у органа обнаруживается перегрузка, он может с их помощью прекратить активность мышцы и тем самым избегнуть риска повреждений; этот фактор определяет расслабление мышц.

Точки “триггер” (спусковой схемы, вибратора) являются локализированными областями большой болезненности и повышенного сопротивления; акупрессура этих точек часто провоцирует сокращение / сгруппирование мышц, которое, если его удерживать, вызывает боль в предусматриваемых областях.

Речь идет о сигнальных постах, обеспечивающих постоянную обратную связь с ЦНС и высшими центрами касательно мгновенных состояний ткани, в которой они расположены. Их модуляция может вызываться как психическим влиянием, так и изменениями химического состава крови.

Цепи

Нервно-мышечная совокупность, содержащаяся в соединительной ткани и напрямую с ней контактирующая, дает возможность прямого синергитического участия, когда мышцы присоединяются к апоневрозу, и косвенного синергитического участия, когда мышцы прикрепляются к кости.

Понятие “цепи мышечного напряжения”, введенное остеопатией и затем подхваченное и расширенное постуральной гимнастикой, находит в фасциальной концепции свое применение.

Функция гаранта координации движений, выполняемая соединительной тканью, вытекает из ее связей с нервной системой (благодаря чисто механическому действию, оказываемому на нервный компонент, и ее чувствительности к натяжению); кроме различения движения, интенсивности, силы, веретено в состоянии активировать высшую нервную систему и вырабатывать новые схемы функционирования. Часто такого рода адаптация выходит за рамки физиологии в компенсациях, задействованных организмом, направленных на устранение любого рода силового воздействия, способного причинить боль.

Если мы будем рассматривать нашу позу как постоянное колебание установления равновесия и его потери, имеющее целью поддержание вертикального положения тела, становится объяснимым, почему, даже при наличии легких аномалий, наша система балансировки должна выполнять корректирование большой точности для поддержания как статической позы (прямостоячее положение), так и динамической (передвижение).

При силовом воздействии фасциальная составляющая нашего тела приспосабливается к ситуации, маскируя и “замалчивая” первичный источник проблемы таким образом, чтобы аннулировать нервное воздействие, вызываемое ситуацией дискомфорта или болевыми ощущениями.

Этот факт позволяет проявиться только последней компенсации, произведенной организмом, и отсюда проистекает симптом боли , который, будучи устраненным без подавления первопричины дисфункции, будет настойчиво вызываться снова начальной проблемой.

Симптом боли - это последний сигнал ряда адаптаций, вводимых по нарастающей компенсационной способностью соединительной ткани, изменяющей физиологическую схему, которые “безмолвствуют” до тех пор, пока самая последняя адаптация в цепи не сможет больше быть компенсирована.

Противоречивая информация

Korr (1976 г.) еще раз подчеркнул важность костного мозга, внутри которого располагается большое количество “моделей (pattern) активности” мышц. Мозг действует, производя комплексные движения, зависящие от активации мышечных цепей, а не от отдельных мышц. Для этой цели привлекаются запрограммированные модели, “хранящиеся про запас” в стволе и костном мозге, которые модифицируются в бесконечное разнообразие моделей еще более сложных и обогащают “склад” этими новыми производными.

Таким образом, каждый род деятельности видоизменяется, усовершенствуется и “исправляется” соответствующими обратными связями, постоянно исходящими от мышц, сухожилий, суставов (их соединительнотканного компонента), участвующих в движении.

GAS и LAS

Английская аббревиатура синдрома общей адаптации (GAS ) и синдрома местной адаптации (LAS).

Синдром общей адаптации, СОА, складывается из реакции тревоги, фазы сопротивления (адаптации), фазы истощения (не удавшейся адаптации) и охватывает весь организм целиком. Синдром местной адаптации, СМА, проявляется практически в той же последовательности, но в ограниченной области тела.

Seyle (1976 г.) назвал стресс неспецифическим элементом, обуславливающим болезнь. Описывая соотношение между синдромом общей и местной адаптации, он особо выделил значение соединительной ткани.

Стресс способствует созданию моделей адаптации, специфических для каждого организма и для каждого вида силового воздействия. В ответ на стресс активируются гомеостатические самонормализующие механизмы.

Если состояние тревоги продолжительно и неоднократно, возникают процессы защитной адаптации, приводящие к долгосрочным изменениям, которые могут стать хроническими.

Посредством пальпации нервно-скелетно-мышечных изменений создается представление о попытках, предпринятых телом, чтобы адаптироваться к накопившимся с течением времени стрессам; получится запутанная картина напряженных, сведенных, уплотнившихся, переутомленных и, наконец, подвергшихся фиброзу тканей (Chaitow, 1979 г.).

Важно понять то, что вследствие продолжительных стрессов постурального типа (обусловленных положением тела), физических и механических, некоторые области тела прикладывают столько компенсационных и адаптационных усилий, что появляются структурные изменения, могущие перерасти в паталогию.

В большинстве случаев сочетание физического и эмоционального стрессов изменяет нервно-скелетно-мышечные структуры до такой степени, что обуславливает ряд идентифицируемых физических аномалий. Компенсационные попытки этих структур породят в свою очередь новые факторы стресса; из-за этого могут возникнуть болевые явления, суставные ограничения, недомогание общего характера, как, например, быстрая утомляемость.

В процессе хронической адаптации к биомеханическому и психогенному стрессу развиваются цепные реакции, связанные с компенсационными видоизменениями мягких тканей (Lewitt, 1992г.). Эти адаптации всегда во вред оптимальному функционированию организма и являются источником постоянно увеличивающегося функционального беспорядка (физиологические изменения).

Последовательность ответов на стресс

В случае продолжительного увеличения мышечного тонуса возникают:

n задержание продуктов катаболизма и отек

n местная нехватка кислорода (связанная с потребностями тканей) и последующая ишемия

n сохранение или увеличение повышенного функционального тонуса

n хроническое воспаление или раздражение

n стимулирование сенсибилизаторов нервных структур и развитие повышенной реакционной способности (гиперреактивности)

n активация макрофагов для увеличенной васкуляризации и деятельности фибробластов

n фиброз с сокращением / укорачиванием соединительнотканного компонента.

По непрерывным фасциям через все тело любое местное перенапряжение может отражаться и негативно сказываться на отдаленных структурах, поддерживаемых и прикрепляемых самими фасциями (нервы, мышцы, лимфатические и кровеносные сосуды). Вследствие чего могут появиться:

n изменения в эластических тканях (мышцах) с хронической реактивной гипертонией и последующим фиброзом

n торможение антагонистической мускулатуры

n цепные реакции, в которых постуральные мышцы укорачиваются, а фазовые мышцы ослабляются

n ишемия и боль, вызванная продолжительным мышечным напряжением

n биомеханические изменения, нарушение координации движений с суставным ограничением и нарушением равновесия, ретракция фасций

n появление участков с повышенной реакционной способностью неврологических структур (области облегчения) в околоспинных областях и внутри мышц (точки триггер)

n затрата энергии на поддержание гипертонии и как следствие общее утомление

n постоянная обратная связь импульсов с ЦНС, психогенные сигналы тревоги с неспособностью адекватно расслабить отделы с повышенным тонусом

n биологически не замещаемые функциональные модели, вызванные хроническими скелетно-мышечными проблемами и болью.

Эффективность остеопатии заключается в том, что она проделывает обратный путь в восстановлении симптома боли для идентификации первичной причины, прямо воздействие на которую открывает дорогу к ее устранению. Таким образом, будет иметь место возвращение в физиологическую норму параметров напряжения, что будет подразумевать также - но не только - исчезновение симптома боли.

Фасциальная техника по сравнению с традиционной облегчает поиск первопричины. При утонченной пальпации не трудно следовать направлению натяжения фасций и дойти до истинного происхождения проблемы... особенно в случаях, когда врач не может на основе болевой зоны пациента доказать правильность симптоматологии.

Тре"ние вне"шнее , механическое сопротивление, возникающее в плоскости касания двух соприкасающихся тел при их относительном перемещении. Сила сопротивления F , направленная противоположно относительно перемещению данного тела, называется силой трения, действующей на это тело. Т. в. - диссипативный процесс, сопровождающийся выделением тепла, электризацией тел, их разрушением и т.д.

Различают Т. в. скольжения и качения. Характеристика первого - коэффициент трения скольжения f c - безразмерная величина, равная отношению силы трения к нормальной нагрузке; характеристика второго - коэффициент трения качения f k представляет собой отношение момента трения качения к нормальной нагрузке. Внешние условия (нагрузка, скорость, шероховатость, температура, смазка) влияют на величину Т. в. не меньше, чем природа трущихся тел, меняя его в несколько раз.

Трение скольжения. Если составляющая приложенной к телу силы, лежащая в плоскости соприкосновения двух тел, недостаточна для того, чтобы вызвать скольжение данного тела относительно другого, то возникающая сила трения называется неполной силой трения (участок OA на рис. ); она вызвана малыми (~ 1 мкм ) частично обратимыми перемещениями в зоне контакта, величина которых пропорциональна приложенной силе и изменяется с увеличением последней от 0 до некоторого максимального значения (точка А на рис. ), называемого силой трения покоя; эти перемещения называются предварительными смещениями. После того как приложенная сила превысит критическое значение, предварительное смещение переходит в скольжение, причём сила Т. в. несколько уменьшается (точка A 1) и перестаёт зависеть от перемещения (сила трения движения).

Вследствие волнистости и шероховатости каждой из поверхностей, касание двух твёрдых тел происходит лишь в отдельных «пятнах», сосредоточенных на гребнях выступов. Размеры пятен зависят от природы тел и условий Т. в. Более жёсткие выступы внедряются в деформируемое контртело, образуя единичные пятна реального контакта, на которых возникают силы прилипания (адгезня, химические связи, взаимная диффузия и др.). В результате приработки пятна касания бывают «вытянуты» в направлении движения. Диаметр эквивалентного по площади пятна касания составляет от 1 до 50 мкм в зависимости от природы поверхности, вида обработки и режима Т. в. При скольжении эти пятна наклоняются под некоторым углом к направлению движения, материал раздвигается в стороны и подминается скользящей неровностью, а пятна прилипания, образующиеся из поверхностных плёнок, покрывающих твёрдое тело, называются мостиками, непрерывно разрушаются (срезаются) и формируются вновь. В этих пятнах реализуются напряжения лишь в несколько раз меньшие теоретической прочности материала. Сопротивление оттеснению материала при сдвиге зависит от безразмерной характеристики h/R - отношения глубины h внедрения единичной неровности, моделированной сферическим сегментом, к его радиусу R . Это отношение определяет механическую составляющую силы Т. в.

Большей частью описанное формоизменение упруго и рассеяние энергии обусловлено потерями на гистерезис . В пятнах касания возникают силы межмолекулярного взаимодействия, потери на преодоление которого оцениваются безразмерной характеристикой t/s s , где t - сдвиговое сопротивление молекулярной связи, s s - предел текучести основы. Молекулярное сдвиговое сопротивление t = t 0 +bP r , где t 0 - прочность мостика при отсутствии сжимающей нагрузки, P r - фактическое давление на пятне касания, b - коэффициент упрочнения мостика. Каждое пятно касания (так называемая фрикционная связь) существует лишь ограниченное время, так как выступ выходит из взаимодействия. Продолжительность жизни фрикционной связи - важная характеристика, так как определяет температуру, развивающуюся при Т. в., износостойкость и др. Таким образом, процесс Т. в. представляет собой двойственный процесс - с одной стороны он связан с диссипацией энергии, обусловленной преодолением молекулярных связей, с другой - с формоизменением поверхностного слоя материала внедрившимися неровностями.

Общий коэффициент Т. в. определяется суммой механической и молекулярной составляющих

где К - коэффициент, связанный с расположением выступов по высоте, a г - коэффициент гистерезисных потерь. Из уравнения следует, что коэффициент Т. в. в зависимости от давления при постоянной шероховатости или от шероховатости при постоянном давлении переходит через минимум. При приработке пар трения устанавливается шероховатость, соответствующая минимуму коэффициента Т. в. Для эффективной работы пары трения существенно, чтобы поверхностный слой твёрдого тела имел меньшее сдвиговое сопротивление, чем глубжележащие слои. Это достигается применением различных жидких смазок. В этом случае трущиеся тела разделены слоем жидкости или газа, в котором проявляются объёмные свойства этих сред и вступают в силу законы жидкостного трения, характеризующиеся отсутствием трения покоя. Иногда необходимо иметь ослабленным поверхностный слой самого тела; это достигается применением поверхностно-активных веществ (присадки к смазкам), покрытий из мягких металлов, полимеров или созданием защитных плёнок с пониженным сопротивлением сдвигу.

В зависимости от характера деформирования поверхностного слоя различают Т. в. при упругом и пластическом контактированиях и при микрорезании. В определённых условиях, зависящих от нагрузки и механических свойств каждой пары трения, Т. в. переходит во внутреннее трение , для которого характерно отсутствие скачка скорости при переходе от одного тела к другому. Нагрузка, при которой Т. в. нарушается для данной пары трения, называется порогом внешнего трения.

Трение качения. Значения силы трения качения очень малы по сравнению с силами трения скольжения. Трение качения обусловлено: а) потерями на упругий гистерезис, связанный со сжатием материала под нагрузкой перед катящимся телом; б) затратами работы на передеформирование материала при формировании валика перед катящимся телом; в) преодолением мостиков сцепления. При достаточно протяжённых размерах пятна касания в зоне контакта возникает проскальзывание, приводящее к уже рассмотренному выше трению скольжения. При больших скоростях качения, сопоставимых со скоростью распространения деформации в теле, сопротивление перекатыванию резко увеличивается, и тогда выгоднее переходить к трению скольжения.

Управление трением путём подбора пар трения, конструкций узлов и правильной их эксплуатации - тема новой технической науки, называемой триботехникой.

Лит.: Дерягин Б. В., Что такое трение?, 2 изд., М., 1963; Крагельский И. В., Трение и износ, 2 изд., М.,1968; Дьячков А. К., Трение, износ и смазка в машинах, М., 1958; Трение полимеров, М., 1972; Боуден Ф. и Тейбор Д., Трение и смазка твердых тел, пер. с англ., М., 1968.

И. В. Крагельский.

Значение силы трения в зависимости от относительного смещения трущихся тел при сдвиге, переходящем в скольжение.