ВИБРАЦИЯ: ВО ЗЛО ИЛИ ВО БЛАГО?

Сначала о том, что же такое -  вибрация? Строго говоря, вибрация  - «вид механического движения, при котором каждая из точек тела совершает периодически повторяющееся перемещение вблизи некоторого относительно неподвижного положения». Но, конечно же, мало кто из обычных  людей, не специалистов,  знает, во всяком случае, помнит такое определение, и, сталкиваясь в обыденной жизни с явлениями вибрации, мы говорим про более понятные и очевидные каждому вещи -  дрожание, стук, тряску, дребезжания…  У слова «вибрация» достаточно много синонимов, что само по себе говорит о значении колебательных процессов в природе и технике.

А теперь вернемся к вопросу, вынесенному нами в заголовок данной публикации: так что такое вибрация – зло или благо? Девять  человек из десяти, ни минуты не сомневаясь,  уверенно скажут: вибрация – зло!  И будут правы. Но только… отчасти. Поясним.

 
Ощущаемые человеком колебания материальных тел при низких частотах (3-100 Гц) с большими амплитудами (0,5-0,003) мм, факт, оказывают весьма вредоносное воздействие  на  человеческий организм, провоцируя крайне неприятные заболевания. Негативные изменения начинают происходить в сердечнососудистой и костно-суставной системах: повышается артериальное давление, начинаются спазмы сосудов конечностей и сердца.
Если  вы стали замечать такие симптомы, как головные боли, головокружение, повышенная утомляемость, онемение рук, то   может быть, что это первые признаки заболевания на почве вибрации. Во всяком случае, все эти симптомы типичны для этого рода заболевания.
Причем, от вибрации страдают не только люди, но даже «бесчувственные», железные машины: вибрация разрушающе воздействует на технические объекты (об этом напомним чуть ниже). И само возникновение повышенного уровня вибрации, как повышение температуры тела человека, своего рода «звоночек», предупреждающий, что что- то пошло не так… Именно таким образом опытный автомобилист сразу реагирует на появление стука и иных посторонних звуков в работе двигателя и ходовой части. И на биение колеса и т.д. и т.п. 
Однако при всем этом  однозначно утверждать, что вибрация -  всегда только зло, было бы, конечно же, неправильно и несправедливо.

У каждой медали, как известно, две стороны. Если вибрацией управлять –  а для этого надо точно измерять ее параметры! -  то она превращается в эффективный инструмент созидания. Однако с начала и подробнее.
На проблему вибрации ученые и инженеры всерьез обратили внимание и начали  системные исследования вибрационных процессов, столкнувшись  катастрофами, которые стали все чаще происходить по мере усложнения конструкций промышленных маши­н и с появлением  транспортных средств, стремительно набирающих скорости.

В XIX веке очередной этап промышленной революции  ознаменовался появлением железнодорожного  транспорта, но триумф вскоре  был омрачен начавшимися  взрывами пароводяных котлов на паровозах. Катастрофы одна за другой продолжались  на протяжении без малого семи десятилетий... Взрывались не только паровозы –  разрушались  морские суда и автомобили, мосты и здания…  Сегодня мы знаем, что виной тому -  вибрация,  коварно вызывающая резкое снижение прочности сварных швов. Но это сегодня. Прошли долгие годы, пока  инженеры выяснили, что причина этих бед в  тех явлениях, которые возникают   в процессе эксплуатации оборудования в  металле  под действием вибрации, и   нашли решения,  противостоящие  ее разрушительному воздействию  на прочностные характеристики.

Однако выяснилось, что та же «зловредная» вибрация  в то же время обладает и полезными свойствами, предопределяющими ее созидательные функции. Вибрация широко используется на производстве: сегодня с   помощью вибрации уменьшают трение в подшипниках, забивают и извлекают из земли строительные сваи… Воздействуя на грунт массивными вибрационными механизмами, увеличивают добычу нефти… Используют для бурения шпуров (скважин), уплотнения бетонной смеси,  рыхления грунтов...
Вибрацию успешно применяют для стабилиза­ции в пространстве и торможения вращающихся валов…Она  помогают  интенсифи­цировать процессы и реакции в химической и физической технологиях…  Эффективно используется в медицине…  Нет  числа применениям вибрации, без которых немыслима сегодняшняя жизнь!
Но все это – и защита от пагубных воздействий вибрации,  и ее использование на благо человека - возможны только при условии точных измерений параметров вибрационных процессов.
История создания, развития и совершенствования средств измерений параметров вибрации насчитывает многие столетия. Их изобретение  было вызвано к жизни стремлением человека больше узнать о природе землетрясений, чтобы в максимальной степени защититься от тех страшных бед, которые несут непредсказуемые колебания земли.

Первое устройство, которое вполне можно  считать прототипом нынешних  сейсмографов – приборов, регистрирующих колебания грунта при землетрясении, было создано в Китае еще в 132 г.н.э.   О сейсмоскопе Чан-Хена  стоит сказать особо. Это устройство даже наших современников поражает, говоря сегодняшним языком, оригинальностью инженерного решения и изяществом технической мысли.  Это был сосуд с помещенным в него маятником.  На внешней стороне устройства  выгравированы головы драконов, которые держали в пасти шарики. Когда случалось землетрясение, то маятник приходил в движение и при его качании  один или несколько шариков выпадали в открытые рты размещенных у основания сосудов лягушек. Правда, сейсмоскоп Чан-Хена  еще не предоставлял возможности  для измерений сейсмических колебаний почвы, но с  его помощью  ученые смогли  узнавать о направлении подземного толчка. Так что это изобретение положило начало инструментальным наблюдениям за процессами землетрясений.

Настоящую революцию в сейсмологии произвел итальянец Каччиаторе, создавший в  1848 году  ртутный сейсмоскоп, позволявший получить информацию,  как о направлении, так и о силе толчка.
В  конце XIX века создаются все более совершенные приборы с записью колебаний во времени. Их уже  по полному праву можно назвать настоящими сейсмографами.
 «Счет» открыл в 1889 году японский сейсмолог Омари,   создавший горизонтальный сейсмограф с механической реги­страцией.
Заметную  роль в становлении техники измерений механических колебаний  сыграли российские ученые. Первым  вертикальным сейсмографом с гальванической регистрациейчеловечество обязано ака­демику Б.Б. Голицыну (1862-1916 гг.)  Позднее усовершенствованные профессором Д.П. Кирносом, эти приборы дожили до настоящего времени, и сегодня не собираясь на «пенсию».
Весомый  вклад в разра­ботку  аппаратуры  сейсмической разведки сделал Г.А. Гамбурцев.
Не мог обойти проблемы вибрации известный кораблестроитель академик А.И. Крылов(1863-1946 гг.), чья работа «Вибрация судов» признана классической и является настольной книгой нынешних кораблестроителей.

Значение инструментального мониторинга можно проиллюстрировать исследованиями немецкой фирмы «Карл Шенк АГ», приведенными в трудах Метрологической академии. Если иметь в виду, что выход из строя агрегата гидроэлектростан­ции оборачивается убытками  в 1,6 млн. швейцарских франков, то вибрационный контроль машины в трех узлах подшипников оказывается рентабельным,  даже когда  позволяет исключить всего лишь одно повреждение подшипника в течение 40 лет эксплуатации!
Что же из себя представляет современный сейсмограф? Это комплект приборов, регистрирующих колебания грунта  и преобразующих их в электрический сигнал, который записывается на сейсмограммах в аналоговой и цифровой форме. При этом и в наше время  основным чувствительным элементом, реагирующим на колебания почвы,  служит, как во времена Чан-Хена,  маятник с грузом.

 Непрерывного контроля за  параметрами механического движения, в частности за параметрами периодических перемещений  объекта в пространстве  (виброперемещения), то есть за амплитудой вибрации и за виброскоростью, сегодня требуют очень многие технологии. В их числе - контроль вибрации станков и биения деталей в машиностроении,  контроль вибрации отдельных узлов  и всего автомобиля в целом в автомобилестроении ,   контроль вибрации лопаток газовых турбин в энергетике, контроль биений турбин в авиастроении… Прибавьте сюда железнодорожный транспорт, полупроводниковую электронику,  микроэлектронику…. И этот перечень областей технической деятельности, где никак не обойтись без многочисленных точных виброизмерений,  можно продолжать  и продолжать!

Один из важнейших методов   технической  диагностики – вибрационная диагностика . Анализ параметров вибрации технических систем  и оборудования дает объективную картину их технического состояния с выявлением неисправностей. В этих целях проводятся инструментальные измерения таких параметров вибрации, как виброускорение, виброскорость, виброперемещение.
Единство, точность и достоверность  измерения вибрации (виброизмерений) обеспечивает метрология - метрологическое обслуживание средств виброизмерений. Средства измерений, используемые в сферах государственного обеспечения единства измерений, подлежат обязательной поверке, которая подтверждает их метрологические и технические характеристики. При этом  надо иметь в виду, что поверка возможна лишь в отношении тех средств измерений, которые успешно прошли испытания в целях утверждения типа и  по их результатам внесены в Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений (госреестр СИ).  
Метрологическое обеспечение всех иных средств измерений (применяемых вне сфер государственного обеспечения единства измерений) проводится в формате калибровки, по результатам которой пользователь  получает информацию о  действительных значениях их метрологических характеристик.
Крупнейшее учреждение практической метрологии России – ФБУ «Ростест-Москва» -  располагает всеми необходимыми возможностями для испытаний, поверки и калибровки виброакустических средств измерений  очень широкой номенклатуры и диапазона – от простейших до применяемых для определения параметров вибрационных процессов, предъявляющих самые жесткие требования к метрологическим и эксплуатационным характеристикам измерительной техники. В их числе  виброметры и анализаторы вибрации различных типов.

В арсенале метрологов ФБУ «Ростест-Москва» самые совершенные на сегодняшний день эталоны, и модернизация эталонной базы носит опережающий  характер, что обеспечивает возможности метрологического обслуживания самых современных средств измерений. Только в последние годы в Ростест-Москва введено в эксплуатацию   эталонное оборудование нового поколения: Рабочая станция для калибровки высокочувствительных акселерометров ударом (модель 9525С);  Рабочая станция  для поверки и калибровки датчиков вибрации (модель 9155). Таким образом создаются возможности метрологического обслуживания средств измерений  последних модификаций, внедрение которых в практику открывает новые горизонты модернизации отечественной промышленности.