Автореферат и диссертация по медицине (14.03.09) на тему:Исследование изменений иммунного статуса у лиц, проживающих в условиях химического загрязнения

На правах рукописи

ГОЛУБКОВ Александр Викторович

ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЙ ИММУННОГО СТАТУСА У ЛИЦ, ПРОЖИВАЮЩИХ В УСЛОВИЯХ ХИМИЧЕСКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ

14.03.09 - клиническая иммунология, аллергология 14.03.04 - токсикология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата медицинских наук

2 3 [1ЮН 2011

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2011

4850742

Работа выполнена в ФГВОУ ВПО «Военно-медицинская академия им. С.М. Кирова» Министерства обороны Российской Федерации

Научные руководители:

доктор медицинских наук ПЕТЛЕНКО Сергей Викторович доктор медицинских наук ИВАНОВ Максим Борисович

Официальные оппоненты:

доктор медицинских наук профессор КАЛИНИНА Наталья Михайловна доктор медицинских наук профессор ГОЛОВКО Александр Иванович

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное учреждение «ГНЦ Институт иммунологии» Федерального медико-биологического агентства России

защите докторских и кандидатских Д 215.002.08 в ФГВОУ ВПО «Военно-медицинская академия им. С.М. Кирова» Министерства обороны Российской Федерации (194044, г. Санкт-Петербург, ул. Академика Лебедева, дом 6)

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Военно-медицинской академии имени С.М. Кирова

Защита состоится

июня 2011 г. в

на заседании совета по

Ученый секретарь совета

доктор медицинских наук профессор

МИТИН Юрий Алексеевич

Актуальность. В настоящее время одним из главных направлений в работе здравоохранения на государственном уровне является снижение вредного воздействия окружающей среды на организм человека, более всего проявляющегося в виде повышения уровня инфекционных и онкологических заболеваний (Андрианов JI.A. и соавт., 1971; Бандман A.JI. и соавт., 1990; Худолей В.В., Филатов В.А., 1993; Петленко C.B., 1999; Золоткикова Г.П. и соавт., 2001; Прокопенко Ю.И. и соавт., 2001; Аликбаева Л.А и соавт., 2007; Коробицын Б.А., Сухорукова Э.В., 2008; Минигалиева И.А. и соавт., 2008; Соболева Ю.И., 2008). Это связано, в свою очередь, с нарушением структурной целостности и функциональной полноценности иммунитета на организменном уровне (Петленко C.B., 2007).

Дезинтеграция иммунной системы (ИС) чаще всего проявляется при воздействии на организм человека факторов химической этиологии (Беженарь В.Ф. и соавт., 2001; Куценко С.А., 2004; Бастрон A.C. и соавт., 2005; Азарин К.В., 2008; Бодиенкова Г.Н., 2008). Внедрение химических технологий во все отрасли хозяйства и сферу быта, активное использование химических пищевых добавок и консервантов создает условия обитания, с которыми человек прежде никогда не встречался. Как в России, так и за рубежом одной из нерешенных актуальных задач является исследование пролонгированного низкодозового воздействия химических соединений, сопровождающегося разнообразными проявлениями токсического процесса на системном, организменном (в виде аллобиотических состояний) и популяционном уровнях (Буковский М.И. и соавт., 1984; Василенко И.Я., 2001; Голденков В.А., 2002; Куценко С.А., 2004; Bendich A. et al., 1981; Brown D.R. et al., 1985). При этом в практическом здравоохранении все более остро ощущается нехватка методов адекватной объективной оценки иммунной системы при подобного рода воздействиях (Хаитов P.M. и соавт., 1995; Беженарь В.Ф. и соавт., 2001; Куценко и соавт., 2001; Шубик В.М. и соавт., 2001; Дранник Г.Н., 2003; Беляева H.H., 2008).

Согласно данным литературы, иммунная система высокочувствительна к воздействию различных неблагоприятных экологических факторов, в том числе химической природы (Алексеева О.Г., Дуева JI.A., 1978; Беклемишев Н.Д., 1986; Смирнов B.C., 1992; Бонитенко Ю.Ю., Ващенко В.И. и соавт., 2001; Давыдова Е.В. и соавт., 2001; Никифоров A.M., 2004), а изменение ее состояния может выступать в качестве одного из объективных критериев воздействия (Орадовская И.В., 1991; Смирнов B.C. и соавт., 1992; Петленко C.B. и соавт., 2001; Пройнова В .А. и соавт., 2001).

В этой связи, очевидно, что выполнение иммуноэпидемиологических исследований должно включать использование методов, позволяющих наряду с закономерностями адаптивного реагирования иммунной системы в популяции

оценить и индивидуальную (конституциональную) чувствительность системы иммунитета к комплексу неблагоприятных ксенобиотических воздействий (Петров Р.В., Орадовская И.В., 1987; Забродский П.Ф., 1998; Ентус В.А. и соавт., 2001; Киселев В.В., Коржов Л.Н., 2001; Петленко C.B. и соавт., 2004). Это является важным для оценки здоровья лиц, проживающих в условиях химического загрязнения окружающей среды (Петров Р.В. и соавт., 1992; Куценко С.А., 2001; Мамонтова Е.А. и соавт., 2008; Прусаков В.М. и соавт., 2008; Van Loveren et al., 1998). Кумуляция изменений отдельных компартментов иммунной защиты может привести к нарушениям структурной целостности и функциональной полноценности всей системы регуляции иммунного гомеостаза (Бубнова В.И. и соавт., 1980; Ершов Ю.А., Плетнева Т.В., 1989; Гребенюк А.Н., 2001; Епифанцев A.B. и соавт., 2001). Показано, что даже незначительные изменения иммунологической реактивности могут служить предпосылкой для развития целого ряда тяжелых соматических заболеваний, таких как сердечно-сосудистые и нервные болезни, хронические инфекции, аллергические, аутоиммунные и пролиферативные процессы (Задорожный Б.В., 1971; Дикун П.П., 1990; Забродский П.Ф., 1998; Епифанцев A.B. и соавт, 2001; Калинина Н.М., Давыдова Н.И., 2001; Измеров Н.Ф., Ткачева Т.А., 2008).

Вышеизложенное свидетельствует о том, что иммуноэпидемиологический мониторинг должен стать одним из приоритетных направлений в системе медицинского обеспечения лиц, длительное время проживающих в условиях химического загрязнения окружающей среды. Модельной ситуацией длительного воздействия на организм человека химических соединений может служить поселок Красный Бор, расположенный в пределах санитарно-защитной зоны (СЗЗ) одноименного предприятия по захоронению и уничтожению высокотоксичных промышленных отходов (Гольцова Н.И, и соавт., 1996, 2004; Гордиенко С.Г., Самофалов Д.П., 1998). В ряде исследований, выполненных в основном в конце XX века, показано негативное влияние загрязнения окружающей среды токсикантами на уровень и структуру заболеваемости населения (Калоянова-Симеонова Ф., Попов Т., 1989; Козлов В.А., 1998; Ингель Ф.И. и соавт., 2001; Мешков H.A., 2001; Забродский П.Ф., Мандыч В.Г., 2007;). При этом изменения состояния иммунной системы лиц, проживающих в условиях напряженной экологической ситуации, обусловленной загрязнением среды обитания компонентами промышленных токсичных отходов, изучены недостаточно полно. Это обусловило актуальность настоящей работы, посвященной исследованию состояния системы иммунитета и ее связи с заболеваемостью у данной категории лиц в зависимости от времени проживания на химически загрязненной территории.

Целью исследования явилось изучение закономерностей реагирования иммунной системы человека при формировании токсического процесса в ответ на пролонгированное воздействие факторов химической природы (на примере населения поселка Красный Бор).

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи исследования:

1. Изучить экологическую обстановку в поселке Красный Бор.

2. Оценить гематологический статус, состояние клеточного, гуморального иммунитета и факторов неспецифической резистентности у жителей поселка Красный Бор в зависимости от времени проживания вблизи химически опасного объекта и от химических веществ, загрязняющих окружающую среду.

3. Провести анализ иммунологической патологии, иммунозависимой заболеваемости и характера реагирования иммунной системы в зависимости от времени проживания на загрязненной территории.

4. Выявить наиболее информативные иммуноэпидемиологические критерии для оценки проявлений форм токсического процесса на организменном и популяционном уровнях в ответ на пролонгированное воздействие факторов химической природы.

Решение поставленных задач позволило сформулировать следующие основные положения, выносимые на защиту:

1. Проживание в условиях загрязнения среды обитания токсикантами сопровождается формированием особой формы токсического процесса на уровне организма - аллобиоза, проявляющегося изменением иммунологической реактивности, выраженность которого зависит от времени проживания вблизи химически опасного объекта и характера химических веществ, загрязняющих окружающую среду.

2. Отражением формирования токсического процесса на уровне популяции в ответ на пролонгирование воздействие комплекса неблагоприятных факторов химической природы является повышение уровня и изменения структуры иммунозависимой патологии.

3. В системе иммуноэпидемиологического мониторинга населения, проживающего в условиях химического загрязнения окружающей среды, в качестве интегрального показателя оценки проявлений форм токсического процесса на организменном и популяционном уровнях целесообразно использовать индекс дезинтеграции иммунной системы.

Научная новизна и теоретическая значимость работы. Впервые установлены основные закономерности реагирования иммунной системы у лиц,

проживающих в условиях загрязнения окружающей среды токсикантами. В результате комплексного изучения иммуногематологических показателей, включающих состояние клеточного, гуморального иммунитета и факторов неспецифической резистентности и их сравнения с уровнем и структурой иммунозависимой патологии разработаны новые подходы к совершенствованию системы иммуноэпидемиологического мониторинга населения, проживающего в условиях химического загрязнения. На основе полученных данных проведена оценка проявлений различных форм токсического процесса на системном (иммукотоксическое действие), организменном (изменение иммунной реактивности) и популяционном (изменение структуры иммунозависимой заболеваемости) уровнях.

Практическая значимость. Разработаны новые подходы к комплексной оценке структурно-функционального состояния иммунной системы у лиц, длительное время проживающих в условиях химического загрязнения окружающей среды. Показано, что одним из объективных критериев оценки коллективного риска у лиц, подвергающихся воздействию химического загрязнения окружающей среды, может служить индекс дезинтеграции иммунной системы, отражающий изменение структуры и направленности устойчивых корреляционных связей между отдельными элементами иммунной системы у лиц групп риска по сравнению с аналогичными параметрами практически здоровых людей. Показана возможность использования интегральной оценки состояний иммунной системы, уровня и структуры иммунозависимой патологии для выявления токсического процесса на популяционном уровне с целью решения медико-социальных задач в отношении лиц, проживающих в условиях комплексного загрязнения среды обитания приоритетными токсикантами.

Апробация работы. Основные материалы диссертационного исследования доложены на: 4-й международной научной конференции «Донозология-2008» (2008 г.); всероссийской научно-практической конференции «Химическая безопасность Российской Федерации в современных условиях» (2010 г.); заседании Санкт-Петербургского отделения Всероссийского общества токсикологов (2010 г.); межкафедральных совещаниях Военно-медицинской академии им. С.М. Кирова (2010-2011 гг.).

Реализация результатов исследования. Полученные в ходе диссертационного исследования материалы:

- внедрены в учебный процесс на профильных кафедрах Военно-медицинской академии им. С.М. Кирова, Санкт-Петербургской медицинской академии последипломного образования и Санкт-Петербургской государственной медицинской

академии им. И.И. Мечникова при рассмотрении вопросов иммуно- и экотоксикологии.

- использованы при выполнении научно-исследовательской работы Военно-медицинской академии им. С.М. Кирова (НИР шифр «Имитатор», шифр «Компонент», «Мишень»), 1410 центра государственного санитарно-эпидемиологического надзора МО РФ, ФГУ «985 центр государственного санитарно-эпидемиологического надзора Западного военного округа» МО РФ, кафедры медицины труда СПб МАПО.

Публикация результатов исследования. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 3 публикации в центральных медицинских изданиях, входящих в перечень ВАК.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 132 страницах машинописного текста, включая 14 таблиц и 15 рисунков. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, выводов и практических рекомендаций. Список литературы содержит 280 библиографических источников, из них 216 отечественных и 64 зарубежных публикации.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Для оценки влияния неблагоприятных факторов химической природы на иммунную систему проведено углубленное лабораторное и санитарно-эпидемиологическое обследование 128 человек, проживающих в поселке городского типа (ПГТ) Красный Бор (таблица 1).

Таблица 1

Характеристика групп сравнения_

Характеристика групп Группы сравнения

I группа II группа III группа В среднем по п. Красный Бор

Время проживания До 5 лет 5-10 лет Более 10 лет 3-12 лет

Численность групп 41 44 43 435

Мужчины/женщины (%) 46,3/53,7 45,4 / 54,6 44,1 /55,9 48,6/51,4

Средний возраст 31,4±5,2 34,6±6,3 37,9±6,8 41,3±10,2

Средняя зарплата 13800±2200 14300±3100 12700*2800 14800±3400

Рабочие/служащие (%) 39,0/61,0 34,1 /65,9 30,2 / 69,8 35,2/64,8

Группу контроля составили 318 лиц, не имеющих профессионального и экологического контакта с токсичными соединениями.

В качестве методологической основы работы использована трехэтапная схема иммуноэпидемиологического мониторинга (Петров Р.В. и соавт., 1987, 1992; Орадовская И.В., 1991; Смирнов B.C. и соавт., 1991, 1992, 1999; Петленко C.B. и соавт., 1995, 1999; Хаитов P.M. и соавт.,1995; Филиппов В.Л. и соавт., 2004). Существенным моментом выбранной схемы являлось использование на этапе скрининга анкеты-опросника для выявления из всей массы обследованных лиц,

составляющих группу риска развития иммунологической недостаточности (Орадовская И.В., 1991; Смирнов B.C. и соавт., 1991,1992,1999), модифицированной С.В.Петленко (2007).

Для оценки уровня и структуры анамнестической и накопленной заболеваемости изучена и проанализирована отчетная документация медицинских учреждений ПГТ Красный Бор за период с 1990 по 2009 гг. и амбулаторные карты лиц, длительное время проживающих в условиях напряженной экологической ситуации, обусловленной зшрязнением среды обитания промышленными токсичными отходами. В последующем у данной категории лиц выполнены скрининговые и углубленные лабораторные исследования состояния иммунной системы, для выявления нарушений, индуцированных неблагоприятными воздействиями факторов химической природы.

Лабораторные исследования выполнены в подразделениях НИЛ военной терапии, клинической и токсикологической лабораторий кафедры военно-полевой терапии (ВПТ) Военно-медицинской академии, медицинских учреждений (клинико-диагностических центров (КДЦ) Министерства здравоохранения и лабораторного отделения «Иммунобиосервис».

Гематологические исследования выполнены с использованием автоматических гематологических анализаторов «BECMAN-COULTER AcT-diff» (ФРГ), «ABACUS» (Англия), «ARCUS» (Австрия) и включали количественное определение клеток, их морфологические характеристики, оценку среднепараметрических данных. Аппаратное клиническое исследование крови дополнялось мануальными методиками с определением СОЭ (по методу Вестергрена), цветового показателя и оценки (подсчета) относительного и абсолютного содержания ретикулоцитов.

Выделение лимфоцитов проводили из гепаринизированной крови путем центрифугирования в градиенте плотности F1COLL-PAQUE р=1,077 (Pharmacia, Швеция) по микро-методике в модификации О.Д. Долгого (1988).

Количественные параметры состояния клеточного иммунитета оценивали по содержанию различных субпопуляций иммунокомпетентных клеток (ИКК) путем иммунофенотипирования с моноклональными антителами при помощи микролимфоцитотоксического теста

Идентификацию субпопуляций лимфоцитов проводили путем применения двух люминесцентных зондов (Janossy G. et al., 1986), имеющих максимум флуоресценции в разных зонах видимого спектра. В качестве витального красителя использован карбоксифлуоресцеин диацетат (CFDA) (Serva, ФРГ), тропный к мембранным структурам живых клеток и имеющий свечение в зеленой зоне спектра (длина волны 530-560 нм). Для выявления лизированных клеток, использовали интерколятор -

пропидиум йодид (PI) (SIGMA, США). Этот зонд способен селективно окрашивать ДНК погибших клеток с максимумом свечения в пределах красной зоны (650-710 нм) видимого спектра. Для гашения спонтанной люминесценции PI, добавляемого в заведомо избыточном количестве, применяли фирменный гаситель (FALCON, США) или смесь индийских чернил с добавлением человеческого гемоглобина.

Процентное содержание различных субпопуляций лимфоцитов оценивалось по соотношению живых и погибших клеток. В качестве положительного и отрицательного контролен применяли антилимфоцитарный глобулин (FREZENIUS, ФРГ).

Регистрацию результатов производили с помощью люминесцентного микроскопа ЛЮМАМ Р-8 (светофильтры с полосой пропускания 400-590 нм и 650750 нм), в котором в качестве источника возбуждения люминесценции использована ртутная (200 Вт) лампа высокого давления. Учет результатов реакции проводили путем подсчета 100 клеток в одном поле зрения. Процентное содержание различных субпопуляций лимфоцитов получали расчетным способом по соотношению живых и лизированных клеток.

Оценка функциональной активности клеточных механизмов иммунного ответа включала определение пролиферативной способности (реакция бластной трансформации) и цитокинообразующей (миграционная активность) составляющей.

Из методов оценки функциональной активности иммунокомпетентных клеток (ИКК) реакция торможения миграции лейкоцитов (РТМЛ) является наиболее простой и легко воспроизводимой, в связи с чем данный метод предложено использовать для скрининговой оценки состояния ИС людей, работающих и проживающих в условиях химической опасности.

РТМЛ проводили по стандартной методике в присутствии митогенов (конкавалин А, фитогемагглютинин Р). В ходе выполнения исследования также использована модифицированная методика РТМЛ, где в качестве индукторов выступают вещества, с которыми у обследованных контингентов возможен пролонгированный экологический контакт (Петленко C.B., 2007). В нашем исследовании для оценки индивидуальной чувствительности (сенсибилизации) иммунной системы использованы химические вещества из группы так называемых «маркерных» или «приоритетных» загрязнителей ГУПП «Полигон «Красный Бор» (таблица 2). При постановке методики концентрации химических веществ подбирались таким образом, чтобы исключить возможность прямого токсического (повреждающего) воздействия на клетки. Раститровкой ксенобиотиков (1:1000 -1:12000) добивались нормального уровня реагирования (до величины индекса миграции (ИМ) 80-120%) у лиц контрольной группы, не имеющих контакта с

токсичными веществами. Кроме этого, используемые для постановки РТМЛ вещества тестировали на отсутствие цитотоксичности по оценке жизнеспособности лимфоцитов в течение 36 часов.

Таблица 2

Приоритетные токсиканты, использованные для оценки реакции иммунной системы населения п. Красный Бор при проведения иммуноэпидемиологического мониторинга

Группа приоритетных токсикантов Класс опасности Вещества (или их группы), использованные при постановке РТМЛ

Полигалогенированные углеводороды И-Ш Перхлорэтилен+трихлорэтилен

Полицикличенские ароматические углеводороды I-II Бенз(а)пирен, дибензантрацен

Альдегиды И Формалин

Циклоалканы II-III Ортоксилол+циклогексан+толуол

Ароматические углеводороды IV Фенол

Тяжелые металлы и их соединения II-III Кобальт+цинк+никель (в виде сернокислых солей)

I Хром (СгОэ), Кадмий

II Ртуть, Свинец

Оценка гуморального звена иммунной системы включала исследования количественных и функциональных параметров. Для этого применяли комплекс методик, включавший определение содержания в крови зрелых форм В-лимфоцитов (CD20+) и концентрацию в сыворотке иммуноглобулинов классов М, G и А.

Количественное определение IgM, IgG, IgA проводили по методу радиальной иммунодиффузии (РИД) или при помощи иммуноферментного анализа (ИФА).

Учет результатов РИД проводили на аппарате «ИМАТЕСТ 01» производства НИИ аналитического приборостроения (Россия), предназначенного для автоматического учета колец преципитации в агарозном геле. Расчет концентрации иммуноглобулинов выполняли с использованием компьютерной программы «IMMUN» (Долгий О.Д. и соавт., 1988).

Методы оценки факторов неспецифичекой защиты включали определение относительного и абсолютного содержания моноцитов и различных классов гранулоцитов, естественных киллеров (NK) - клеток с фенотипом CD56, а так же показателей функциональной активности полиморфноядерных нейтрофильных гранулоцитов (ПМН).

Оценка функциональной активности кислородзависимого метаболизма системы полиморфноядерных нейтрофилов проводилась по способности клеток данной популяции к восстановлению тетра-нитросинего тегразоля в диформазан (цитохимический вариант НСТ-теста). НСТ-активность системы ПМН проводилась в присутствии физиологического раствора (базальная активность) и стандартного стимулятора (зимозан - опсонизированный пулированной человеческой сывороткой).

Расчет резервной метаболической емкости проводили путем вычисления отношения стимулированной активности клеток к базальной. Кислороднезависимую микробицидность клеток оценивали по активности катионных белков (лизосомально-катионный тест - J1KT) в результате поглощения клетками специального красителя (Fast-green, Sigma, США).

Фагоцитарную активность ПМН и МФ у обследованных лиц оценивали по способности клеток к поглощению и перевариванию стандартной культуры Staphil. Aureus (штамм № 209). Заключение о состоянии фагоцитарной активности проводили по относительному содержанию фагоцитирующих клеток (фагоцитарный индекс -ФИ), среднему числу микроорганизмов поглощенных одним фагоцитом (фагоцитарное число - ФЧ) и величине дезинтеграции микроорганизмов (показатель завершенности фагоцитоза - (ПЗФ).

Хроматографическое исследование крови на наличие алкоголя и его дериватов, а также летучих органических соединений проводили стандартным методом газохроматографического анализа равновесной паровой фазы на газо-жидкостном хроматографе «Кристалл 2000» (Россия). Фенол в накопительных средах определяли флюорометрическим методом на приборе «Флюорат-02» фирмы «Люмэкс». Наличие бенз(а)пирена выявляли с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии. Тяжелые металлы определяли методом инверсионной вольтамперометрии на анализаторе вольтамперометрическом «АКВ-07МК». Бензол в средах определяли методом газовой хроматографии на газовом хроматографе «Кристалл-2000М».

Статистическую обработку полученных данных выполняли с использованием стандартного пакета статистических программ «STATISTICA 6.0». Массивы данных, имеющие параметрический характер распределения выборки, подвергали статистической обработке с расчетом средних показателей, средней стандартной ошибки и сигмальных отклонений. Достоверность показателей средних величин оценивали по показателю t-критерня Стьюдента. Математическую значимость различий между группами сравнения выявляли с помощью критерия Колмогорова-Смирнова и критерия X2. Критический уровень достижения нулевой статистической гипотезы (р) принимали равным 95% (р< 0,05) или 99% (р< 0,01).

Для анализа данных, имеющих непараметрический характер распределения в выборке, использовали корреляционной метод с определением дисперсии и расчетом коэффициентов корреляции по Спирмену и Кендаллу для 95% и 99% уровней значимости. При выявлении устойчивых корреляционных связей для определения характера математической зависимости между отдельными компартментами применяли регрессионный анализ.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Токсико-гигиеническая характеристика п. Красный Бор

Для оценки ксенобиотического воздействия на иммунную систему лиц, проживающих в условиях напряженной экологической ситуации проведены исследования химического загрязнения территории п. Красный Бор компонентами промышленных токсичных отходов. Полученные результаты подтвердили данные селективных исследований, выполненных другими организациями (Ласкина Б.М. и соавт., 1995; Гольцова Н.И. и соавт., 1996; Гордиенко С.Г. и соавт., 1998). О высоком уровне загрязненности территории поселка веществами из группы «приоритетных токсикантов», содержащихся в выбросах предприятия по захоронению и уничтожению промышленных токсичных отходов ГУПП «Полигон «Красный Бор». Так в 1990 году атмосферный воздух в радиусе 2-х километров от полигона содержал толуол, ксилол, фенол, формальдегид, диоксид азота, сернистый ангидрид и хлористый водород в концентрациях, превышающих ПДК в 60; 6,8; 17; 8,5; 1,7; 7,2 и 1,3 раза соответственно. При исследовании проб атмосферного воздуха (2001-2002гг.) в пределах трехкилометровой санитарной защитной зоны было идентифицировано 16 органических соединений, которые было предложено обозначать как маркерные вредные вещества выбросов полигона. Результаты собственных исследований в трехкилометровой санитарно-защитной зоне и за ее пределами показали, что толуол, ксилол, фенол, трикрезол, этилацетат и бутилацетат обнаруживались с превышением ПДК от 1,6 (трикрезол) до 37 (ксилол) раз. Сопоставление территориальных особенностей распространения и элиминации маркерных загрязнителей воздушного бассейна п. Красный Бор выявило наличие сильных корреляционных связей с приоритетными токсикантами предприятия по захоронению и уничтожению промышленных токсичных отходов, что с высокой степенью вероятности свидетельствовало о едином источнике их происхождения.

В пробах накопительных сред (почва, снег), взятых на территории п. Красный Бор, было выявлено повышенное содержание цинка, кадмия и серебра (превышение ПДК в 4,1; 7,2; 5,2 раза). Во всех точках отбора материала присутствовали шестивалентный хром и алюминий на уровне превышения ПДК 2,3-35,1 и 1,67-13,3 раза. Содержание солей этих металлов в талой воде, по сравнению с поверхностными водоемами, было выше в среднем на порядок. Исследование загрязнения снега является ценным в том плане, что в отличие от других объектов окружающей среды (почва, растения, грунтовые воды), снег накапливает только примеси, связанные с антропогенным загрязнением атмосферы в результате выбросов в окружающую среду вредных веществ, в частности - тяжелых металлов и биологически активных

элементов, выпадающих далее на подстилающую поверхность в составе мокрых (снег, дождь) и сухих выпадений.

Критерием оценки уровней загрязнения снеговой воды металлами являются ПДК для воды водоемов; кроме того, принимались во внимание литературные данные о фоновом содержании определяемых элементов в снеговом покрове и уровнях их содержания в поверхностных водах незагрязненных рек. В накопительных средах п. Красный Бор отмечено суммарное повышение содержания ПАУ. Загрязнение окружающей среды вблизи полигона «Красный Бор» в зимний период осуществляется в основном за счет рассеивания дымовых газов установок термообезвреживания промышленных отходов. В процессе высокотемпературного сжигания (700-900°С) органического сырья - нефти, нефтепродуктов (мазута), различных органических веществ в составе отходов химических предприятий -наряду с основными продуктами горения (оксидами углерода, серы, азота) в числе побочных продуктов образуется и поступает в окружающую среду сложный комплекс полициклических ароматических углеводородов, насчитывающий десятки веществ, присутствующих в дымовых газах в нанограммовых концентрациях. Наличие среди них канцерогенов, токсичных веществ, высокая стабильность многих из них в окружающей среде и возможность многолетнего накопления в почве, донных отложениях - создают опасность для состояния среды и здоровья человека.

Данные математического моделирования указывают на то, что выбросы ГУПП «Полигон «Красный Бор» являются основным источником поступления в окружающую среду одноименного населенного пункта фенантрена, флуорантена и хризена (Ласкина Б.М. и соавт., 1995; Гольцова Н.И. и соавт., 1996; Гордиенко С.Г. и соавт., 1998).

Исследование состава грунтовых вод и питьевой воды из колодцев выявило высокую загрязненность этих объектов окружающей среды мышьяком (1-2 ПДК), хромом (1,9-2,5), магнием (1,6-2,8), селеном (1,5-2,1). В анализах питьевой воды установлено наличие следовых концентраций органических соединений, характерных для выбросов полигона. На уровне долей ПДК были обнаружены толуол, ксилол и бутилбензол (Гольцова Н.И. и соавт., 1996; Гордиенко С.Г. и соавт., 1998; Нагорный C.B. и соавт., 2001; Крупнов O.P. и соавт., 2003).

Таким образом, результаты исследований (таблица 3) подтвердили данные о том, что большинство объектов окружающей среды на территории поселка Красный Бор в той или иной степени загрязнены химическими веществами различных классов опасности (Нагорный C.B. и соавт., 2001; Крупнов O.P. и соавт. 2003; Жекалов А.Н. и соавт., 2003; Горький A.B., 2004).

На основании анализа физико-химических и токсикологических свойств загрязнителей объектов окружающей среды п. Красный Бор (снеговой покров, почва, растения, фунтовые воды) установлено, что вещества, входящие в состав перечня приоритетных токсикантов из состава выбросов полигона «Красный Бор», представляют разные классы химических соединений, обладающих различной степенью опасности и широким спектром биологической активности.

Таблица 3

Многолетняя динамика загрязнения приоритетными токсикантами накопительных сред на территории поселка Красный Бор_

Группа приоритетных токсикантов Кратность превышения ПДК, раз

1994-1999 гг.* 2000-2006 гг.** 2009-2010 гг.***

Полициклические ароматические углеводороды 25,5±5,2 27,8±б,4 26,3±5,7

Тяжелые металлы 4,7±0,8 5,3±1,1 7,9±1,4

Фенол и др. углеводороды 13,5±2,6 11,8±2,2 17,2±3,4

Приложение: в таблице представлены усредненные данные в группах приоритетных токсикантов, обнаружеваемых в почвенном и снеговом покровах. * - по данным СевЗапГеология, 1999 г.; ** - по данным Петленко C.B. и соавт., 2006 г.; *** - по данным лаборатории 1410 ЦГСЭН, 2010 г.

Большинство соединений, отнесенных к приоритетным вредным веществам, относятся к высоко опасным (32,6%) и умеренно опасным веществам (27,9%). Однако в данном комплексе 14% веществ относятся к классу чрезвычайно опасных соединений (кадмий, хром, ПАУ - бенз(а)пирен и его гомологи). Данные о загрязненности грунтовых вод показывают возможность распространения токсикантов полигона в системе воздух - почва - подземные воды - человек. Наличие среди веществ-загрязнителей канцерогенов, «суперэкотоксикангов» (диоксины, бифенилы), солей тяжелых металлов и органических соединений, обладающих выраженной иммунотоксичностью и чрезвычайно высокой стабильностью в окружающей среде и биологических системах, создает реальную угрозу здоровью людей, проживающих на территории поселка Красный Бор.

Таким образом, нами подтверждены имеющиеся данные о том, что поселок Красный Бор является химически загрязненной территорией, а население, проживающие в нем, подвергается пролонгированному воздействию широкого спектра химических соединений различных классов опасности (Гольцова Н.И. и соавт., 1996; Нагорный C.B. и соавт., 2001; Горький A.B., 2004; Крупное O.P. и соавт., 2004).

-13В нашем исследовании предпринята попытка выявить формирование токсического процесса на системном, организменном и популяционном уровнях путем оценки характера реагирования иммунной системы в зависимости от времени проживания на загрязненной территории и от химических веществ, загрязняющих окружающую среду и связи с иммунозависимой заболеваемостью.

Иммуногематологическая характеристика населения н. Красный Бор

В соответствии с целью и задачами исследования нами изучены закономерности реагирования иммунной системы человека при формировании токсического процесса в ответ на пролонгированное воздействие факторов химической природы на примере населения поселка Красный Бор.

Выполненные гематологические исследования позволили установить, что по среднестатистическим показателям в группах обследованного населения поселка Красный Бор, патологических изменений оцениваемых параметров расширенных гемограмм выявлено не было.

На первом этапе комплексной оценки состояния иммунной системы изучалось состояние клеточного звена. Анализ полученных в результате исследования данных показал, что содержание основных классов ИКК не имело статистически достоверных межгрупповых различий и находилось в пределах интервала нормы реакции. Исключением были популяции клеток с фенотипом С04+(% / абс.) 34,71±1,89 / 0,87±0,14 у жителей поселка и 42,03±1,12 /1,36±0,22 в контроле (р<0,05).

Однако, исследование влияния длительности проживания в п. Красный Бор на иммунологические параметры показало, что увеличение продолжительности воздействия неблагоприятных экологических факторов химической природы способствует прогрессивному снижению содержания лейкоцитов и лимфоцитов (таблица 4). Тем не менее, даже максимальный уровень снижения количества клеточных элементов нельзя рассматривать как патологический.

Таблица 4

Изменение содержания ИКК периферической крови населения п. Красный Бор

Содержание клеток Длительность проживания в пределах СЗЗ Контроль (п=318)

< 5 лет (п=41) 5-10 лет (п=44) > 10 лет (п=43)

Ьеи. (х107л) 8,13±0,81 7,24±0,36 6,22±0,14 8,92±0,87

Ьут.(%) 31,45±3,34 29,12±2,92 26,88±1,31 36,42±0,97

Ьуга. (х10'7л) 2,27±0,19 2,01±0,14 1,76±0,09 3,24±0,18

Учитывая наличие неблагоприятных тенденций изменения количественных показателей лимфоцитов в условиях продолжительного воздействия комплекса факторов повышенной химической опасности, была выполнена оценка структурности Т-системы иммунитета с учетом временной составляющей (таблица 5).

Таблица 5

Изменение содержания Т-лимфоцитов у лиц групп сравнения п. Красный Бор

Содержание клеток Длительность проживания в п ределах СЗЗ Контроль (п=318)

< 5 лет (п=41) 5-10 лет (п=44) > 10 лет (п=43)

CD3+ % 61,7±3,27 56,2±2,45* 54,1 ±2,43* 66,78±0,99

абс. 1,40±0,22 1,13±0,18* 0,95±0,19* 2,16±0,42

CD4+ % 35,1±2,74 30,3±1,77* 27,9±1,16* 42,03±1,12

абс. 0,79±0,15* 0,61±0,12** 0,49±0,10** 1,36±0,22

CD8+ % 24,4±2,11 24,8±1,39 _ 26,1±1,14 27,06±0,49

абс. 0,55±0,09 0,49±0,Ю 0,46±0,11 0^8±СМ4

* - различия достоверны по сравнению с контролем - р<0,05; **- различия достоверны по сравнению с группой до 5 лет - р<0,05.

Динамика изменения клеточного состава лимфоцитов с фенотипами CD3+ и CD4+ характеризовалась их уменьшением, при этом принципиально иной тип реагирования был характерен для лимфоцитов с иммунофенотипом CD8+. Разнонаправленносгь изменений популяций Т-лимфоцитов, обладающих регуляторной активностью, может способствовать доминированию процессов супрессии формирования механизмов клеточного иммунного ответа. Отражением этой неблагоприятной тенденции служила величина иммунорегуляторного индекса -отношение CD4 / CD8 (рисунок 1).

Рисунок 1. Величина иммунорегуляторного индекса (ИРИ) в группах сравнения в зависимости от длительности проживания в условиях повышенной химической опасности (по оси X - группы сравнения; по оси Y - отношение CD4 / CD8). Различия с контролем достоверны для 2 и 3 группы (р<0,05).

Установлено, что изменение содержания лимфоцитов CD56+ с увеличением продолжительности проживания в условиях напряженной экологической ситуации характеризовалось повышением количества клеток (рисунок 2).

Проведение массовых обследований предполагает использование достаточно простых и в то же время информативных методов. В данном случае основным способом определения функциональной активности ИКК служила реакция

торможения миграции лейкоцитов, которая выполнялась как в классическом варианте, так и в оригинальной модификации (Петленко С.В. и соавт., 2005).

В группе людей, живущих в пределах санитарной защитной зоны полигона «Красный Бор», миграционно-митотическая активность иммунокомпетентных клеток на конкавалин А была умеренно снижена.

♦♦♦♦♦♦♦♦ ♦♦♦♦♦♦♦♦ ♦♦♦♦♦♦♦♦ ♦♦♦♦♦♦♦♦ ♦♦♦♦♦♦♦♦ ♦♦♦♦♦♦♦♦ ♦♦♦♦♦♦♦♦ ♦♦♦♦♦♦♦♦ ♦♦♦♦♦♦♦♦ ♦♦♦♦♦♦♦♦

□ контроль адо 5 лет

□ 5-10 лет

И более 10 лет

Рисунок 2. Изменение содержания МК-клеток в зависимости от продолжительности проживания в условиях повышенной химической опасности (по оси X - группы сравнения; по оси У - содержание клеток СО 56+(МК) (%)). Содержание МК клеток в контроле - 9,18±0,71. Различия достоверны для всех групп сравнения (р<0,05).

Оценка индекса миграции с учетом временной составляющей воздействия химического фактора выявила негативные тенденции изменения этого показателя в группах сравнения (рисунок 3).

♦♦♦ ♦♦♦♦♦♦♦♦ ♦♦♦♦♦♦♦♦ ♦♦♦♦♦♦♦♦ ♦♦♦♦♦♦♦♦ ♦♦♦♦♦♦♦♦ ♦♦♦♦♦♦♦♦ ♦♦♦♦♦♦♦♦ ♦♦♦♦♦♦♦♦ ♦♦♦♦♦♦♦♦ ♦♦♦♦♦♦♦♦ ♦♦♦♦♦♦♦♦

□ контроль У до 5 лет Я 5-10 лет И более 10 лет

Рисунок 3. Изменение миграционной активности ИКК у различных категорий взрослого населения п. Красный Бор в зависимости от длительности проживания в условиях повышенной химической опасности (по оси X - группы сравнения; по оси У - индекс миграции (%). Различия достоверны для всех групп - р<0,05.

В условиях длительного экспонирования малых доз химических веществ наиболее полную информацию о возможных причинах и характере изменений функциональной активности клеточного иммунитета можно получить путем оценки

реакции ИКК на различные вещества из числа приоритетных токсикантов. Если энергический (нормоэргический) тип клеточной реакции на стандартный митоген (КонА) был характерным почти для 90% обследованных, то при использовании в качестве стимуляторов митогенно-миграционной активности соединений из группы загрязнителей среды обитания сохранение нормальной миграционной активности клеток сохранялось только у 44-68%.

При оценке гуморального звена ИС определяли содержание в периферической крови популяции эффекторных клеток с фенотипом СП20 (зрелые В-лимфоциты), концентрацию сывороточных ^ классов М, О, А и ЦИК средней массы (таблица 6).

Таблица 6

Показатели гуморального иммунитета населения поселка Красный Бор

Показатель (ед. измерения) Жители поселка, п=128 Контроль (п=318) Интервал нормы

С020+ (%/абс.) 27,34±5,87 / 0,69±0,13 22,48±0,72 / 0,73±0,14 15-35

^ М(г/л) 0,82±0,20* 1,38±0,09 0,65-1,65

1й 0(г/л) 8,28±1,77* 12,37±0,73 7,50-15,40

1йА(г/л) 2,10±0,41 1,92±0,18 1,25-2,50

ЦИК(обр. %) 88,09*17,36 87,40±1,28 80-95

* - различия достоверны - р<0,05.

Содержание основных классов иммуногобулинов и уровень циркулирующих иммунных комплексов в обеих группах находились в пределах интервала нормы. Динамические изменения данных показателей в зависимости от времени проживания в поселке не имели математически значимых различий в группах сравнения. При этом анализ изменения количества лимфоцитов СГ)20 с учетом временной составляющей неблагоприятного ксенобиотического воздействия показал тенденцию к постепенному снижению этой популяции клеток (рисунок 4).

1 0,8 0,6 0,4 0,2 0

Рисунок 4. Изменение содержания лимфоцитов С020+ при различной длительности проживания в условиях повышенной химической опасности (по оси X - длительность экологического воздействия химических ксенобиотиков; по оси У - абсолютное содержание клеток (пх109/л). Различия между группами достоверны - р<0,05.

Результаты исследований кислородзависимых механизмов дезинтеграции антигенов показали значительное повышение спонтанной активности ПМН к восстановлению тетранитросиненго тетразолия в диформазан. Превышение верхнего предела интервала статистической нормы в группах сравнения составило 4,6 раза. Повышение базального метаболизма было ассоциировано с умеренным увеличением стимулированной активности клеток (таблица 7).

Таблица 7

Показатели функциональной активности системы ПМН у населения пос. Красный бор

Показатель (ед. измерения) Жители поселка, п=128 Контроль, п=318 Интервал нормы

НСТ - тест базальный (у.е.) 0,72±0,14* 0,15±0,01 0,10-0,15

НСТ - тест стимулированный (у.е.) 1,84±0,31 1,85±0,04 0,50-1,50

ЛКТ (у.е.) 1,59±0,28 1,56±0,22 1,50-1,70

* - различия достоверны - р<0,05.

Динамика НСТ-теста в зависимости от времени экспонирования обследованных контингентов токсикантами приведена на рисунке 5.

нет б

нет с

0до 5 лет Н5-10лет ИболееЮлет

Рисунок 5. Изменение активности кислородзависимых механизмов микробицидносги полиморфноядерных нейтрофильяых гранулоцитов в зависимости от длительности проживания людей в условиях повышенной химической опасности (по оси X - НСТ-тесты в группах сравнения; по оси Y - величина НСТ-активносги (усл. ед.)

Следствием несинхронного изменения показателей метаболической активности клеток у обследованных, было значительное (на уровне 45%) снижение резервной метаболической емкости (PME) системы ПМН (рисунок 6).

Величина PME у обследованных при длительности экспонирования более 10 лет, составила всего 1,68 у.е., что является патологически низким и может быть квалифицировано как проявление функциональной неполноценности данного звена неспецифической защиты.

Рисунок 6. Зависимость уровня PME в группах сравнения от продолжительности воздействия химических веществ (по оси X - длительность проживания в условиях напряженной экологической обстановки (годы); по оси Y - резервная метаболическая емкость (отн. Ед.). Различия с контролем достоверны (р<0,01). Различия между группами достоверны - р<0,05.

Структура иммунозависимой заболеваемости населения п. Красный Бор

Многолетний ретроспективный анализ уровня и структуры заболеваемости (по данным статистических отчетов) показал, что у населения п. Красный Бор и при сравнении средневзвешенных показателей с областью и районом преобладают стабильно одни и те же классы болезней и нозологические формы с достоверным превышением показателей над контрольными территориями (таблица 8).

Таблица 8

Кратность разницы заболеваемости индикаторными болезнями в п. Красный Бор при сопоставлении с контрольными территориями за период 1993 - 2009 гг.

Названия болезней Тосненский район Ленинградская область

Болезни периферической нервной системы 6,4 3,42

Цереброваскулярные болезни с гипертонической болезнью 3,95 6,64

Хронические фарингиты, назофарингиты, синуситы. 4,53 3,17

Гастрит и дуоденит 4,9 3,62

Ревматоидный артрит и другие воспалительные заболевания. 20,0 9,29

Прогностически наиболее опасной (совпадающей по пораженности систем организма) иммунозависимой патологией в п. Красный Бор можно считать: частые ОРВИ, рецидивирующий герпес, аллергопатологии, хронические ЛОР-заболевания и аутоиммунные заболевания. Данные заболевания входят в список прогнозируемой экологически обусловленной патологии с учетом уровня загрязнения вредными химическими веществами среды обитания населения ближайших к полигону территорий (таблица 9).

Таблица 9

Уровень заболеваемости иммунозависимой патологией у жителей п. Красный Бор

Нозологические формы Заболеваемость (%)

Контроль, п=318 Жители поселка, п=128

Частые ОРВИ (более 4-х раз в год) 4,5±0,6 83,2±7,3**

Рецидивирующий г ерпес 3,9±0,4 46,7±3,8**

Аллергопатология (поливалентная аллергия, аллергический конъюнктивит, атопический дерматит, бронхообструктивный синдром) 7,3±0,9 37,9±3,6*

Хронические ЛОР заболевания (аллергический ринит, хронический фарингит, полисинуситы) 3,8±0,6 18,4±1,9*

Ревматоидный артрит и другие воспалительные заболевания - 37,6±5,4

* - р<0,05, ** - р<0,01 ~ по сравнению с группой контроля.

Интегральная оценка состояния иммунной системы

Для интегральной оценки состояния иммунной системы лиц, подверженных профессиональному или экологическому воздействию разнообразных неблагоприятных факторов нами предложена расчетная величина, названная индексом дезинтеграции иммунной системы (ИДИС). Данная величина является произведением двух коэффициентов, названных нами соответственно «коэффициентом структурности» (КС) и «коэффициентом инверсии» (КИ). Математический смысл коэффициента структурности заключается в изменении количества устойчивых корреляционных связей между элементами иммунной системы практически здоровых лиц и лиц группы риска Соответственно коэффициент инверсии отражает изменение соотношения прямых и обратных связей в иммунной системе лиц группы риска.

Формула для расчета ИДИС будет выглядеть следующим образом:

идис =

- [ 1 -

Ь \

КС, КИ,

- X -

КС, ки2

X 100%

где КС| - это общее количество устойчивых корреляционных связей между элементами иммунной системы практически здоровых лиц (группа контроля); КС2 -это общее количество устойчивых корреляционных связей между элементами иммунной системы в группе (группах) сравнения; КИ] - количество прямых корреляционных связей между элементами иммунной системы в группе (группах) сравнения; КИ2 - количество обратных корреляционных связей между элементами иммунной системы в группе (группах) сравнения.

На основании математического анализа и обработки полученных данных были

построены корреляционные модели иммунной системы всех категорий обследованных. Установлено, что величина ИДИС находится в прямой зависимости с уровнем иммунозависимой патологии у людей, проживающих в условиях воздействия химического загрязнения среды обитания. Данный показатель может служить одним из объективных критериев выявления признаков формирования токсического процесса на уровне популяции. Корреляционная матрица нормально функционирующей иммунной системы (группа контроля) представлена на рисунке 7.

Рисунок 7. Структура устойчивых корреляционных связей ИС практически здоровых людей (контрольная группа). Сплошные соединительные линии между элементами -прямые связи, прерывистые - обратные.

Картина корреляционной матрицы ИС людей при наиболее длительном воздействии комплекса факторов химически опасных объектов (более 10 лет) показала, что количество устойчивых связей в 3,4 раза меньше, чем в контрольной группе (рисунок 8).

Рисунок 8. Структура межэлементных корреляционных связей ИС лиц проживающих в условиях воздействия химических факторов более 10 лет. Сплошные соединительные линии между элементами - прямые связи, прерывистые - обратные.

Таким образом, новый подход к оценке состояния иммунной системы людей, подвергающихся экологическому воздействию комплекса факторов химической опасности, основанный на анализе структуры межэлементных устойчивых корреляционных связей с использованием расчетной величины индекса дезинтеграции иммунной системы позволяет получить достаточно полное и объективное представление о структурно-количественном и функциональном состоянии системы иммунитета при выполнении иммуноэпидемиологических обследований. Динамика ИДИС может выступать в качестве критерия прогноза течения токсического процесса на популяционном уровне.

ВЫВОДЫ

1. Большинство объектов окружающей среды на территории поселка Красный Бор загрязнено химическими веществами различных классов опасности. Превышение ПДК наиболее опасных приоритетных загрязнителей (тяжелые металлы, полиароматические углеводороды, фенолы и др.) в накопительных средах (снег, почва, вода) составляет от 1,5 до 37 раз.

2. У людей, проживающих в условиях пролонгированного воздействия неблагоприятных экологических факторов химической природы, отмечается снижение содержания циркулирующего пула зрелых Т-лимфоцитов. Изменение субпопуляционной структуры заключается в снижении относительного и абсолютного содержания Т-лимфоцитов с фенотипами СОЗ+, С04+ и С08+ при синхронном увеличении в структуре ИКК количества >1К (СБ56+) клеток. При этом степень выраженности нарушения клеточного звена иммунитета находится в прямой зависимости от длительности ксенобиотического воздействия.

3. Характер митогенно-миграционной реакции ИКК на приоритетные загрязнители изменяется прямопропорционально времени проживания на загрязненной территории с увеличением доли лиц с патологическим типом клеточной реакции (РТМЛ). Изменения числа лиц, имеющих выраженные признаки сенсибилизации приоритетным загрязнителем среды обитания, зависит от типа соединения, которым обусловлено изменение иммунной реактивности.

4. Структура анамнестической заболеваемости населения, подвергающегося пролонгированному воздействию неблагоприятных экологических факторов химической природы, характеризуется резко увеличенным представительством частых респираторных вирусных инфекций (более чем в 20 раз), рецидивирующего герпеса (более чем в 10 раз), аллергических заболеваний (более чем в 5 раз) и заболеваний ЛОР органов аллергического генеза (более чем в 4 раза), а ее уровень зависит от времени постоянного проживания в условиях загрязнения среды обитания.

-225. В условиях пролонгированного ксенобиотического воздействия, как проявление токсического процесса на системном и организменном уровнях, формируются разнонаправленные изменения отдельных показателей иммунной системы, приводящие к ее дезинтеграции с утратой большинства устойчивых межэлементных корреляционных связей и сопровождающиеся аллобиозом.

6. Достаточно информативным иммуноэпидемиологическим критерием для оценки проявлений токсического процесса на популяционном уровне является расчетная величина, определенная, как индекс дезинтеграции иммунной системы (ИДИС).

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

При выполнении иммуноэпидемиологических исследований у лиц, проживающих в условиях химического загрязнения рекомендовано:

1. На первом (скрининговом) этапе в амбулаторно-поликлинических условиях проводить: анкетный опрос с применением стандартной карты для выявления признаков или синдромов иммунологической недостаточности, клиническое исследование крови (с подсчетом лейкоцитарной формулы) и оценку индивидуальной чувствительности иммунной системы к приоритетным ксенобиотикам по уровню миграционной активности клеток (РТМЛ).

2. Лиц, по данным анкетного опроса имеющих выраженные клинические признаки ИН, патологический тип РТМЛ на стандартные митогены или токсиканты, или изменения 2-х и более скрининговых лабораторных показателей, направлять в специализированное лечебное учреждение для углубленной оценки состояния иммунной системы.

3. На заключительном этапе иммуноэпидемиологического мониторинга в качестве дополнительного экспертного критерия заключения о формировании токсического процесса на популяционном уровне необходимо использовать комплексную оценку состояния иммунной системы с расчетом величины «Индекса дезинтеграции иммунной системы» (ИДИС) по предложенной методике. Увеличение ИДИС более 40% свидетельствует о значительных нарушениях структурно-функциональной организации иммунной системы, и при наличии клинических проявлений иммунопатологии служит основанием для постановки вопроса о проведении иммунокоррекции.

4. Для раннего выявления признаков формирования токсического процесса на системном, организменном и популяционном уровнях необходимо более широкое внедрение скрининговых иммунологических методов в практику работы амбулаторно-поликлинического звена.

-235. Для оценки состояния иммунной системы людей, длительное время проживающих в условиях химического загрязнения, следует использовать предложенную модифицированную схему иммуноэпидемиологического мониторинга. Кратность обследований определяется индивидуально для каждой категории лиц (в зависимости от уровня загрязненности территории и спектра приоритетных токсикантов), но не реже 1 раза в год в период амбулаторно-поликлинического обследования.

6. Результаты диссертационного исследования могут быть использованы для совершенствования учебно-методического процесса при подготовке и усовершенствовании врачей различных специальностей (профпатологов, токсикологов, иммунологов и др.).

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Голубков A.B. Специфика формирования системы стандартизации санитарно-противоэпидемических (профилактических) мероприятий медицинской службы ВС РФ / A.B. Голубков, А.Е. Куликов // Военная профилактическая медицина. Проблемы и перспективы: труды 1-го съезда военных врачей медико-профилактического профиля ВС РФ. - СПб., 2002. - С. 155.

2. Цимбал Ф.А. Пупиллометрия как метод диагностики донозологического статуса в экстремальных ситуациях / Ф.А. Цимбал, М.В. Цимбал, A.C. Куприянов, A.B. Голубков, Н.В. Штейнберг // Донозология-2008. Методологические и методические проблемы изучения донозологического статуса в экстремальных условиях: материалы 4-ой международной научной конференции. - СПб., .2008. - С. 143-145.

3. Цимбал Ф.А. Комплексное применение методов пупиллометрии и определения активности холинэстераз для установления факта поражения токсичными химикатами антихолинэстеразного действия / Ф.А. Цимбал, A.C. Куприянов, A.B. Голубков, Н.В. Штейнберг // Вестник Санкт-Петербургской Государственной медицинской академии им. И.И. Мечникова. - 2008. - № 4 (29). -С. 106-109.

4. Петленко C.B. Иммунологические методы в проблеме обеспечения химической безопасности / C.B. Петленко, Е.Г. Богданова, М.Б. Иванов, A.B. Голубков // Химическая безопасность Российской Федерации в современных условиях (Сборник трудов Всероссийской научно-праю-ической конференции / под общей редакцией д.м.н., профессора В.Р. Рембовского и д.м.н. профессора A.C. Радилова). - СПб.: ООО «Издательство Фолиант», 2010. - С. 115-116.

M

5. Петленко C.B. Специфическая терапия нарушений иммунной системы, индуцированных профессиональным воздействием комплекса факторов предприятий по захоронению и уничтожению промышленных токсичных отходов / C.B. Петленко, Е.Г. Богданова, М.Б. Иванов, A.B. Голубков // Химическая безопасность Российской Федерации в современных условиях (Сборник трудов Всероссийской научно-практической конференции / под общей редакцией д.м.н., профессора В.Р. Рембовского и д.м.н. профессора A.C. Радилова). - СПб.: ООО «Издательство Фолиант», 2010. - С. 351-352.

6. Петленко C.B. Допрививочная иммунокоррекция детей, проживающих в санитарной защитной зоне предприятия по захоронению и уничтожению промышленных токсичных отходов / C.B. Петленко, Е.Г. Богданова, М.Б. Иванов, A.B. Голубков // Химическая безопасность Российской Федерации в современных условиях (Сборник трудов Всероссийской научно-практической конференции / под общей редакцией д.м.н., профессора В.Р. Рембовского и д.м.н. профессора A.C. Радилова). - СПб.: ООО «Издательство Фолиант», 2010. - С. 352-354.

7. Петленко C.B. Применение препарата «Тимоген» для профилактики нарушений иммунной системы у сотрудников химически опасных предприятий / C.B. Петленко, Е.Г. Богданова, М.Б. Иванов, A.B. Голубков // Достижения науки и практики в обеспечении санитарно-эпидемиологического благополучия ВС РФ: труды 3-го съезда военных врачей медико-профилактического профиля ВС РФ. -СПб., 2010.-С. 247-248.

8. Петленко C.B. Новый подход к интегральной оценке иммунной системы человека в условиях воздействия комплекса факторов химически опасных объектов / C.B. Петленко, С.П. Лось, М.Б. Иванов, Е.Г. Богданова, A.B. Голубков, С.Б. Комнатный, Л.В. Пикалова // Medline.ru. - 2010. - Т.11 (ст. 17). — С. 195-216.- Режим доступа: http//www.medline.ru, свободный.

9. Голубков A.B. Методология иммуноэпидемиологических исследований при профессиональном и экологическом воздействии факторов химической опасности / A.B. Голубков, C.B. Петленко, М.Б. Иванов, Е.Г. Богданова, Д.А. Синячкин, Л.В. Пикалова // Medline.ru. - 2011. - Т.12 (ст. 3). - С. 21-31 - Режим доступа: http//www.medline.ru, свободный.

Подписано в печать 25.05.11 Формат 60x84/16

Обьем 1 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 407

Типография BMA, 194044, СПб., ул. Академика Лебедева, 6.

Актуальность работы: В соответствии с Постановлением Правительства. Российской Федерации от 29 января 2007 г. N 54 о федеральной целевой программе "Национальная технологическая, база!1 на 2007 - 2011 годы" необходимо обеспечить технологическое развитие отечественной промышленности на основе создания и внедрения прорывных ресурсосберегающих, экологически безопасных промышленных технологий для производства конкурентоспособной наукоемкой продукции. Основными задачами программы, являются* создание новых передовых технологий и оборудования, необходимого для их реализации, а также методик и моделей, позволяющих подтвердить эффективность разработанных технологий. К частным задачам можно отнести дальнейшее повышение точности, надежности и долговечности механизмов, приборов и машин, продление ресурса эксплуатации систем и оборудования; увеличение ресурса двигателей и т.д.

Роторные системы, как правило, составляют основу основ двигателей, машин и механизмов. Виброактивность снижает точностные характеристики функций, выполняемых роторной системой, и качество работы механизма в целом, а также влияет на надежность системы, ресурс ее работы.

Виброактивность является результатом взаимодействия элементов роторной системы и во многом определяется их технологическими погрешностями изготов ления отдельных элементов. Надежность подшипников во многом зависит от точности изготовления элементов на стадии производства, от дефектов элементов, возникающих в процессе функционирования, а также от свойств материала, из которого изготовлены элементы подшипника. Неоднородность, физико-механических свойств материала колец подшипника в совокупности с неточностью их изготовления приводит к значительному повышению виброактивности роторной системы, увеличению динамических нагрузок и как следствие к снижению ресурса работы. В сложных многороторных системах неоднородность физико-механических свойств колец подшипника способствует возникновению зон интенсивного износа на дорожках качения отдельных опор качения и как следствие, к преждевременному выходу из строя этих систем. Наличие неоднородности физико-механических свойств колец подшипника способствует перемещению главных зон параметрического резонанса в рабочий диапазон частот вращения роторных систем, что отрицательно сказывается на износе опор качения и приводит их к разрушению.

Необходимо отметить, что в настоящее время практически отсутствуют методы контроля неоднородности упругих свойств колец, а также методики и модели расчета вибрации шарикоподшипников, алгоритмы прогнозирования технического состояния роторных систем, содержащих опоры качения, с учетом неоднородности физико-механических свойств материала их элементов. В связи с этим разработка методов контроля физико-механических свойств опор качения, а также методик, алгоритмов и моделей расчета виброактивности роторных систем с учетом этих свойств приобретает большую актуальность.

Настоящая диссертационная1 работа отличается от защищенных ранее тем, что в ней впервые разработан вибрационный метод контроля физико-механических свойств материала элементов опор качения роторных систем, расчет вибрации и прогнозирование ресурса роторных систем проводится' с учетом фактора неоднородности физико-механических свойств элементов опор качения.

Цель шзадачи исследований. Целью данной диссертационной работы является разработка вибрационного метода контроля неоднородности физико-механических свойств материалов опор качения, алгоритма и модели расчета собственной вибрации с учетом размерных и физико-механических свойств материала их элементов для повышения ресурса работы роторных систем.

Достижение поставленной цели связано с решением следующих основных задач:

1. Разработка математической модели расчета гармоник вынуждающих сил, вибрационных характеристик шарикоподшипника, обусловленных неоднородностью физико-механических свойств материалов тел качения, а также макрогеометрией колец шарикоподшипника и разноразмерностью шариков.

2. Исследование влияния физико-механических свойств материалов шарикоподшипниковых опор роторных систем на их вибрационные характеристики.

3. Исследование влияния макрогеометрии колец и неоднородности физико-механических свойств материалов шарикоподшипниковых опор роторных систем на возникновение резонансных режимов с целью их исключения.

4. Исследование влияния неоднородности физико-механических свойств поверхностей тел качения шарикоподшипниковых опор роторных систем на возникновение областей интенсивного износа подшипников с целью их исключения.

5. Разработка вибрационного метода контроля физико-механических свойств материала элементов шарикоподшипников.

6. Разработка методики прогнозирования ресурса работы роторных систем с учетом физико-механических свойств материала опор качения.

7. Проведение экспериментальных исследований с целью подтверждения адекватности разработанного метода.

Методы. исследования. В основе разработанного метода контроля физико-механических свойств элементов опор качения лежат аналитические выражения теории упругости. Основным методом исследования, примененным в-данной работе, является метод математического моделирования. Анализ пространственных перемещений колец шарикоподшипника и ротора системы, проводился с помощью методов теоретической-механики, теории упругости и прикладной матема-.тики (метод дифференциальных уравнений, метод матриц,, метод последовательных приближений). При анализе резонансных режимов и для-исключения вибрации использованы, положения теории устойчивости. При исследовании влияния различных факторов на вибрацию шарикоподшипников были применены методы планирования экспериментов. Математический аппарат моделирования вибрации базируется на теории нелинейных систем, матричной алгебре и численных методах вычисления.

Научная новизна представляемой диссертационной работы заключается в следующем:

1) Разработанная математическая- модель расчета спектральных характеристик изменения- жесткостей, возмущающих сил, вибрации шарикоподшипников с учетом неоднородности свойств материала и макрогеометрии его элементов позволяет анализировать вибрацию шарикоподшипника и роторной системы на стадии проектирования, оценивать динамические нагрузки, износ и ресурс работы.

2) Установлено, что неоднородность физико-механических свойств материала рабочей поверхности шарикоподшипников способствует как расширению спектра вибрации (появлению высокочастотных составляющих), так и увеличению общего уровня виброактивности.

3) Теоретически доказано, что именно неоднородность упругих свойств материала колец шарикоподшипника способствует увеличению числа и расширению зон параметрического резонанса роторных систем, увеличивает вероятность попадания рабочих режимов в зоны неустойчивости и может вызывать повышенный износ элементов качения и снижение ресурса работы.

4) Установлено, что в многороторных системах неоднородность физико-механических свойств материала шарикоподшипниковых опор способствует возникновению областей интенсивного износа.

5) Разработан алгоритм и методика расчета вибрации шарикоподшипника с учетом неоднородности конкретных характеристик материала и размерных параметров его элементов.

6) Впервые введен параметр £ количественной оценки степени неоднородности физико-механических свойств материалов шарикоподшипника.

На защиту выносятся следующие положения:

1) Вибрационный метод контроля неоднородности физико-механических свойств материала элементов шарикоподшипника.

2) Математическая модель, расчета спектральных характеристик изменения; жесткостей, возмущающих сил, вибрации шарикоподшипников, учитывающая физико-механические свойства материала,- макрогеометрйю колец,. разноразмерность шариков; режимы работы и условия;нагружения;

3) Механизм возникновения областей интенсивного износа в опорах качения многороторных систем при наличии неоднородности физико-механических свойств материала элементов шарикоподшипников.

4) Методики расчета вибрации шарикоподшипников и прогнозирования ресурса работы роторных систем, в основе которой лежит модель расчета вибрации опор качения.

5) Программное обеспечение, позволяющее проводить расчет собственной вибрации шарикоподшипников с учетом неоднородности физико-механических свойств материала шарикоподшипников, макрогеометрии колец, режимов работы и условий нагружения. Практическаященность работы:

1) Разработанный вибрационный: метод контроля физико-механических свойств материалов шарикоподшипников является эффективным инструментом для повышения ресурса работы опор качения. Использован в методике ЗАО «ВПЗ» по стендовым испытаниям М.В.9001.8.2.4.0027.070;

2) Разработанные алгоритмы и методики расчета вибраций и прогнозирования ресурса работы электродвигателей позволяют на этапе проектирования получать дополнительную информацию для расчета надежности подшипника с учетом параметров опор качения, включая физико-механические свойства, макрогеометрию элементов качения, а также режимы работы, и условия нагружения. Результаты использованы при выполнении научно-исследовательской работы. «Разработка программ, методик, технических средств для ускоренных испытаний и индивидуального прогнозирования ресурса бесконтактных электрических двигателей постоянного тока ДБ25-11-6»: отчет о НИР (заключительный)/Санкт-Петербургский гос. универ. аэрокосм, приборостр. (СПб ГУАП); рук. А.А.Ефимов; № ГР 01200805474; Инв. № 02200903268. СПб., 2008. 113 с.

3) Анализ механизма возникновения областей интенсивного износа позволяет ограничивать неоднородность физико-механических свойств шарикоподшипниковых опор многороторных систем для увеличения их жизненного цикла.

4) Разработано программное обеспечение, позволяющее проводить расчет собственной вибрации шарикоподшипников с учетом неоднородности физико-механических свойств и макрогеометрии элементов шарикоподшипников.

Реализация результатов работы:

1) Вибрационный, метод контроля позволяет оценивать степень неоднородности характеристик рабочей поверхности колец и формировать исходные данные для моделирования вибрации и для определения ресурса работы. Реализован в рабочей инструкции ЗАО «ВИЗ» по порядку контроля виброакустических характеристик подшипников качения И.В.9001.8.2.4.0087.416, в методике ЗАО «ВИЗ» по стендовым испытаниям М.В.9001.8.2.4'.0027.070.

2) На основе созданной математической модели разработана компьютерно-моделирующая система, которая позволяет:

- проводить исследования по оценке влияния физико-механических свойств, материалов и макрогеометрии элементов шарикоподшипников на спектральные характеристики вибрации при различных режимах на-гружения, а, следовательно, определить оптимизированные режимы его работы.

- снизить затраты времени и средств за счет предварительного моделирования работы проектируемой роторной системы,без организации натурных испытаний.

3) Компьютерно-моделирующая система внедрена в учебный процесс ГОУВ-ПО ГУАП для проведения цикла лабораторных работ «Исследование влияния различных параметров шарикоподшипников на их виброактивность», а также материал использован при чтении лекций по курсам «Проектирование средств контроля и диагностики», «Программное обеспечение средств контроля и диагностики»

4) Разработанная программа компьютерного моделирования используется в

ЗАО "Вологодский подшипниковый завод" (г.Вологда)

Апробация. Основные материалы работы были представлены, обсуждены и получили положительную оценку на:

• III Международном симпозиуме «Аэрокосмические приборные технологии», (2-4 июня 2004г., г. Санкт-Петербург);

• Четвертой международной конференции «Приборостроение в экологии и безопасности человека» (1-3 февраля 2004, ИТМО, г. Санкт-Петербург);

• Восьмой научной сессии ГУАП (11-15 апреля 2005 г., г. Санкт-Петербург);

• Научной сессии ГУАП (10-14 апреля 2006 г., г. Санкт-Петербург); 8

Завалишинские чтения "07" (9-13 апреля 2007 г., ГУАП, Санкт-Петербург);

• Завалишинские чтения "08" (7-14 апреля 2008 г., ГУАП, Санкт-Петербург);

Завалишинские чтения "09" (6-10 апреля*2009 г., ГУАП; Санкт-Петербург).

Завалишинские чтения "10" (16-20апреля 20010т., ГУАП, Санкт

Петербург).

Публикации.,По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных научных результатов диссертации на соискание ученой степени кандидата наук.

Структурами объем работы. Диссертационная-работа состоит из введения, четырех глав, иллюстрированных рисунками и таблицами, заключения, 2 приложений и списка литературы.

Выводы

Неоднородность физико-механических свойств создает благоприятные условия для формирования локальных дефектов контактирующих элементов шарикоподшипников за счет многократного изменения знака скорости вектора возмущающего воздействия и формирования зон интенсивного износа. В связи с большим количеством гармоник и сложностью определения фаз гармоник возмущения, вызванных неоднородностью, практически невозможно получить оптимальный вариант, для которого характерен равномерный износ контактирующих поверхностей. Поэтому необходимо стремиться к производству шарикоподшипников из однородных по своей структуре материалов.

3.5 Прогнозирование ресурса работы подшипников качения

Техническое состояние шарикоподшипников в работающем механизме определяется изменением вибрации лу, моментов трения Мтр, нагрузок 0>у и других параметров. Характер их изменения, а также ресурс работы подшипника определяется износом его рабочих элементов и смазки в зоне контакта. Изучение закономерностей износа и разрушения смазки позволяет прогнозировать изменение динамических характеристик подшипников и оценивать их параметрический ресурс.

При износе трущихся поверхностей изменяются их размеры. В результате исследований определены следующие факторы, влияющие на износ контактирующих поверхностей подшипников: динамические нагрузки в контактах; скорости проскальзывания трущихся поверхностей; состояния контактирующих поверхностей, характеризующиеся твердостью, шероховатостью, способом обработки, свойствами материала, толщиной и видом смазочного слоя. Износ контактирующих поверхностей, состояние которых одинаково, возрастает с увеличением нагрузки С> и скорости проскальзывания о. В работах /83,85/ показано, что уравнение износа трущихся поверхностей (узлов трения-УТ) можно представить в виде = I0{t,Q, и),

3.34) где г - размер трущихся поверхностей; t - время.

Характер изменения размеров элементов подшипников во времени показан на рисунке 3.5.1 [94]. Весь период работы элементов можно разбить на три временных интервала I — III: приработки, равномерного и ускоренного износа. Первый и третий интервалы являются сравнительно кратковременными и характеризуются увеличенной скоростью износа /0 (рисунок 3.5.2) [94]. Период равномерного износа соответствует нормальной эксплуатации, при этом параметр /о практически не зависит от времени, что позволяет представить уравнение (3.34) следующим образом:

3.35) т шо где I = - приведенное значение скорости износа или интенсивности износа. О I U

II

III t

Рисунок 3.5.1 - Изменение износа элементов подшипника во времени у2>У. р2, У2 г, V, о

Рисунок 3.5.2 - Зависимость интенсивности износа от времени наработки

Определим нагрузку действующую в зоне контакта рабочих элементов подшипников. Распределение давления в зонах непосредственного контактирования рабочих поверхностей элементов определяется выражением [14,42] где Р (ф) - стационарное давление;

Р(ф, х, 1:) - давление, обусловленное относительными вибрационными перемещениями рабочих элементов подшипников;

Р(\|/ч, г, V) — давление, обусловленное дефектами формы и локальными дефектами рабочих поверхностей подшипников;

Ртах(ф) - максимально достижимое давление в стационарных условиях; \|/ч - угловое положение рабочего элемента подшипника (Я - номер элемента).

Стационарное давление Р(ф) характеризует статическую нагрузку Рст(ф) на подшипник. Статическая нагрузка определяется:

Р (ф, У|/ф х, И) = Р(ф) + Р(ф, х, 0 + Р(фч> г, 1) - Ртах(ф), (3.36) где Мр - масса ротора, кг; = 9,81 м/с - ускорение свободного падения;

О - дисбаланс ротора, кг м; со — угловая скорость ротора, рад/с.

Давление, обусловленное относительными вибрационными перемещениями элементов подшипников, характеризует вибрационную нагрузку Рв„бР (х, 0, которая определяется[38]: где хь О, - амплитуда и частота ( = 2л£) [ -ой составляющей амплитудно-частотного спектра вибрации УТ.

Виброперемещения, могут быть определены теоретически или экспериментально. Теоретически виброперемещения определяются путем решения системы уравнений гдеМк, Мр - матрицы, характеризующие инерционное свойство соответственно корпуса и ротора изделия, содержащего подшипники; Хк, Хр — векторы виброперемещений корпуса и ротора; в, С — матрицы, соответственно,* демпфирующих и жесткостных параметров изделия;

ДХ) — вектор возмущающих сил.

Экспеиментальное определение виброперемещений в подшипнике производится^ использованием виброизмерительной аппаратуры. При этом вибрация*измеряется на корпусе изделия, содержащего исследуемый подшипник.

Максимально достижимое давление в стационарных условиях определяет величину максимальной несущей способности N смазки, которая может быть определена как теоретически, так и экспериментально.

Величина N определяет режим работы подшипника. Если N > Рст+Рвибр — контакт между рабочими поверхностями элементов отсутствует, при №<Рст+Рвибр происходит прорыв смазочного слоя, начинается контактирование рабочих поверхностей.

Весь ресурс работы подшипника можно разделить на три периода: работа в гидродинамическом режиме, контактно-гидродинамическом и контактном. Первый режим работы характеризуется отсутствием контакта между рабочими поверхностями элементов и является наиболее предпочтительным для функционирования. В этом режиме несущая способность смазки уравновешивает динамическую нагрузку на подшипник. Второй режим характеризуется периодическими

3.38)

МкХ* + 0(Хк - Хр) + С(Хк - Хр) = т МрХр - О(Хк - Хр) - С(Хк - Хр) = -т

3.39) прорывами смазочного слоя, обусловленными тем, что при определенных угловых положениях элемента подшипника динамическая нагрузка на превышает максимальную несущую способность, которую может обеспечить смазочный слой. Чаще всего, в эксплуатационных условиях подшипники работают именно в этом режиме, хотя- он является менее предпочтительным, чем гидродинамический. Третий, контактный режим работы- характеризуется прорывом смазочного слоя-и наличием контакта между рабочими поверхностями элементов и не обеспечивает требуемый ресурс их работы.

Процесс контактирования оценивается функцией [92]

Прорывы смазочного слоя, как следует из формулы (3.40), происходят в момент времени, когда динамическая нагрузка на подшипник, определяющаяся суммой статической и вибрационной нагрузок, превышает несущую способность смазочного слоя. Рассмотрим эти силы.

Изменениями статической* нагрузки, происходящими', например, в результате флуктуаций угловой-скорости вращения изделия, содержащего подшипники, можно пренебречь, и тогда Рст = const. В течение некоторого достаточно продолжительного времени функционирования подшипника величина несущей способности его смазочного слоя остается практически постоянной: TVs const.

Вибрационная нагрузка.на подшипник в течение некоторого времени работы изделия характеризуется постоянным действующим (эффективным) значением Рвибр> однако по своей природе вибрационная нагрузка зависит от величин рабочих зазоров, макрогеометрии колец, локальных дефектов колец, формирующихся со временем в силу неоднородной структуры материала.

При Рст + Рвибр < N в момент времени t*, когда вибрационная нагрузка достиА гает своих максимальных (пиковых) значений Peu6p(t ), таких, что А *

Рст + Рвибр {t ) > N, будут происходить прорывы смазочного слоя подшипника. Динамическая нагрузка в зоне прорыва смазочного слоя, определяется пиковым значением[41]:

Длительность действий этой нагрузки определяется длительностью контактирования рабочих поверхностей элементов УТ, которая оценивается функцией контактирования

Арст+Рвибр ~n}=< приРст+Рвибр > N; 0 приРст+Рвибр <N. (з.40)

Q{t*) = Pcm +Peu6p{t*)-N.

3.41) т е- — , Т где т - суммарная длительность контактирования за период наблюдения; Т- период наблюдения.

Численное значение функции, контактирования' определяется экспериментально с помощью устройства диагностики параметров »контактирования / 92 / по соответствующей методике и лежит в пределах 0 < е < 1.

Эффективное значение пиковой динамической нагрузки на подшипник в зоне прорыва смазочного слоя определяется как [37]: I д 271 А л б = {[Рст + Рвибр (Ф) - Щ-е [Рсе + Рвибр (ф) -Щ-с1ч> о и практически может быть рассчитано по формуле

Л Л б = [Рст+Рвибр-ЛПе, (3.42) где функция контактирования е определяется экспериментально с помощью устройства диагностики параметров контактирования в установившемся режиме работы УТ и осредняется во времени в связи с периодическим характером контактирования.

При Рст + Ршбр > N смазочный слой в УТ прорывается, контактиронвание его элементов становится практически постоянным. Однако и в этом,случае возможно е<1 , что наблюдается в моменты времени, когда вибрационная нагрузка

Л Л принимает свои минимальные значения Рвибр такие, что Рст + Рвибр > N. При Рст + Рвибр > N расчет эффективного значения пиковой динамической нагрузки также осуществляется по формуле (3.42), т.е. по наихудшему возможному случаю, что в итоге дает запас в определении прогноза ресурса работы подшипника по их износу.

Касание контактирующих тел, когда при отсутствии внешней прижимающей силы (0=0) соприкосновения тел происходит в одной точке, называется точечным контактом. При точечном контакте площадка контакта представляет собой эллипс, большая /а/ и малая /Ь/ полуоси которого могут быть рассчитаны по формулам [75] а = па 3

21Р, и

-!—(.-г.

Е\ Е2 у

О ; (3.43) ь = "Ьъ\

Г1-Е?, 1-вг

Ел Е~,

V 1 2 у

Я, (3,44) где па, пь - параметры, зависящие от кривизны поверхностей элементов подшипника и определяемые, например, по таблице 3.1 справочника [75]; ^Рц ~ сумма м главных кривизн соприкасающихся тел в начальной точке касания; Ех,Е2,£1,г2 модули упругости и коэффициенты Пуассона контактирующих тел.

Распределение давления' р на эллиптической площадке контакта определяется по формуле [90]

Р = Рол11-1- -\=г > (3-45)

Л2 Г \2 Х'у а Ъ у где ро - давление в центре площадки контакта; хь х2 - координаты произвольной точки эллиптической площадки контакта (ось XI направлена по большой оси эллипса, ось Хг по малой).

Давление р0 в центре площадки максимально и рассчитывается по формуле

Ро=Щ, (3-46) I где 8=тгаЬ- площадь контакта.

Предложим, что износостойкость материалов рабочих элементов УТ различна и изнашивается менее твердое тело, причем лунка износа представляет собой полуэллипсоид вращения. Полуосями этого эллипсоида является: а, Ь, Аг, где а , Ъ рассчитывается по формулам (3.43, 3.44)), а А г представляет собой максимальную глубину лунки износа менее твердого тела УТ.

Тогда объем V продукта износа можно рассчитать как объем полуэллипсоида вращения по формуле

У=% жаЪ Аг (3.47)

Перейдя в формуле (3.2) к приращениям и выразив из формулы (3.47) изменение глубины Аг лунки износа через объем удаленного за время At материала, получим выражение для интенсивности износа[41] ЗУ 1

2тгаЪ А ОМ

3.48) где б определяется по формуле (3.42),

А1 - интервал времени, за который произошло увеличение глубины износа на величину Аг.

Как следует из формулы (3.48), для определения интенсивности износа материалов УТ необходимо наличие данных об объеме удаленного, материала; потребовавшегося для этого времени, модулях упругости и коэффициентах Пуассона контактирующих тел, кривизне соприкасающихся поверхностей^ статической нагрузке на УТ, амплитудно-частотном спектре вибрации УТ, несущей способности смазочного слоя и функции контактирования.

По известной интенсивности? установившегося износа материала, имея информацию о количестве продуктов: износа;, поступивших в смазку за известное время АЬ действия: известных динамических нагрузок; можно; рассчитать изменение геометрических параметров узла трения, произошедшее за время Д1:. Порядок расчета представлен в методиках диагностики и прогнозирования.

Изменение геометрических параметров УТ, обусловленное их износом влечет за собой увеличение собственной вибрации изделия, смещение его центра масс и увеличение трения в опорах, что ведет к уменьшению точности изделия и снижение-ресурса работы;

Алгоритм^ прогнозирования ресурса работы узлов трения, а значит и роторной системы, в* целом представлен на рисунке 3.5.3 [41 ]. Алгоритм4 позволяет определять параметрический ресурс^ то есть диапазон времени, в течение которого макрогеометрия опор качения не превышает порогового значения (Приложение Б). Он включает в себя разработанные математические модели расчета деформаций,, жесткостных характеристик, возмущающих сил и вибрации (Приложение А)

Рисунок 3.5.3 - Алгоритм прогнозирования ресурса работы шарикоподшипника

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

4.1 Описание и анализ конструкции установки для оценки неоднородности упругих свойств колец подшипников.

Для проведения экспериментальных исследований по определению неоднородности физико-механических свойств (упругих свойств) зоны контакта на рабочих поверхностях колец подшипников, как одну из важнейших физико-механических характеристик, был создан макет экспериментального прибора на базе Р-123 (прибор контроля радиального зазора подшипников).

В основе оценки упругих свойств лежало измерение перемещения шарика при изменении нагрузки на величину АР. Это перемещение пропорционально деформации в точках контакта кольца с шариком. Нагрузки Р0 и АР выбирались исходя из действующих осевых нагрузок. Конструкция прибора для проведения исследований приведена на рисунке 4.1.1 [45].

Работа прибора заключается в следующем. .На оправку 1 устанавливается кольцо 2 (внутреннее), которое закрепляется путем поджатия шайбы 3 гайкой 4. В контакт с измеряемой точкой кольца подводится шарик 5 посредством' рычага 6, неподвижно соединенного со штангой 7, которая передает на шарик от грузов через систему рычагов начальную нагрузку Р0. Измерительная система 8, представляющая собой индуктивный датчик перемещения ПКТ-01 с электронным блоком Микрон-02, имеющий точность измерения 0.01 мкм, определяет положение шарика относительно прибора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований разработан метод контроля неоднородности физико-механических свойств колец шарикоподшипников, решена научно-техническая задача разработки математической« модели расчета вибрации шарикоподшипников и прогнозирования их технического состояния в составе роторных систем различной степени сложности с учетом этих свойств.

К основным выводам работы можно отнести следующие:

1. Разработанный вибрационный метод контроля неоднородности физико-механических свойств материала элементов шарикоподшипника, позволяет оценивать неоднородность упругих свойств колец шарикоподшипников на стадии опытного производства.

2. Разработанная математическая модель расчета спектральных характеристик изменения жесткостей, возмущающих сил, вибрации шарикоподшипников позволяет анализировать виброактивность роторной системы на стадии проектирования, оценивать динамические нагрузки, износ опор качения и ресурс работы.

3. Разработанные методика, алгоритм и программное обеспечение расчета вибрации шарикоподшипника базируется на полученной модели и позволяет проводить расчеты виброактивности с учетом неоднородности физико-механических свойств материала его элементов, точности изготовления, режимов работы и условий нагружения.

4. Разработанная методика прогнозирования ресурса работы электродвигателей позволяет ограничивать параметры неоднородности физико-механических свойств материала рабочих поверхностей шарикоподшипников, учитывать макрогеометрию колец, режимы работы и условия нагружения для достижения заданного ресурса.

5. Существенная неоднородность физико-механических свойств материала опор качения приводит к возникновению областей интенсивного износа и значительному росту числа зон параметрического резонанса, их расширению и перекрытию при увеличении степени неоднородности, а также способствует перемещению их в рабочий диапазон частот вращения роторной системы.