Производственная вибрация и ее воздействие на человека

Характеристики вибрации. Вибрация – это совокупность механических колебаний, простейший вид которых – гармонические. Вибрацию вызывают неуравновешенные силовые воздействия, возникающие при работе различных машин и механизмов. Примером таких устройств могут служить ручные перфораторы, кривошипно-шатунные механизмы, детали которых совершают возвратно-поступательные движения. Вибрацию создают неуравновешенные вращающиеся механизмы (электродрели, ручные шлифовальные машины, металлообрабатывающие станки, вентиляторы), а также устройства, в которых движущиеся детали совершают ударные воздействия (зубчатые передачи, подшипники). В промышленности используются также специальные вибрационные установки, в частности, при уплотнении бетонных смесей, при дроблении, измельчении и сортировке сыпучих материалов, при разгрузке транспортных средств и в других случаях.

Вибрации могут наблюдаться и городской среде и жилых зданиях от технологического оборудования ударного действия, рельсового и тяжелого транспорта, строительных машин. Вибрации распространяются по грунту. Протяженность зоны воздействия вибраций определяется величиной их затухания в грунте, которая составляет примерно 1 дБ/м. Чаще всего на расстоянии 50...60м от магистралей рельсового транспорта вибрации затухают. Зоны действия вибраций в районе кузнечно-прессовых цехов, оснащенных молотами с облегченными фундаментами, значительно больше и иметь радиус до 200 м. Значительные вибрации и шум в жилых зданиях могут создавать расположенные в них технические устройства (насосы, лифты, трансформаторы, мусоропроводы).

Основные параметры вибрации: частота и амплитуда колебаний. Колеблющаяся с определенной частотой и амплитудой точка движется с непрерывно меняющимися скоростью и ускорением: они максимальны в момент ее прохождения через исходное положение покоя и снижаются до нуля в крайних позициях. Поэтому колебательное движение характеризуется также скоростью и ускорением, представляющими собой производные от амплитуды и частоты. Причем органы чувств человека воспринимают не мгновенное значение параметров вибрации, а действующее.

Действующее значение колебательной скорости, м/с, определяют как среднее квадратичное мгновенных значений скорости за время усреднения Т.

(49)

Простейший вид вибрации – гармонические (синусоидальные) колебания, описываемые уравнением:

х = А  sin w t , (50)

где А – амплитуда колебаний, м;

w – циклическая частота колебаний, Гц;

t – время колебаний, с.

Основным признаком механических колебаний является повторяемость процесса движения через определенный промежуток времени. Минимальный интервал времени повторяемости движения тела называют периодом колебаний (Т) и обратную ему величину – частотой колебаний (f). Эти величины взаимно обратны:

f = 1 / T (51)

Таким образом, частота колебаний определяет число колебаний, произошедших за 1 с.

Для характеристики колебаний используют также циклическую частоту (w, Гц), которая определяется как число колебаний, происходящих за 2  с. Между обычной и циклической частотами существует следующая связь:

w = 2  f (52)

Циклическая частота и период колебаний связаны следующим соотношением:

w = 2 / T (53)

Если вибрации имеют несинусоидальный характер, то их можно представить в виде суммы синусоидальных (гармонических) составляющих с помощью разложения в ряд Фурье.

Значения виброскорости и виброускорения для различных источников изменяются в очень широких пределах, поэтому пользуются их логарифмическими характеристиками. Так, логарифмический уровень виброскорости определяется по формуле

(54)

где L – уровень виброскорости, дБ; V – среднее квадратичное значение виброскорости, м/с; V₀ – опорное значение виброскорости, принимается равным 510^-8 м/с.

Аналогично логарифмический уровень виброускорения определяется выражением

(55)

где L_а – уровень виброускорения, дБ; а – среднее квадратичное значение виброускорения, м/с²; а₀ – опорное значение ускорения колебаний, принимается равным 1  10^-6 м/с².

Классификация вибрации. Воздействие вибрации на человека- оператора классифицируется: по способу передачи вибрации на человека; по направлению действия вибрации; по времени действия; по частоте колебаний; по характеру спектра.

Вибрация по способу передачи на человека подразделяется на общую и локальную.

Общая вибрация передаётся на тело сидящего или стоящего человека через опорные поверхности, локальная – через ручной инструмент.

Общую вибрацию по источнику её возникновения подразделяют на следующие категории.

Категория 1 – транспортная вибрация, воздействующая на оператора на рабочих местах при движении машин;

Категория 2 – транспортно-технологическая вибрация, воздействующая на человека-оператора на рабочих местах машин (при совмещении движения с технологическим процессом);

Категория 3а – технологическая вибрация, воздействующая на оператора на рабочих местах стационарных машин или передающаяся на рабочие места, не имеющие источников вибрации;

Категория 3б – вибрация на рабочих местах работников умственного труда и персонала, не занимающегося физическим трудом.

Локальная вибрация по источнику возникновения подразделяется на: передающуюся от ручных машин с двигателями, от органов управления машин и оборудования; передающуюся от ручных инструментов без двигателей и обрабатываемых деталей.

По направлению действия вибрацию подразделяют в соответствии с направлением осей ортогональной системы координат. Для общей вибрации ось Х расположена в направлении от спины к груди человека, ось  - от правого плеча к левому, ось  - вертикально вдоль туловища. Для локальной вибрации ось  направлена вдоль ручного инструмента, а оси Х и  - перпендикулярно к ней.

По времени действия вибрацию подразделяют на постоянную и непостоянную. Постоянная – для которой контролируемый параметр изменяется не более чем в 2 раза (на 6 дБ) за время наблюдения; непостоянная – для которой контролируемые параметры изменяются более чем в 2 раза (на 6 дБ) за время наблюдения не менее 10 минут при измерении с постоянной времени 1 с.

Непостоянная вибрация, в свою очередь, подразделяется на:

• колеблющуюся во времени, для которой уровень виброскорости непрерывно изменяется во времени;

• прерывистую, когда контакт оператора с вибрацией в процессе работы прерывается, причём длительность интервалов, в течение которых имеет место контакт, составляет более 1 с;

• импульсную, состоящую из одного или нескольких вибрационных воздействий (например, ударов), каждое длительностью менее 1 с.

По частоте колебаний вибрацию подразделяют на низкочастотную (1 – 4 Гц для общей, 8 –16 Гц для локальной вибрации), среднечастотную (8-16 Гц для общей, 31,5 – 63 Гц для локальной вибрации), высокочастотную (31,5 – 63 Гц для общей, 125-1000 Гц для локальной вибрации).

По характеру спектра вибрация может быть узко- и широкополосная.

Воздействие вибрации на организм человека. При воздействии вибрации на организм человека важную роль играют анализаторы ЦНС – вестибюлярный, кожный и др. Длительное воздействие вибрации ведет к развитию профессиональной вибрационной болезни. Вибрация, воздействуя на машинный компонент системы «человек – машина», снижает производительность технических установок и точность считываемых показаний приборов, вызывает разрушение конструкций и т.д. Рассматривая человека как сложную динамическую структуру с изменяющимися во времени параметрами, можно выделить частоты, вызывающие резкий рост амплитуды колебаний как всего тела в целом, так и отдельных его органов. При вибрации ниже 2 Гц, действующей на человека вдоль позвоночника, тело движется как единое целое. Резонансные частоты мало зависят от индивидуальных особенностей людей, так как основной подсистемой, реагирующей на колебания, являются органы брюшной полости, вибрирующие в одной фазе. Резонанс внутренних органов наступает при частоте 3 – 3,5 Гц, а при 4 – 9 Гц они смещаются (для тела человека 6 – 9 Гц, головы – 6 Гц, желудка 8 Гц).

Если вибрация действует в горизонтальной плоскости по оси, перпендикулярной позвоночнику, то резонансная частота тела (около 1,5 Гц) обусловлена сгибанием позвоночника и жесткостью тазобедренных суставов. Область резонанса для головы сидящего человека соответствует 20-30 Гц. В этом диапазоне амплитуда виброускорения головы может втрое превышать амплитуду колебаний плеч. Качество зрительного восприятия предметов значительно ухудшается при частоте вибрации 60-90 Гц, что соответствует резонансу глазных яблок.

Производственная вибрация, характеризующаяся значительной амплитудой и продолжительностью действия, вызывает у работающих раздражительность, бессонницу, головную боль, ноющие боли в руках людей, работающих с вибрирующим инструментом. При длительном воздействии вибрации перестраивается костная ткань: на рентгенограммах можно заметить полосы, похожие на следы перелома: участки наибольшего напряжения, где размягчаетсякостнаяткань. Возрастает проницаемость мелких кровеносных сосудов, нарушается нервная регуляция, изменяется чувствительность кожи. При работе с ручным механизированным инструментом может возникнуть акроасфиксия (симптом мертвых пальцев) – потеря чувствительности, побеление пальцев, кистей рук.

При воздействии общей вибрации более выражены изменения со стороны центральной нервной системы: появляются головокружения, шум в ушах, ухудшение памяти, нарушение координации движений, вестибюлярные расстройства, похудение.

Методы снижения вредного воздействия вибрации. Основными методами защиты от вибрации являются:

• снижение вибрации в источнике ее возникновения;

• уменьшение параметров вибрации на пути ее распространения.

Для снижения вибрации в источнике возникновения необходимо уменьшить действующие в системе переменные силы. Это достигается заменой динамических технологических процессов статическими: ковку и штамповку – прессованием; пневматическую клепку – сваркой и т.д. Эффект дает также тщательная балансировка вращающихся механизмов, а также применение специальных редукторов с низким уровнем вибрации. Так как вибрационное возбуждение в источнике полностью устранить не удается, то возникает необходимость виброзащиты самого объекта. Ее осуществляют следующими методами:

• изменяют конструкцию, в частности, смещают основные собственные частоты ее, при которых возможно возникновение резонанса, что достигается увеличением жесткости системы (за счет введения дополнительных ребер жесткости) или ее массы (например, усиление фундамента);

• присоединяют к объекту упругое подвешенное тело — динамический гаситель, воспринимающий вибрацию основного объекта (динамическое гашение вибрации);

• применяют демпфирование, достигаемое как за счет внутреннего поглощения энергии в материале и конструкции (нанесение слоя упруговязких материалов или применение двухслойных материалов типа сталь — алюминий), так и присоединением специальных демпферов (динамическое поглощение);

• между источником возбуждения колебаний и объектом устанавливают упругие элементы — пружины, резинометаллические виброизоляторы, прокладки из резины и т. п. (виброизоляция).

Перечисленные методы виброзащиты относятся к пассивным. Активным методом является искусственное возбуждение вибрации в противоположном направлении с основными колебаниями, возникающими в конструкции, с целью создания эффективного противодействия им. Такое виброгашение имеет смысл при наличии одной фиксированной или подавляющей другие частоты колебаний и строгом соблюдении условия противофазности.

Для индивидуальной защиты от вибрации работающих обеспечивают специальной обувью и рукавицами с упругодемпфирующими элементами. Большое профилактическое значение имеют ванночки для рук и ног, массаж, ультрафиолетовое облучение, производственная гимнастика. Снизить вредное влияние вибрации помогает оптимальное чередование периодов труда и отдыха. Время работы, связанной с вибрацией, снижают в процентном отношении к общему времени смены по мере превышения допустимых значений виброскорости в октавных полосах частот относительно санитарных норм. Кроме того, необходимо предусмотреть регламентированные перерывы продолжительностью 20 мин в первой половине смены и 30 мин во второй. Все работающие с виброисточниками должны проходить предварительный и периодические (не реже одного раза в год) медицинские осмотры. Для усиления сопротивляемости организма в отношении вредного действия вибрации работающим дают витамины.

Нормирование вибрации осуществляют по ГОСТ 12.1.012-90 «Вибрационная безопасность. Общие требования» и по СН 2.2.4/2.1.8.566-96 «Производственная вибрация, вибрация в помещениях жилых и общественных зданий».

При частотном (спектральном) анализе нормируемыми параметрами являются средние квадратичные значения виброскорости и виброускорения или их логарифмические уровни, измеряемые в 1/1 и 1/3 октавных полосах.

Нормируемый диапазон частот устанавливается:

• для локальной вибрации в виде октавных полос со среднегеометрическими частотами: 8; 16; 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000 Гц;

• для общей вибрации в виде октавных или 1/3 октавных полосах со среднегеометрическими частотами: 0,8; 1; 1,25; 1,6; 2; 2,5; 3,15; 4; 5; 6,3; 8; 10; 12,5; 16; 20; 25; 31,5; 40; 50; 63; 80 Гц