Вибрация

5. Вибрация

Вибрация как фактор производственной среды встречается в металлообрабатывающей, горнодобывающей, металлургической, машиностроительной, строительной, авиа- и судостроительной промышленности, в сельском хозяйстве, на транспорте и многих других отраслях народного хозяйства. Она используется в ряде технологических процессов: при виброуплотнении, формовании, прессовании, вибрационной интенсификации механической обработки материалов, вибрационном бурении, рыхлении, резании горных пород и грунтов, вибротранспортировке и т.п. Вибрацией сопровождается работа передвижных и стационарных механизмов и агрегатов, в основу действия которых положено вращательное или возвратно-поступательное движение.

5.1. Характеристика основных параметров вибрации

Вибрация представляет собой механическое колебательное движение, простейшим видом которого является гармоническое (синусоидальное) колебание.

Основные параметры синусоидального колебания: частота в герцах (1 кол./с); амплитуда вибросмещения А (м); виброскорость V (м/с); виброускорение 
а (м/с²) или в долях ускорения силы тяжести g = 9,81 (м/с²). Время, в течение которого колеблющееся тело совершает одно полное колебание, называется периодом колебания Т (с). Для синусоидальных колебаний скорость V и ускорение а определяются по формулам:

V= 2p fА; а = (2p f )²A,                                           (5.1)

где p – 3,14;  f – частота, Гц;  А  –  амплитуда колебаний, м.

Относительные уровни виброскорости L_n и виброускорения L_а выражаются в децибелах и определяются по формулам:

Рекомендуемые материалы

     дБ,  дБ,                       (5.2)

где 5×10^–8 (м/с) – это нулевой уровень колебательной скорости  V₀, соответ-
ствующий среднеквадратичной колебательной скорости при стандартном пороге звукового давления, равном 2×10^–5 Н/м²;  1×10^–6 (м/с²) – нулевой уровень колебательного ускорения а₀.

Величина колебательной энергии, поглощенной телом человека Q, прямо пропорциональна площади контакта, времени воздействия и интенсивности  раздражителя:

Q =I× S ×T,                                                        (5.3)

где I – интенсивность вибрации, кгм/м²×с; S – площадь контакта, м²; T – длительность воздействия, с.

Интенсивность вибрации, а следовательно, колебательная энергия прямо пропорциональны квадрату колебательной скорости:

I = V² (Z/S),                                                              (5.4)

где V – среднеквадратичное значение колебательной скорости, м/с; Z/S – мо-дуль входного удельного механического импеданса (сопротивления) в зоне контакта, кг/с×м³.

Механический импеданс определяется как отношение амплитуды колебательной силы к амплитуде результирующей колебательной скорости в точке приложения этой силы.

В общем случае любая физическая величина, характеризующая вибрацию (например, виброскорость), является некоторой функцией времени: V = V(t). Математическая теория показывает, что такой процесс можно представить в виде суммы бесконечно длящихся синусоидальных колебаний с различными периодами и амплитудами. В случае периодического процесса частоты этих составляющих кратны основной частоте процесса: f_n = nf₁ (n = 1, 2, 3, ... ;  f₁ – основная частота процесса).

Амплитуды гармоник определяют по известным формулам разложения в ряд Фурье. Если же процесс не имеет определенного периода (случайные или кратковременные одиночные процессы), то число таких синусоидальных составляющих становится бесконечно большим, а их частоты распределяются непрерывным образом, при этом амплитуды определяют разложением по формуле интеграла Фурье.

Таким образом, спектр периодического или квазипериодического колебательного процесса является дискретным (рис. 5.1, а, б), а случайного или кратковременного одиночного процесса – непрерывным (рис. 5.1, в).

Рис. 5.1. Спектры виброакустических параметров

Чаще всего в дискретном спектре наиболее ярко выражена основная частота колебаний. Если процесс представляет собой сложение нескольких периодических процессов, частоты отдельных составляющих в его спектре могут быть не кратными друг другу, т.е. имеет место квазипериодический процесс (см. рис.5.1, б). Если процесс есть результат суммирования нескольких периодических и случайных процессов, спектр его является смешанным, т. е. изображается в виде непрерывного и дискретного спектров, наложенных друг на друга (рис. 5.1, г).

В силу специфических свойств органов чувств определяющими являются действующие значения параметров, характеризующих вибрацию. Так, действующее значение виброскорости есть среднеквадратичное мгновенных значений скорости V(t) за время усреднения Т_у, которое выбирают с учетом характера изменения виброскорости во времени:

                              (5.5)

Таким образом, для характеристики вибрации используют спектры действующих значений параметров или средних квадратов последних V² = u²_д. При оценке суммарного воздействия колебаний различных частот или отдельных источников следует иметь в виду, что при сложении некогерентных колебаний результирующую виброскорость (ускорение/смещение) находят соответствующим суммированием мощностей отдельных составляющих спектра (или отдельных источников) или, что одно и то же, суммированием средних квадратов виброскорости:

                  = V ²₁ + V ²₂ + ... + V ²_n,                                  (5.6)

где n – число составляющих в спектре.

В соответствии с этим результирующее действующее значение указанного параметра определяется выражением

.                                        (5.7)

Изображение непрерывного спектра требует обязательной оговорки о ширине Df элементарных частотных полос, к которым относится изображение. Если f₁ – нижняя граничная частота данной полосы частот, f₂ – верхняя граничная частота, то в качестве частоты, характеризующей полосу в целом, берется среднегеометрическая частота:

.                                                  (5.8)

В практике виброакустических исследований весь диапазон частот вибраций разбивают на октавные диапазоны. В октавном диапазоне верхняя граничная частота вдвое больше нижней f₂/f₁ = 2. Анализ и построение спектров параметров вибрации могут производиться также в третьоктавных (f₂/ f₁ =) полосах частот.

Среднегеометрические частоты октавных (третьоктавных) полос частот в виброакустике стандартизованы и составляют: 1; 2; 4; 16; 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000; 8000; 16000 (0,8; 1,0; 1,2 и т.д.) Гц.

В зависимости от характера контакта тела человека с источником производственной вибрации условно различают локальную (местную) и общую вибрацию (вибрация рабочих мест).

Вибрация, передаваемая преимущественно через руки работающего, определяется как локальная. Вибрация рабочего места (скамьи, пола, обрабатываемого изделия, на котором находится человек) определяется как общая
(рис. 5.2, а). В производственных условиях часто имеет место сочетание локальной и общей вибраций.

Смешанное воздействие с преобладанием местной вибрации возникает при работе ряда ручных машин, когда передача колебаний по телу осуществляется не только через верхние, но и через нижние конечности, грудь, спину и другие части тела в зависимости от рабочей позы и конструкции инструмента.

В других случаях преобладает общая вибрация, например, при формовке железобетонных изделий на виброплатформах с одновременным ручным разравниванием бетонной массы.

Локальную вибрацию подразделяют на действующую вдоль осей ортогональной системы координат Х_л, Y_л, Z_л, (рис.5.2, б), где ось Х_л параллельна оси места охвата источника вибрации (рукоятки, ложемента, рулевого колеса, рычага управления, удерживаемого в руках обрабатываемого изделия и т.п.), ось Y_л перпендикулярна ладони, а ось Z_л лежит в плоскости, образованной осью Х_л  и направлением подачи или приложения силы (или осью предплечья, когда сила не прикладывается).

По источнику возникновения общую вибрацию различают:

· общую вибрацию 1 категории – транспортную вибрацию, воздействующую на человека на рабочих местах самоходных и прицепных машин, транспортных средств при движении по местности, агрофонам и дорогам (в том числе при их строительстве). К источникам транспортной вибрации относят: тракторы сельскохозяйственные и промышленные, самоходные сельскохозяйственные машины (в том числе комбайны); автомобили грузовые (в том числе тягачи, скреперы, грейдеры, катки и т.д.); снегоочистители; самоходный горно-шахтный рельсовый транспорт;

Рис. 5.2. Направление координатных осей при действии вибрации: а – общей (положение стоя и сидя);  б – локальной (охват цилиндрических
                  и сферических поверхностей)

· общую вибрацию 2 категории – транспортно-технологическую вибрацию, воздействующую на человека на рабочих местах машин, перемещающихся по специально подготовленным поверхностям производственных помещений, промышленных площадок, горных выработок. К источникам транспортно-технологической вибрации относят: экскаваторы (в том числе роторные); краны промышленные и строительные; машины для загрузки (завалочные) мартеновских печей в металлургическом производстве; горные комбайны, шахтные погрузочные машины, самоходные бурильные каретки; путевые машины, бетоноукладчики, напольный производственный транспорт;

· общую вибрацию 3 категории – технологическую вибрацию, воздействующую на человека на рабочих местах стационарных машин или передающуюся на рабочие места, не имеющие источников вибрации. К источникам технологической вибрации относят: станки металло- и деревообрабатывающие; кузнечно-прессовое оборудование; литейные машины; электрические машины, стационарные электрические установки; насосные агрегаты и вентиляторы; оборудование для бурения скважин, буровые станки; машины для животноводства, очистки и сортировки зерна (в том числе сушилки); оборудование промышленности стройматериалов (кроме бетоноукладчиков); установки химической и нефтехимической промышленности и др.

Общую вибрацию категории 3 по месту действия для условий производства подразделяют на следующие типы:

а) на постоянных рабочих местах производственных помещений предприятий;

б) на рабочих местах на складах, в столовых, бытовых, дежурных и других производственных помещений, где нет машин, генерирующих вибрацию;

в) на рабочих местах в помещениях заводоуправления, конструкторских бюро, лабораторий, учебных пунктов, вычислительных центров, здравпунктов, конторских помещениях, рабочих комнатах и других помещениях для работников умственного труда.

При нормировании общую вибрацию определяют по направлению вдоль осей ортогональной системы координат Х_О, Y_О, Z_О  (рис. 5.2, а), где Х_О (от спины к груди) и Y_о (от правого плеча к левому) – горизонтальные оси, направленные параллельно опорным поверхностям; Z_О – вертикальная ось, перпендикулярная опорным поверхностям тела в местах его контакта с сиденьем, полом и т.п.

5.2. Действие вибрации на организм

Особенности воздействия производственной вибрации определяются частотным спектром и расположением в его пределах составляющих с максимальным уровнем энергии колебания. Местная вибрация малой интенсивности может оказывать благоприятное воздействие на организм человека, восстанавливая трофические изменения, улучшая функциональное состояние центральной нервной системы, ускоряя заживление ран и т. п. При увеличении интенсивности колебаний и длительности их воздействия возникают изменения, приводящие в ряде случаев к развитию профессиональной патологии – вибрационной болезни. Наибольший удельный вес (распространение) имеет патология, в этиопатогенезе которой существенную роль имеет местная (локальная) вибрация.

В производственных условиях ручные машины, вибрация которых имеет максимальные уровни энергии (максимальный уровень виброскорости) в полосах низких частот (до 35 Гц), вызывают вибрационную патологию с преимущественным поражением нервно-мышечного, опорно-двигательного аппаратов. При работе с ручными машинами, вибрация которых имеет максимальный уровень энергии в высокочастотной области спектра (выше 125 Гц), возникают главным образом сосудистые расстройства с наклонностью к спазму периферических сосудов. При воздействии вибрации низкой частоты заболевание возникает через 8–10 лет (формовщики, бурильщики с электросверлами), при воздействии высокочастотной вибрации – через 5 и менее лет (шлифовщики, рихтовщики).

Локальная вибрация широкого спектра преимущественно средне-высокочастотная (35...125 Гц и более) чаще с неравномерным распределением максимальных уровней по ширине спектра энергии и наличием импульсного удара (клепка, обрубка, бурение) вызывает различную степень сосудистых, нервно-мышечных, костно-суставных и других нарушений. Сроки развития патологии при воздействии подобной вибрации – от 3 до 8 лет.

Воздействие общей вибрации разных параметров вызывает различную степень выраженности изменений в центральной и вегетативных нервных системах, сердечно-сосудистой системе, обменных процессах, вестибулярном аппарате. 

Возникновение и развитие вибрационной болезни обусловлены сложным взаимодействием рефлекторно развивающихся изменений в деятельности различных отделов нервной системы. Большую роль в характере реакций организма играют сопутствующие факторы: микротравматизация, охлаждение, статическое мышечное усилие, пониженное атмосферное давление, производственный шум.

5.3. Гигиеническое нормирование вибрации

Гигиеническая оценка постоянной и непостоянной вибрации, воздействующей на человека, производится следующими методами [1, 2]:

· частотным (спектральным) анализом нормируемого параметра;

· интегральной оценкой по частоте нормируемого параметра;

· интегральной оценкой с учетом времени вибрационного воздействия по эквивалентному (по энергии) уровню нормируемого параметра.

Нормируемые параметры указываются для определенного диапазона частот:

· 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; 2,0; 2,5; 3,15; 4,0; 5,0; 6,3; 8,0; 10,0; 12,5; 16,0; 20,0; 25,0; 31,5; 40,0; 50,0; 63,0; 80,0 Гц.

При частотном (спектральном) анализе нормируемыми параметрами являются cредние квадратические значения виброскорости v и виброускорения а или их логарифмические уровни  L_v, L_a, измеряемые в 1/1 и 1/3 октавных полосах частот.

При интегральной оценке по частоте нормируемым параметром является корректированное значение виброскорости и виброускорения U или их логарифмические уровни L_U, измеряемые с помощью корректирующих фильтров или вычисляемые по формулам:

                                       (5.9)                      

или

,                          (5.10)

где  U_i, L_Ui – средние квадратические значения виброскорости или виброускорения (или их логарифмические уровни) в i-й частотной полосе;  n – число частотных полос (1/3 или 1/1 октав) в нормируемом частотном диапазоне; K_Ui, L_ki –  весовые коэффициенты для i-й частотной полосы соответственно для абсолютных значений или их логарифмических уровней, определяемые для локальных и для общих вибраций по таблицам, т.е. корректированный уровень вибрации – одночисловая характеристика вибрации, определяемая как результат энергетического суммирования уровней вибрации в октавных полосах частот с учетом октавных поправок.

При интегральной оценке вибрации с учетом времени ее воздействия по эквивалентному (по энергии) уровню нормируемым параметром является эквивалентное корректированное значение виброскорости или виброускорения U_экв или их логарифмический уровень L_Uэкв, измеренное или вычисленное по формулам:

                                                  (5.11)

или

L_Uэкв                                        (5.12)

где U_i – корректированное по частоте значение контролируемого параметра виброскорости (v, L_v), м/с, или виброускорения  (a, L_a), м/с²; t_i –  время действия вибрации, ч;

                                                       (5.13)

n – общее число интервалов действия вибрации.

Следовательно, эквивалентный (по энергии) корректированный уровень изменяющейся во времени вибрации – это корректированный уровень постоянной во времени вибрации, которая имеет такое же среднеквадратичное корректированное значение виброускорения и/или виброскорости, что и данная непостоянная вибрация в течение определенного интервала времени.

Доза вибрации D определяется по формуле

                                             (5.14)

где U  –  корректированное по частоте значение контролируемого параметра в момент времени t, м/с^–2 или м/с^–1; m – показатель эквивалентности физиологического воздействия вибрации, устанавливаемый санитарными нормами.

Предельно допустимые величины нормируемых параметров производственной локальной вибрации при длительности вибрационного воздействия
480 мин (8 ч) приведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1

· Предельно допустимые значения производственной локальной вибрации

·

Работа в условиях воздействия вибрации с уровнями, превышающими санитарные нормы более чем на 12 дБ (в 4 раза) по интегральной оценке или в какой-либо октавной полосе, не допускается.

Предельно допустимые величины нормируемых параметров вибрации рабочих мест при длительности вибрационного воздействия 480 мин (8 ч) для вибрации категории 1 (транспортной вибрации) приведены в табл. 5.2.

Таблица 5.2

· Предельно допустимые значения вибрации рабочих мест

· категории 1 (указаны только для виброускорения)

5.4. Профилактика вибропоражений

К организационно-техническим мероприятиям по профилактике вибропоражений относятся: замена операций, требующих применения ручных машин, автоматизацией процессов и их дистанционным управлением; максимальное применение прессовой и односторонней клепки взамен ударной; уменьшение удельного веса обрубных работ за счет внедрения точного литья, дробеструйной чистки литья, газопламенной резки и электроискровой и электрохимической обработки; применение самоходного оборудования с автоматическим управлением взамен ручного бурения; механизация процессов ручной формовки; дистанционное управление бетоноукладчиков и пр., а также планово-предупредительный ремонт и контроль за вибрационными параметрами.

Планово-предупредительный ремонт и контроль за вибрационными параметрами заключается в том, что ручные машины, находящиеся в эксплуатации, не реже чем 1 раз в 6 мес. должны проверяться на соответствие их вибрационных параметров паспортным данным. Все результаты контрольных измерений вибрации машины, отметки о ремонте и профилактике вносятся в специальный журнал и индивидуальный паспорт машины. Ручные машины должны быть индивидуально закреплены за работающими, храниться в специально отведенных местах, регулярно смазываться.

К техническим мероприятиям [3, 4] относится создание новых конструкций инструментов и машин, вибрация которых не должна выходить за пределы безопасной для человека, а усилие, прикладываемое руками работающего к ручной машине, должно быть в пределах 15...20 кг, создание клепальных, рубильных, отбойных, бурильных и других конструкций, в которых используются различные принципы виброзащиты: изменение внутреннего цикла работы молотков, выбор рациональных параметров ударного узла, применение различных демпфирующих приспособлений.

Для защиты левой руки от вибрации вставного инструмента применяются виброгасящие насадки из губчатой резины, пластмассы в комбинации с пружинными амортизаторами, подобные насадки используются и для защиты от вибрации рукояток шлифовальных машин. Уменьшения вибрации шлифовальных и других инструментов вращательного действия можно добиться тщательной регулярной балансировкой абразивных кругов и насадок, регулярной заменой кругов с нарушенными поверхностями, создающими дисбаланс.

Для уменьшения вибрации, передаваемой на рабочие места, применяются специальные амортизирующие сиденья, площадки с пассивной пружинной изоляцией, резиновые, поролоновые и другие виброгасящие настилы.

Расчет фундаментов и виброизоляционных средств на стадии проектирования является кардинальным средством снижения общей вибрации при установке мощных машин и агрегатов.

Гигиенические, лечебно-профилактические и правовые мероприятия.
В соответствии с рекомендациями к разработке положения о режиме труда работников виброопасных профессий общее время контакта с вибрирующими машинами, вибрация которых соответствует санитарной норме, на протяжении смены не должны превышать 2/3 длительности рабочего дня. Операции должны распределяться между работниками так, чтобы продолжительность непрерывного воздействия вибрации, включая микропаузы, не превышала 15–20 мин. Рекомендуются при этом два регламентированных перерыва (для активного отдыха, проведения производственной гимнастики по специальному комплексу, гидропроцедур): 20 мин (через 1–2 ч от начала смены) и 30 мин (через 2 ч после обеденного перерыва).

Лекция "12. Защита гражданского населения" также может быть Вам полезна.

Режим труда должен устанавливаться при показателе превышения вибрационной нагрузки на оператора не менее 1 дБ (в 1,12 раза), но не более 12 дБ
(в 4 раза).

При показателе превышения более 12 дБ (в 4 раза) запрещается проводить работы и применять машины, генерирующие такую вибрацию.

К работе с вибрирующими машинами и оборудованием допускаются лица не моложе 18 лет, получившие соответствующую квалификацию и сдавшие технический минимум по правилам безопасности выполнения работ. При приеме на работу они должны проходить предварительный медицинский осмотр, а в процессе работы – периодические осмотры не реже 1 раза в год в соответствии с приказом министра здравоохранения.

Работа с вибрирующим оборудованием, как правило, должна проводиться в отапливаемых помещениях с температурой воздуха не менее 16°С при влажности 40...60% и скорости движения не более 0,3 м/с. При невозможности создания подобных условий (работа на открытом воздухе, подземные работы и т. п.) для периодического обогрева должны быть предусмотрены специальные отапливаемые помещения с температурой воздуха не менее 22°С, относительной влажностью 40...60% и скоростью движения воздуха 0,3 м/с.

Для повышения защитных свойств организма, работоспособности и трудовой активности следует использовать специальные комплексы производственной гимнастики, витаминопрофилактику (два раза в год комплекс витаминов С, В; никотиновая кислота), спецпитание. Целесообразно проведение в середине или в конце рабочего дня 5–10-ти минутных гидропроцедур, сочетающих ванночки при температуре воды 38°С и самомассаж для верхних конечностей.

Средства индивидуальной защиты. В качестве индивидуальных средств защиты от вибрации применяются гасящие вибрацию рукавицы и специальная обувь. В настоящее время требования к защитным рукавицам и обуви с применением упруго-демпфирующих материалов впервые регламентируются специальными ГОСТами. Стандартизируются эффективность гашения вибрации, толщина упруго-демпфирующего материала, преимущественная область применения и другие требования к защитным изделиям этого типа.